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Kurs:Algebraische Zahlentheorie (Osnabrück 2020-2021)/Vorlesung 18/latex

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\setcounter{section}{18}






\zwischenueberschrift{Verzweigungsverhalten}

Schon mehrfach haben wir das Wort \anfuehrung{Verzweigung}{} fallen lassen. Jetzt werden wir diesen Begriff verschiedene Präzisierungen und Charakterisierungen angeben.




\inputdefinition
{}
{

Zu einem injektiven \definitionsverweis {Ringhomomorphismus}{}{}
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{R }
{ \subseteq }{S }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} zwischen \definitionsverweis {diskreten Bewertungsringen}{}{} nennt man die \definitionsverweis {Ordnung}{}{} einer \definitionsverweis {Ortsuniformisierenden}{}{} von $R$ in $S$ die \definitionswort {Verzweigungsindex}{} der Erweiterung.

}

Statt Verzweigungsordnung sagt man auch \stichwort {Verzweigungsindex} {.} Bei einer Erweiterung von Dedekindbereichen \maabbdisp {\varphi} {R} {S } {} und Primidealen ${\mathfrak q}$ über ${\mathfrak p}$ nennt man die Verzweigungsordnung von \maabbdisp {} {R_{\mathfrak p}} {S_{\mathfrak q} } {} auch die Verzweigungsordnung von ${\mathfrak q}$ über ${\mathfrak p}$ oder einfach von ${\mathfrak q}$, da ja ${\mathfrak p}$ durch ${\mathfrak q}$ bestimmt ist. Wenn man von ${\mathfrak p}$ ausgeht, hängt im Allgemeinen die Verzweigungsordnung von den darüber liegenden Primidealen ab.




\inputdefinition
{}
{

Ein injektiver \definitionsverweis {Ringhomomorphismus}{}{}
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{R }
{ \subseteq }{S }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} zwischen \definitionsverweis {diskreten Bewertungsringen}{}{} heißt \definitionswort {verzweigt}{,} wenn seine \definitionsverweis {Verzweigungsordnung}{}{} $\geq 2$ ist.

}

Bei einer Erweiterung von Dedekindbereichen \maabb {\varphi} {R} {S } {} sagt man auch, dass ein Primideal ${\mathfrak q}$ aus $S$ verzweigt, wenn \maabbdisp {} {R_{\mathfrak p}} {S_{\mathfrak q} } {} mit
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ {\mathfrak p} }
{ = }{ R \cap {\mathfrak q} }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} verzweigt, und man sagt, dass ein Primideal ${\mathfrak p}$ von $R$ in $S$ verzweigt, wenn es darüber ein Primideal ${\mathfrak q}$ gibt, in dem Verzweigung stattfindet \zusatzklammer {es darf also auch noch Primideale darüber geben, in denen keine Verzweigung stattfindet} {} {.}





\inputfaktbeweis
{Dedekindbereich/Endliche Erweiterung/Verzweigungsordnung/Idealzerlegung/Diskreter Bewertungsring/Fakt}
{Lemma}
{}
{

\faktsituation {Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{R }
{ \subseteq }{S }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} eine \definitionsverweis {endliche Erweiterung}{}{} von \definitionsverweis {Dedekindbereichen}{}{} und es sei ${\mathfrak p}$ ein \definitionsverweis {Primideal}{}{} von $R$. Es sei
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ {\mathfrak p} S }
{ =} { {\mathfrak q}_1^{r_1} \cdots {\mathfrak q}_k^{r_k} }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} die Idealzerlegung des \definitionsverweis {Erweiterungsideales}{}{} ${\mathfrak p} S$ im Sinne von Satz 12.2.}
\faktfolgerung {Dann ist $r_j$ die \definitionsverweis {Verzweigungsordnung}{}{} von \maabbdisp {} {R_{\mathfrak p}} { S_{ {\mathfrak q}_j} } {.}}
\faktzusatz {Insbesondere findet über ${\mathfrak p}$ genau dann Verzweigung statt, wenn ein
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{r_j }
{ \geq }{2 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ist.}
\faktzusatz {}

}
{

Dies beruht darauf, dass ${\mathfrak p}$ in $S_{ {\mathfrak q}_j }$ die Ordnung $r_j$ besitzt, was auf Lemma 11.11  (1) beruht.

}





\inputbeispiel{}
{

Es sei $K$ ein \definitionsverweis {algebraisch abgeschlossener Körper}{}{.} Wir betrachten den \definitionsverweis {Ringhomomorphismus}{}{} \maabbeledisp {\varphi} {K[Y]} {K[X] } {Y} {X^n } {,} zu
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{n }
{ \geq }{2 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{,} der der Abbildung \maabbeledisp {} {K} {K } {x} {x^n = y } {} entspricht. Zu einem maximalen Ideal
\mathl{(X-a)}{} ist
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \varphi^{-1} (X-a) }
{ =} { (Y-a^n) }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{,} und oberhalb von
\mathl{(Y-b)}{} liegen die maximalen Ideale $(X-a)$ mit
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{a^n }
{ =} {b }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.} Dies ist die idealtheoretische Interpretation der $n$-ten Potenzierung. Insbesondere liegen die Ringhomomomorphismen \maabbeledisp {} { K[Y]_{(Y-b)} } { K[X]_{(X-a)} } {Y} {X^n } {} zwischen \definitionsverweis {diskreten Bewertungsringen}{}{} vor. Dabei wird die Ortsuniformisierende $(Y-b)$ auf
\mavergleichskettedisphandlinks
{\vergleichskettedisphandlinks
{ X^n-b }
{ =} { X^n-a^n }
{ =} { (X-a) ( X^{n-1} + X^{n-2} a^1 + \cdots + Xa^{n-2} +a^{n-1} ) }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} abgebildet. In dieser Produktdarstellung ist der linke Faktor die Ortsuniformisierende des zweiten Bewertungsringes. Der zweite Faktor wird, wenn man für $X$ die Zahl $a$ einsetzt, zu $na^{n-1}$. Wenn $n$ und $a$ beide Einheiten in $K$ sind, so ist dieser Faktor eine Einheit in
\mathl{K[X]_{(X-a)}}{} und daher ist die \definitionsverweis {Verzweigungsordnung}{}{} gleich $1$, es liegt also keine Verzweigung vor. Wenn hingegen $n$ keine Einheit ist, wenn also die \definitionsverweis {Charakteristik}{}{} von $K$ ein Teiler von $n$ ist, so liegt Verzweigung vor. Wenn
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{n }
{ = }{p }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} die positive Charakteristik ist, so ist
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{}
{ X^p-a^p }{}
{ }{}
{ }{}
{ }{}
} {}{}{} und die Verzweigungsordnung ist in jedem Punkt gleich $p$. Wenn
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{a }
{ = }{ 0 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ist, so ist die Verzweigungsordnung direkt gleich $n$ im Nullpunkt.


}






\zwischenueberschrift{Verzweigung und Ableitung}





\inputfaktbeweis
{Dedekindbereich/Monogene normale Erweiterung/Verzweigung/Ordnung/Charakterisierung/Fakt}
{Lemma}
{}
{

\faktsituation {Es seien $R,S$ \definitionsverweis {Dedekindbereiche}{}{} und es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{R }
{ \subseteq }{S }
{ = }{R[X]/(F) }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} eine \definitionsverweis {monogene}{}{} \definitionsverweis {endliche Ringerweiterung}{}{.} Es}
\faktfolgerung {Dann ist ein \definitionsverweis {Primideal}{}{} ${\mathfrak p}$ von $R$ mit \definitionsverweis {perfektem}{}{} \definitionsverweis {Restekörper}{}{} in $S$ genau dann \definitionsverweis {unverzweigt}{}{,} wenn \mathkor {} {F} {und} {F'} {} in
\mathl{\kappa ({\mathfrak p})[X]}{} teilerfremd sind.}
\faktzusatz {}
\faktzusatz {}

}
{

Es sei ${\mathfrak p}$ ein \definitionsverweis {maximales Ideal}{}{} von $R$ und
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ {\mathfrak p} S }
{ =} { {\mathfrak q}_1^{r_1} \cdots {\mathfrak q}_k^{r_k} }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} die Zerlegung des Erweiterungsideales ${\mathfrak p} S$ in Ideale, die es nach Satz 12.2 gibt. Das bedeutet insbesondere, dass die Ortsuniformisierende $p$ zu ${\mathfrak p}$ in $S_{ {\mathfrak q}_j }$ die \definitionsverweis {Ordnung}{}{} $r_j$ besitzt. Es liegt nach Lemma 18.3 genau dann \definitionsverweis {Verzweigung}{}{} vor, wenn
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{r_j }
{ \geq }{2 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} für mindestens ein $j$ gilt. Der \definitionsverweis {Faserring}{}{} ist unter Verwendung von Satz 12.8 gleich
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \kappa ({\mathfrak p} ) [X]/(F) }
{ =} { S/{\mathfrak p} S }
{ =} { S/ {\mathfrak q}_1^{r_1} \cdots {\mathfrak q}_k^{r_k} }
{ =} { S/ {\mathfrak q}_1^{r_1} \times \cdots \times S/ {\mathfrak q}_k^{r_k} }
{ } { }
} {}{}{.} Dieser Ring ist genau dann reduziert, wenn
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{r_j }
{ = }{1 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} für alle $j$ gilt. Deshalb folgt die Aussage aus Lemma Anhang 8.3.

}





\inputbeispiel{}
{

Es sei $D$ eine \definitionsverweis {quadratfreie}{}{} Zahl $\neq 0,1$ mit
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{D }
{ =} {2,3 \mod 4 }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} und $A_D$ der zugehörige \definitionsverweis {quadratische Zahlbereich}{}{,} der nach Satz 9.8 die Restklassenbeschreibung
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{A_D }
{ = }{ \Z[X]/(X^2-D) }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} besitzt. Die Ableitung von
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{F }
{ =} {X^2-D }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} ist
\mathl{2X}{} und somit ist, um das Verzweigungsverhalten zu verstehen, nach Lemma 18.5 das Ideal
\mathl{(2X,X^2-D)}{} zu betrachten. Wenn
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{p }
{ \neq }{2 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} und kein Teiler von $D$ ist, so ist dies über $\Z/(p)$ das Einheitsideal und es liegt keine Verzweigung vor. Wenn $p$ ein Teiler von $D$ oder
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{p }
{ = }{2 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ist, so liegt Verzweigung mit Verzweigungsordnung $2$ vor.

Bei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{D }
{ = }{ 1 \mod 4 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ist nach Satz 9.8
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{A_D }
{ = }{ \Z[Y]/(Y^2 - Y - { \frac{ D-1 }{ 4 } } ) }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} Die Ableitung ist
\mathl{2Y-1}{.} Oberhalb von
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{p }
{ = }{2 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} findet keine Verzweigung statt. Es sei also
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{p }
{ \neq }{2 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} Modulo $p$ ist
\mavergleichskettealignhandlinks
{\vergleichskettealignhandlinks
{ (Y^2 - Y - { \frac{ D-1 }{ 4 } }, 2Y-1 ) }
{ =} {(4Y^2 -4 Y - D+1, 2Y-1 ) }
{ =} { 1-2 -D+1 }
{ =} { D }
{ } { }
} {} {}{.} Deshalb liegt Verzweigung genau in den Primteilern von $D$ vor.


}





\inputfaktbeweis
{Polynomring/Algebraisch abgeschlossen/Polynom/Erweiterung/Ableitung/Verzweigung/Fakt}
{Korollar}
{}
{

\faktsituation {Es sei $K$ ein \definitionsverweis {algebraisch abgeschlossener Körper}{}{,}
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{P }
{ \in }{K[X] }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ein nichtkonstantes \definitionsverweis {Polynom}{}{} und \maabbeledisp {} {K[Y]} { K[X] \cong K[Y] [X]/(Y-P(X)) } {Y} { P(X) } {,} der zugehörige \definitionsverweis {Einsetzungshomomorphismus}{}{.}}
\faktfolgerung {Dann ist ein Primideal $(X-a)$ genau dann \definitionsverweis {verzweigt}{}{,} wenn
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{P'(a) }
{ = }{ 0 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ist, und über einem Primideal
\mathl{(Y-b)}{} liegt genau dann Verzweigung vor, wenn es ein
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{a }
{ \in }{K }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} mit
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{P(a) }
{ = }{b }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} und
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{P'(a) }
{ = }{ 0 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} gibt.}
\faktzusatz {}
\faktzusatz {}

}
{

Wir wenden Lemma 18.5 auf die endliche Erweiterung
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{K[Y] }
{ \subseteq }{ K[Y] [X]/(Y-P(X)) }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} an. Da $K$ algebraisch abgeschlossen ist, ist $K$ \definitionsverweis {vollkommen}{}{} und der Restekörper zu jedem maximalen Ideal ist gleich $K$. Verzweigung oberhalb von $(Y-b)$ ist also die Frage, ob \mathkor {} {F =Y-P(X)} {und} {F' = -P'(X)} {} im Restekörper teilerfremd sind. Dabei ist $Y$ als $b$ zu interpretieren, es geht also darum, ob \mathkor {} {P(X)-b} {und} {P'(X)} {} teilerfremd sind. Dies ist genau dann der Fall, wenn diese beiden Polynome keine gemeinsame Nullstelle in $K$ besitzen.

}





\inputbeispiel{}
{

Es sei $K$ ein \definitionsverweis {Körper}{}{} der \definitionsverweis {Charakteristik}{}{}
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{p }
{ > }{0 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} Wir betrachten die Ringerweiterung
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{K(t)[Y] }
{ \subseteq} { K(t) [Y] [X]/(X^p-t) }
{ =} { K(t) [X]/(X^p-t) [Y] }
{ \cong} { K(x) [Y] }
{ } { }
} {}{}{,} die Erweiterung spielt sich also im Wesentlichen im Grundkörper ab. Es ist
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ (X^p-t)' }
{ =} { pX^{p-1} }
{ =} { 0 }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{,} deshalb sind das beschreibende Polynom und seine Ableitung nirgendwo teilerfremd. Dennoch ist \maabbdisp {} {K(t)[Y]_{(Y)} } { K(x) [Y]_{(Y)} } {} \definitionsverweis {unverzweigt}{}{,} da $Y$ in beiden Ringen die Ortsuniformisierende ist. Dies zeigt auch, dass Lemma 18.5 ohne die Voraussetzung über die Perfektheit nicht gilt.


}





\inputfaktbeweis
{Dedekindbereich/Erweiterung/Separabel/Verzweigung/Endlich/Fakt}
{Satz}
{}
{

\faktsituation {Es sei $R$ ein \definitionsverweis {Dedekindbereich}{}{} mit \definitionsverweis {Quotientenkörper}{}{}
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{K }
{ = }{Q(R) }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{,} es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{K }
{ \subseteq }{L }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} eine \definitionsverweis {separable Körpererweiterung}{}{} und $S$ der \definitionsverweis {ganze Abschluss}{}{} von $R$ in $L$.}
\faktfolgerung {Dann gibt es nur endlich viele \definitionsverweis {Primideale}{}{} von $R$, über denen \definitionsverweis {Verzweigung}{}{} stattfindet.}
\faktzusatz {}
\faktzusatz {}

}
{

Es sei
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{L }
{ =} {K[x] }
{ =} {K[X]/(F) }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} mit einem normierten Polynom $F$, was es nach dem Satz vom primitiven Element gibt. Wir betrachten die endlichen Abbildungen
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{R }
{ \subseteq} {R[x] \cong R[X]/(F) }
{ \subseteq} {S }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} wobei $S$ die Normalisierung von $R[x]$ ist. Es sei
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{S }
{ =} { R[x] [ { \frac{ g_1 }{ f_1 } } , \ldots , { \frac{ g_n }{ f_n } } ] }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} mit
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{g_i,f_i }
{ \in }{ R[x] }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} und wobei wir
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{f_i }
{ \in }{R }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} annehmen dürfen. Sei
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{f }
{ =} { \prod f_i }
{ \neq} {0 }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.} Dann ist
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{R_f[x] }
{ =} { R[x]_f }
{ =} { S_f }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.} Das heißt, dass oberhalb von $R_f$ der Ganzheitsring durch ein Element erzeugt wird. Da es oberhalb von $(f)$ nur endlich viele Primideale in $R$ gibt, genügt es zu zeigen, dass in $D(f)$ nur endlich viele Primideale verzweigen. Wir können also
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{S }
{ =} {R[x] }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} als \definitionsverweis {monogen}{}{} annehmen. Wir betrachten das von \mathkor {} {F} {und} {F'} {} erzeugte Ideal in $R[X]$. Wegen der Separabilität der generischen Körpererweiterung erzeugen diese Polynome in $K[X]$ das Einheitsideal, was in $R[X]$ bedeutet, dass es Polynome $P,Q$ gibt mit
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{FP+F'Q }
{ =} {g }
{ \in} {R }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} mit
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{g }
{ \neq }{0 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} Dies heißt wiederum, dass in $R_g[X]$ die beiden Polynome das Einheitsideal erzeugen. Somit findet nach Lemma 18.5 auf $D(g)$ keine Verzweigung statt. Oberhalb von $g$ gibt es aber auch wieder nur endlich viele Primideale und die Primideale aus $D(g)$ verzweigen nicht.

}






\zwischenueberschrift{Verzweigung und Faserringe}

In Lemma 15.1 und Lemma 15.7 haben wir von der Reduziertheit der Faserringe auf die Normalität des \zusatzklammer {lokalisierten} {} {} Zahlbereiches geschlossen. Wir werden sehen, dass diese Reduziertheit direkt mit der Unverzweigtheit zusammenhängt und dass diese somit stärker als die Normalität ist.





\inputfaktbeweis
{Dedekindbereich/Endliche Erweiterung/Ordnungsverzweigt/Nichtreduziert/Fakt}
{Satz}
{}
{

\faktsituation {Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{R }
{ \subseteq }{S }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} eine \definitionsverweis {endliche Erweiterung}{}{} von \definitionsverweis {Dedekindbereichen}{}{} und es sei ${\mathfrak p}$ ein \definitionsverweis {Primideal}{}{} von $R$. Es sei
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ {\mathfrak p} S }
{ =} { {\mathfrak q}_1^{r_1} \cdots {\mathfrak q}_k^{r_k} }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} die Idealzerlegung des \definitionsverweis {Erweiterungsideales}{}{} ${\mathfrak p} S$ im Sinne von Korollar 12.3.}
\faktfolgerung {Dann ist ${\mathfrak p}$ in $S$ genau dann \definitionsverweis {verzweigt}{}{,} wenn der \definitionsverweis {Faserring}{}{} zu $S$ über ${\mathfrak p}$ nicht \definitionsverweis {reduziert}{}{} ist.}
\faktzusatz {}
\faktzusatz {}

}
{

Nach Satz 12.2 liegt in $S$ eine Produktzerlegung
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ {\mathfrak p} S }
{ =} { {\mathfrak q}_1^{r_1} \cdots {\mathfrak q}_k^{r_k} }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} vor und nach Satz 12.8 ist
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ S/ {\mathfrak p} S }
{ \cong} { S/ {\mathfrak q}_1^{r_1} \times \cdots \times S/ {\mathfrak q}_k^{r_k} }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.} Dieser Restklassenring, der der Faserring zu $S$ über ${\mathfrak p}$ ist, ist genau dann reduziert, wenn alle Exponenten $r_i$ gleich $1$ sind. Dies charakterisiert nach Lemma 18.3 auch die Unverzweigtheit.

}





\inputbeispiel{}
{

Es sei $p$ eine \definitionsverweis {Primzahl}{}{} und
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{R }
{ = }{\Z[X]/(X^p-p) }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} Für eine Primzahl
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{q }
{ \neq }{p }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ist der \definitionsverweis {Faserring}{}{} über $(q)$ gleich
\mathl{\Z/(q) [X]/(X^p-p)}{.} Da $p$ eine Einheit in $\Z/(q)$ ist, sind
\mathl{X^p-p}{} und die Ableitung
\mathl{pX^{p-1}}{} teilerfremd in $\Z/(q) [X ]$ und daher ist nach Korollar 15.2 $\Z_p [X]/(X^p-p)$ \definitionsverweis {normal}{}{} und die \definitionsverweis {Verzweigungsordnung}{}{} von \maabbdisp {} { \Z_{(q)}} { R_{\mathfrak q} } {,} wobei ${\mathfrak q}$ ein Primideal oberhalb von $(q)$ bezeichnet, ist gleich $1$. Für
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{q }
{ = }{p }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ist das einzige Primideal oberhalb von $(p)$ das Hauptideal $(X )$, die Verzweigungsordnung in $p$ ist gleich $p$. Deshalb ist insgesamt $R$ der \definitionsverweis {Zahlbereich}{}{} zu
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{\Q }
{ \subset }{\Q[X]/(X^p-p) }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{,} und er ist nur im Punkt $(p)$ verzweigt.


}




\inputbeispiel{}
{

Es seien $p,q$ verschiedene \definitionsverweis {Primzahlen}{}{} und
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{R }
{ = }{\Z[X]/(X^p-q) }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} Für eine Primzahl
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{r }
{ \neq }{p,q }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ist der \definitionsverweis {Faserring}{}{} über $(r)$ gleich
\mathl{\Z/(r) [X]/(X^p-q)}{.} Da $p$ und $q$ Einheiten in $\Z/(r)$ sind, gilt
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{(X^p-q ,pX^{p-1}) }
{ =} { (X^p-q ,X^{p-1}) }
{ =} { (q ,X^{p-1}) }
{ =} { (q) }
{ =} {1 }
} {}{}{} in
\mathl{\Z/(r) [X ]}{,} d.h.
\mathl{X^p-q}{} und die Ableitung
\mathl{pX^{p-1}}{} sind teilerfremd in $\Z/(r) [X ]$ und daher ist nach Korollar 15.2 $\Z_r [X]/(X^p-q)$ \definitionsverweis {normal}{}{} und die \definitionsverweis {Verzweigungsordnung}{}{} von \maabbdisp {} { \Z_{(r)}} { R_{\mathfrak r} } {,} wobei ${\mathfrak r}$ ein Primideal oberhalb von $(r)$ bezeichnet, ist gleich $1$.

Für
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{r }
{ = }{q }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ist das einzige Primideal oberhalb von $(q)$ das Hauptideal $(X )$, die Verzweigungsordnung in $q$ ist gleich $p$.

Für
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{r }
{ = }{p }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ist der Faserring gleich
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \Z/(p) [X]/(X^p-q) }
{ =} { \Z/(p) [X]/(X-q)^p }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.} Das einzige Primideal oberhalb von $(p)$ ist also $(X-q,p )$, was im Allgemeinen kein Hauptideal ist. Der Ring $R$ ist im Allgemeinen nicht der ganze Abschluss, wobei die Singularität oberhalb von $(p)$ liegt.


}






\zwischenueberschrift{Verzweigung und Diskriminante}

Die Faserringe zu einem Zahlbereich über einer Primzahl $p$ sind im Allgemeinen kein Körper, sie sind aber freie endlich erzeugte $\Z/(p)$-Algebren und daher ist dort auch die Spur und die Diskriminante \zusatzklammer {allerdings aber nur bis auf eine Einheit} {} {} definiert. Unter der \stichwort {Spurform} {} auf einer freien $K$-Algebra $A$ versteht man die symmetrische Bilinearform \maabbeledisp {} {A \times A} {K } {(x,y)} { \operatorname{Spur} { \left( xy \right) } } {.}





\inputfaktbeweis
{Vollkommener Körper/Endliche Algebra/Reduziert/Spur/Ausartung/Diskriminante/Fakt}
{Satz}
{}
{

\faktsituation {Es sei $K$ ein \definitionsverweis {vollkommener Körper}{}{} und $A$ eine endlichdimensionale $K$-\definitionsverweis {Algebra}{}{.}}
\faktuebergang {Dann sind folgende Aussagen äquivalent.}
\faktfolgerung {\aufzaehlungvier{$A$ ist \definitionsverweis {reduziert}{}{.} }{$A$ ist ein Produkt von Körpern. }{Die \definitionsverweis {Spurform}{}{} ist \definitionsverweis {nichtausgeartet}{}{.} }{Die \definitionsverweis {Diskriminante}{}{} zu einer $K$-Basis von $A$ ist ungleich $0$. }}
\faktzusatz {}
\faktzusatz {}

}
{

Die Äquivalenz von (1) und (2) ist klar aufgrund von Aufgabe 17.17. Es sei (2) erfüllt,
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{A }
{ = }{ L_1 \times \cdots \times L_r }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} Wegen der Voraussetzung vollkommen sind die Körpererweiterungen
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{K }
{ \subseteq }{L_j }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} \definitionsverweis {separabel}{}{.} Die Spur \maabb {} {A} {K } {} setzt sich zusammen aus der Summe der Spuren zu den Körpererweiterungen, da man von diesen jeweils Basen wählen kann und sich diese zu einer Gesamtbasis von $A$ zusammensetzen. Bezüglich einer solchen Basis sind die Multiplikationsmatrizen Diagonalblockmatrizen. Bei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{x }
{ \in }{A }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} von $0$ verschieden ist auch eine Komponente $x_j$ in einem Körper $L_j$ von $0$ verschieden. Im Körperfall ist die Spurform nichtausgeartet und daher gibt es
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{y_j }
{ \in }{L_j }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} \zusatzklammer {das wir in $A$ auffassen können} {} {} mit
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ S(x,y_j) }
{ = }{ S(x_j y_j) }
{ \neq }{ 0 }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} (3) und (4) sind äquivalent. Wenn die Spurform nicht ausgeartet ist, so besitzt die \definitionsverweis {Gramsche Matrix}{}{} davon eine von $0$ verschiedene Determinante, und umgekehrt, siehe [[Symmetrische Bilinearform/Nicht ausgeartet/Gramsche Matrix/Invertierbar/Aufgabe|Kurs:Lineare Algebra (Osnabrück 2024-2025)/Symmetrische Bilinearform/Nicht ausgeartet/Gramsche Matrix/Invertierbar/Aufgabe/Aufgabereferenznummer (Lineare Algebra (Osnabrück 2024-2025))]] bzw. Lemma 8.3.

Es sei nun $A$ nicht reduziert. Zu einem nilpotenten Element $f$ ist das Minimalpolynom gleich $X^m$ und damit ist auch das charakteristische Polynom gleich $X^n$, wobei $n$ den Grad der Erweiterung bezeichnet \zusatzklammer {für einen Körper $A$ wurde dies in Lemma 7.10 gezeigt, es gilt aber auch sonst} {} {.} Deshalb ist die Spur von $f$ nach Aufgabe 7.19 gleich $0$. Zu einem nilpotenten Element $f$ und einem beliebigen Element $x$ ist auch $fx$ nilpotent und daher ist, wenn es ein nichttriviales nilpotentes Element gibt, die Spurform ausgeartet.

}





\inputfaktbeweis
{Zahlbereich/Spur/Faserring/Fakt}
{Lemma}
{}
{

\faktsituation {Es sei $R$ ein \definitionsverweis {Zahlbereich}{}{,}
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{f }
{ \in }{R }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} und $p$ eine \definitionsverweis {Primzahl}{}{.}}
\faktfolgerung {Dann ist die \definitionsverweis {Spur}{}{} von $f$ modulo $p$ gleich der im \definitionsverweis {Faserring}{}{} $R/(p)$ über $\Z/(p)$ berechneten Spur von
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{\overline{f} }
{ \in }{R/(p) }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.}}
\faktzusatz {}
\faktzusatz {}

}
{

Nach Korollar 8.6 ist $R$ ein freier $\Z$-Modul, dessen Rang der Grad $n$ der zugrunde liegenden Körpererweiterung ist, und nach Korollar 8.8 ist der Faserring über $\Z/(p)$ eine $n$-\definitionsverweis {dimensionale}{}{} $\Z/(p)$-Algebra. In beiden Fällen kann man also die Spur über die Multiplikationsmatrix bezüglich einer Basis berechnen. Es sei eine $\Z$-Basis
\mathl{b_1 , \ldots , b_n}{} von $R$ fixiert. Eine $\Z$-Basis von $R$ wird modulo $p$ zu einer $\Z/(p)$-Basis von $R/(p)$, siehe den Beweis zu Korollar 8.8. In der Multiplikationsmatrix zu $f$ bezüglich
\mathl{b_1 , \ldots , b_n}{} stehen die ganzen Zahlen $c_{ij}$, die durch
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{fb_i }
{ =} { \sum_{j = 1}^n c_{ij}b_j }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} gegeben sind. Da \maabb {} {R} {R/(p) } {} ein Ringhomomorphismus ist, folgt
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{\overline{f}\overline{b}_i }
{ =} { \sum_{j = 1}^n \overline{c}_{ij} \overline{b}_j }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} und daher ist die Multiplikationsmatrix zu $\overline{f}$ bezüglich
\mathl{\overline{b}_1 , \ldots , \overline{b}_n}{} einfach die komponentenweise reduzierte Matrix. Deshalb ist insbesondere die Reduktion der Spur
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \operatorname{Spur} { \left( f \right) } }
{ =} { \sum_{i = 1}^n c_{ii} }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} gleich
\mathl{\sum_{i = 1}^n \overline{c}_{ii}}{,} also gleich der Spur der Reduktion.

}





\inputfaktbeweis
{Zahlbereich/Diskriminante/Nichtreduzierter Faserring/Fakt}
{Satz}
{}
{

\faktsituation {Es sei $R$ ein \definitionsverweis {Zahlbereich}{}{} mit \definitionsverweis {Diskriminante}{}{} $\triangle_R$. Es sei $p$ eine \definitionsverweis {Primzahl}{}{.}}
\faktfolgerung {Dann ist $p$ genau dann ein Teiler von $\triangle_R$, wenn der \definitionsverweis {Faserring}{}{} zu $R$ über $p$ nicht \definitionsverweis {reduziert}{}{} ist.}
\faktzusatz {}
\faktzusatz {}

}
{

Es sei
\mathl{b_1 , \ldots , b_n}{} eine \definitionsverweis {Ganzheitsbasis}{}{} von $R$. Die Matrix $M$ mit den Einträgen
\mathl{\operatorname{Spur} { \left( b_ib_j \right) }}{} ist die \definitionsverweis {Gramsche Matrix}{}{} der Spurform. Die Gramsche Matrix $M'$ der Spurform zu $R/(p)$ über $\Z/(p)$ bezüglich der $\Z/(p)$-Basis
\mathl{\overline{b}_1 , \ldots , \overline{b}_n}{} entsteht daraus nach Lemma 18.14 durch komponentenweise Reduktion. Da das Berechnen der Determinante mit beliebigen Ringwechseln verträglich ist, ist die Determinante von $M'$ gleich der Determinante von $M$ \zusatzklammer {also der Diskriminante von $R$} {} {} modulo $p$ genommen. Somit ist $p$ genau dann ein Teiler der Diskriminante von $R$, wenn die Diskriminante des Faserringes gleich $0$ ist. Dies ist nach Satz 18.13 äquivalent dazu, dass der Faserring nicht reduziert ist.

}