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Kurs:Elliptische Kurven (Osnabrück 2021-2022)/Arbeitsblatt 6/latex

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\setcounter{section}{6}






\zwischenueberschrift{Aufgaben}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei $M$ eine Menge mit einer \definitionsverweis {Verknüpfung}{}{} \maabbeledisp {*} {M \times M} {M } {(P,Q)} {P*Q } {,} die für alle Elemente $P,Q,R,S \in M$ folgende Eigenschaften erfüllt. \aufzaehlungdrei{$P*Q=Q*P$ }{$(P*Q)*P= Q$ }{$((P*Q)*R)*S=P*((Q*S)*R)$. } Es sei ${\mathfrak O }$ ein beliebiges aber fest gewähltes Element aus $M$. (a) Zeige, dass die Verknüpfung
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ P+Q }
{ \defeq} {(P*Q)* {\mathfrak O } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} eine \definitionsverweis {kommutative Gruppenstruktur}{}{} auf $M$ mit ${\mathfrak O }$ als neutralem Element definiert.

(b) Es sei nun ${\mathfrak O } '$ ein zweites Element aus $M$. Zeige, dass die durch ${\mathfrak O }$ und durch ${\mathfrak O } '$ definierten Gruppen \definitionsverweis {isomorph}{}{} sind.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Begründe die Assoziativität der Verknüpfung in Satz 6.3 für die Fälle, wo manche der Schnittpunkte zusammenfallen.

}
{} {}




\inputaufgabegibtloesung
{}
{

Berechne auf der durch
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{Y^2 }
{ =} {X^3+1 }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} gegebenen \definitionsverweis {elliptischen Kurve}{}{} die \definitionsverweis {Summen}{}{}
\mathl{(0,1)+ (0,1)}{} und
\mathl{(0,1)+ (0,1)+ (0,1)}{.}

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Berechne auf der durch
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{Y^2 }
{ =} {X^3+1 }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} gegebenen \definitionsverweis {elliptischen Kurve}{}{} die \definitionsverweis {Summe}{}{}
\mathl{(2,3)+ (3, \sqrt{28})}{.}

}
{} {}




\inputaufgabegibtloesung
{}
{

Berechne auf der durch
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{Y^2 }
{ =} {X^3+4X }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} gegebenen \definitionsverweis {elliptischen Kurve}{}{} die \definitionsverweis {Summe}{}{}
\mathl{(2,4)+ (2,4)}{.}

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Berechne auf der durch
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{y^2 }
{ =} {x^3-25x }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} gegebenen \definitionsverweis {elliptischen Kurve}{}{} die \definitionsverweis {Summe}{}{} \zusatzklammer {vergleiche Beispiel 4.11} {} {}
\mathl{\left( { \frac{ 1681 }{ 144 } } , \, { \frac{ 62279 }{ 1728 } } \right) + \left( 5 , \, 0 \right)}{.}

}
{} {}

Bei den beiden folgenden Aufgaben verwende man, dass die einzige kompakte zusammenhängende reelle eindimensionale Mannigfaltigkeit die $S^1$ ist und dass die einzige eindimensionale kompakte zusammenhängende reelle Lie-Gruppe die $S^1$ mit der üblichen Verknüpfung ist.


\inputaufgabe
{}
{

Es sei $E$ eine \definitionsverweis {elliptische Kurve}{}{} über $\R$, gegeben in \definitionsverweis {kurzer Weierstraßform}{}{}
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{Y^2 }
{ = }{ X^3+aX+b }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} mit
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{a,b }
{ \in }{ \R }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} Zeige, dass die folgenden Aussagen äquivalent sind. \aufzaehlungvier{Das Polynom
\mathl{X^3+aX+b}{} besitzt in $\R$ genau eine Nullstellen. }{$E(\R)$ ist in der metrischen Topologie \definitionsverweis {zusammenhängend}{}{.} }{Es gilt die \definitionsverweis {Homöomorphie}{}{}
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{E(\R) }
{ \cong }{ S^1 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} }{Es ist
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ E(R) }
{ \cong }{ S^1 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} als \definitionsverweis {reelle Lie-Gruppe}{}{.} }

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei $E$ eine \definitionsverweis {elliptische Kurve}{}{} über $\R$, gegeben in \definitionsverweis {kurzer Weierstraßform}{}{}
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{Y^2 }
{ = }{ X^3+aX+b }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} mit
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{a,b }
{ \in }{ \R }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} Zeige, dass die folgenden Aussagen äquivalent sind. \aufzaehlungvier{Das Polynom
\mathl{X^3+aX+b}{} besitzt in $\R$ drei Nullstellen. }{$E(\R)$ besteht in der metrischen Topologie aus zwei \definitionsverweis {Zusammenhangskomponenten}{}{.} }{Es gilt die \definitionsverweis {Homöomorphie}{}{}
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{E(\R) }
{ \cong }{ S^1 \uplus S^1 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} }{Es ist
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ E(R) }
{ \cong }{ S^1 \times \Z/(2) }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} als \definitionsverweis {reelle Lie-Gruppe}{}{.} }

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei $E$ eine \definitionsverweis {elliptische Kurve}{}{} über $\R$, gegeben in \definitionsverweis {kurzer Weierstraßform}{}{} und \definitionsverweis {Zerlegungsform}{}{}
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{Y^2 }
{ = }{ X^3+aX+b }
{ = }{ (X- \lambda_1)(X- \lambda_2)(X- \lambda_3) }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} mit
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{a,b }
{ \in }{ \R }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} und
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ \lambda_1 }
{ < }{ \lambda_2 }
{ < }{ \lambda_3 }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} Wir setzen
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ B }
{ = }{ (0, \lambda_2) }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} und zerlegen
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{E(\R) }
{ = }{ M \uplus N }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} mit
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{M }
{ =} { { \left\{ P \in E(\R) \mid \lambda_1 \leq x(P) \leq \lambda_2 \right\} } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} und
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{N }
{ =} { { \left\{ P \in E(\R) \mid x(P) \geq \lambda_3 \right\} } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.} \aufzaehlungdrei{Zeige, dass durch
\mathl{P \mapsto P +B}{} eine Bijektion zwischen \mathkor {} {M} {und} {N} {} gegeben ist. }{Zeige, dass die Summe von zwei Punkten
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{P,Q }
{ \in }{M }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} in $N$ liegt. }{Zeige, dass die Summe von zwei Punkten
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{P,Q }
{ \in }{N }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} wieder in $N$ liegt. }

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Bestimme auf der durch
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{y^2 }
{ =} {x^3-x }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} gegebenen \definitionsverweis {elliptischen Kurve}{}{} $E$ über $\Z/(3)$ die \definitionsverweis {Gruppenstruktur}{}{} von $E { \left( \Z/(3) \right) }$.

}
{} {}

Die Lösung zur folgenden Aufgabe nimmt Bezug auf spätere Resultate. Man kann aber auch alles direkt berechnen.


\inputaufgabegibtloesung
{}
{

Bestimme auf der durch
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{y^2 }
{ =} {x^3-x }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} gegebenen \definitionsverweis {elliptischen Kurve}{}{} $E$ über $\Z/(5)$ die \definitionsverweis {Gruppenstruktur}{}{} von $E { \left( \Z/(5) \right) }$.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Bestimme auf der durch
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{y^2 }
{ =} {x^3-x }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} gegebenen \definitionsverweis {elliptischen Kurve}{}{} $E$ über $\Z/(7)$ die \definitionsverweis {Gruppenstruktur}{}{} von $E { \left( \Z/(7) \right) }$.

}
{} {}




\inputaufgabegibtloesung
{}
{

Überprüfe die zweite Darstellung aus Korollar 6.7, also
\mavergleichskettealign
{\vergleichskettealign
{ 2(x,y) }
{ =} { \left( { \frac{ 9x^4+6ax^2+a^2 }{ 4(x^3+ax+b) } } -2x , \, { \left( - { \frac{ (3x^2+a)^3 }{ 8(x^3+ax+b)^2 } } + { \frac{ 3x(3x^2+a) }{ 2(x^3+ax+b) } } -1 \right) } y \right) }
{ =} {\left( { \frac{ x^4-2ax^2-8bx+a^2 }{ 4(x^3+ax+b) } } , \, { \frac{ x^6 + 5ax^4 + 20bx^3-5a^2x^2 -4abx -a^3-8b^2 }{ 8(x^3+ax+b)^2 } } y \right) }
{ } { }
{ } {}
} {} {}{.}

}
{} {}




\inputaufgabegibtloesung
{}
{

Es sei $E$ eine \definitionsverweis {elliptische Kurve}{}{} über einem \definitionsverweis {Körper}{}{} $K$ mit kurzer Weierstraßgleichung
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{y^2 }
{ = }{x^3+ax+b }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} Wir betrachten den Ring
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ S }
{ =} {K[x_1,x_2,y_1,y_2]/( y_1^2-x_1^3-ax_1-b, y_2^2-x_2^3-ax_2-b ) }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{,} in dem man die Gruppenstruktur auf der elliptischen Kurve mit rationalen Funktionen formulieren kann, siehe Satz 6.5. \aufzaehlungdrei{Zeige, dass eine \definitionsverweis {endliche Erweiterung}{}{}
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{K[x_1,x_2] }
{ \subseteq }{ S }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} vorliegt. }{Bestimme eine Ganzheitsgleichung für
\mathl{y_2-y_1}{} über $K[x_1,x_2]$. }{Bestimme eine Ganzheitsgleichung für
\mathl{{ \frac{ y_2-y_1 }{ x_2-x_1 } }}{} über $K(x_1,x_2)$. } vor.

}
{} {}




\inputaufgabegibtloesung
{}
{

Es sei $E$ eine \definitionsverweis {elliptische Kurve}{}{} über einem \definitionsverweis {Körper}{}{} $K$ mit kurzer Weierstraßgleichung
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{y^2 }
{ = }{x^3+ax+b }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} Eliminiere in der Formel für die Addition \zusatzklammer {siehe Satz 6.5} {} {} die Terme \mathkor {} {y_1^1} {und} {y_2^2} {} unter Verwendung der Kurvengleichung.

}
{} {}




\inputaufgabegibtloesung
{}
{

Es sei
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{f_2 (x) }
{ =} { { \frac{ x^4-2ax^2-8bx+a^2 }{ 4(x^3+ax+b) } } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} und
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{q_2(x) }
{ =} { { \frac{ x^6 + 5ax^4 + 20bx^3-5a^2x^2 -4abx -a^3-8b^2 }{ 8(x^3+ax+b)^2 } } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.} Zeige
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{f_2' }
{ = }{ 2q_2 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.}

}
{} {}




\inputaufgabegibtloesung
{}
{

Schreibe \mathkor {} {f_{m+1}} {und} {q_{m+1}} {} aus Korollar 6.8 ohne eine höhere Potenz von $q_m$.

}
{} {}




\inputaufgabegibtloesung
{}
{

Es seien \mathkor {} {f_m} {und} {q_m} {} wie in Korollar 6.8 definiert. Zeige
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{f_m' }
{ = }{ mq_m }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.}

}
{} {}




\inputaufgabegibtloesung
{}
{

Es sei
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{Y^2 }
{ =} {X^3+rX^2+sX+t }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} die Gleichung einer \definitionsverweis {elliptischen Kurve}{}{.} Zeige, dass die Verdoppelung eines Punktes $(x,y)$ mit
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{y }
{ \neq }{0 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} durch
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ 2(x,y) }
{ =} { \left( \alpha^2 -2x -r , \, \alpha^3 -3 \alpha x- \alpha r + y \right) }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} mit
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ \alpha }
{ = }{ { \frac{ 3x^2+2rx+s }{ 2y } } }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} gegeben ist.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{Y^2 }
{ =} {X^3+rX^2+sX+t }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} die Gleichung einer \definitionsverweis {elliptischen Kurve}{}{} $E$. Zeige, dass die Addition auf $E$ im Sinne von Bemerkung 6.1 durch
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ (x_1,y_1) + (x_2,y_2) }
{ =} { \left( \alpha^2-r -x_1-x_2 , \, \alpha { \left( \alpha^2-r -x_1-x_2 \right) } + \beta \right) }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} mit
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ \alpha }
{ = }{ { \frac{ y_2-y_1 }{ x_2-x_1 } } }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} und
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ \beta }
{ = }{ y_1 - \alpha x_1 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} gegeben ist.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{Y^2 }
{ =} { (X- \lambda_1)(X- \lambda_2)(X- \lambda_3) }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} die Gleichung einer \definitionsverweis {elliptischen Kurve}{}{} in \definitionsverweis {Zerlegungsform}{}{.} Zeige, dass die Verdoppelung eines Punktes $(x,y)$ mit
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{y }
{ \neq }{0 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} durch
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ 2(x,y) }
{ =} { \left( \alpha^2 -2x + \lambda_1 + \lambda_2 + \lambda_3 , \, \alpha^3 -3 \alpha x + \alpha ( \lambda_1 + \lambda_2 + \lambda_3 ) +y \right) }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} mit
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ \alpha }
{ = }{ { \frac{ 3x^2-2 (\lambda_1 + \lambda_2 + \lambda_3 ) x+ \lambda_1 \lambda_2 + \lambda_1\lambda_3 + \lambda_2 \lambda_3 }{ 2y } } }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} gegeben ist.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{V_+(F) }
{ \subseteq }{ {\mathbb P}^{n}_{K} }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} eine \definitionsverweis {glatte}{}{} \definitionsverweis {Hyperfläche}{}{} vom Grad $3$. Woran scheitert bei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{n }
{ \geq }{3 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} die Idee, mit Hilfe des dritten Durchstoßungspunktes zu einer durch zwei Punkte
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{P,Q }
{ \in }{V_+(F) }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} gegebenen Geraden eine Addition auf $V_+(F)$ zu definieren? Wie sieht es bei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{n }
{ = }{1 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} aus?

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Bestimme auf der Fermat-Kubik in vier Variablen
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{V }
{ =} {V_+(X^3+Y^3+Z^3+W^3) }
{ \subseteq} { {\mathbb P}^{3}_{K} }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} den dritten Durchstoßungspunkt der durch die beiden Punkte \mathkor {} {(1,-1,0,0)} {und} {(0,0,1,-1)} {} gegebenen Gerade.

}
{} {}