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Kurs:Körper- und Galoistheorie (Osnabrück 2018-2019)/Arbeitsblatt 8/latex

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\setcounter{section}{8}






\zwischenueberschrift{Aufwärmaufgaben}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ K }
{ \subseteq }{ L }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} eine \definitionsverweis {Körpererweiterung}{}{} und
\mathl{f \in L}{.} Zeige, dass die Abbildung \maabbeledisp {\mu_f} {L} {L } {x} {fx } {,} $K$-\definitionsverweis {linear}{}{} ist.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Wir betrachten die \definitionsverweis {endliche Körpererweiterung}{}{}
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{\R }
{ \subseteq }{ {\mathbb C} }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} Beschreibe die Matrix der Multiplikationsabbildung zu
\mathl{7+5 { \mathrm i}}{} bezüglich der reellen Basis
\mathl{1, { \mathrm i}}{} von ${\mathbb C}$.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Wir betrachten die \definitionsverweis {quadratische Körpererweiterung}{}{}
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{\Q }
{ \subseteq }{ \Q[ \sqrt{3} ] }
{ = }{L }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} Erstelle die Matrix der Multiplikationsabbildung zu
\mathl{-4+9 \sqrt{3}}{} bezüglich der $\Q$-\definitionsverweis {Basis}{}{}
\mathl{1, \sqrt{3}}{} von $L$.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Erstelle die Multiplikationsmatrix zum Element
\mathl{7x^2-4x+5}{} in der kubischen Körpererweiterung
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{\Q }
{ \subseteq} {\Q[X]/ { \left( X^3-6X^2+5X-8 \right) } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.}

}
{} {}




\inputaufgabegibtloesung
{}
{

Es seien
\mathl{p,q}{} verschiedene \definitionsverweis {Primzahlen}{}{} und
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{\Q }
{ \subseteq} { \Q[\sqrt{p}, \sqrt{q}] }
{ \defeqr} {L }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} die zugehörige \definitionsverweis {Körpererweiterung}{}{.} Erstelle die Multiplikationsmatrix zu einem Element
\mathl{a + b \sqrt{p} +c \sqrt{q} +d \sqrt{pq} \in L}{} bezüglich der Basis
\mathl{1, \sqrt{p} , \sqrt{q}, \sqrt{pq}}{.}

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ K }
{ \subseteq }{ L }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} eine \definitionsverweis {endliche Körpererweiterung}{}{.} Zeige, dass die Abbildung \maabbeledisp {} {L} {\operatorname{End}_{ K } \, (L) } {f} { \mu_f } {,} ein \definitionsverweis {injektiver}{}{} \definitionsverweis {Ringhomomorphismus}{}{} ist.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{K }
{ \subseteq }{M }
{ \subseteq }{L }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} eine \definitionsverweis {Körpererweiterung}{}{.} Es sei
\mathl{f \in M}{} und $B$ die beschreibende Matrix der Multiplikationsabbildung \maabb {\mu_f} {M} {M } {} bezüglich einer $K$-\definitionsverweis {Basis}{}{} von $M$. Zeige, dass bezüglich einer geeigneten $K$-Basis von $L$ die Multiplikationsabbildung \maabb {\mu_f} {L} {L } {} durch eine Blockmatrix der Form
\mathdisp {\begin{pmatrix} B & 0 & \ldots & 0 \\ 0 & B & \ldots & 0 \\ \vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\ 0 & 0 & \ldots & B \end{pmatrix}} { }
beschrieben wird.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Bringe für die \definitionsverweis {Körpererweiterung}{}{}
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{\R }
{ \subseteq }{ {\mathbb C} }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} die Konzepte \definitionsverweis {Norm}{}{} und \definitionsverweis {Spur}{}{} mit dem \definitionsverweis {Betrag}{}{} und dem \definitionsverweis {Realteil}{}{} einer komplexen Zahl in Verbindung.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{K }
{ \subseteq }{L }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} eine \definitionsverweis {endliche Körpererweiterung}{}{.} Zeige, dass die \definitionsverweis {Norm}{}{} einen \definitionsverweis {Gruppenhomomorphismus}{}{} \maabbeledisp {N} { L^{\times} } { K^{\times} } {f} {N(f) } {,} definiert.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Berechne für das Element
\mathl{2+4x+5x^2}{} in der \definitionsverweis {Körpererweiterung}{}{}
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{\Q }
{ \subseteq} { \Q[ X ]/ { \left( X^3-3X+1 \right) } }
{ \defeqr} {L }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} die \definitionsverweis {Norm}{}{} und die \definitionsverweis {Spur}{}{.}

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{K }
{ \subseteq }{M }
{ \subseteq }{L }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} eine Kette von \definitionsverweis {quadratischen Körpererweiterungen}{}{.} Zeige, dass für die \definitionsverweis {Normen}{}{} die Beziehung
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ N^L_K }
{ =} { N^M_K\circ N^L_M }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} gilt.

}
{} {}




\inputaufgabegibtloesung
{}
{

Bestimme für sämtliche Elemente der Körpererweiterung
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \Z/(2) }
{ \subseteq} { \Z/(2) [X]/ { \left( X^2+X+1 \right) } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} die Multiplikationsmatrizen bezüglich der Basis $1,x$ sowie ihre Norm und ihre Spur.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ K }
{ \subseteq }{ L }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} eine \definitionsverweis {endliche Körpererweiterung}{}{} und sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{f }
{ \in }{L }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} gegeben mit der zugehörigen \definitionsverweis {Multiplikationsabbildung}{}{} $\mu_f$. Zeige, dass das \definitionsverweis {charakteristische Polynom}{}{}
\mathl{\chi_{\mu_f}}{} ein Vielfaches des \definitionsverweis {Minimalpolynoms}{}{} zu $f$ ist.

}
{} {}




\inputaufgabegibtloesung
{}
{

Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{K }
{ \subseteq }{L }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} eine \definitionsverweis {endliche Körpererweiterung}{}{} und
\mathl{f \in L}{.} Zeige, dass es für die Eigenwerttheorie der $K$-\definitionsverweis {linearen}{}{} \definitionsverweis {Multiplikationsabbildung}{}{} \maabbdisp {\mu_f} {L} {L } {} grundsätzlich nur zwei Möglichkeiten gibt.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei $K$ ein \definitionsverweis {Körper}{}{} und sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ P }
{ = }{ X^n-c }
{ \in }{ K[X] }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ein \definitionsverweis {irreduzibles Polynom}{}{.} Es sei
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ f }
{ =} { a_{n-1} X^{n-1} + a_{n-2}X^{n-2} + \cdots + a_1X+ a_0 }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} ein Element in der \definitionsverweis {einfachen}{}{} \definitionsverweis {endlichen Körpererweiterung}{}{}
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ K }
{ \subseteq }{ L }
{ = }{ K[X]/(P) }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} vom Grad $n$. Zeige, dass die \definitionsverweis {Spur}{}{} von $f$ gleich $na_0$ ist.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei $p$ eine Primzahl und sei
\mathdisp {L=\Q[X]/ { \left( X^3-p \right) }} { }
der durch das irreduzible Polynom
\mathl{X^3-p}{} definierte Erweiterungskörper von $\Q$. Es sei
\mathdisp {f=2+3x-4x^2} { . }
\aufzaehlungfuenf{Finde die Matrix bezüglich der $\Q$-Basis
\mathl{1,x,x^2}{} von $L$ der durch die Multiplikation mit $f$ definierten $\Q$-linearen Abbildung. }{Berechne die \definitionsverweis {Norm}{}{} und die Spur von $f$. }{Bestimme das \definitionsverweis {Minimalpolynom}{}{} von $f$. }{Finde das Inverse von $f$. }{Berechne die \definitionsverweis {Diskriminante}{}{} der Basis
\mathl{1,f,f^2}{.} }

}
{} {}

Wir erinnern an einige Eigenschaften der Spur.


\inputaufgabe
{}
{

Zeige, dass die Definition . der Spur einer linearen Abbildung unabhängig von der gewählten Matrix ist.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei $K$ ein \definitionsverweis {Körper}{}{} und es sei $A$ eine $m \times n$-\definitionsverweis {Matrix}{}{} und $B$ eine
\mathl{n \times m}{-}Matrix über $K$. Zeige
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \operatorname{Spur} { \left( A \circ B \right) } }
{ =} { \operatorname{Spur} { \left( B \circ A \right) } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.}

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei $K$ ein \definitionsverweis {Körper}{}{} und sei $M$ eine $n \times n$-\definitionsverweis {Matrix}{}{} über $K$ mit der Eigenschaft, dass das \definitionsverweis {charakteristische Polynom}{}{} in Linearfaktoren zerfällt, also
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \chi_{ M } }
{ =} { (X- \lambda_1)^{\mu_1} \cdot (X- \lambda_2)^{\mu_2} { \cdots } (X-\lambda_k)^{\mu_k } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.} Zeige, dass
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \operatorname{Spur} { \left( M \right) } }
{ =} { \sum_{ i = 1 }^{ k } \mu_i \lambda_i }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} ist.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ M }
{ \in} { \operatorname{Mat}_{ n } (K) }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} eine \definitionsverweis {Matrix}{}{} mit $n$ \zusatzklammer {paarweise} {} {} verschiedenen \definitionsverweis {Eigenwerten}{}{.} Zeige, dass die \definitionsverweis {Spur}{}{} von $M$ die Summe der Eigenwerte ist.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Berechne die \definitionsverweis {Diskriminante}{}{} zur \definitionsverweis {Körpererweiterung}{}{}
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{\Q }
{ \subseteq} { \Q[ { \mathrm i} ] }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} zur Basis \mathkor {} {1} {und} {{ \mathrm i}} {} und zur Basis \mathkor {} {2-5 { \mathrm i}} {und} {4+7 { \mathrm i}} {.}

}
{} {}




\inputaufgabegibtloesung
{}
{

Es sei $K$ ein \definitionsverweis {Körper}{}{} der \definitionsverweis {Charakteristik}{}{} $0$ und sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{K }
{ \subseteq }{L }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} eine \definitionsverweis {endliche Körpererweiterung}{}{} vom \definitionsverweis {Grad}{}{} $n$ und sei
\mathl{b_1 , \ldots , b_n}{} eine $K$-\definitionsverweis {Basis}{}{} von $L$. Zeige, dass dann
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \triangle (b_1 , \ldots , b_n) }
{ \neq} { 0 }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.}

}
{} {}






\zwischenueberschrift{Aufgaben zum Abgeben}




\inputaufgabe
{2}
{

Erstelle die Multiplikationsmatrix zum Element
\mathl{7x^2+3x-8}{} in der kubischen Körpererweiterung
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{\Q }
{ =} {\Q[X]/ { \left( X^3+9X^2-2X+5 \right) } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.}

}
{} {}




\inputaufgabe
{3}
{

Bestimme für sämtliche Elemente der Körpererweiterung
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \Z/(3) }
{ \subseteq} { \Z/(3) [X]/ { \left( X^2-2 \right) } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} die Multiplikationsmatrizen bezüglich der Basis $1,x$ sowie ihre Norm und ihre Spur.

}
{} {}




\inputaufgabe
{6}
{

Es sei $K$ ein \definitionsverweis {Körper}{}{} und sei $p$ eine \definitionsverweis {Primzahl}{}{.} Es sei
\mathl{a \in K}{} ein Element, das in $K$ keine $p$-te \definitionsverweis {Wurzel}{}{} besitzt. Zeige, dass das Polynom
\mathl{X^p-a}{} \definitionsverweis {irreduzibel}{}{} ist.

}
{} {(Tipp: Betrachte die Norm zu einer geeigneten Körpererweiterung.)}




\inputaufgabe
{4}
{

Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{K }
{ \subseteq }{L }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} eine \definitionsverweis {Körpererweiterung}{}{,}
\mathl{f \in L}{} und
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{M }
{ = }{K[f] }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} Zeige, dass das charakteristische Polynom der Multiplikationsabbildung \maabbdisp {\mu_f} {L} {L } {} eine Potenz des \definitionsverweis {Minimalpolynoms}{}{} von $f$ ist.

}
{} {}




\inputaufgabe
{3}
{

Bestimme die \definitionsverweis {Diskriminante}{}{} zur Basis $1,x,x^2$ der kubischen Körpererweiterung
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{\Q }
{ \subseteq} {\Q[X]/ { \left( X^3-5X^2+6X-3 \right) } }
{ \defeqr} {L }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.}

}
{} {}