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Kurs:Elemente der Algebra (Osnabrück 2024-2025)/Arbeitsblatt 15/latex

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\setcounter{section}{15}






\zwischenueberschrift{Übungsaufgaben}




\inputaufgabe
{}
{

Bestätige den kleinen Fermat direkt für die \definitionsverweis {Primzahlen}{}{}
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ p }
{ = }{ 2,3,5,7,11 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.}

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Bestimme die multiplikative \definitionsverweis {Ordnung}{}{} aller \definitionsverweis {Einheiten}{}{} im \definitionsverweis {Restklassenkörper}{}{} $\Z/(7)$.

}
{} {}




\inputaufgabegibtloesung
{}
{

Berechne
\mathl{3^{1457}}{} in
\mathl{{\mathbb Z}/(13)}{.}

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Finde einen \definitionsverweis {Restklassenring}{}{} $\Z/(n)$ derart, dass die \definitionsverweis {Einheitengruppe}{}{} davon nicht \definitionsverweis {zyklisch}{}{} ist.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Konstruiere \definitionsverweis {endliche Körper}{}{} mit
\mathl{4,8,9,16,25,27,32}{} und $49$ Elementen.

}
{} {}




\inputaufgabegibtloesung
{}
{

Es sei $p$ eine Primzahl und sei
\mathl{f(x)}{} ein Polynom mit Koeffizienten in
\mathl{\Z/(p)}{} vom Grad
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ d }
{ \geq }{ p }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} Zeige, dass es ein Polynom $g(x)$ mit einem Grad $< p$ derart gibt, dass für alle Elemente
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ a }
{ \in }{ \Z/(p) }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} die Gleichheit
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ f(a) }
{ =} { g(a) }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} gilt.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ f(x) }
{ = }{ x^7+2x^3 +3x+4 }
{ \in }{ { \left( \Z/(5) \right) } [x] }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} Finde ein Polynom
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ g(x) }
{ \in }{ { \left( \Z/(5) \right) } [x] }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} vom Grad $< 5$, das für alle Elemente aus
\mathl{\Z/(5)}{} mit
\mathl{f(x)}{} übereinstimmt.

}
{} {}




\inputaufgabegibtloesung
{}
{


a) Zeige, dass durch
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ K }
{ =} { \Z/(7) [T]/(T^3-2) }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} ein Körper mit $343$ Elementen gegeben ist.


b) Berechne in $K$ das Produkt $(T^2+2T+4)(2T^2+5)$.


c) Berechne das (multiplikativ) Inverse zu $T+1$.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Zeige, dass
\mathl{\Q[X]/(X^3-2)}{} ein \definitionsverweis {Körper}{}{} ist und bestimme das Inverse von
\mathl{4x^2-2x+5}{,} wobei $x$ die Restklasse von $X$ bezeichne.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Finde möglichst viele (nicht isomorphe) kommutative Ringe mit vier Elementen. Beweise, dass die Liste vollständig ist.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{


a) Zeige, dass $3$ im Ring der \definitionsverweis {Gaußschen Zahlen}{}{}
\mathl{\Z[ { \mathrm i} ]}{} ein \definitionsverweis {Primelement}{}{} ist.


b) Bestimme die \definitionsverweis {Charakteristik}{}{} des \definitionsverweis {Körpers}{}{}
\mathl{\Z[ { \mathrm i} ] /(3)}{.}


c) Bestimme die Anzahl der Elemente im Körpers
\mathl{\Z[ { \mathrm i} ] /(3)}{.}

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Man gebe einen \definitionsverweis {Restklassenring}{}{}
\mathl{\Z/(d)}{} an, in dem es nichttriviale \definitionsverweis {idempotente Elemente}{}{} gibt.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Finde in
\mathl{\Q[X]/(X^2-1)}{} nichttriviale \definitionsverweis {idempotente Elemente}{}{.}

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei $R$ ein kommutativer Ring und sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ f }
{ \in }{ R }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} Es sei $f$ sowohl \definitionsverweis {nilpotent}{}{} als auch \definitionsverweis {idempotent}{}{.} Zeige, dass
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ f }
{ = }{ 0 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ist.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es seien $R$ und $S$ kommutative Ringe und sei
\mathl{R \times S}{} der \definitionsverweis {Produktring}{}{}
\mathl{R \times S}{.} Zeige, dass die Teilmenge
\mathl{R \times 0}{} ein \definitionsverweis {Hauptideal}{}{} ist.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es seien $R$ und
\mathl{S_1 , \ldots , S_n}{} \definitionsverweis {kommutative Ringe}{}{} mit dem \definitionsverweis {Produktring}{}{}
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{S }
{ =} {S_1 \times \cdots \times S_n }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.} Zeige, dass ein \definitionsverweis {Ringhomomorphismus}{}{} \maabbdisp {\varphi} {R} {S } {} dasselbe ist wie eine Familie von Ringhomomorphismen \maabbdisp {\varphi_i} {R} {S_i } {} für
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ i }
{ = }{ 1 , \ldots , n }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.}

}
{} {}




\inputaufgabegibtloesung
{}
{

Es seien $R$ und
\mathl{S_1 , \ldots , S_n}{} \definitionsverweis {kommutative Ringe}{}{} und es seien \maabb {\varphi_i} {R} {S_i } {} \definitionsverweis {surjektive}{}{} \definitionsverweis {Ringhomomorphismen}{}{.} Es sei \maabbdisp {\varphi = \varphi_1 \times \cdots \times \varphi_n} {R} { S_1 \times \cdots \times S_n } {} der zugehörige Ringhomomorphismus in den \definitionsverweis {Produktring}{}{}
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{S }
{ =} { S_1 \times \cdots \times S_n }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.} Es sei vorausgesetzt, dass die Elemente der Form
\mathl{(1,0 , \ldots , 0) ,(0,1,0 , \ldots , 0) , \ldots , (0 , \ldots , 0,1)}{} zum Bild von $\varphi$ gehören. Zeige, dass $\varphi$ surjektiv ist.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei $R$ ein \definitionsverweis {faktorieller Bereich}{}{} und
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ p }
{ \in }{ R }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ein \definitionsverweis {Primelement}{}{.} Zeige, dass der \definitionsverweis {Restklassenring}{}{} $R/(p^n)$ nur die beiden trivialen \definitionsverweis {idempotenten Elemente}{}{} \mathkor {} {0} {und} {1} {} besitzt.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es seien $R$ ein \definitionsverweis {kommutativer Ring}{}{} und $I, J$ \definitionsverweis {Ideale}{}{} in $R$. Es sei weiter \maabbeledisp {\varphi} { R } { R/I \times R/J } { r } { (r + I, r +J) } {.} Zeige, dass $\varphi$ genau dann surjektiv ist, wenn
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ I+J }
{ = }{ R }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} gilt. Wie sieht $\operatorname{kern} \varphi$ aus? Benutze jetzt den Homomorphiesatz um einzusehen, was das im Falle
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ R }
{ = }{ \Z }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} mit dem chinesischen Restsatz zu tun hat.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei $R$ ein \definitionsverweis {kommutativer Ring}{}{} und seien
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ I,J }
{ \subseteq }{ R }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} \definitionsverweis {Ideale}{}{.} Wir betrachten die \definitionsverweis {Gruppenhomomorphismen}{}{} \maabbeledisp {\varphi} { R/I \cap J } { R/I \times R/J } { r } { (r,r) } {,} und \maabbeledisp {\psi} { R/I \times R/J } {R/I +J } { (s,t) } { s-t } {.} Zeige, dass $\varphi$ \definitionsverweis {injektiv}{}{} ist, dass $\psi$ \definitionsverweis {surjektiv}{}{} ist und dass
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \operatorname{bild} \varphi }
{ =} { \operatorname{kern} \psi }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} ist. Sind \mathkor {} {\varphi} {und} {\psi} {} \definitionsverweis {Ringhomomorphismen}{}{?}

}
{} {}





\inputaufgabe
{}
{

Es sei $K$ ein \definitionsverweis {Körper}{}{} und sei
\mathl{K[X]}{} der \definitionsverweis {Polynomring}{}{} über $K$. Es seien
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ a_1 , \ldots , a_n }
{ \in }{ K }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} verschiedene Elemente und
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ F }
{ =} { (X-a_1){ \cdots }(X-a_n) }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} das Produkt der zugehörigen \definitionsverweis {linearen Polynome}{}{.} Zeige, dass der \definitionsverweis {Restklassenring}{}{} $K[X]/(F)$ \definitionsverweis {isomorph}{}{} zum \definitionsverweis {Produktring}{}{} $K^n$ ist.

}
{} {}




\inputaufgabegibtloesung
{}
{

Das Polynom
\mathl{X^3-7X^2+3X-21}{} besitzt in $\R[X]$ die Zerlegung
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ X^3-7X^2+3X-21 }
{ =} { (X-7)(X^2+3) }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} in irreduzible Faktoren und daher gilt die Isomorphie
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \R[X]/(X^3-7X^2+3X-21) }
{ \cong} { \R[X]/ (X-7) \times \R[X]/(X^2+3) }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.}

a) Bestimme das Polynom kleinsten Grades, das rechts dem Element
\mathl{(1,0)}{} entspricht.


b) Bestimme das Polynom kleinsten Grades, das rechts dem Element
\mathl{(0,1)}{} entspricht.

}
{} {}




\inputaufgabegibtloesung
{}
{

Schreibe den \definitionsverweis {Restklassenring}{}{} $\Q[X]/(X^4-1)$ als ein Produkt von Körpern, wobei lediglich die Körper $\Q$ und $\Q[ { \mathrm i} ]$ vorkommen. Schreibe die Restklasse von $X^3+X$ als ein Tupel in dieser Produktzerlegung.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Zeige, dass jeder echte \definitionsverweis {Restklassenring}{}{} von ${\mathbb C}[X]$ \definitionsverweis {isomorph}{}{} zu einem \definitionsverweis {Produktring}{}{} der Form
\mathdisp {{\mathbb C} \times \cdots \times {\mathbb C} \times {\mathbb C}[X]/(X^2) \times \cdots \times {\mathbb C}[X]/(X^2) \times {\mathbb C}[X]/(X^3) \times \cdots \times {\mathbb C}[X]/(X^3) \times \cdots \times {\mathbb C}[X]/(X^m) \times \cdots \times {\mathbb C}[X]/(X^m)} { }
ist.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Realisiere den \definitionsverweis {Produktring}{}{}
\mathdisp {\R \times \R \times \R \times \R \times {\mathbb C} \times {\mathbb C} \times {\mathbb C}} { }
als einen \definitionsverweis {Restklassenring}{}{} von
\mathl{\R[X]}{.}

}
{} {}




\inputaufgabegibtloesung
{}
{

Es seien
\mathl{R_1, R_2 , \ldots , R_n}{} \definitionsverweis {kommutative Ringe}{}{} und sei
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{R }
{ =} { R_1 \times R_2 \times \cdots \times R_n }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} der \definitionsverweis {Produktring}{}{.} \aufzaehlungvier{Es seien
\mathdisp {I_1 \subseteq R_1, I_2 \subseteq R_2 , \ldots , I_n \subseteq R_n} { }
\definitionsverweis {Ideale}{}{.} Zeige, dass die Produktmenge
\mathdisp {I_1 \times I_2 \times \cdots \times I_n} { }
ein Ideal in $R$ ist. }{Zeige, dass jedes Ideal
\mathl{I \subseteq R}{} die Form
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{I }
{ =} { I_1 \times I_2 \times \cdots \times I_n }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} mit Idealen
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ I_j }
{ \subseteq }{ R_j }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} besitzt. }{Es sei
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{I }
{ =} { I_1 \times I_2 \times \cdots \times I_n }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} ein Ideal in $R$. Zeige, dass $I$ genau dann ein Hauptideal ist, wenn sämtliche $I_j$ Hauptideale sind. }{Zeige, dass $R$ genau dann ein \definitionsverweis {Hauptidealring}{}{} ist, wenn alle $R_j$ Hauptidealringe sind. }

}
{} {}

Der Foglenring ist ein Produktring mit unendlich vielen Faktoren. Man kann ihn auch als Spezialfall des Abbildungsringes im Sinne von Aufgabe 2.9 auffassen.


\inputaufgabe
{}
{

Es sei $K$ ein \definitionsverweis {Körper}{}{.} Zeige, dass die Menge aller Folgen in $K$ \zusatzklammer {mit gliedweiser Addition und Multiplikation} {} {} ein \definitionsverweis {kommutativer Ring}{}{} ist.

}
{} {}

Dieser Folgenring wird mit $K^\N$ bezeichnet.




\inputaufgabe
{}
{

Es sei $K$ ein \definitionsverweis {Körper}{}{.} Zeige, dass die Menge aller Folgen in $K$ \zusatzklammer {mit gliedweiser Addition und Multiplikation} {} {} kein \definitionsverweis {Körper}{}{} ist.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei $K$ ein \definitionsverweis {angeordneter Körper}{}{.} Zeige, dass die Menge aller konvergenten Folgen in $K$ \zusatzklammer {mit gliedweiser Addition und Multiplikation} {} {} ein \definitionsverweis {kommutativer Ring}{}{} ist.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei $K$ ein \definitionsverweis {Körper}{}{} und
\mathl{K^\N}{} der zugehörige Folgenring. Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ k }
{ \in }{ \N }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} fixiert. \aufzaehlungdrei{Zeige, dass
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{I_k }
{ =} { { \left\{ { \left( x_n \right) }_{n \in \N } \mid x_k = 0 \right\} } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} ein \definitionsverweis {Ideal}{}{} in $K^\N$ ist. }{Welche Bedeutung hat die durch dieses Ideal gegebene Äquivalenzrelation? }{Zeige, dass die Gesamtabbildung
\mathdisp {K \longrightarrow K^\N \longrightarrow K^\N/I_k} { }
\definitionsverweis {bijektiv}{}{} ist. }

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei $K$ ein \definitionsverweis {Körper}{}{} und
\mathl{K^\N}{} der zugehörige Folgenring. Zeige, dass durch
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ { \left( x_n \right) }_{n \in \N } }
{ \sim} { { \left( y_n \right) }_{n \in \N } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{,} falls sich die beiden Folgen nur in endlich vielen Gliedern unterscheiden, eine \definitionsverweis {Äquivalenzrelation}{}{} definiert ist. Rührt diese Äquivalenzrelation von einem \definitionsverweis {Ideal}{}{} her?

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{R }
{ \subseteq }{\Q^\N }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} der Ring, der aus allen in $\Q$ konvergenten, rationalen Folgen besteht. \aufzaehlungdrei{Zeige, dass die Menge der Nullfolgen ein \definitionsverweis {Ideal}{}{} in $R$ bildet. }{Zeige, dass es einen surjektiven Ringhomomorphismus \maabbdisp {\varphi} {R} {\Q } {} gibt. }{Zeige, dass es einen bijektiven Ringhomorphismus \maabbdisp {\psi} {R/N} {\Q } {} gibt. }

}
{} {}

Die folgende Aufgabe fasst die wesentlichen Schritte der Konstruktion von $\R$ aus $\Q$ zusammen. Vergleiche Vorlesung 46 zum Grundkurs.


\inputaufgabe
{}
{

\aufzaehlungfuenf{Zu einem Körper $K$ sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ R }
{ = }{ \operatorname{Folg}_{\rm } (K) }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} die Menge der \definitionsverweis {Folgen}{}{} mit Werten in $K$. Zeige, dass $R$ ein kommutativer Ring ist. Besitzt ein solcher Ring nicht-triviale idempotente Elemente? }{Es sei von nun an
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ K }
{ = }{ \Q,\R }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} oder ${\mathbb C}$, sodass man eine Metrik zur Verfügung hat. Zeige, dass die Menge der \definitionsverweis {konvergenten Folgen}{}{} $\operatorname{Folg}_{\rm konv } (K)$ einen Unterring von $R$ bildet. }{Zeige im Fall
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ K }
{ = }{ \Q }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{,} dass die Menge $\operatorname{Folg}_{\rm Cauchy } (\Q)$ der \definitionsverweis {Cauchy-Folgen}{}{} ebenfalls ein Unterring ist. }{Betrachte nun die Menge $N$ der \definitionsverweis {Nullfolgen}{}{} und begründe, dass diese ein Ideal in den verschiedenen Ringen ist. Zeige, dass $N$ die Eigenschaft besitzt, dass wenn
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ x \cdot y }
{ \in }{ N }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ist, dass dann einer der Faktoren dazu gehören muss. }{Definiere einen natürlichen Ringhomomorphismus \maabbdisp {} { \operatorname{Folg}_{\rm Cauchy } (\Q)} { \R } {} derart, dass eine Ringisomorphie \maabbdisp {} { \operatorname{Folg}_{\rm Cauchy } (\Q) /N } { \R } {} entsteht. }

}
{} {}






\zwischenueberschrift{Aufgaben zum Abgeben}




\inputaufgabe
{3}
{

Bestimme die multiplikative \definitionsverweis {Ordnung}{}{} aller \definitionsverweis {Einheiten}{}{} im \definitionsverweis {Restklassenkörper}{}{} $\Z/(11)$.

}
{} {}




\inputaufgabe
{3}
{

Es sei $p$ eine \definitionsverweis {Primzahl}{}{.} Beweise durch Induktion den kleinen Fermat, also die Aussage, dass
\mathl{a^p -a}{} ein Vielfaches von $p$ für jede ganze Zahl $a$ ist.

}
{} {}




\inputaufgabe
{4}
{

Zeige, dass
\mathl{\Q[X]/(X^3-5)}{} ein \definitionsverweis {Körper}{}{} ist und bestimme das Inverse von
\mathl{5x^2-x+7}{,} wobei $x$ die Restklasse von $X$ bezeichne.

}
{} {}




\inputaufgabe
{4}
{

Es sei $R$ ein \definitionsverweis {kommutativer Ring}{}{} und sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{e }
{ \in }{R }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ein \definitionsverweis {idempotentes Element}{}{.} Zeige, dass auch $1-e$ idempotent ist und dass die \anfuehrung{zusammengesetzte}{} \definitionsverweis {Restklassenabbildung}{}{} \maabbdisp {} { R } { R/(e) \times R/(1-e) } {} eine Bijektion ist.

}
{} {}

Der folgende Satz heißt \stichwort {Satz von Wilson} {.}

\faktsituation {Es sei $p$ eine \definitionsverweis {Primzahl}{}{.}}
\faktfolgerung {Dann ist
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ (p-1)! }
{ = }{-1 \!\!\! \mod p }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.}}
\faktzusatz {}
\faktzusatz {}





\inputaufgabe
{4}
{

Bestimme die Zerlegung von
\mathl{X^{p-1}-1}{} in \definitionsverweis {irreduzible Polynome}{}{} im Polynomring
\mathl{\Z/(p)[X]}{.} Beweise aus dieser Zerlegung den Satz von Wilson.

}
{} {}




\inputaufgabe
{3 (1+1+1)}
{


a) Zeige, dass $7$ im Ring der \definitionsverweis {Gaußschen Zahlen}{}{}
\mathl{\Z[ { \mathrm i} ]}{} ein \definitionsverweis {Primelement}{}{} ist.


b) Bestimme die \definitionsverweis {Charakteristik}{}{} des \definitionsverweis {Körpers}{}{}
\mathl{\Z[ { \mathrm i} ] /(7)}{.}


c) Bestimme die Anzahl der Elemente im Körpers
\mathl{\Z[ { \mathrm i} ] /(7)}{.}

}
{} {}