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Kurs:Körper- und Galoistheorie (Osnabrück 2018-2019)/Arbeitsblatt 28/latex

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\setcounter{section}{28}






\zwischenueberschrift{Übungsaufgaben}




\inputaufgabe
{}
{

Berechne in
\mathl{\Q(X,Y)}{}
\mathdisp {{ \frac{ 7X^2-XY^3+Y^4 }{ 5X- { \frac{ 1 }{ 3 } } Y^4 } } \cdot { \frac{ 1 }{ X^2 Y^3 } } + { \frac{ 3X^3+X^2Y^2-XY^2 }{ 2+4 X^3-X^{257} } } \cdot { \frac{ 1 }{ X^2 Y^3 } } - { \frac{ 1 }{ 7 } } X^3+XY+Y^{6}+9} { }

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{K }
{ \subseteq }{L }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} eine \definitionsverweis {algebraische Körpererweiterung}{}{.} Zeige, dass dann auch die Körpererweiterung
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{K(X_1 , \ldots , X_n ) }
{ \subseteq} {L(X_1 , \ldots , X_n ) }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} der \definitionsverweis {rationalen Funktionenkörper}{}{} algebraisch ist.

}
{} {}




\inputaufgabegibtloesung
{}
{

Es sei $K$ ein \definitionsverweis {Körper}{}{.} Zeige, dass $K$ in einer \definitionsverweis {Körpererweiterung}{}{} der Form
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{K }
{ \subseteq} { K(X_1 , \ldots , X_n) }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} algebraisch abgeschlossen ist, also mit seinem \definitionsverweis {algebraischen Abschluss}{}{} in
\mathl{K(X_1 , \ldots , X_n)}{} übereinstimmt.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Zeige
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \R(X_1 , \ldots , X_n) [ { \mathrm i} ] }
{ =} { {\mathbb C} (X_1 , \ldots , X_n) }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.}

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Zeige, dass eine Unterfamilie einer \definitionsverweis {algebraisch unabhängigen}{}{} Familie wieder algebraisch unabhängig ist.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es seien
\mathl{e_1 , \ldots , e_n}{} positive natürliche Zahlen. Zeige, dass die Familie
\mathl{X_1^{e_1} , \ldots , X_n^{e_n}}{} im Polynomring
\mathl{K[X , \ldots , X_n ]}{} über einem \definitionsverweis {Körper}{}{} $K$ \definitionsverweis {algebraisch unabhängig}{}{} ist.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Zeige, dass die Familie
\mathl{X+Y,XY}{} im Polynomring
\mathl{K[X,Y]}{} über einem \definitionsverweis {Körper}{}{} $K$ \definitionsverweis {algebraisch unabhängig}{}{} ist.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es seien \mathkor {} {A} {und} {B} {} \definitionsverweis {kommutative}{}{} $R$-\definitionsverweis {Algebren}{}{} über einem \definitionsverweis {kommutativen Ring}{}{} $R$ und sei \maabb {\varphi} {A} {B } {} ein \definitionsverweis {surjektiver}{}{} $R$-\definitionsverweis {Algebrahomomorphismus}{}{.} Es seien
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{f_1 , \ldots , f_n }
{ \in }{ A }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} Elemente derart, dass
\mathl{\varphi { \left( f_1 \right) } , \ldots , \varphi { \left( f_n \right) }}{} \definitionsverweis {algebraisch unabhängig}{}{} über $R$ sind. Zeige, dass die
\mathl{f_1 , \ldots , f_n}{} algebraisch unabhängig sind.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei $A$ eine \definitionsverweis {kommutative}{}{} $R$-\definitionsverweis {Algebra}{}{} über einem \definitionsverweis {kommutativen Ring}{}{} $R$ und seien
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{f_1 , \ldots , f_n }
{ \in }{ A }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} eine Elementfamilie. Zeige, dass folgende Aussagen äquivalent sind. \aufzaehlungdrei{Die Elemente
\mathl{f_1 , \ldots , f_n}{} sind \definitionsverweis {algebraisch unabhängig}{}{.} }{Der \definitionsverweis {Einsetzungshomomorphismus}{}{} \maabbeledisp {} {R[X_1 , \ldots , X_n]} { A } {X_i} { f_i } {,} ist \definitionsverweis {injektiv}{}{.} }{Der \definitionsverweis {Einsetzungshomomorphismus}{}{} \maabbeledisp {} {R[X_1 , \ldots , X_n]} { R[f_1 , \ldots , f_n ] } {X_i} { f_i } {,} ist \definitionsverweis {bijektiv}{}{.} }

}
{} {}




\inputaufgabegibtloesung
{}
{

Es seien
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{K }
{ \subseteq }{L }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} und
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{L }
{ \subseteq }{ M }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} \definitionsverweis {Körpererweiterungen}{}{.} Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{f_1 , \ldots , f_r }
{ \in }{ L }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} eine \definitionsverweis {algebraisch unabhängig}{}{} über $K$ und
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{g_1 , \ldots , g_s }
{ \in }{M }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} algebraisch unabhängig über $L$. Zeige, dass die Familie
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{f_1 , \ldots , f_r,g_1 , \ldots , g_s }
{ \in} {M }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} algebraisch unabhängig über $K$ ist.

}
{} {}




\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 seien
\mathl{f_1 , \ldots , f_n}{} Elemente eines \definitionsverweis {Körpers}{}{} $K$ und seien
\mathl{f_1 , \ldots , f_{n-1}}{} \definitionsverweis {algebraisch unabhängig}{}{.} Zeige, dass die Familie
\mathl{f_1 , \ldots , f_n}{} genau dann algebraisch unabhängig ist, wenn $f_n$ \definitionsverweis {transzendent}{}{} über
\mathl{K(f_1 , \ldots , f_{n-1})}{} ist.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Zeige, dass die \definitionsverweis {Körpererweiterung}{}{}
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ {\mathbb C} (X) }
{ \subseteq} { {\mathbb C} (X) [Y]/ { \left( X^2+Y^2-1 \right) } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} \definitionsverweis {rein transzendent}{}{} ist.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Besitzt die \definitionsverweis {Körpererweiterung}{}{}
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{\Q }
{ \subseteq }{\R }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} eine endliche \definitionsverweis {Transzendenzbasis}{}{?}

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{z_1 , \ldots , z_n }
{ \in }{ \R }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} eine Familie von \definitionsverweis {reellen Zahlen}{}{.} Zeige, dass es daraus eine \definitionsverweis {algebraisch unabhängige}{}{} Teilfamilie gibt.

}
{} {}

Es ist übrigens unbekannt, ob die beiden transzendenten Zahlen \mathkor {} {e} {und} {\pi} {} algebraisch unabhängig über $\Q$ sind.




\inputaufgabe
{}
{

Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{K }
{ \subseteq }{L }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} eine \definitionsverweis {Körpererweiterung}{}{.} Zeige, dass eine echte Unterfamilie einer \definitionsverweis {Transzendenzbasis}{}{} von $L$ über $K$ keine Transzendenzbasis ist.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{K }
{ \subseteq }{L }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} eine \definitionsverweis {Körpererweiterung}{}{} und
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{L }
{ \subseteq }{M }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} eine \definitionsverweis {algebraische Körpererweiterung}{}{.} Es sei
\mathl{f_1 , \ldots , f_n \in L}{} eine \definitionsverweis {Transzendenzbasis}{}{} von $L$ über $K$. Zeige, dass diese Familie auch eine Transzendenzbasis von $M$ über $K$ ist.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei $K$ ein \definitionsverweis {Körper}{}{} der \definitionsverweis {Charakteristik}{}{} $0$ und
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{f_1 , \ldots , f_n }
{ \in }{ K[X_1 , \ldots , X_n ] }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} Polynome, die für den \definitionsverweis {Körper der rationalen Funktionen}{}{}
\mathl{K (X_1 , \ldots , X_n )}{} eine \definitionsverweis {Transzendenzbasis}{}{} über $K$ bilden. Es sei $f_n$ ein \definitionsverweis {Primpolynom}{}{.} Zeige, dass die Restklassen der
\mathl{f_1 , \ldots , f_{n-1}}{} im Quotientenkörper
\mathl{Q(K[X_1 , \ldots , X_n]/(f_n) )}{} eine Transzendenzbasis bilden.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Bestimme den \definitionsverweis {Transzendenzgrad}{}{} des von den beiden \definitionsverweis {trigonometrischen Funktionen}{}{} Sinus und Kosinus über $\R$ erzeugten Körpers.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Diskutiere Gemeinsamkeiten zwischen dem Konzept \definitionsverweis {lineare Unabhängigkeit}{}{} \zusatzklammer {\definitionsverweis {Basis}{}{,} \definitionsverweis {Dimension}{}{}} {} {} und dem Konzept \definitionsverweis {algebraische Unabhängigkeit}{}{} \zusatzklammer {\definitionsverweis {Transzendenzbasis}{}{,} \definitionsverweis {Transzendenzgrad}{}{}} {} {.}

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei $K$ ein \definitionsverweis {Körper}{}{} und
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{L }
{ = }{K(X_1 , \ldots , X_n ) }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} der \definitionsverweis {rationale Funktionenkörper}{}{} in $n$ Variablen. Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{G }
{ \subseteq }{\operatorname{Gal}\, ( L {{|}} K ) }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} eine endliche Untergruppe der \definitionsverweis {Galoisgruppe}{}{.} Zeige, dass der \definitionsverweis {Transzendenzgrad}{}{} des \definitionsverweis {Fixkörpers}{}{}
\mathl{L^G}{} über $K$ gleich $n$ ist.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Wir betrachten den Funktionenkörper in zwei Variablen
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{L }
{ = }{K(X,Y) }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} über einem Körper $K$ der \definitionsverweis {Charakteristik}{}{} $0$. Die Gruppe $K^{\times}$ ist eine Untergruppe der \definitionsverweis {Galoisgruppe}{}{}
\mathl{\operatorname{Gal}\, ( L {{|}} K )}{,} indem man
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{s }
{ \neq }{0 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} als den durch
\mathl{X \mapsto sX,\, Y \mapsto sY}{} festgelegten Automorphismus auffasst. Bestimme den \definitionsverweis {Fixkörper}{}{} $K(X,Y)^{ K^{\times} }$ sowie dessen \definitionsverweis {Transzendenzgrad}{}{} über $K$.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Wir betrachten den Funktionenkörper
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{L }
{ = }{K(X_1 , \ldots , X_n ) }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} über einem Körper $K$. Wie betrachten auf der Menge
\mathl{\mathcal Z}{} aller Zwischenkörper die Relation, die durch
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{M_1 }
{ \sim} { M_2 }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{,} falls es einen Zwischenkörper $M$ derart gibt, dass
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{M_1 }
{ \subseteq }{M }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} und
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{M_2 }
{ \subseteq }{M }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} \definitionsverweis {endliche Körpererweiterungen}{}{} sind, gegeben ist. Zeige, dass es sich dabei um eine \definitionsverweis {Äquivalenzrelation}{}{} handelt.

}
{} {}




\inputaufgabegibtloesung
{}
{

Zeige, dass die rationalen Funktionen \zusatzklammer {in den zwei Variablen \mathkor {} {U} {und} {V} {}} {} {}
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{P }
{ =} { { \frac{ -U^{15} }{ (1+V)^7V^3 } } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{,}
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{Q }
{ =} { { \frac{ -U^{10} }{ (1+V)^5 V^2 } } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} und
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{R }
{ =} { { \frac{ -U^{6} }{ (1+V)^3 V } } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} die Relation
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{P^2 +Q^3 + R^5 }
{ =} {0 }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} erfüllen.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Man gebe ein Beispiel für Zwischenkörper
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{L,M }
{ \subseteq }{K(X, Y ) }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{,} die den gleichen \definitionsverweis {Transzendenzgrad}{}{} haben, die aber nicht zueinander \definitionsverweis {äquivalent}{}{} im Sinne von Aufgabe 28.23 sind.

}
{} {}




\inputaufgabegibtloesung
{}
{

Das Polynom
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ Z^3 -X^3-Y^3 }
{ \in }{ {\mathbb C}(X,Y)[Z] }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ist irreduzibel und definiert daher eine endliche Körpererweiterung
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ {\mathbb C}(X,Y) }
{ \subseteq} { {\mathbb C}(X,Y)[Z]/ { \left( Z^3 -X^3-Y^3 \right) } }
{ \defeqr} { L }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} vom Grad $3$. Es sei $\zeta$ eine primitive dritte komplexe Einheitswurzel und es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{G }
{ = }{ \{1, \zeta,\zeta^2\} }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} die Gruppe der komplexen dritten Einheitswurzeln. \aufzaehlungfuenf{Zeige, dass durch
\mathdisp {X \mapsto X, \, Y \mapsto Y, \, Z \mapsto \zeta Z} { }
ein
\mathl{{\mathbb C}(X,Y)}{-}Automorphismus auf $L$ gegeben ist. }{Zeige, dass
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ {\mathbb C}(X,Y) }
{ \subseteq }{ L }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} eine Galoiserweiterung ist. }{Zeige, dass
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ {\mathbb C}(X,Y) }
{ \subseteq }{ L }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} eine graduierte Körpererweiterung ist. }{Zeige, dass durch
\mathdisp {X \mapsto \zeta X, \, Y \mapsto \zeta Y, \, Z \mapsto \zeta^2 Z} { }
ein
\mathl{{\mathbb C}}{-}Automorphismus auf $L$ der Ordnung $3$ gegeben ist. }{Zeige, dass der Fixkörper zum Automorphismus aus (4) isomorph zum rationalen Funktionenkörper in zwei Variablen ist. }

}
{} {}






\zwischenueberschrift{Aufgaben zum Abgeben}




\inputaufgabe
{4}
{

Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{n }
{ \in }{\N_+ }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} Betrachte auf dem \definitionsverweis {rationalen Funktionenkörper}{}{} ${\mathbb C} (X)$ die Gruppe der ${\mathbb C}$-\definitionsverweis {Körperautomorphismen}{}{,} die durch
\mathl{X \mapsto \zeta_n X}{} erzeugt wird, wobei $\zeta_n$ eine primitive $n$-te Einheitswurzel bezeichnet. Bestimme den \definitionsverweis {Fixkörper}{}{} ${\mathbb C}(X)^{ \Z/(n) }$.

}
{} {}




\inputaufgabe
{4}
{

Zeige, dass die Familie
\mathl{X+Y+Z,XY+XZ+YZ,XYZ}{} im Polynomring
\mathl{K[X,Y,Z]}{} über einem \definitionsverweis {Körper}{}{} $K$ \definitionsverweis {algebraisch unabhängig}{}{} ist.

}
{} {}




\inputaufgabe
{8 (2+2+4)}
{

Es sei $K$ ein \definitionsverweis {Körper}{}{} und
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{L }
{ = }{K(X_1 , \ldots , X_n ) }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} der \definitionsverweis {rationale Funktionenkörper}{}{} in $n$ Variablen. Wir knüpfen an Beispiel 10.12 an. \aufzaehlungdrei{Zeige, dass es einen natürlichen \definitionsverweis {injektiven}{}{} \definitionsverweis {Gruppenhomomorphismus}{}{} \maabbdisp {} {\operatorname{GL}_{ n } \! { \left( K \right) } } { \operatorname{Gal}\, ( L {{|}} K ) } {} }{Zeige, dass dieser nicht \definitionsverweis {surjektiv}{}{} ist. }{Es sei nun zusätzlich vorausgesetzt, dass der Körper $K$ die \definitionsverweis {Charakteristik}{}{} $0$ habe. Zeige für den \definitionsverweis {Fixkörper}{}{} die Gleichheit
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ L^{ \operatorname{GL}_{ n } \! { \left( K \right) } } }
{ =} { K }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.} }

}
{} {}




\inputaufgabe
{1}
{

Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{L }
{ = }{K(X_1 , \ldots , X_n ) }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} der \definitionsverweis {rationale Funktionenkörper}{}{} über einem Körper $K$. Wie betrachten auf der Menge
\mathl{\mathcal Z}{} aller Zwischenkörper die \definitionsverweis {Äquivalenzrelation}{}{} aus Aufgabe 28.23. Zeige, dass der \definitionsverweis {Transzendenzgrad}{}{} auf den \definitionsverweis {Äquivalenzklassen}{}{} wohldefiniert ist.

}
{} {}




\inputaufgabe
{2}
{

Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{L }
{ = }{K(X_1 , \ldots , X_n ) }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} der \definitionsverweis {rationale Funktionenkörper}{}{} über einem Körper $K$. Es seien Zwischenkörper
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{K }
{ \subseteq} {M_1,M_2 }
{ \subseteq} { L }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} mit der Eigenschaft gegeben, dass die \definitionsverweis {Körpererweiterungen}{}{}
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{M_1 \cap M_2 }
{ \subseteq} { M_1 , M_2 }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} \definitionsverweis {endlich}{}{} seien. Zeige, dass es dann auch einen Zwischenkörper $N$ derart gibt, dass
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{M_1,M_2 }
{ \subseteq }{ N }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} endlich sind.

}
{} {}