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Kurs:Körper- und Galoistheorie (Osnabrück 2018-2019)/Arbeitsblatt 17/latex

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\setcounter{section}{17}






\zwischenueberschrift{Aufwärmaufgaben}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei $p$ eine \definitionsverweis {Primzahl}{}{} und sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{K }
{ \subseteq }{L }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} eine \definitionsverweis {Körpererweiterung}{}{} vom \definitionsverweis {Grad}{}{} $p$. Zeige, dass die \definitionsverweis {Galoisgruppe}{}{} von $L$ über $K$ entweder genau eine oder genau zwei Untergruppen besitzt. Wie viele Zwischenkörper besitzt die Körpererweiterung, wann ist die Erweiterung \definitionsverweis {galoissch}{}{?}

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{K }
{ \subseteq }{L }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} eine \definitionsverweis {endliche Körpererweiterung}{}{} mit \definitionsverweis {Galoisgruppe}{}{}
\mathl{\operatorname{Gal}\, ( L {{|}} K )}{.} Zeige, dass die Zuordnung
\mathdisp {H \longmapsto \operatorname{Fix}\, ( H )} { , }
die einer Untergruppe ihren Fixkörper zuordnet, stets injektiv ist.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei $p$ eine Primzahl. Erstelle Inklusionsdiagramme für die Zwischenkörper der Körpererweiterung
\mathl{{\mathbb F}_p \subseteq {\mathbb F}_{p^{ n } }}{} für
\mathl{n=4,6,8,12}{.} Wie sehen die zugehörigen Inklusionsdiagramme der Untergruppen der Galoisgruppe aus?

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{K }
{ \subseteq }{L }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} eine \definitionsverweis {Galoiserweiterung}{}{} mit \definitionsverweis {Galoisgruppe}{}{}
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \operatorname{Gal}\, ( L {{|}} K ) }
{ \cong} { { \left( \Z/(p) \right) }^n }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{,} wobei $p$ eine \definitionsverweis {Primzahl}{}{} sei. Bestimme die Untergruppen der Galoisgruppen und skizziere ein Inklusionsdiagramm für die Untergruppen, die Zwischenkör\-per und die Potenzmenge von
\mathl{\{1 , \ldots , n \}}{.}

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Bestimme die Nullstellen von
\mathl{X^6+108}{} in Beispiel 17.9 und beschreibe, wie die \definitionsverweis {Automorphismen}{}{} auf diesen Nullstellen wirken. Welche Nullstellen sind \definitionsverweis {konjugiert}{}{?}

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Bestimme die \definitionsverweis {Zwischenkörper}{}{} in Beispiel 17.9.

}
{} {}




\inputaufgabegibtloesung
{}
{

Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ K }
{ \subseteq }{ L }
{ }{ }
{ }{}
{ }{}
} {}{}{} eine \definitionsverweis {endliche Galoiserweiterung}{}{} mit \definitionsverweis {Galoisgruppe}{}{} $G$ und es seien
\mathl{H_1,H_2 \subseteq G}{} \definitionsverweis {Untergruppen}{}{} mit den zugehörigen \definitionsverweis {Fixkörpern}{}{} \mathkor {} {K_1 = \operatorname{Fix}\, ( H_1 )} {und} {K_2 = \operatorname{Fix}\, ( H_2 )} {.} Zeige, dass der \definitionsverweis {Durchschnitt}{}{}
\mathl{K_1 \cap K_2}{} gleich dem Fixkörper zu $H$ ist, wobei $H$ die von \mathkor {} {H_1} {und} {H_2} {} \definitionsverweis {erzeugte Untergruppe}{}{} bezeichnet \zusatzklammer {das ist die kleinste Untergruppe von $G$, die sowohl $H_1$ als auch $H_2$ enthält} {} {.}

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei
\mathl{{\mathbb F}_{ q }}{} ein endlicher Körper. Beschreibe den \definitionsverweis {Frobeniushomomorphismus}{}{} als Abbildung von
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ {\mathbb F}_{ q } ^{\times} }
{ \cong }{ \Z/(q-1) }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} in sich selbst. Woran erkennt man nach dieser Übersetzung die Bijektivität des Frobenius? Wie sehen die Iterationen aus? Wie kann man die Fixelemente zu einer solchen Iteration als Kern beschreiben?

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Wir betrachten den \definitionsverweis {Körper}{}{}
\mathl{{\mathbb F}_{ 9 }}{} mit $9$ Elementen. Für welche Untergruppen
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{H }
{ \subseteq }{ {\mathbb F}_{ 9 } ^{\times} }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ist
\mathl{H \cup \{0\}}{} ein Körper, für welche nicht?

}
{} {}


Eine \definitionsverweis {Gruppe}{}{} heißt \definitionswort {einfach}{,} wenn sie genau zwei \definitionsverweis {Normalteiler}{}{} enthält \zusatzklammer {nämlich sich selbst und die triviale Gruppe} {} {.}





\inputaufgabe
{}
{

Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{K }
{ \subseteq }{L }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} eine \definitionsverweis {Galoiserweiterung}{}{} derart, dass die \definitionsverweis {Galoisgruppe}{}{} \definitionsverweis {einfach}{}{} sei. Zeige, dass ein Zwischenkörper
\mathbed {M} {}
{K \subseteq M \subseteq L} {}
{} {} {} {,} nur dann galoissch über $K$ ist, wenn er gleich $K$ oder $L$ ist.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei $G$ eine \definitionsverweis {einfache}{}{,} nicht \definitionsverweis {kommutative Gruppe}{}{.} Zeige, dass $G$ eine \definitionsverweis {Untergruppe}{}{} besitzt, die kein \definitionsverweis {Normalteiler}{}{} ist.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es seien
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{K }
{ \subseteq }{L }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} und
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{R }
{ \subseteq }{S }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} \definitionsverweis {Galoiserweiterungen}{}{} derart, dass ihre \definitionsverweis {Galoisgruppen}{}{} \mathkor {} {\operatorname{Gal}\, ( L {{|}} K )} {und} {\operatorname{Gal}\, ( S {{|}} R )} {} \definitionsverweis {isomorph}{}{} sind. Stifte eine inklusionserhaltende Bijektion zwischen den Zwischenkörper der ersten und den Zwischenkörpern der zweiten Erweiterung.

}
{} {}






\zwischenueberschrift{Aufgaben zum Abgeben}




\inputaufgabe
{3}
{

Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ K }
{ \subseteq }{ L }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} eine \definitionsverweis {endliche}{}{} \definitionsverweis {Galoiserweiterung}{}{} und sei
\mathbed {M} {}
{K \subseteq M \subseteq L} {}
{} {} {} {,} ein Zwischenkörper. Zeige, dass die folgenden Aussagen äquivalent sind. \aufzaehlungzwei {Für alle
\mathl{\psi \in \operatorname{Gal}\, ( L {{|}} K )}{} ist
\mathl{\psi(M)= M}{.} } {Die Untergruppe
\mathl{\operatorname{Gal}\, ( L {{|}} M ) \subseteq \operatorname{Gal}\, ( L {{|}} K )}{} ist nur zu sich selbst \definitionsverweis {konjugiert}{}{.} }

}
{} {}




\inputaufgabe
{3}
{

Zeige, dass
\mathl{X^4-5 \in \Q[ { \mathrm i} ] [X]}{} \definitionsverweis {irreduzibel}{}{} ist. Zeige, dass die \definitionsverweis {Körpererweiterung}{}{}
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{\Q[ { \mathrm i} ] }
{ \subseteq} { \Q[ { \mathrm i} ] [X]/ { \left( X^4-5 \right) } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} \definitionsverweis {galoissch}{}{} ist, bestimme die \definitionsverweis {Galoisgruppe}{}{} und sämtliche Zwischenkörper.

}
{} {}




\inputaufgabe
{3}
{

Es sei $S_3$ die \definitionsverweis {Gruppe}{}{} der bijektiven Abbildungen auf einer dreielementigen Menge. Bestimme die \definitionsverweis {Untergruppen}{}{} von $S_3$ und welche zueinander \definitionsverweis {konjugiert}{}{} sind. Welche Untergruppen sind Normalteiler? Man gebe eine \definitionsverweis {Galoiserweiterung}{}{} mit Galoisgruppe $S_3$ an und bestimme die zu den Untergruppen gehörenden Zwischenkörper.

}
{} {}




\inputaufgabe
{3}
{

Es sei $G$ eine \definitionsverweis {zyklische Gruppe}{}{.} Zeige, dass $G$ genau dann \definitionsverweis {einfach}{}{} ist, wenn $G$ \definitionsverweis {endlich}{}{} und ihre \definitionsverweis {Ordnung}{}{} eine \definitionsverweis {Primzahl}{}{} ist.

}
{} {}




\inputaufgabe
{3}
{

Es sei $K$ ein \definitionsverweis {Körper}{}{} und
\mathl{F \in K[X]}{} ein \definitionsverweis {irreduzibles}{}{} \definitionsverweis {separables Polynom}{}{.} Es sei vorausgesetzt, dass die \definitionsverweis {Galoisgruppe}{}{} des \definitionsverweis {Zerfällungskörpers}{}{} $L$ von $F$ \definitionsverweis {kommutativ}{}{} sei. Zeige, dass dann
\mathl{L\cong K[X]/(F)}{} ist.

}
{} {}