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diff --git a/buch/chapters/30-endlichekoerper/chapter.tex b/buch/chapters/30-endlichekoerper/chapter.tex index 961e340..2d16d80 100644 --- a/buch/chapters/30-endlichekoerper/chapter.tex +++ b/buch/chapters/30-endlichekoerper/chapter.tex @@ -39,6 +39,7 @@ lösbar werden. \section*{Übungsaufgaben} \aufgabetoplevel{chapters/30-endlichekoerper/uebungsaufgaben} \begin{uebungsaufgaben} +\uebungsaufgabe{3002} \uebungsaufgabe{3001} \end{uebungsaufgaben} diff --git a/buch/chapters/30-endlichekoerper/galois.tex b/buch/chapters/30-endlichekoerper/galois.tex index 59ae1fc..06941c7 100644 --- a/buch/chapters/30-endlichekoerper/galois.tex +++ b/buch/chapters/30-endlichekoerper/galois.tex @@ -220,6 +220,7 @@ Der kleine Satz von Fermat sagt etwas genauer: die $p$-te Potenz von $a$ ist genau die Zahl $a$: \begin{satz}[Kleiner Satz von Fermat] +\label{buch:endliche-koerper:satz:fermat} In $\mathbb{F}_p$ gilt $a^p=a$ für alle $a\in\mathbb{F}_p^*$. \end{satz} @@ -303,6 +304,40 @@ Die ganze Zahl $p\ge 2$ ist genau dann eine Primzahl, wenn $(p-1)!\equiv -1\mod p$. \end{satz} +\begin{proof}[Beweis] +Wenn $p$ keine Primzahl ist, dann lässt sich $p$ in Faktoren +$p=n_1\cdot n_2=p$ zerlegen. +Beide Faktoren kommen in der Liste $1,2,\dots,p-1$ vor. +Insbesondere haben $p=n_1n_2$ und $(p-1)!$ mindestens einen +der Faktoren $n_1$ oder $n_2$ gemeinsam, wir können annehmen, +dass $n_1$ dieser Faktor ist. +Es folgt, dass der grösste gemeinsame Teiler von $p$ und $(p-1)!$ +grösser als $n_1$ ist, auch $(p-1)!$ ein Vielfaches von $n_1$ in +$\mathbb{F}_p$. +Insbesondere kann $(p-1)!$ nicht $-1\in\mathbb{F}_p$ sein. + +Ist andererseits $p$ eine Primzahl, dann sind die Zahlen $1, 2,\dots,p-1$ +alle invertierbar in $\mathbb{F}_p$. +Die Zahlen $1$ und $-1\equiv p-1\mod p$ sind zu sich selbst invers, +da $1\cdot 1=1$ und $(-1)\cdot(-1)=1$. +Wenn eine Zahl $a$ zu sich selbst invers ist in $\mathbb{F}_p$, +dann ist $a^2-1=0$ in $\mathbb{F}_p$. +Daher ist auch $(a+1)(a-1)=0$, in $\mathbb{F}_p$ muss daher einer +der Faktoren $0$ sein, also $a=-1$ oder $a=1$ in $\mathbb{F}_p$. + +Zu jeder Zahl $a\in\{2,\dots,p-2\}$ liegt die Inverse $a^{-1}$ +ebenfalls in diesen Bereich und ist verschieden von $a$: $a^{-1}\ne a$. +Das Produkt der Zahlen +$2\cdot 3 \cdot\ldots\cdot (p-2)$ besteht also aus zueinander inversen +Paaren. +Es folgt +\[ +2\cdot 3 \cdot\ldots\cdot (p-2) = 1. +\] +Multipliziert man dies mit $p-1=-1\in\mathbb{F}_p$, folgt +die Behauptung des Satzes. +\end{proof} + Mit dem Satz von Wilson kann man die Inverse einer beliebigen Zahl $a\in\mathbb{F}_p$ finden. Dazu verwendet man, dass $a$ einer der Faktoren in $(p-1)!$ ist. @@ -335,9 +370,128 @@ Tatsächlich ist $2\cdot 4=8\equiv 1\mod 7$. % \subsection{Charakteristik \label{buch:subsection:charakteristik}} +In diesem Abschnitt zeigen wir, dass jeder Körper $\Bbbk$ eine Erweiterung +entweder von $\mathbb{Q}$ oder eines endlichen Körpers $\mathbb{F}_p$ ist. + +\subsubsection{Primkörper} +Sei $\Bbbk$ ein Körper. +Er enthält mindestens die Zahlen $0$ und $1$ und alle Vielfachen davon. +Wenn alle Vielfachen in $\Bbbk$ von $0$ verschieden sind, dann +bilden Sie ein Bild der ganzen Zahlen $\mathbb{Z}\subset\Bbbk$. +Damit müssen dann aber auch alle Brüche in $\Bbbk$ enhalten sein, +es folgt also, dass $\mathbb{Q}\subset\Bbbk$ sein muss. + +Wenn andererseits eines der Vielfachen von $1$ in $\Bbbk$ +verschwindet, dann wissen wir aus +Abschnitt~\ref{buch:subsection:arithmetik-modulo-p}, dass +der Körper $\mathbb{F}_p$ in $\Bbbk$ enthalten sein muss. +Dies ist der kleinste Teilkörper, der $\Bbbk$ enthalten ist. -\subsubsection{Frobenius-Homomorphismus} +\begin{definition} +Der kleinste Teilkörper eines Körpers $\Bbbk$ heisst der +{\em Primkörper} von $\Bbbk$. +\end{definition} +Der Primkörper erlaubt jetzt, die Charakteristik eines Körpers $\Bbbk$ +zu definieren. + +\begin{definition} +Die Charakteristik eines Körpers $\Bbbk$ ist $p$, wenn der Primkörper +$\mathbb{F}_p$ ist. +Falls der Primkörper $\mathbb{Q}$ ist, ist die Charakteristik $0$. +\end{definition} +Die Charakteristik hat wichtige Auswirkungen darauf, wie in einem Körper +gerechnet wird. +Endliche Körper enthalten immer einen Körper von Primzahl-Ordnung und +haben damit immer Primcharakteristik. +Ein Körper mit Charakteristik $0$ enthält immer unendliche viele +Elemente. + +\subsubsection{Teilbarkeit von Binomialkoeffizienten} +\begin{figure} +\centering +%\includegraphics{chapters/30-endlichekoerper/images/binomial2.pdf} +\caption{Binomialkoeffizienten module $2$ im Pascal-Dreieck. +Auf Zeilen, die zu Exponenten der Form $2^k$ gehören, sind alle +Koeffizienten ausser dem ersten und letzten durch $2$ teilbar. +\label{buch:endliche-koerper:fig:binomial2}} +\end{figure} +Die Abbildung~\ref{buch:endliche-koerper:fig:binomail2} zeigt den +Rest bei Teilung durch $2$ der Binomialkoeffizienten. +Man kann daraus ablesen, dass $\binom{n}{m}\equiv 0\mod 2$ für $n=2^k$ +und $0<m<n$. +\begin{satz} +\label{buch:endliche-koerper:satz:binom} +Sei $p$ eine Primzahl, dann ist +\[ +\binom{p}{m} \equiv 0\mod p +\] +für $0<m<n$. +\end{satz} +\begin{proof}[Beweis] +Für den Binomialkoeffizienten gilt +\[ +\binom{p}{m} += +\frac{p\cdot (p-1)\cdot(p-2)\cdot\ldots\cdot (p-m+1)}{1\cdot 2\cdot 3\cdot\ldots\cdot m}. +\] +Für $m<p$ kann keiner der Faktoren im Nenner $p$ sein, der Faktor $p$ +im Zähler kann also nicht weggekürzt werden, so dass der Binomialkoeffizient +durch $p$ teilbar sein muss. +\end{proof} + +Die Aussage von Satz~\ref{buch:endliche-koerper:satz:binom} kann man +auch im Körper $\mathbb{F}_p$ formulieren: + +\begin{satz} +\label{buch:endliche-koerper:satz:binomFp} +In $\mathbb{F}_p$ gilt +\[ +\binom{p}{k}=0 +\] +für $0<k<p$. +\end{satz} + +\subsubsection{Frobenius-Homomorphismus} +Die Abbildung $x\mapsto x^n$ ist weit davon entfernt, sich mit den +algebraischen Strukturen zu vertragen. +Zum Beispiel kann man nicht erwarten, dass $(a+b)^n = a^n + b^n$, +denn nach der binomischen Formel +\begin{equation} +(a+b)^n += +\sum_{k=0}^n \binom{n}{k} a^k b^{n-k} += +a^n + \binom{n}{1}a^{n-1}b + \dots + \binom{n}{n-1}ab^{n-1} + b^n +\label{buch:endliche-koerper:fig:binomischeformel} +\end{equation} +gibt es zwischen den Termen an den Enden des Ausdrucks noch viele +Zwischenterme, die normalerweise nicht verschwinden. + +Ganz anders sieht die Situation aus, wenn $n=p$ ist. +Nach Satz~\ref{buch:endliche-koerper:satz:binomFp} verschwinden die +Binomialkoeffizienten der Zwischenterme der Summe +\eqref{buch:endliche-koerper:fig:binomischeformel} +als Elemente von $\mathbb{F}_p$. +Daher gilt + +\begin{satz}[Frobenius-Automorphismus] +In einem Körper $\Bbbk$ der Charakteristik $p$ ist die Abbildung +$x\mapsto x^p$ ist ein Automorphismus, der den Primkörper +$\mathbb{F}_p\subset\Bbbk$ fest lässt. +\end{satz} + +\begin{proof}[Beweis] +Wir müssen uns nur noch davon überzeugen, dass $\mathbb{F}_p\subset\Bbbk$ +fest bleibt. +Nach dem kleine Satz von Fermat~\ref{buch:endliche-koerper:satz:fermat} +ist $a^p=a$ für alle $a\in\mathbb{F}_p$, der Frobenius-Automorphismus +lässt also alle Elemente von $\mathbb{F}_p$ fest. +\end{proof} + +\begin{definition} +Der Automorphismus $x\mapsto x^p$ heisst {\em Frobenius-Automorphismus}. +\end{definition} diff --git a/buch/chapters/30-endlichekoerper/uebungsaufgaben/3002.tex b/buch/chapters/30-endlichekoerper/uebungsaufgaben/3002.tex index 83bfd0e..63200a7 100644 --- a/buch/chapters/30-endlichekoerper/uebungsaufgaben/3002.tex +++ b/buch/chapters/30-endlichekoerper/uebungsaufgaben/3002.tex @@ -4,6 +4,6 @@ Berechnen Sie $666^{666}$ in $\mathbb{F}_{13}$. Zunächst ist die Basis der Potenz $666=3$ in $\mathbb{F}_{13}$, es muss also nur $3^{666}$ berechnet werden. Nach dem kleinen Satz von Fermat ist $3^{12}=1$ in $\mathbb{F}_{13}$. -Wegen $666 = 12*50+6$ folgt +Wegen $666 = 12\cdot 50+6$ folgt $ 3^{666} = 3^6=729=1$ in $\mathbb{F}_{13}$. \end{loesung} diff --git a/buch/chapters/30-endlichekoerper/wurzeln.tex b/buch/chapters/30-endlichekoerper/wurzeln.tex index 9ad0800..d786a4f 100644 --- a/buch/chapters/30-endlichekoerper/wurzeln.tex +++ b/buch/chapters/30-endlichekoerper/wurzeln.tex @@ -6,4 +6,22 @@ \section{Wurzeln \label{buch:section:wurzeln}} \rhead{Wurzeln} +Im Körper $\mathbb{Q}$ kann man zum Beispiel die Wurzel aus $2$ nicht +ziehen. +Das Problem haben wir in Abschnitt~\ref{buch:section:reelle-zahlen} +dadurch gelöst, dass wir $\mathbb{Q}$ zu den reellen Zahlen +erweitert haben. +Es ist aber auch möglich, nur die Zahl $\sqrt{2}$ hinzuzufügen. +In diesem Abschnitt zeigen wir, wie man einem Körper beliebige +Nullstellen eines Polynoms hinzufügen kann. + +\subsection{Irreduzible Polynome} + +\subsection{Körpererweiterungen} + +\subsection{Zerfällungskörper} + + + + |