Kurs:Algebraische Zahlentheorie (Osnabrück 2020-2021)/Vorlesung 8

Aus Wikiversity
Zur Navigation springen Zur Suche springen



Die Diskriminante

Das Hauptziel dieser Vorlesung ist es, die Diskriminante einzuführen und damit zu zeigen, dass Zahlbereiche stets eine -Basis besitzen.


Definition  

Es sei eine endliche Körpererweiterung vom Grad und seien Elemente in . Dann wird die Diskriminante von durch

definiert.

Die Produkte , , sind dabei Elemente in , von denen man jeweils die Spur nimmt, die in liegt. Man erhält also eine quadratische -Matrix über . Deren Determinante ist nach Definition die Diskriminante. Im folgenden werden wir vor allem an der Diskriminante von speziellen Basen interessiert sein, so dass sich die Diskriminante als Invariante eines Zahlkörpers erweist.

Bei einem Basiswechsel verhält sich die Diskriminante wie folgt.



Lemma  

Es sei eine endliche Körpererweiterung vom Grad und seien und -Basen von . Der Basiswechsel werde durch mit der Übergangsmatrix beschrieben. Dann gilt für die Diskriminanten die Beziehung

Beweis  

Ausgeschrieben haben wir die Beziehungen . Damit gilt

Wir schreiben und . Wegen der -Linearität der Spur gilt

Wir schreiben diese Gleichung mit den Matrizen , und als

und die Behauptung folgt dann aus dem Determinantenmultiplikationssatz und Satz 17.5 (Lineare Algebra (Osnabrück 2017-2018)).


Bei einer endlichen Körpererweiterung in Charakteristik null ist die Spurabbildung nicht die Nullabbildung, siehe Lemma 8.8 (Körper- und Galoistheorie (Osnabrück 2018-2019))  (2). Daraus ergibt sich auch das folgende Resultat.


Lemma

Es sei eine separable endliche Körpererweiterung vom Grad und sei eine -Basis von . Dann ist



Satz  

Es sei eine endliche Körpererweiterung vom Grad und der zugehörige Zahlbereich. Sei ein von verschiedenes Ideal in . Es seien Elemente, die eine -Basis von bilden und für die der Betrag der Diskriminante

unter all diesen Basen aus minimal sei.

Dann ist

Beweis  

Zunächst sind wegen Korollar 7.11 die Spuren zu Elementen aus ganzzahlig und somit sind auch die in Frage stehenden Diskriminanten ganzzahlig. Man kann also die Diskriminanten bzw. ihre Beträge untereinander der Größe nach vergleichen.

Es sei ein beliebiges Element. Wir haben zu zeigen, dass sich als eine -Linearkombination mit schreiben lässt, wenn die eine -Basis von mit minimalem Diskriminantenbetrag bilden. Es gibt eine eindeutige Darstellung

mit rationalen Zahlen . Sei angenommen, dass ein nicht ganzzahlig ist, wobei wir annehmen dürfen. Wir schreiben dann mit und einer rationalen Zahl (echt) zwischen und . Dann ist auch

eine -Basis von , die in liegt. Die Übergangsmatrix der beiden Basen ist

Nach Lemma 8.2 gilt für die beiden Diskriminanten die Beziehung

Wegen und da die Diskriminanten nach Lemma 8.3 nicht sind, ist dies ein Widerspruch zur Minimalität der Diskriminante.




Korollar  

Es sei eine endliche Körpererweiterung vom Grad und der zugehörige Zahlbereich. Sei ein von verschiedenes Ideal in .

Dann ist eine freie abelsche Gruppe vom Rang ,

d.h. es gibt Elemente mit

wobei die Koeffizienten in einer Darstellung eines Elementes aus eindeutig bestimmt sind.

Beweis  

Nach Lemma 7.7 gibt es überhaupt Elemente , die eine -Basis von bilden. Daher gibt es auch solche Basen, wo der (ganzzahlige) Betrag der Diskriminante minimal ist. Für diese gilt nach Satz 8.4, dass sie ein -Erzeugendensystem von bilden. Die lineare Unabhängigkeit über sichert die Eindeutigkeit der Koeffizienten.




Korollar  

Es sei eine endliche Körpererweiterung vom Grad und der zugehörige Zahlbereich.

Dann ist eine freie abelsche Gruppe vom Rang ,

d.h. es gibt Elemente mit

derart, dass die Koeffizienten in einer Darstellung eines Elementes eindeutig bestimmt sind.

Beweis  

Dies folgt direkt aus Korollar 8.5, angewendet auf das Ideal .


Ein solches System von Erzeugern nennt man auch eine Ganzheitsbasis von . Insbesondere gibt es in einem Zahlbereich stets Ganzheitsbasen. Im Ring der Eisensteinzahlen ist keine Ganzheitsbasis, hingegen schon. Es ergibt sich ferner, dass man eine ganzzahlige Multiplikationsmatrix erhält, wenn man als Basis eine Ganzheitsbasis nimmt. Mit dieser kann man insbesondere die Spur und die Norm ausrechnen.


Definition  

Es sei der Zahlbereich zur endlichen Körpererweiterung . Dann nennt man die Diskriminante einer Ganzheitsbasis von die Diskriminante von (und die Diskriminante von ).

Die Diskriminante eines Zahlbereichs (oder eines Zahlkörpers) ist eine wohldefinierte ganze Zahl. Nach Definition ist die Diskriminante so gewählt, dass sie betragsmäßig minimal unter allen Diskriminanten zu -Basen aus ist. Zwei solche Diskriminanten unterscheiden sich um ein Quadrat einer Einheit aus , so dass auch das Vorzeichen wohldefiniert ist. Wir bezeichnen sie mit .

Die bisherigen Ergebnisse erlauben es, die Faserringe zu über einem Primideal zumindest anzahlmäßig zu verstehen. Es handelt sich um endliche Ringe mit Elementen. Insbesondere gibt es oberhalb von stets Primideale und zwar höchstens Stück.



Korollar  

Es sei eine endliche Körpererweiterung vom Grad und der zugehörige Zahlbereich. Es sei . Dann gibt es einen Gruppenisomorphismus

Für eine Primzahl ist eine Algebra der Dimension über dem Körper . Zu jeder Primzahl gibt es Primideale in mit .

Beweis  

Nach Korollar 8.6 ist (als abelsche Gruppen), wobei die Standardbasis der Ganzheitsbasis entsprechen möge. Das von in erzeugte Ideal besteht aus allen -Linearkombinationen der und somit entspricht das Ideal (unter dieser Identifizierung) der von erzeugten Untergruppe von . Die Restklassengruppe ist demnach gleich und besitzt Elemente. Aufgrund der Ganzheit ist nach Aufgabe 6.22 und aufgrund des Homomorphiesatzes hat man einen injektiven Ringhomomorphismus

so dass eine von verschiedene -Algebra ist.

Für eine Primzahl ist ein Vektorraum über der Dimension . Deshalb gibt es darin (mindestens) ein maximales Ideal, und dieses entspricht nach Aufgabe 3.16 einem maximalen Ideal in mit . Daher ist , und dieser Durchschnitt ist ein Primideal, also gleich .



Weitere Berechnungsmöglichkeiten



Lemma  

Es sei eine endliche Körpererweiterung vom Grad und es sei eine -Basis von . Es seien die verschiedenen Einbettungen in .

Dann ist

Beweis  

Nach Lemma 7.14 ist die Spur eines Elementes gleich der Summe . Für ein Produkt ist somit

Insbesondere ist

Somit ist

und daher nach Satz 17.4 (Lineare Algebra (Osnabrück 2017-2018))


Besonders wichtig ist der Fall, wenn die Basis eine Basis eines Ideals oder eine Ganzheitsbasis ist. In dieser Situation fixieren wir die folgende Sprechweise.


Definition  

Es sei ein Zahlbereich vom Grad und

die komplexe Gesamteinbettung. Es sei eine Ganzheitsbasis von . Dann nennt man die komplexe -Matrix

die komplexe Ganzheitsmatrix (zu dieser Basis).



Lemma  

Es sei eine endliche Körpererweiterung vom Grad und es sei derart, dass die Potenzen eine -Basis von bilden. Es seien die verschiedenen Einbettungen in .

Dann ist

Beweis  

Nach Lemma 8.9 ist die Diskriminante das Quadrat der Determinante der komplexen Matrix

Dies ist eine Vandermonde-Matrix und ihre Determinante ist gleich



<< | Kurs:Algebraische Zahlentheorie (Osnabrück 2020-2021) | >>

PDF-Version dieser Vorlesung

Arbeitsblatt zur Vorlesung (PDF)