Kurs:Elliptische Kurven (Osnabrück 2021-2022)/Arbeitsblatt 7/latex

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\zwischenueberschrift{Aufgaben}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei $K$ ein \definitionsverweis {Körper}{}{} und ${\mathbb P}^{n}_{K}$ der \definitionsverweis {projektive Raum}{}{} über $K$. Zeige, dass die Konstanten die einzigen globalen \definitionsverweis {algebraischen Funktionen}{}{} sind, d.h. es gilt
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \Gamma { \left( {\mathbb P}^{n}_{K} , {\mathcal O}_{ {\mathbb P}^{n}_{K} } \right) } }
{ =} { K }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.}

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{U }
{ =} {D_+(X_0) \cup D_+(X_1) }
{ \subseteq} { {\mathbb P}^{n}_{K} }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.} Zeige
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \Gamma { \left( U , {\mathcal O}_{ {\mathbb P}^{n}_{K} } \right) } }
{ =} { K }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.}

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{f }
{ \in }{K[X_0,X_1 , \ldots , X_n ] }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ein \definitionsverweis {homogenes Polynom}{}{} vom Grad $d$ und sei
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{D_+(f) }
{ \subseteq} { {\mathbb P}^{n}_{K} }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} die zugehörige offene Teilmenge des \definitionsverweis {projektiven Raumes}{}{.} Zeige, dass zu jedem homogenen Polynom
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{h }
{ \in }{K[X_0,X_1 , \ldots , X_n ] }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} vom Grad $e$ die rationale Funktion
\mathl{{ \frac{ h }{ f^n } }}{} unter der Bedingung
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{e }
{ = }{nd }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} eine \definitionsverweis {algebraische Funktion}{}{} \maabbdisp {{ \frac{ h }{ f^n } }} {D_+(f) } { K } {} definiert.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ R }
{ \subseteq }{S }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} eine \definitionsverweis {endliche Ringerweiterung}{}{} und sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ f }
{ \in }{ R }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} Zeige: Wenn $f$, aufgefasst in $S$, eine \definitionsverweis {Einheit}{}{} ist, dann ist $f$ eine Einheit in $R$.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Begründe, dass
\mathl{K[y,z] \subseteq K[x,y,z]/(x^2+yz^2+z^{m+1})}{} \definitionsverweis {endlich}{}{} ist. Wie sieht es über
\mathl{K[x,y]}{} bzw.
\mathl{K[x,z]}{} aus?

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Begründe, dass
\mathl{K[x,y] \subseteq K[x,y,z]/(xy-z^n)}{} \definitionsverweis {endlich}{}{} ist. Wie sieht es über
\mathl{K[x,z]}{} bzw.
\mathl{K[y,z]}{} aus?

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei $R$ ein \definitionsverweis {kommutativer Ring}{}{} und
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{S }
{ =} {R[X_1 , \ldots , X_n]/{\mathfrak a} }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} eine \zusatzklammer {als Algebra} {} {} \definitionsverweis {endlich erzeugte}{}{} $R$-\definitionsverweis {Algebra}{}{,} die \definitionsverweis {ganz}{}{} über $R$ sei. Zeige, dass $S$ ein \definitionsverweis {endlich erzeugter}{}{} $R$-\definitionsverweis {Modul}{}{} ist.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei $K$ ein \definitionsverweis {Körper}{}{} und sei
\mathl{P \in K[X]}{} ein nichtkonstantes \definitionsverweis {Polynom}{}{.} Zeige, dass $P$ nicht \definitionsverweis {algebraisch}{}{} über $K$ ist.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei $K$ ein \definitionsverweis {Körper}{}{} und
\mathl{L=K(X)}{} der \definitionsverweis {Quotientenkörper}{}{} des \definitionsverweis {Polynomrings}{}{} $K[X]$. Es sei
\mathbed {M} {}
{K \subseteq M \subseteq L} {}
{M \neq K} {} {} {,} ein Zwischenkörper. Zeige, dass
\mathl{M \subseteq L}{} eine \definitionsverweis {endliche Körpererweiterung}{}{} ist.

}
{} {}


Es sei $K$ ein \definitionsverweis {Körper}{}{} und sei $A$ eine kommutative $K$-\definitionsverweis {Algebra}{}{.} Man nennt Elemente
\mathl{f_1 , \ldots , f_n \in A}{} \definitionswort {algebraisch abhängig}{,} wenn es ein von $0$ verschiedenes Polynom
\mathl{P \in K[X_1 , \ldots , X_n]}{} mit
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{P(f_1 , \ldots , f_n) }
{ =} { 0 }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} gibt.





\inputaufgabe
{}
{

Es sei
\mathl{K[X_1 , \ldots , X_n]}{} der \definitionsverweis {Polynomring}{}{} über einem \definitionsverweis {Körper}{}{} $K$. Zeige, dass die Variablen
\mathl{X_1 , \ldots , X_n}{} \definitionsverweis {algebraisch unabhängig}{}{} sind.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei
\mathl{K[X_1 , \ldots , X_n]}{} der \definitionsverweis {Polynomring}{}{} über einem \definitionsverweis {Körper}{}{} $K$ und seien
\mathl{n+1}{} Polynome
\mathl{f_1 , \ldots , f_{n+1} \in K[X_1 , \ldots , X_n]}{} gegeben. Zeige, dass diese \definitionsverweis {algebraisch abhängig}{}{} sind.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei \maabbdisp {\varphi} { { {\mathbb A}_{ K }^{ m } } } { { {\mathbb A}_{ K }^{ n } } } {} eine \definitionsverweis {polynomiale Abbildung}{}{} zwischen \definitionsverweis {affinen Räumen}{}{} mit
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{m }
{ < }{n }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} Zeige, dass $\varphi$ nicht \definitionsverweis {surjektiv}{}{} ist.

}
{} {}


\inputaufgabe
{}
{

Es sei $A$ eine kommutative $K$-\definitionsverweis {Algebra}{}{} über einem \definitionsverweis {Körper}{}{} $K$ und seien
\mathl{n}{} Elemente
\mathl{f_1 , \ldots , f_{n} \in A}{} gegeben. Zeige, dass diese Elemente genau dann \definitionsverweis {algebraisch unabhängig}{}{} sind, wenn die von diesen Elementen \definitionsverweis {erzeugte}{}{} $K$-Algebra
\mathl{K[f_1 , \ldots , f_n ]}{} \definitionsverweis {isomorph}{}{} zum \definitionsverweis {Polynomring}{}{}
\mathl{K[X_1 , \ldots , X_n]}{} ist.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei $K$ ein \definitionsverweis {algebraisch abgeschlossener Körper}{}{} und
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{F }
{ \in }{ K[X,Y] }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ein nichtkonstantes Polynom. Zeige, dass der \definitionsverweis {Restklassenring}{}{}
\mathdisp {K[X,Y]/(F)} { }
eine \definitionsverweis {endliche}{}{} $K[T]$-Algebra ist.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es seien
\mathl{R,S,T}{} \definitionsverweis {kommutative Ringe}{}{} und seien
\mathl{\varphi:R \rightarrow S}{} und
\mathl{\psi:S \rightarrow T}{} Ringhomomorphismen derart, dass $S$ \definitionsverweis {endlich}{}{} über $R$ und $T$ endlich über $S$ ist. Zeige, dass dann auch $T$ endlich über $R$ ist.

}
{} {}




\inputaufgabegibtloesung
{}
{

Es sei $K$ ein \definitionsverweis {Körper}{}{} und es sei eine \definitionsverweis {endliche Ringerweiterung}{}{} der Form
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{K[X] }
{ \subseteq} { K[X] [Y]/ { \left( Y^n+ P_{n-1}(X)Y^{n-1} + \cdots + P_{2}(X)Y^{2} +P_1(X)Y+ P_0(X) \right) } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} mit
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{P_i(X) }
{ \in }{ K[X] }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} gegeben, wobei der Erweiterungsring \definitionsverweis {integer}{}{} sei. Es sei $k$ derart, dass der Grad von $P_i$ höchstens
\mathl{k(n-i)}{} ist für alle
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ i }
{ =} { 0,1 , \ldots , n-1 }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.} Zeige, dass dann $YX^{-k}$ eine Ganzheitsgleichung vom Grad $n$ über $K[X^{-1} ]$ erfüllt, und dass die zugehörige Erweiterungsalgebra den gleichen Quotientenkörper besitzt.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei $F\in K[X]$ ein \definitionsverweis {Polynom}{}{.} Interpretiere $F$ als \definitionsverweis {Morphismus}{}{} \maabbdisp {F} { {\mathbb P}^{1}_{K} } { {\mathbb P}^{1}_{K} } {.} Was ist
\mathl{F(\infty)}{?}

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{F }
{ = }{G/H }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} eine \definitionsverweis {rationale Funktion}{}{} über dem \definitionsverweis {Körper}{}{} $K$. Interpretiere $F$ als \definitionsverweis {Morphismus}{}{} \maabbdisp {F} { {\mathbb P}^{1}_{K} } { {\mathbb P}^{1}_{K} } {.}

}
{} {}




\inputaufgabegibtloesung
{}
{

Bestimme zu einem Punkt
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ (a,b) }
{ \in }{ {\mathbb P}^{1}_{} }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} die Gleichung für die Urbildgerade zur \definitionsverweis {Projektion weg von einem Punkt}{}{} \maabbeledisp {} { {\mathbb P}^{2}_{K} \setminus \{ (1,0,0) \} } { {\mathbb P}^{1}_{K} } {(x,y,z)} { (y,z) } {.}

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Zeige, dass es einen \definitionsverweis {Morphismus}{}{} \maabbdisp {} {V(X^2-Y^3) \supseteq U = V(X^2-Y^3) \setminus \{(0,0)\} } { {\mathbb A}^{1}_{} } {} gibt, den man nicht auf $V(X^2-Y^3)$ ausdehnen kann.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Zeige, dass die Einschränkung der \definitionsverweis {Projektion weg von einem Punkt}{}{} \maabbdisp {} { {\mathbb P}^{2}_{K} \setminus \{ P \} } { {\mathbb P}^{1}_{K} } {} auf eine jede Gerade
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{G }
{ \subset }{ {\mathbb P}^{2}_{K} }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{,} die nicht durch $P$ geht, einen Isomorphismus induziert.

}
{} {}




\inputaufgabegibtloesung
{}
{

Es sei $K$ ein \definitionsverweis {algebraisch abgeschlossener Körper}{}{,} sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{C }
{ = }{ V_+ { \left( X^2+Y^2+Z^2 \right) } }
{ \subset }{ {\mathbb P}^{2}_{K} }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} und sei \maabbdisp {\varphi} {C} { {\mathbb P}^{1}_{K} } {} der durch die \definitionsverweis {Projektion weg vom Punkt}{}{} \maabbeledisp {} { {\mathbb P}^{2}_{K} \setminus \{(1,0,0)\}} { {\mathbb P}^{1}_{K} } {(x,y,z)} { (y,z) } {,} definierte \definitionsverweis {Morphismus}{}{.} Bestimme das Urbild des Punktes
\mathl{(3,5) \in {\mathbb P}^{1}_{K}}{.}

}
{} {}

Der Beweis der folgenden Aussage erfordert das Konzept der \definitionsverweis {Separabilität für Polynome}{}{} und den Charakterisierungssatz für separable Polynome.




\inputaufgabegibtloesung
{}
{

Es sei $K$ ein \definitionsverweis {algebraisch abgeschlossener Körper}{}{} der \definitionsverweis {Charakteristik}{}{} $0$ und sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{C }
{ \subset }{ {\mathbb P}^{2}_{K} }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} eine \definitionsverweis {irreduzible}{}{} \definitionsverweis {ebene projektive Kurve}{}{} vom Grad $d$ und sei \maabbdisp {\varphi} {C} { {\mathbb P}^{1}_{K} } {} der durch eine \definitionsverweis {Projektion weg von einem Punkt}{}{}
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ P }
{ \notin }{ C }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} definierte \definitionsverweis {Morphismus}{}{.} Zeige, dass bis auf endlich viele Ausnahmen die \definitionsverweis {Faser}{}{} zu jedem Punkt
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ t }
{ \in }{ {\mathbb P}^{1}_{K} }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} aus genau $d$ Punkten besteht.

}
{} {}




\inputaufgabegibtloesung
{}
{

Es sei $K$ ein \definitionsverweis {algebraisch abgeschlossener Körper}{}{} der \definitionsverweis {Charakteristik}{}{} $p>0$ und sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{C }
{ = }{V { \left( YZ^{p-1} +X^p \right) } }
{ \subset }{ {\mathbb P}^{2}_{K} }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} Zeige, dass der durch die \definitionsverweis {Projektion weg vom Punkt}{}{}
\mathl{(1,0,0)}{} definierte \definitionsverweis {Morphismus}{}{} \maabbdisp {\varphi} {C} { {\mathbb P}^{1}_{K} } {} bijektiv ist.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei $K$ ein \definitionsverweis {Körper}{}{} und sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{C }
{ \subset }{ {\mathbb P}^{2}_{K} }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} eine \definitionsverweis {ebene projektive Kurve}{}{.} Es sei
\mathl{P \in C}{} ein Punkt der Kurve und sei \maabbdisp {\varphi} {C \setminus \{P\} } { {\mathbb P}^{1}_{K} } {} der durch die \definitionsverweis {Projektion weg vom Punkt}{}{} definierte \definitionsverweis {Morphismus}{}{.} Bei dieser Abbildung wird also ein Punkt
\mathbed {Q \in C} {}
{Q \neq P} {}
{} {} {} {,} auf die durch \mathkor {} {Q} {und} {P} {} gegebene \stichwort {Sekante} {} abgebildet. \aufzaehlungdrei{Sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{K }
{ = }{{\mathbb C} }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} und sei $Q_n$ eine Folge auf $C$, die in der \definitionsverweis {komplexen Topologie}{}{} gegen $P$ \definitionsverweis {konvergiert}{}{.} Konvergiert $\varphi(Q_n)$? }{Besitzt $\varphi(Q_n)$ einen \definitionsverweis {Häufungspunkt}{}{?} }{Es sei $P$ ein glatter Punkt. Zeige, dass es eine Fortsetzung des Morphismus auf ganz $C$ gibt. }

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Diskutiere die Situation aus Aufgabe 7.25 für das Achsenkreuz
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{V_+(YZ) }
{ \subset} { {\mathbb P}^{2}_{} }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} und den Kreuzungspunkt
\mathl{(1,0,0)}{.}

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{F }
{ = }{G/H }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} eine \definitionsverweis {rationale Funktion}{}{} über den reellen Zahlen $\R$ \zusatzklammer {oder den komplexen Zahlen ${\mathbb C}$} {} {} mit dem zugehörigen \definitionsverweis {Morphismus}{}{} \maabbdisp {F} { {\mathbb P}^{1}_{ {\mathbb K} } } { {\mathbb P}^{1}_{ {\mathbb K}} } {.} Zeige, dass
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{F( \infty) }
{ =} { c }
{ \in} { {\mathbb P}^{1}_{ {\mathbb K}} }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} genau dann gilt, wenn die \definitionsverweis {Folge}{}{}
\mathdisp {{ \frac{ G(n) }{ H(n) } }} { }
für
\mathl{n \rightarrow \infty}{} gegen $c$ \definitionsverweis {konvergiert}{}{} \zusatzklammer {was für
\mathl{c=\infty}{} sinnvoll zu interpretieren ist} {} {.}

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei $K$ ein \definitionsverweis {algebraisch abgeschlossener Körper}{}{} und
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{C }
{ \subset }{{\mathbb P}^{2}_{K} }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} eine \definitionsverweis {glatte Kurve}{}{} vom Grad
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{d }
{ \geq }{2 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} Zeige, dass es einen \definitionsverweis {Morphismus}{}{} \maabb {} {C} {{\mathbb P}^{1}_{K} } {} derart gibt, dass jede Faser aus maximal
\mathl{d-1}{} Punkten besteht.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei
\mathl{C=V_+ { \left( X^3+Y^3+Z^3 \right) } \subset {\mathbb P}^{2}_{K}}{} die \stichwort {Fermat-Kubik} {} über einem algebraisch abgeschlossenen Körper der Charakteristik $\neq 3$. Beschreibe explizit einen Morphismus
\mathl{C \rightarrow {\mathbb P}^{1}_{K}}{,} bei dem über jedem Punkt maximal zwei Punkte liegen.

}
{} {}