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PetrusBellmonte committed Feb 26, 2024
1 parent 7489b1c commit 35beebb
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83 changes: 44 additions & 39 deletions sections/section3.tex
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Expand Up @@ -261,7 +261,7 @@ \subsection{Kreisteilungskörper und Einheitswurzeln}
\begin{proof}
Beweis mit Induktion über $n$:
IA: $\phi_1 = X-1$ \checkmark
$n\geq 2$: Wir verwenden, dass für $d<n$ $\phi_d\in \Z[X]$.
$n\geq 2$: Wir verwenden, dass für $d<n$ gilt $\phi_d\in \Z[X]$.
Es ist $\mu_n(\C) = \bigcup_{d|n}\mu_d^*(\C)$ (disjukt).
$X^n-1 = \prod_{\xi\in\mu_n(\C)} (X-\xi) = \prod_{d|n}\underbrace{\prod_{\xi\in\mu_d^*(\C)}(X-\xi)}_{=\phi_d}$
Setze $f = \prod_{d|n,d<n}\phi_d \overset{(IV)}{\in}\Z[X]$, f ist normiert.
Expand All @@ -272,13 +272,15 @@ \subsection{Kreisteilungskörper und Einheitswurzeln}
\begin{remark}
Rekursive Bestimmung der Kreisteilungspolynome mittels $X^n-1 = \prod_{d|n}\phi_d$.
Wenn $n =p$ prim: $\phi_p \cdot \phi_1 = X^p-1$ -> $\phi_p = \sum_{k=0}^{p-1} X^k$.

$\phi_2 = X+1$, $\phi_3 = X^2+X+1$
$\phi_4 \cdot \phi_2 \cdot \phi_1 = X^4 -1$ -> $\phi_4 =X^2+1$.
$\phi_6\cdot\phi_3\cdot\phi_2\cdot\phi_1$ -> $\phi_6 = X^2-X+1$.

\noindent
$\phi_2 = X+1$\\
$\phi_3 = X^2+X+1$\\
$\phi_4 \cdot \phi_2 \cdot \phi_1 = X^4 -1$ -> $\phi_4 =X^2+1$.\\
$\phi_6\cdot\phi_3\cdot\phi_2\cdot\phi_1 = X^6-1$ -> $\phi_6 = X^2-X+1$.

Für $p\in \N$ Primzahl und $\alpha\in\N$ gilt
$$X^{p^\alpha}-1 = \prod_{d|p^\alpha} \phi_d = \phi_{p^\alpha} \underbrace{\prod_{d|p^{\alpha-1}} \phi_d}_{X^{p^{\alpha-1}}-1}=\phi_{p^\alpha} (X^{p^{\alpha-1}})$$
$$X^{p^\alpha}-1 = \prod_{d|p^\alpha} \phi_d = \phi_{p^\alpha} \underbrace{\prod_{d|p^{\alpha-1}} \phi_d}_{X^{p^{\alpha-1}}-1}=\phi_{p^\alpha} (X^{p^{\alpha-1}}-1???)$$
$$\phi_{p^\alpha} = \phi_p(X^{p^{\alpha-1}}) = \sum_{k=0}^{p-1} (X^{p^{\alpha -1}})^k$$
\end{remark}

Expand All @@ -297,18 +299,18 @@ \subsection{Kreisteilungskörper und Einheitswurzeln}

Da $\xi$ Nullstelle von $X^n-1$ ist, existiert ein $h\in\Q[X]$ mit $X^n-1=f\cdot h$.
Weiter gilt, dass $f,h\in \Z[X]$ aus folgendem Grund:
\begin{reminder*}[Gauß-Lemma 2.5 b]
\begin{reminder*}[Gauß-Lemma \ref{theo:2.5} b]
$$c(f)\cdot c(h) = c(f\cdot h) = c(X^n-1) = 1$$

\end{reminder*}
Weiter ist $\underbrace{c(f)}_{ =\Tilde{c}(a\cdot f) a^{-1}},c(h)\in \{\frac{1}{k}\mid k\in \N\}$.
Weiter ist $\underbrace{c(f)}_{ =\Tilde{c}(a\cdot f) a^{-1}},c(h)\in \{\frac{1}{k}\mid k\in \N\}$\footnote{$f$ und $X^n-1$ normalisiert, haben also eine $1$ als höchsten Koeffizienten, womit auch $h$ normalisiert sein muss. Mit einem $1$-Koeffizienten, muss der "$A$-Anteil" bzw "$\Z$-Anteil" von $c(f)$, $c(h)$ eins sein. Damit sind $c(f)$, $c(h)$ nur Brüche der Form $\frac{1}{n}$ für $n\in \Z$ (und $n\in \N$ da $c(\cdot)$ ja die Nebenklasse von $A^\times = \{\pm 1\}$ ist)}.
Also folgt $c(f) = c(h)=1$. => $f,g\in \Z[X]$

Sei $p$ eine Primzahl, die $n$ nicht teilt.
Dann ist $\xi^p$ auch eine primimtive $n$-te EW.
Dann ist $\xi^p$ auch eine primitive $n$-te EW.
Wir behaupten, dass $\xi^p$ eine Nullstelle von $f$ ist.

Ist das nicht der Fall, dann ist $h(\xi^p)=0$, also ist $xi$ eine Nullstelle von $h(X^p)$.
Ist das nicht der Fall, dann ist $h(\xi^p)=0$, also ist $\xi$ eine Nullstelle von $h(X^p)$.
Somit $f|h(X^p)$. Es existiert $g\in \Q[X]$ mit $h(X^p) = f\cdot g$.
Ähnlich wie oben ist sogar $g\in \Z[X]$.
Betrachte die Reduktion $\mod p$:
Expand Down Expand Up @@ -526,10 +528,10 @@ \subsection{Auflösbarkeit von Gleichungen}
\begin{enumerate}[label=\alph*)]
\item Induktion über die Länge des Turms:
Der Induktionsanfang mit Länge $0$ ist gegeben \checkmark.
Für den Induktionsschritt betrachte einen Turm $K\subseteq K_1\subseteq\dots\subseteq K_{n-1}\subseteq K_n$, wobei $K_n = K_{n-1}(u)$ mit $u^m \in K_{n-1}$ und $K_{n-1}|K$ galoisch ist.
Für den Induktionsschritt betrachte einen Turm $K\subseteq K_1\subseteq\dots\subseteq K_{n-1}\subseteq K_n$, wobei $K_n = K_{n-1}(u)$ mit $u^m \in K_{n-1}$ und $K_{n-1}|K$ galoisch ist\footnote{\TODO[Die Index-Arbeit hier ist verwirrend: Wir Konstruieren kein $K_n = K_{n-1}(u)$ sondern nur einen Turm (der auch galois ist), der $K_n$ enthält.]}.
Nach Induktionsvorraussetzung muss ein solcher Turm existieren.
Betrachte $$f = \prod_{\sigma\in Gal(K_{n-1}|K)} \left(X^m-\sigma(u^m)\right)\in K[X]$$.
$f\in K[X]$, weil $\sigma\circ f=f$ (die Linearfaktoren werden nur permutiert) und somit alle Koeffizienten in $K_{n-1}^{Gal(K_{n-1}|K)}=K$ liegen müssen.
$f\in K[X]$, weil $\sigma^*(f)=f$ (die Linearfaktoren werden nur permutiert) und somit alle Koeffizienten in $K_{n-1}^{Gal(K_{n-1}|K)}=K$ liegen müssen.
Seien $u_1,\dots,u_t$ die Nullstellen von $f$ in $M$, dem Zerfällungskörper von $f$:\footnote{Wenn $K_{n-1}$ Zerfällungskörper von $W\subseteq K[X]$, dann ist $M$ Zerfällungskörper von $W\cup \{f\}$}
$$K\subseteq K_1\subseteq\dots\subseteq K_{n-1}\subseteq K_{n-1}(u_1)\subseteq K_{n-1}(u_1,u_2)\subseteq\dots\subseteq K_{n-1}(u_1,\dots,u_t)=M$$

Expand Down Expand Up @@ -568,7 +570,7 @@ \subsection{Auflösbarkeit von Gleichungen}
Bemerke $M(\xi)|K(\xi)$ galois'sch, da $M|K$ bereits galois'sch nach Vorraussetzung.
$$Gal(M(\xi)|K(\xi)) \leq Gal(M|K)$$
gilt, da sich Automorphismen aus $G(M(\xi)|K(\xi))$ auf $Gal(M|K)$ eingeschränkt werden kann.
Die ist möglich, da die evtl.\footnote{$\xi$ könnte bereits in $M$ sein. In dem Fall ist $Gal(M(\xi)|K(\xi))$ die Menge der Automorphismen in $Gal(M|K)$ ist, die $xi$ fix halten.} zusätzliche Nullstellen $\xi^i$ (als Elemente in $K(\xi)$ ) fix gehalten werden und die Automorphismen in $Gal(M(\xi)|K(\xi))$ höchstens auf den verbleibenden Nullstellen/Elementen in $M$ nicht-fix agieren können.
Die ist möglich, da die evtl.\footnote{$\xi$ könnte bereits in $M$ sein. In dem Fall ist $Gal(M(\xi)|K(\xi))$ die Menge der Automorphismen in $Gal(M|K)$ ist, die $\xi$ fix halten.} zusätzliche Nullstellen $\xi^i$ (als Elemente in $K(\xi)$ ) fix gehalten werden und die Automorphismen in $Gal(M(\xi)|K(\xi))$ höchstens auf den verbleibenden Nullstellen/Elementen in $M$ nicht-fix agieren können.

Nach \cref{theo:1.12} sind die Untergruppen auflösbarer Gruppen auflösbar. Damit ist auch $Gal(M(\xi)|K(\xi))$ auflösbar, da $Gal(M|K)$ nach Vorraussetzung auflösbar.

Expand Down Expand Up @@ -601,7 +603,7 @@ \subsection{Auflösbarkeit von Gleichungen}
\item[$\Rightarrow$]
Sei $L|K$ durch Radikale auflösbar.
Nach \ref{theo:3.25} ist $K\subseteq L \subseteq M$.
Da $L|K$ galois'sch, ist $Gal(M|L)\nteq Gal(M|K)$ und $Gal(M|K)/Gal(M|K) = Gal(L|K)$.
Da $L|K$ galois'sch, ist $Gal(M|L)\nteq Gal(M|K)$ und $Gal(M|K)/Gal(M|L) = Gal(L|K)$.
Nach \ref{theo:3.25} ist $Gal(M|K)$ auflösbar und damit ist $Gal(L|K)$ als dessen Faktor auch auflösbar (nach \ref{theo:1.12}).
\end{itemize}
\end{proof}
Expand Down Expand Up @@ -660,7 +662,7 @@ \subsection{Spur und Norm}
\end{pmatrix}$$
$\Rightarrow \chi_{a,L|K} =\chi_{a,M|L}^m$, $m=[L:M]$
\end{proof}
\begin{remark}
\begin{remark}\label{theo:3.31}
Unter der Vorraussetzung von \ref{theo:3.30} erhält man für $a\in M$, dass
\begin{align*}
Sp_{L|K}(a) &= [L:M]\cdot Sp_{M|K}(a)\\
Expand All @@ -677,9 +679,9 @@ \subsection{Spur und Norm}
\end{align*}
\end{theorem}
\begin{proof}
Nach Lemma \ref{theo:3.30}/3.31 reicht es den Fall $L=K(a)$ zu betrachten.
Nach Lemma \ref{theo:3.30}/\ref{theo:3.31} reicht es den Fall $L=K(a)$ zu betrachten.
In diesem Fall hat $L$ die Basis $1,a,\dots,a^{n-1}$ über $K$.
Die dazugehörige Matrix von $\phi_a$ lautet
Die dazugehörige Matrix von $\phi_a$ lautet\footnote{Die letzte Spalte ergibt sich aus $a\cdot a^{n-1} = a^n$, da $0=m_{a,K}(a) = \bold{a^n} + \alpha_{n-1} a^{n-1}+\dots,\alpha_0$}
$$\begin{pmatrix}
0& 0 &\cdots &\cdots & 0 & -\alpha_0\\
1& 0 & & & \vdots& -\alpha_1\\
Expand All @@ -692,7 +694,7 @@ \subsection{Spur und Norm}
$\Rightarrow$ $N_{L|K} (a) = (-1)^n \alpha_0$
\end{proof}
\begin{remark}
Es gilt sogar $\chi_{a,K(a)|K} = m_{a,K}$.
Es gilt sogar $\chi_{a,K(a)|K} = m_{a,K}$.\\
Cayley Hamilton:
$\chi_{a,K(a)|K}(\phi_a) = 0$.
Andererseits ist $0=\chi_{a,K(a)|K}(\phi_a)(1) = \chi_{a,K(a)|K}(\underbrace{\phi_a(1)}_{=a}) $. Da $\deg(\chi_{a,K(a)|K})=\deg(m_{a,K})$ ist $m_{a,K} = \chi_{a,K(a)|K}$.
Expand All @@ -701,55 +703,56 @@ \subsection{Spur und Norm}
\begin{theorem}
Sei $L|K$ endlich und separabel.
Sei $n=[L:K]$ und $\{\sigma_1,\dots,\sigma_n\} = Hom_K(L,\overline{K})$.
Dann gilt
Dann gilt für $a\in L$
\begin{align*}
Sp_{L|K} (a) &= \sum_{i=1}^n \sigma_i(a)\\
N_{L|K} (a) &= \prod_{i=1}^n \sigma_i(a)
\end{align*}
\end{theorem}
\TODO[All contents from this lecture are in dire need of formating! Proceed with caution]

\begin{proof}
$m_{a,K} = X^r+\alpha_{r-1}X^{r-1}+\dots + \alpha_0$
das Minimalpolynom.
Nach Lemma 2.44 ist $K(a)|K$ ist auch separabel.
Nach Lemma \ref{theo:2.44} ist $K(a)|K$ ist auch separabel.
Folglich gibt es $r$ verschiedene $K$-Homomorphismen $\tau_1,\dots,\tau_r$ von $K(a)$ nach $\overline{K}$.
Weiter ist $m_{a,K} = \prod_{i=1}^r (X-\tau_i(a))$.
=> $\sum_{i=1}^r\tau_i(a) = -\alpha_{r-1}$ (\TODO[why?]), $\prod_{i=1}^r \tau_i(a) = (-1)^r \cdot \alpha_0$.
Weiter ist $m_{a,K} = \prod_{i=1}^r (X-\tau_i(a))$.\\
$\Longrightarrow$ $\sum_{i=1}^r\tau_i(a) = -\alpha_{r-1}$ und $\prod_{i=1}^r \tau_i(a) = (-1)^r \cdot \alpha_0$.

Es ist $\{{\sigma_1}_{|K(a)}, \dots, {\sigma_n}_{|K(a)}\} = \{\tau_1,\dots,\tau_r\}$.
Für jedes $i$ ist die Anzahl der $j$'s mit ${\sigma_j}_{|K(a)} = \tau_i$ gleich $[L:K(a)]_S = [L:K(a)]$
Daher folgt $\sum_{j=1}^n\sigma_j(a) = [L:K(a)]\cdot \sum_{i=1}^r \tau_i(a) = -[L:K(a)]\alpha_{r-1} \overset{\text{Satz \ref{theo:3.32}}}{ =} Sp_{L|K}(a)$.
Für jedes $i$ ist die Anzahl der $j$'s mit ${\sigma_j}_{|K(a)} = \tau_i$ gleich $[L:K(a)]_S = [L:K(a)]$.
Daher folgt $$\sum_{j=1}^n\sigma_j(a) = [L:K(a)]\cdot \sum_{i=1}^r \tau_i(a) = -[L:K(a)]\alpha_{r-1} \overset{\text{Satz \ref{theo:3.32}}}{ =} Sp_{L|K}(a)$$.
\end{proof}
\begin{theorem}
Sei $M$ ein Zwischenkörper der endlichen Erweiterung $L|K$.
Dann gelten $Sp_{L|K} = Sp_{M|K}\circ Sp_{L|M}$ und
$N_{L|K} = N_{M|K}\circ N_{L|M}$
\end{theorem}
\begin{proof}nur für separable Erweiterungen:
\begin{proof}[Beweis (nur für separable Erweiterungen)]
Seien $hom_M(L,\overline{K}) = \{\tau_1,\dots,\tau_m\}$, $m=[L:M]$
$hom_K(M,\overline{K}) = \{\sigma_1,\dots,\sigma_l\}$, $l = [M:K]$.
Dann ist $\{\overline{\sigma}_j\circ\tau_i\mid i \in \{1,\dots,m\}, j\in \{1,\dots,l\}\} = hom_K(L,\overline{K})$, wobei $\overline{\sigma}_j$ Erweiterung vorn $\sigma_j$ zu $\overline{K}\rightarrow \overline{K}$ (siehe Beweis von 2.46)
Dann ist $\{\overline{\sigma}_j\circ\tau_i\mid i \in \{1,\dots,m\}, j\in \{1,\dots,l\}\} = hom_K(L,\overline{K})$, wobei $\overline{\sigma}_j$ Erweiterung vorn $\sigma_j$ zu $\overline{K}\rightarrow \overline{K}$ (siehe Beweis von \ref{theo:2.46})
\begin{align*}
Sp_{L|K}(a) &= \sum_{i,j} \overline{\sigma}_j(\tau_i(a))\\
&=\sum_j\overline{\sigma}_j(\underbrace{\sum_i \tau_i (a)}_{Sp_{L|M}(a)\in M})\\
&= \sum_j \sigma_j (Sp_{L|M} (a))//
&= \sum_j \sigma_j (Sp_{L|M} (a))\\
&= Sp_{M|K}(Sp_{L|M}(a))
\end{align*}
\end{proof}
\begin{theorem}
Sei $L|K$ endlich und separabel.
\begin{enumerate}%a)
\begin{enumerate}[label=\alph*)]
\item Es gibt ein $a\in L$ mit $Sp_{L|K}(a)\neq 0$
\item Durch $(v,w)\coloneqq Sp_{L|K}(v\cdot w)$ wird eine symmetirsche Bilienarform des $K$-VR $L$ definiert, die nicht ausgeartet ist.
\end{enumerate}
\end{theorem}
\begin{proof}
Zu a)
Die Homom. $\{\tau_1,\dots,\tau_n\} = hom_K(L|\overline{K})$ sind lin. unabhöngig als Elemente von $Abb(L^\times,\overline{K})$ und somit von $Hom_K(L,\overline{K})$.
Da $Sp_{L|K} = \sum_{i=1}^n \tau_i$ kann $Sp_{L|K}$ nicht die Nullabbildung sein.

zu b)
Sei $a\in L$ mit $Sp_{L|K}(a)\neq 0$. Dann gilt $(v, av^{-1}) = Sp_{L|K}(a) \neq 0$ => nicht ausgeartet
\begin{enumerate}[label=\alph*)]
\item
Die Homom. $\{\tau_1,\dots,\tau_n\} = hom_K(L|\overline{K})$ sind lin. unabhöngig als Elemente von $Abb(L^\times,\overline{K})$ und somit von $Hom_K(L,\overline{K})$.
Da $Sp_{L|K} = \sum_{i=1}^n \tau_i$ kann $Sp_{L|K}$ nicht die Nullabbildung sein.
\item
Sei $a\in L$ mit $Sp_{L|K}(a)\neq 0$. Dann gilt $(v, av^{-1}) = Sp_{L|K}(a) \neq 0$ => nicht ausgeartet
\end{enumerate}
\end{proof}
\subsection{Anwendungen der Galoistheorie}
\begin{reminder*}[Fundamentalsatz der Algebra]
Expand All @@ -761,6 +764,7 @@ \subsection{Anwendungen der Galoistheorie}
Durch Vergrößern von $L$ können wir annehmen, dass $L|\R$ eine Galoiserweiterung ist.
Sei $G\coloneqq Gal(L|\R)$.
Es ist $[L:\R] = \card{G} = 2^k\cdot m$ mit $2\nmid m$.
$k>1$, weil $[L:\R] = [L:\C] \cdot [\C:\R] = [L:\C] \cdot 2$.
Es sei $H\leq G$ eine $2$-Sylowuntergruppe von $G$.
$$
\begin{tikzcd}[row sep=0.2cm,column sep=0.5cm]
Expand All @@ -769,18 +773,19 @@ \subsection{Anwendungen der Galoistheorie}
& \R&
\end{tikzcd}$$
Satz vom primitiven Element: $L^H= \R(\alpha)$.
Da $m_{\alpha,\R}$ eine Nullstelle in $\R$ besitzt (Zwischenwertsatz!), ist $m_{\alpha,\R}$ linear, also $m=1$ und $L^H= \R$.
$\Rightarrow$ $[L:\R] = 2^k$, $[L:\C] = 2^{k-1}$
Wenn $m>1$, wäre $\deg(m_{\alpha,\R})$ ungerade und dann besäße $m_{\alpha,\R}$ nach dem Zwischenwertsatz eine Nullstelle in $\R$ , womit $m_{\alpha,\R}$ linear wäre.
Also $m=1$ und $L^H= \R$.
$\Longrightarrow$ $[L:\R] = 2^k$, $[L:\C] = 2^{k-1}$

Ang. $k\geq 2$. Dann existiert $H'\leq G' = Gal(L|\C)$ mit $\card{H'} = 2^{k-2}$ (allg. Aussage über $p$-Gruppen)
Ang. $k\geq 2$. Dann existiert $H'\leq G' = Gal(L|\C)$ mit $\card{H'} = 2^{k-2}$ (allg. Aussage über $p$-Gruppen \TODO[Citation needed])
$$
\begin{tikzcd}[row sep=0.2cm,column sep=0.5cm]
& L \arrow[ld, "2^{k-2}"', no head] \\
L^H \arrow[rd, "2"', no head] & \\
& \C \arrow[d, no head] \\
& \R
\end{tikzcd}$$
Da jedes quadratische Polynom in $C[X]$ zerfällt in $\C$, folgt ähnlich wie oben ein Widerspruch (bet $m_{a,\C}$ für die $L^H=\C(a)$)
Da jedes quadratische Polynom in $C[X]$ zerfällt in $\C$, folgt ähnlich wie oben ein Widerspruch (mit $m_{a,\C}$ für die $L^H=\C(a)$)
\end{proof}

\begin{flushright}
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