Kurs:Grundkurs Mathematik (Osnabrück 2016-2017)/Teil I/Vorlesung 19

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Kommutative Ringe

Wir erfassen die in der letzten Vorlesung etablierten algebraischen Eigenschaften der ganzen Zahlen mit einem neuen Begriff.


Definition  

Eine Menge heißt ein Ring, wenn es zwei Verknüpfungen (genannt Addition und Multiplikation)

und (nicht notwendigerweise verschiedene) Elemente gibt, die die folgenden Eigenschaften erfüllen.

  1. Axiome der Addition
    1. Assoziativgesetz: Für alle gilt: .
    2. Kommutativgesetz: Für alle gilt .
    3. ist das neutrale Element der Addition, d.h. für alle ist .
    4. Existenz des Negativen: Zu jedem gibt es ein Element mit .
  2. Axiome der Multiplikation
    1. Assoziativgesetz: Für alle gilt: .
    2. ist das neutrale Element der Multiplikation, d.h. für alle ist .
  3. Distributivgesetz: Für alle gilt und .

Definition  

Ein Ring heißt kommutativ, wenn die Multiplikation kommutativ ist.

Ein kommutativer Ring ist insbesondere ein kommutativer Halbring, alle für Halbringe geltenden Eigenschaften wie beispielsweise die allgemeine binomische Formel gelten insbesondere auch für kommutative Ringe. Der wesentliche Unterschied liegt in der zusätzlichen Bedingung (1d), der Existenz des Negativen. Dieses Negative ist eindeutig bestimmt: Wenn nämlich sowohl als auch die Eigenschaft haben, dass ihre Addition zu den Wert ergibt, so erhält man direkt

Für das zu jedem eindeutig bestimmte Negative schreiben wir . Wegen

ist auch das Negative zu , also . Bei stimmt diese Definition mit der in der letzten Vorlesung gemachten Definition überein, wie der Beweis der Existenz des Negativen in Lemma 18.8 zeigt.

Mit diesem neuen Begriff können wir festhalten.



Satz  

Die ganzen Zahlen

bilden einen kommutativen Ring.

Beweis  

Dies folgt unmittelbar aus Lemma 18.8.


In einem kommutativen Ring und Elemente verwendet man

als abkürzende Schreibweise. Man spricht von der Subtraktion bzw. der Differenz. Die Subtraktion ist also die Addition von mit dem Negativen (also ) von . Bei natürlichen Zahlen mit stimmt die innerhalb der natürlichen Zahlen genommenen Differenz (siehe die zehnte Vorlesung) mit der hier in über das Negative genommenen Differenz überein. Dies beruht darauf, dass es sich jeweils um eine Lösung der Gleichung

handelt und diese Gleichung eine eindeutige Lösung besitzt.




Lemma  

Es sei ein kommutativer Ring und seien Elemente aus .

Dann gelten folgende Aussagen.

  1. (Annullationsregel),

  2. (Vorzeichenregel),

Beweis  

  1. Es ist . Durch beidseitiges Abziehen (also Addition mit ) von ergibt sich die Behauptung.
  2. nach Teil (1). Daher ist das

    (eindeutig bestimmte) Negative von .

  3. Nach (2) ist und wegen folgt die Behauptung.
  4. Dies folgt auch aus dem bisher Bewiesenen.


Wie in jedem kommutativen Halbring kann man in jedem kommutativen Ring Ausdrücke der Form mit und sinnvoll interpretieren, und zwar ist die -fache Summe von mit sich selbst. Auch die Potenzschreibweise wird wieder verwendet. Darüber hinaus kann man auch für negative Zahlen den Ausdruck interpretieren, nämlich als

Insbesondere ist

in jedem kommutativen Ring sinnvoll interpretierbar. Dabei gelten naheliegende Rechengesetze, siehe Aufgabe 20.9.



Gruppen

Wir schauen uns kurz die Addition in einem kommutativen Ring genauer an. Hier begegnen wir einer Struktur, die später bei Körpern wieder auftaucht. Mit dieser Struktur kann man viele strukturelle Gemeinsamkeiten zwischen der Addition (in ) und der Multiplikation (beispielsweise in oder in ) erfassen.


Definition  

Eine Menge mit einem ausgezeichneten Element und mit einer Verknüpfung

heißt Gruppe, wenn folgende Eigenschaften erfüllt sind.

  1. Die Verknüpfung ist assoziativ, d.h. für alle gilt
  2. Das Element ist ein neutrales Element, d.h. für alle gilt
  3. Zu jedem gibt es ein inverses Element, d.h. es gibt ein mit

Definition  

Eine Gruppe heißt kommutativ (oder abelsch), wenn die Verknüpfung kommutativ ist, wenn also für alle gilt.



Lemma  

Es sei eine Gruppe.

Dann ist zu jedem das Element mit

eindeutig bestimmt.

Beweis  

Sei

und

Dann ist


Ein kommutativer Ring ist bezüglich der Addition insbesondere eine kommutative Gruppe. Insbesondere bilden die ganzen Zahlen eine kommutative Gruppe, das inverse Element zu ist das negative Element . Allgemein gilt in Gruppen die eindeutige Lösbarkeit von mit der Verknüpfung formulierten Gleichungen.



Lemma  

Sei eine Gruppe.

Dann besitzen zu je zwei Gruppenelementen die beiden Gleichungen

eindeutige Lösungen .

Beweis  

Wir betrachten die linke Gleichung. Aus beidseitiger Multiplikation mit (bzw. mit ) von links folgt, dass nur

als Lösung in Frage kommt. Wenn man dies einsetzt, so sieht man, dass es sich in der Tat um eine Lösung handelt.




Die Ordnung auf den ganzen Zahlen

Wir erweitern die Größergleichrelation auf den natürlichen Zahlen zu einer Ordnung auf den ganzen Zahlen.


Definition  

Auf den ganzen Zahlen definieren wir folgendermaßen die Größergleichrelation . Wir sagen

wenn es eine natürliche Zahl mit

gibt.

Damit gilt bei der Interpretation am Zahlenstrahl wieder, dass

bedeutet, dass rechts von liegt.

Bemerkung  

  1. Wenn ist, so ist

    einfach die Ordnung auf , wie unmittelbar aus Lemma 10.2 folgt.

  2. Wenn ist und negativ, so ist

    da ja dann

    mit ist, da ja sowohl als auch natürliche Zahlen sind.

  3. Wenn und beide negativ sind, so ist

    genau dann, wenn (innerhalb der natürlichen Zahlen)

    gilt. Die Beziehung mit einer natürlichen Zahl ist ja zu äquivalent, was man als schreiben kann.




Lemma  

Die Größergleichrelation auf den ganzen Zahlen erfüllt die folgenden Eigenschaften.

  1. Es liegt eine totale Ordnung vor.
  2. Aus folgt für beliebige ,
  3. Aus und folgt für beliebige .

Beweis  

  1. Aufgabe
  2. Die Beziehung bedeutet, dass es eine natürliche Zahl mit gibt. Durch beidseitige Addition von ergibt sich , was bedeutet.
  3. Die Voraussetzung bedeutet, dass sind. Somit ist auch , also .


Damit bilden die ganzen Zahlen einen angeordneten Ring im Sinne der folgenden Definition.


Definition  

Ein kommutativer Ring heißt angeordnet, wenn es eine totale Ordnung“ auf gibt, die die beiden Eigenschaften

  1. Aus folgt für beliebige ,
  2. Aus folgt ,

erfüllt.

Neben den ganzen Zahlen werden wir später zwei weitere angeordnete Ringe kennenlernen, nämlich den Körper der rationalen Zahlen und den Körper der reellen Zahlen. Für all diese Ringe bzw. Körper gelten die folgenden Eigenschaften. Man überlege sich für den Fall der ganzen Zahlen, ob und inwiefern sich die Beweise der folgenden Aussage vereinfachen.



Lemma  

In einem angeordneten Ring gelten die folgenden Eigenschaften.

  1. .
  2. Es ist genau dann, wenn ist.
  3. Es ist genau dann, wenn ist.
  4. Es ist genau dann, wenn ist.
  5. Aus und folgt .
  6. Aus und folgt .
  7. Aus und folgt .
  8. Aus und folgt .
  9. Aus und folgt .
  10. Aus und folgt .

Beweis  

  1. Nehmen wir an, dass nicht gilt. Da eine totale Ordnung vorliegt, muss
    gelten, Dies müssen wir zum Widerspruch führen. Nehmen wir an. Aufgrund der Verträglichkeit mit der Addition kann man beidseitig addieren und erhält
    Aufgrund der Verträglichkeit mit der Multiplikation mit positiven Elementen kann man diese Abschätzung quadrieren und erhält

    also ist zugleich , ein Widerspruch.

  2. Folgt unmittelbar aus der Verträglichkeit mit der Addition.
  3. Folgt unmittelbar aus der Verträglichkeit mit der Addition.
  4. Folgt unmittelbar aus der Verträglichkeit mit der Addition.
  5. Zweimalige Anwendung der Verträglichkeit mit der Addition liefert
  6. Aus folgt durch Subtraktion mit aufgrund der Verträglichkeit mit der Addition die Abschätzung . Aus der Verträglichkeit mit der Multiplikation ergibt sich

    Addition mit ergibt .

  7. Siehe Aufgabe 19.16.
  8. Nach (2) ist , also

    was wiederum bedeutet.

  9. Zweimalige Anwendung von (6) liefert
  10. Folgt aus (2) und aus .


Die Eigenschaft (2) kann man so verstehen, dass das Negative eines positiven Elementes negativ ist. Allerdings tritt dabei negativ in zwei verschiedenen Bedeutungen auf!



Die Teilbarkeitsbeziehung für ganze Zahlen

Wir wollen die Teilbarkeitsbeziehung von auf erweitern.


Definition  

Man sagt, dass die ganze Zahl die ganze Zahl teilt (oder dass von geteilt wird, oder dass ein Vielfaches von ist), wenn es eine ganze Zahl derart gibt, dass ist. Man schreibt dafür auch .

Für natürliche Zahlen gilt in genau dann, wenn in gilt. Die folgende Aussage ist eine direkte Verallgemeinerung von Lemma 12.3, sie beruht ausschließlich auf Eigenschaften eines kommutativen Ringes.


Lemma

In gelten folgende Teilbarkeitsbeziehungen.

  1. Für jede ganze Zahl gilt und .
  2. Für jede ganze Zahl gilt .
  3. Gilt und , so gilt auch .
  4. Gilt und , so gilt auch .
  5. Gilt , so gilt auch für jede ganze Zahl .
  6. Gilt und , so gilt auch für beliebige ganze Zahlen .

Beweis

Siehe Aufgabe 19.21.




Die Zifferndarstellung für ganze Zahlen

Die Zifferndarstellung von natürlichen Zahlen überträgt sich direkt auf ganze Zahlen, wobei die Zifferndarstellung einer negativen Zahl

einfach die Zifferndarstellung von (also der im Betrag genommenen Zahl) mit einem Minuszeichen davor ist. Für die schriftliche Durchführung des Addierens, des Multiplizierens und des Subtrahierens geht man abhängig davon vor, ob die beteiligten Zahlen beide positiv, beide negativ oder ob eine positiv, eine negativ ist. Wenn beide positiv sind werden die Verfahren für natürliche Zahlen direkt angewendet. Die Korrektheit der folgenden Regeln beruht auf Lemma 19.4 und der Korrektheit der schriftlichen Operationen innerhalb der natürlichen Zahlen.

Zur Addition

  1. Wenn beide Zahlen negativ sind, so nimmt man den Betrag der beiden Zahlen, addiert diese und nimmt davon das Negative.
  2. Wenn eine Zahl positiv ist und eine negativ ist, so zieht man von der betragsmäßig größeren Zahl die betragsmäßig kleinere Zahl ab. Wenn die positive Zahl betragsmäßig größer ist, so hat man die Lösung, wenn die negative Zahl betragsmäßig größer ist, so muss man das Errechnete negieren.

Zur Multiplikation

  1. Wenn beide Zahlen negativ sind, so multipliziert man einfach die Beträge der beiden Zahlen miteinander.
  2. Wenn eine Zahl positiv ist und eine negativ ist, so multipliziert man ebenfalls die Beträge miteinander und nimmt dieses Ergebnis negativ.

Die Subtraktion fasst man als Addition mit eventuell negativen Zahlen auf.

Wenn eine ganze Zahl in der Form

gegeben ist, wobei die beliebige ganze Zahlen sind, so kann man nicht unmittelbar die zugehörige Dezimalentwicklung ablesen, da dies wesentlich davon abhängt, ob die Zahl positiv oder negativ ist.


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