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Kurs:Elementare Algebra/3/Klausur mit Lösungen

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Aufgabe 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17
Punkte 3 3 2 5 4 3 3 2 2 3 3 6 7 8 5 2 1 62




Aufgabe (3 Punkte)

Definiere die folgenden (kursiv gedruckten) Begriffe.

  1. Die Ordnung einer endlichen Gruppe .
  2. Der Binomialkoeffizient .
  3. Eine Körpererweiterung.
  4. Ein Hauptideal in einem kommutativen Ring .
  5. Ein über einem Körper algebraisches Element einer - Algebra .
  6. Eine Fermatsche Primzahl.


Lösung

Definiere die folgenden (kursiv gedruckten) Begriffe.

  1. Die Ordnung einer endlichen Gruppe .
  2. Der Binomialkoeffizient .
  3. Eine Körpererweiterung.
  4. Ein Hauptideal in einem kommutativen Ring .
  5. Ein über einem Körper algebraisches Element einer - Algebra .
  6. Eine Fermatsche Primzahl.


Aufgabe (3 Punkte)

Formuliere die folgenden Sätze.

  1. Der Satz über die Lösbarkeit von Gleichungen in einer Gruppe .
  2. Das Lemma von Euklid für einen Hauptidealbereich.
  3. Der Satz über endliche Körpererweiterungen von .


Lösung

Formuliere die folgenden Sätze.

  1. Der Satz über die Lösbarkeit von Gleichungen in einer Gruppe .
  2. Das Lemma von Euklid für einen Hauptidealbereich.
  3. Der Satz über endliche Körpererweiterungen von .


Aufgabe (2 Punkte)

Es sei ein Integritätsbereich und der Polynomring über . Zeige, dass die Einheiten von genau die Einheiten von sind.


Lösung

Es sei eine Einheit. Dann gibt es ein mit und die gleiche Identität gilt auch im Polynomring. Also ist

Es sei nun

() eine Einheit in . Dann gibt es ein Polynom

() mit

Da ein Integritätsbereich ist, ist und das Produkt hat die Gestalt

Daher ist

und

das Polynom ist also eine konstante Einheit.


Aufgabe (5 (2+2+1) Punkte)

Es seien und sei .

a) Zeige, dass die beiden Polynome und Teiler des Polynoms sind.


b) Es sei . Ist stets ein Teiler von ?


c) Man gebe drei Primfaktoren von an.


Lösung

a) Es ist

und daher ist (und ebenso ) ein Teiler von .

b) Dies ist nicht der Fall. Für

ist

Das Polynom hat keine reelle Nullstelle und ist deshalb kein Vielfaches von . Daher ist kein Teiler von .

c) Da Teiler von sind, ergibt sich aus Teil a), dass und Teiler von sind. Daher sind Primteiler von .


Aufgabe (4 Punkte)

Finde im Polynomring ein irreduzibles Polynom vom Grad vier.


Lösung

Wir betrachten das Polynom

Da weder noch eine Nullstelle von sind, besitzt es keinen Linearfaktor. Die einzige verbleibende Faktorzerlegung wäre als ein Produkt von zwei irreduziblen Polynomen vom Grad zwei. Das einzige irreduzible Polynom vom Grad zwei ist . Wegen

ist irreduzibel.


Aufgabe (3 Punkte)

Zeige, dass im Polynomring über einem Körper das Ideal kein Hauptideal ist.


Lösung

Nehmen wir an, dass

mit einem Polynom ist. Dann ist insbesondere und . Betrachtet man die erste Gleichung als Gleichung in , so ergibt sich, dass zu assoziiert oder eine Einheit ist. Unter Berücksichtigung der zweiten Gleichung folgt, dass eine Einheit sein muss. In diesem Fall ist aber

da keine Linearkombination von und gleich ist.


Aufgabe (3 Punkte)

Es sei ein kommutativer Ring mit Elementen, wobei eine Primzahl sei. Zeige, dass ein Körper ist.


Lösung

Es sei , . Wir betrachten die von erzeugte additive Untergruppe von . Wegen handelt es sich nicht um die triviale Gruppe. Da nach dem Satz von Lagrange die Ordnung jeder Untergruppe die Gruppenordnung teilt und diese eine Primzahl ist, erzeugt schon ganz . Es gibt also insbesondere eine natürliche Zahl mit

Da jeder Ring die natürlichen Zahlen enthält, bedeutet dies, dass eine Einheit ist.


Aufgabe (2 Punkte)

Stifte einen surjektiven Gruppenhomomorphismus von der Gruppe der komplexen Zahlen ohne null in die multiplikative Gruppe der positiven reellen Zahlen .


Lösung

Wir betrachten die Abbildung

Für ist dabei

Für ist oder , sodass der Betrag positiv ist. Nach Lemma 3.15 (Elemente der Algebra (Osnabrück 2024-2025))  (4) gilt

daher liegt ein Gruppenhomomorphismus vor. Eine positive reelle Zahl wird auf selbst abgebildet, daher ist die Abbildung surjektiv.


Aufgabe (2 Punkte)

Zeige, dass es in der Restklassengruppe zu jedem Elemente gibt, deren Ordnung gleich ist.


Lösung

Wir betrachten die Restklasse zum Stammbruch . Es ist

da ja zu gehört. Für

ist hingegen

eine rationale Zahl, die keine ganze Zahl ist. Also ist

und somit ist die Ordnung von .


Aufgabe (3 Punkte)

Bestimme in das Inverse von ( bezeichnet die Restklasse von ).


Lösung

Wir machen Division mit Rest von durch . Das ergibt

Also ist

und daher ist das Inverse von gegeben durch


Aufgabe (3 Punkte)

Beweise den kleinen Satz von Fermat.


Lösung

Ist nicht durch teilbar, so definiert ein Element in der Einheitengruppe ; diese Gruppe hat die Ordnung , und nach dem Satz von Lagrange gilt . Durch Multiplikation mit ergibt sich die Behauptung. Für Vielfache von gilt die Aussage ebenso, da dann beidseitig steht.


Aufgabe (6 (1+1+2+2) Punkte)

In dieser Aufgabe geht es um den Restklassenring .

a) Schreibe als Produktring (im Sinne des chinesischen Restsatzes).

b) Wie viele Einheiten besitzt ?

c) Schreibe das Element in komponentenweiser Darstellung. Begründe, warum es sich um eine Einheit handelt und finde das Inverse in komponentenweiser Darstellung.

d) Berechne die Ordnung von in .


Lösung

a) Es ist

daher ist

b) Nach der Formel für die eulersche -Funktion ist die Anzahl der Einheiten gleich

c) Die Reste von modulo und sind

Da jede Komponente teilerfremd zu den zugehörigen Modulozahlen sind, handelt sich es sich insgesamt um eine Einheit. Das Inverse ist

d) Zur Berechnung der Ordnung von modulo schreiben wir

Die Ordnung in der ersten und der dritten Komponente ist , die Ordnung in der zweiten Komponente ist wegen , gleich , da ja die Ordnung besitzt. Daher ist die Ordnung von gleich .


Aufgabe (7 (1+1+5) Punkte)

a) Zeige, dass irreduzibel in ist.

b) Zeige, dass irreduzibel in ist.

c) Bestimme die Partialbruchzerlegung von

in .


Lösung

a) Das Polynom besitzt für die Werte , ist also nullstellenfrei. Nach Lemma 6.9 (Elemente der Algebra (Osnabrück 2024-2025)) ist es somit irreduzibel.

b) Das Polynom besitzt für die Werte , ist also nullstellenfrei und damit wieder irreduzibel.

c) Wir machen den Ansatz

Durch Multiplikation mit dem Hauptnenner führt dies auf

Also ist

und

Wir schreiben

und

Einsetzen ergibt

und

Daher ist

und

was zu

also

führt. Damit ist

und

Die Partialbruchzerlegung ist also


Aufgabe (8 Punkte)

Es sei und betrachte die Körpererweiterung

Zeige, dass diese Körpererweiterung algebraisch ist und bestimme den Grad der Körpererweiterung, das Minimalpolynom von und das Inverse von . (Man darf dabei verwenden, dass irrationale Zahlen sind.)


Lösung

Wir behaupten zunächst, dass

ist. Als eine Kette von quadratischen Körpererweiterungen ist dann algebraisch. Dabei ist die Inklusion

klar. Es ist

Daraus ergibt sich

sodass also und damit auch links dazu gehören, was die andere Inklusion ergibt.

Wir betrachten die Körperkette

Dabei ist die Inklusion links echt, da

irrational ist, sodass links eine quadratische Körpererweiterung vorliegt. Aber auch die Inklusion rechts ist echt, denn andernfalls wäre

was zu führt. Bei ist das erneut im Widerspruch zur Irrationalität von . Bei ist das ein Widerspruch zur Irrationalität von . Bei ist das ein Widerspruch zur Irrationalität von .

Insgesamt liegt also eine Kette von quadratischen Körpererweiterungen vor, sodass aufgrund der Gradformel der Grad von gleich ist.

Zur Bestimmung des Minimalpolynoms von berechnen wir , das ist

Das Minimalpolynom ist gleich

Setzt man nämlich ein, so erhält man . Da den Körper erzeugt, muss das Minimalpolynom den Grad haben, sodass das Minimalpolynom ist.

Zur Bestimmung des Inversen gehen wir von aus. Daher ist das Inverse gleich


Aufgabe (5 Punkte)

Berechne die Schnittpunkte der beiden Kreise und , wobei den Mittelpunkt und den Radius und den Mittelpunkt und den Radius besitzt.


Lösung

Die Kreisgleichungen der beiden Kreise sind

und

Die Differenz der beiden Gleichungen ergibt

Also ist

Dies setzen wir in die erste Kreisgleichung ein und erhalten

Nach der Lösungsformel für eine quadratische Gleichung ist

Somit ist

und

Die Schnittpunkte sind also

und


Aufgabe (2 Punkte)

Es seien konstruierbare Zahlen. Bestimme, ob die Zahl

konstruierbar ist.


Lösung

Da rationale Zahlen konstruierbar sind, ist konstruierbar. Mit jeder konstruierbaren reellen Zahl ist auch die Quadratwurzel konstruierbar. Also sind konstruierbar. Da die Summe und das Produkt von konstruierbaren Zahlen wieder konstruierbar ist, sind auch und konstruierbar. Damit ist auch konstruierbar und damit ist die Summe dieser Ausdrücke konstruierbar.


Aufgabe (1 Punkt)

Finde die primitiven Einheitswurzeln in .


Lösung

und sind keine primitiven Einheitswurzeln, da ihre Ordnungen bzw. sind. Wegen

und

ist die Ordnung von und von gleich , d.h. dass und primitive Einheitswurzeln sind.