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Kurs:Elemente der Algebra (Osnabrück 2024-2025)/Vorlesung 23/latex

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\setcounter{section}{23}






\zwischenueberschrift{Weiteres zum Minimalpolynom}





\inputfaktbeweis
{Körpererweiterung/Minimalpolynom/Isomorphie/Fakt}
{Satz}
{}
{

\faktsituation {Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ K }
{ \subseteq }{ L }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} eine \definitionsverweis {Körpererweiterung}{}{} und sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ f }
{ \in }{ L }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ein \definitionsverweis {algebraisches}{}{} Element.}
\faktvoraussetzung {Es sei $P$ das \definitionsverweis {Minimalpolynom}{}{} von $f$.}
\faktfolgerung {Dann gibt es eine kanonische $K$-\definitionsverweis {Algebraisomorphie}{}{} \maabbeledisp {} {K[X]/(P)} {K[f] } {X} {f } {.}}
\faktzusatz {}
\faktzusatz {}

}
{

Die Einsetzung
\mathl{X \mapsto f}{} ergibt nach Satz 13.7 den kanonischen $K$-Algebrahomomorphismus \maabbeledisp {} {K[X]} {L } {X} {f } {.} Das Bild davon ist genau
\mathl{K[f]}{,} sodass ein surjektiver $K$-Algebrahomomor\-phismus \maabbdisp {} {K[X]} {K[f] } {} vorliegt. Daher gibt es nach Korollar 14.5 eine \definitionsverweis {Isomorphie}{}{} zwischen
\mathl{K[f]}{} und dem \definitionsverweis {Restklassenring}{}{} von
\mathl{K[X]}{} modulo dem Kern der Abbildung. Der Kern ist aber nach Lemma 22.11 das vom Minimalpolynom erzeugte Hauptideal.

}





\inputfaktbeweis
{Algebraische Körpererweiterung/Minimalpolynom ist irreduzibel/Umkehrung/Fakt}
{Lemma}
{}
{

\faktsituation {Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ K }
{ \subseteq }{ L }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} eine \definitionsverweis {Körpererweiterung}{}{} und sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ f }
{ \in }{ L }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ein \definitionsverweis {algebraisches}{}{} Element.}
\faktuebergang {Dann gelten folgende Aussagen.}
\faktfolgerung {\aufzaehlungzwei {Das \definitionsverweis {Minimalpolynom}{}{} $P$ von $f$ über $K$ ist \definitionsverweis {irreduzibel}{}{.} } {Wenn
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ Q }
{ \in }{ K[X] }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ein normiertes, irreduzibles Polynom mit
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{Q(f) }
{ = }{ 0 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ist, so handelt es sich um das Minimalpolynom. }}
\faktzusatz {}
\faktzusatz {}

}
{

\aufzaehlungzwei {Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{P }
{ = }{P_1P_2 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} eine Faktorzerlegung des Minimalpolynoms. Dann gilt in $L$ die Beziehung
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{0 }
{ =} { P(f) }
{ =} { P_1(f) P_2(f) }
{ } {}
{ } {}
} {}{}{.} Da $L$ ein Körper ist, muss ein Faktor $0$ sein, sagen wir
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ P_1(f) }
{ = }{ 0 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} Da aber $P$ unter allen Polynomen $\neq 0$, die $f$ annullieren, den minimalen Grad besitzt, müssen \mathkor {} {P} {und} {P_1} {} den gleichen Grad besitzen und folglich muss $P_2$ konstant \zusatzklammer {$\neq 0$} {} {,} also eine \definitionsverweis {Einheit}{}{} sein. } {Wegen
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ Q(f) }
{ = }{ 0 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ist $Q$ aufgrund von Lemma 22.11 ein Vielfaches des Minimalpolynoms $P$, sagen wir
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{Q }
{ = }{ GP }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} Da $Q$ nach Voraussetzung irreduzibel ist, und da $P$ zumindest den Grad $1$ besitzt, muss $G$ konstant sein. Da schließlich \mathkor {sowohl} {P} {als auch} {Q} {} normiert sind, ist
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{P }
{ = }{Q }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} }

}







\zwischenueberschrift{Algebraische Körpererweiterung}





\inputfaktbeweis
{Körpererweiterung/Algebraisches Element/Äquivalente Charakterisierung/Fakt}
{Satz}
{}
{

\faktsituation {Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ K }
{ \subseteq }{ L }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} eine \definitionsverweis {Körpererweiterung}{}{} und sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ f }
{ \in }{ L }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ein Element.}
\faktuebergang {Dann sind folgende Aussagen äquivalent.}
\faktfolgerung {\aufzaehlungfuenf{$f$ ist \definitionsverweis {algebraisch}{}{} über $K$. }{Es gibt ein \definitionsverweis {normiertes Polynom}{}{}
\mathbed {P \in K[X]} {mit}
{P(f) =0} {}
{} {} {} {.} }{Es besteht eine \definitionsverweis {lineare Abhängigkeit}{}{} zwischen den Potenzen
\mathdisp {f^0=1,f^1=f,f^2 , f^3, \ldots} { . }
}{Die von $f$ über $K$ erzeugte $K$-Algebra
\mathl{K[f]}{} hat endliche $K$-Dimension. }{$f$ liegt in einer \definitionsverweis {endlichdimensionalen}{}{} $K$-Algebra
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{M }
{ \subseteq }{L }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} }}
\faktzusatz {}
\faktzusatz {}

}
{

$(1) \Rightarrow (2)$. Das ist trivial, da man ein von $0$ verschiedenes Polynom stets normieren kann, indem man durch den Leitkoeffizienten dividiert. $(2) \Rightarrow (3)$. Nach (2) gibt es ein Polynom
\mathbed {P \in K[X]} {}
{P\neq 0} {}
{} {} {} {,} mit
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{P(f) }
{ = }{ 0 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} Sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{P }
{ = }{ \sum_{ i = 0 }^{ n } c_{ i } X^{ i} }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} Dann ist
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ P(f) }
{ =} { \sum_{ i = 0 }^{ n } c_{ i } f^{ i} }
{ =} { 0 }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} eine lineare Abhängigkeit zwischen den Potenzen. $(3) \Rightarrow (1)$. Umgekehrt bedeutet die lineare Abhängigkeit, dass es Elemente $c_i$ gibt, die nicht alle $0$ sind mit
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ \sum_{ i = 0 }^{ n } c_{ i } f^{ i} }
{ = }{ 0 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} Dies ist aber die Einsetzung $P(f)$ für das Polynom
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{P }
{ = }{ \sum_{ i = 0 }^{ n } c_{ i } X^{ i} }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{,} und dieses ist nicht das Nullpolynom. $(2) \Rightarrow (4)$. Sei
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{P }
{ =} { \sum_{ i = 0 }^{ n } c_{ i } X^{ i} }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} ein normiertes Polynom mit
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{P(f) }
{ = }{ 0 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{,} also mit
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{c_n }
{ =} {1 }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.} Dann kann man umstellen
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ f^n }
{ =} { -\sum_{ i = 0 }^{ n-1 } c_{ i } f^{ i} }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} D.h. $f^n$ kann man durch kleinere Potenzen ausdrücken. Durch Multiplikation dieser Gleichung mit weiteren Potenzen von $f$ ergibt sich, dass man auch die höheren Potenzen durch die Potenzen
\mathbed {f^{i}} {}
{i \leq n-1} {}
{} {} {} {,} ausdrücken kann. $(4) \Rightarrow (5)$. Das ist trivial. $(5) \Rightarrow (3)$. Wenn $f$ in einer endlichdimensionalen Algebra
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{M }
{ \subseteq }{L }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} liegt, so liegen darin auch alle Potenzen von $f$. Da es in einem endlichdimensionalen Vektorraum keine unendliche Folge von linear unabhängigen Elementen geben kann, müssen diese Potenzen linear abhängig sein.

}





\inputfaktbeweis
{Körpererweiterung/Algebraisches Element/Erzeugt Körper/Fakt}
{Satz}
{}
{

\faktsituation {Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ K }
{ \subseteq }{ L }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} eine \definitionsverweis {Körpererweiterung}{}{} und sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ f }
{ \in }{ L }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ein \definitionsverweis {algebraisches}{}{} Element.}
\faktfolgerung {Dann ist die von $f$ erzeugte $K$-Algebra
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{K[f] }
{ \subseteq }{ L }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ein \definitionsverweis {Körper}{}{.}}
\faktzusatz {}
\faktzusatz {}

}
{

Nach Satz 23.1 liegt eine $K$-\definitionsverweis {Algebraisomorphie}{}{}
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ K[X]/(P) }
{ \cong }{ K[f] }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} vor, wobei $P$ das \definitionsverweis {Minimalpolynom}{}{} zu $f$ ist. Nach Lemma 23.2  (2) ist $P$ \definitionsverweis {irreduzibel}{}{,} sodass wegen Satz 15.1 der Restklassenring
\mathl{K[f]}{} ein Körper ist.

}





\inputfaktbeweis
{Körpererweiterung/Algebraisches Element/Erzeugter Körper und Ring/Fakt}
{Korollar}
{}
{

\faktsituation {Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ K }
{ \subseteq }{ L }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} eine \definitionsverweis {Körpererweiterung}{}{} und sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ f }
{ \in }{ L }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ein \definitionsverweis {algebraisches}{}{} Element.}
\faktfolgerung {Dann stimmen die von $f$ über $K$ \definitionsverweis {erzeugte Unteralgebra}{}{} und der von $f$ über $K$ \definitionsverweis {erzeugte Unterkörper}{}{} überein.}
\faktzusatz {Es gilt also
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ K[f] }
{ = }{ K(f) }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.}}
\faktzusatz {}

}
{

Die Inklusion
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{K[f] }
{ \subseteq }{ K(f) }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} gilt immer, und nach Voraussetzung ist der Unterring
\mathl{K[f]}{} aufgrund von Satz 23.4 schon ein Körper.

}







\inputbemerkung
{}
{

Es sei $K$ ein \definitionsverweis {Körper}{}{,}
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ P }
{ \in }{ K[X] }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ein \definitionsverweis {irreduzibles Polynom}{}{} und
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ K }
{ \subseteq }{ L }
{ = }{K[X]/(P) }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} die zugehörige \definitionsverweis {Körpererweiterung}{}{.} Dann kann man zu
\mathbed {z = F(x)} {}
{z \neq 0} {}
{} {} {} {,} \zusatzklammer {mit \mathlk{F \in K[X], \,x = \overline{X}}{}} {} {} auf folgende Art das Inverse $z^{-1}$ bestimmen. Es sind \mathkor {} {P} {und} {F} {} teilerfremde Polynome in
\mathl{K[X]}{} und daher gibt es nach Satz 8.3 und Korollar 8.6 eine Darstellung der $1$, die man mit Hilfe des euklidischen Algorithmus finden kann. Wenn
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ RF+SP }
{ = }{1 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ist, so ist die Restklasse von $R$, also
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ \overline{R} }
{ = }{ R(x) }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{,} das Inverse zu
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{\overline{F} }
{ = }{z }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.}

}






\zwischenueberschrift{Algebraischer Abschluss}




\inputdefinition
{}
{

Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ K }
{ \subseteq }{ L }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} eine \definitionsverweis {Körpererweiterung}{}{.} Dann nennt man die Menge
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{M }
{ =} { { \left\{ x \in L \mid x \text{ ist algebraisch über } K \right\} } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} den \definitionswort {algebraischen Abschluss}{} von $K$ in $L$.

}





\inputfaktbeweis
{Körpererweiterung/Algebraischer Abschluss/Ist Körper/Fakt}
{Satz}
{}
{

\faktsituation {Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ K }
{ \subseteq }{ L }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} eine \definitionsverweis {Körpererweiterung}{}{} und sei $M$ der \definitionsverweis {algebraische Abschluss}{}{} von $K$ in $L$.}
\faktfolgerung {Dann ist $M$ ein \definitionsverweis {Unterkörper}{}{} von $L$.}
\faktzusatz {}
\faktzusatz {}

}
{

Wir müssen zeigen, dass $M$ bezüglich der Addition, der Multiplikation, des Negativen und des Inversen abgeschlossen ist. Es seien
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ x,y }
{ \in }{M }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} Wir betrachten die von \mathkor {} {x} {und} {y} {} erzeugte $K$-Unteralgebra
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{U }
{ = }{K[x,y] }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{,} die aus allen $K$-Linearkombinationen der
\mathbed {x^{i}y^{j}} {}
{i, j \in \N} {}
{} {} {} {,} besteht. Da \mathkor {sowohl} {x} {als auch} {y} {} algebraisch sind, kann man nach Satz 23.3 gewisse Potenzen \mathkor {} {x^{n}} {und} {y^{m}} {} durch kleinere Potenzen ersetzen. Daher kann man alle Linearkombinationen mit den Monomen
\mathbed {x^{i}y^{j}} {}
{i <n} {}
{j<m} {} {} {,} ausdrücken. D.h. alle Operationen spielen sich in dieser endlichdimensionalen Unteralgebra ab. Daher sind Summe, Produkt und das Negative nach Satz 23.3 wieder algebraisch. Für das Inverse sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{z }
{ \neq }{0 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} algebraisch. Dann ist
\mathl{K[z]}{} nach Satz 23.4 ein Körper von endlicher Dimension. Daher ist
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ z^{-1} }
{ \in }{ K[z] }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} selbst algebraisch.

}






\zwischenueberschrift{Algebraische Zahlen}

Die über den rationalen Zahlen $\mathbb Q$ algebraischen komplexen Zahlen erhalten einen speziellen Namen.




\inputdefinition
{}
{

Eine komplexe Zahl $z$ heißt \definitionswort {algebraisch}{} oder \definitionswort {algebraische Zahl}{,} wenn sie \definitionsverweis {algebraisch}{}{} über den rationalen Zahlen $\mathbb Q$ ist. Andernfalls heißt sie \definitionswort {transzendent}{.}

}

Die Menge der algebraischen Zahlen wird mit ${\mathbb A}$ bezeichnet.




\bild{ \begin{center}
\includegraphics[width=5.5cm]{\bildeinlesung {Carl_Louis_Ferdinand_von_Lindemann.jpg} }
\end{center}
\bildtext {Ferdinand von Lindemann (1852-1939)} }

\bildlizenz { Carl Louis Ferdinand von Lindemann.jpg } {unbekannt} {JdH} {Commons} {PD} {http://www.math.uha.fr/Pi/trans.html}







\inputbemerkung
{}
{

Eine komplexe Zahl
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ z }
{ \in }{ {\mathbb C} }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ist genau dann algebraisch, wenn es ein von $0$ verschiedenes Polynom $P$ mit rationalen Koeffizienten und mit
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{P(z) }
{ = }{0 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} gibt. Durch Multiplikation mit einem Hauptnenner kann man für eine algebraische Zahl auch ein annullierendes Polynom mit ganzzahligen Koeffizienten finden \zusatzklammer {das allerdings nicht mehr normiert ist} {} {.} Eine rationale Zahl $q$ ist trivialerweise algebraisch, da sie Nullstelle des linearen rationalen Polynoms
\mathl{X-q}{} ist. Weiterhin sind die reellen Zahlen \mathkor {} {\sqrt{q}} {und} {q^{1/n}} {} für
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ q }
{ \in }{ \Q }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} algebraisch. Dagegen sind die Zahlen $e$ und $\pi$ nicht algebraisch. Diese Aussagen sind keineswegs selbstverständlich, die Transzendenz von $\pi$ wurde beispielsweise von Ferdinand von Lindemann 1882 gezeigt.

}