Twierdzenie Wedderburna Witold Tomaszewski

Podobne dokumenty
Ciaªa i wielomiany. 1 Denicja ciaªa. Ciaªa i wielomiany 1

ARYTMETYKA MODULARNA. Grzegorz Szkibiel. Wiosna 2014/15

ARYTMETYKA MODULARNA. Grzegorz Szkibiel. Wiosna 2014/15

Podstawy matematyki dla informatyków

ELEMENTARNA TEORIA LICZB. 1. Podzielno±

ARYTMETYKA MODULARNA. Grzegorz Szkibiel. Wiosna 2014/15

ARYTMETYKA MODULARNA. Grzegorz Szkibiel. Wiosna 2014/15

A = n. 2. Ka»dy podzbiór zbioru sko«czonego jest zbiorem sko«czonym. Dowody tych twierdze«(elementarne, lecz nieco nu» ce) pominiemy.

Zbiory i odwzorowania

ARYTMETYKA MODULARNA. Grzegorz Szkibiel. Wiosna 2014/15

ARYTMETYKA MODULARNA. Grzegorz Szkibiel. Wiosna 2014/15

istnienie elementu neutralnego dodawania (zera): 0 K a K a + 0 = a, istnienie elementu neutralnego mno»enia (jedynki): 1 K a K a 1 = a,

1 0 Je»eli wybierzemy baz A = ((1, 1), (2, 1)) to M(f) A A =. 0 2 Daje to znacznie lepszy opis endomorzmu f.

Metody dowodzenia twierdze«

Twierdzenie Wainera. Marek Czarnecki. Warszawa, 3 lipca Wydziaª Filozoi i Socjologii Uniwersytet Warszawski

Funkcje, wielomiany. Informacje pomocnicze

ARYTMETYKA MODULARNA. Grzegorz Szkibiel. Wiosna 2014/15

Wybrane poj cia i twierdzenia z wykªadu z teorii liczb

Wielomiany o wspóªczynnikach rzeczywistych

dziaªaniem jest grup abelow : Okre±lmy funkcj charakterystyczn zbioru A: χ(a) = (1 A (x 1 ), 1 A (x 2 ),..., 1 A (x n )), gdzie 1 A (x) =

1 Granice funkcji wielu zmiennych.

Podstawy matematyki dla informatyków. Funkcje. Funkcje caªkowite i cz ±ciowe. Deniowanie funkcji. Wykªad pa¹dziernika 2012

W poprzednim odcinku... Podstawy matematyki dla informatyków. Relacje równowa»no±ci. Zbiór (typ) ilorazowy. Klasy abstrakcji

Zdzisªaw Dzedzej, Katedra Analizy Nieliniowej pok. 611 Kontakt:

punkcie. Jej granica lewostronna i prawostronna w punkcie x = 2 wynosz odpowiednio:

1 Poj cia pomocnicze. Przykªad 1. A A d

Liniowe równania ró»niczkowe n tego rz du o staªych wspóªczynnikach

Przekroje Dedekinda 1

Zadania. 4 grudnia k=1

Matematyka dyskretna

Maªgorzata Murat. Modele matematyczne.

ARYTMETYKA MODULARNA. Grzegorz Szkibiel. Wiosna 2014/15

Wykªad 4. Funkcje wielu zmiennych.

Indeksowane rodziny zbiorów

1 Funkcje i ich granice

Niezbyt formalny i niezbyt intuicyjny wst p do algebry abstrakcyjnej

Automorzmy modeli i twierdzenie EhrenfeuchtaMostowskiego

Wykªad 7. Ekstrema lokalne funkcji dwóch zmiennych.

WST P DO TEORII INFORMACJI I KODOWANIA. Grzegorz Szkibiel. Wiosna 2013/14

2. L(a u) = al( u) dla dowolnych u U i a R. Uwaga 1. Warunki 1., 2. mo»na zast pi jednym warunkiem: L(a u + b v) = al( u) + bl( v)

Kompresja punktów na krzywych eliptycznych

PRZYPOMNIENIE Ka»d przestrze«wektorow V, o wymiarze dim V = n < nad ciaªem F mo»na jednoznacznie odwzorowa na przestrze«f n n-ek uporz dkowanych:

Informacje pomocnicze

Materiaªy do Repetytorium z matematyki

Macierze i Wyznaczniki

Algebra Liniowa 2. Zadania do samodzielnych wicze«wydziaª Elektroniki, I rok Karina Olszak i Zbigniew Olszak

Czy funkcja zadana wzorem f(x) = ex e x. 1 + e. = lim. e x + e x lim. lim. 2 dla x = 1 f(x) dla x (0, 1) e e 1 dla x = 1

Zad. 1 Zad. 2 Zad. 3 Zad. 4 Zad. 5 SUMA. W obu podpunktach zakªadamy,»e kolejno± ta«ców jest wa»na.

Liczby zespolone. dr Krzysztof yjewski Mechatronika; S-I 0.in». 6 pa¹dziernika Oznaczenia. B dziemy u»ywali nast puj cych oznacze«:

XVII Warmi«sko-Mazurskie Zawody Matematyczne

Wst p do sieci neuronowych, wykªad 14 Zespolone sieci neuronowe

Relacj binarn okre±lon w zbiorze X nazywamy podzbiór ϱ X X.

AM II /2019 (gr. 2 i 3) zadania przygotowawcze do I kolokwium

1 Przypomnienie wiadomo±ci ze szkoªy ±redniej. Rozwi zywanie prostych równa«i nierówno±ci

Metodydowodzenia twierdzeń

Macierze. 1 Podstawowe denicje. 2 Rodzaje macierzy. Denicja

Wielomiany. El»bieta Sadowska-Owczorz. 19 listopada 2018

Interpolacja funkcjami sklejanymi

Matematyka 1. Šukasz Dawidowski. Instytut Matematyki, Uniwersytet l ski

Elementy geometrii analitycznej w przestrzeni

Podstawowe struktury algebraiczne

Przeksztaªcenia liniowe

Szkice rozwi za«zada«z egzaminu 1

ARYTMETYKA MODULARNA. Grzegorz Szkibiel. Wiosna 2015/16

Notatki do wykªadu Algebra

Teoria grup I. Wykªad 8. 1 Elementarna teoria reprezentacji, cz. III. 2. Reprezentacje o tych samych charakterach s równowa»ne.

I Rok LOGISTYKI: wykªad 2 Pochodna funkcji. iloraz ró»nicowy x y x

Geometria Algebraiczna

1 Określenie pierścienia

1.1 Definicja. 1.2 Przykład. 1.3 Definicja. Niech G oznacza dowolny, niepusty zbiór.

x y x y x y x + y x y

JAO - J zyki, Automaty i Obliczenia - Wykªad 1. JAO - J zyki, Automaty i Obliczenia - Wykªad 1

CAŠKA NIEOZNACZONA. Politechnika Lubelska. Z.Šagodowski. 18 lutego 2016

Szybkie mno»enie wielomianów i macierzy

Semestr letni 2014/15

Matematyka dyskretna

Oba zbiory s uporz dkowane liniowo. Badamy funkcj w pobli»u kresów dziedziny. Pewne punkty szczególne (np. zmiana denicji funkcji).

ELEMENTY TEORII LICZB. Grzegorz Szkibiel. Jesie«2004/05

Ekstremalnie fajne równania

O pewnym zadaniu olimpijskim

Zadania egzaminacyjne

Macierze. Dziaªania na macierzach. 1. Niech b d dane macierze , D = , C = , B = 4 12 A = , F = , G = , H = E = a) Obliczy A + B, 2A 3B,

Ćwiczenia 1 - Pojęcie grupy i rzędu elementu

ANALIZA NUMERYCZNA. Grzegorz Szkibiel. Wiosna 2014/15

Funkcje wielu zmiennych

DB Algebra liniowa semestr zimowy 2018

Funkcje wielu zmiennych

Freyd, Abelian Categories

GRUPA PODSTAWOWA I X. GRZEGORZ ZBOROWSKI

Funkcja. Poj cie funkcji i podstawowe wªasno±ci. Dziedzina

2 Podstawowe obiekty kombinatoryczne

Macierze i Wyznaczniki

Funkcje jednej zmiennej. Granica, ci gªo±. (szkic wykªadu)

Zadania z PM II A. Strojnowski str. 1. Zadania przygotowawcze z Podstaw Matematyki seria 2

2 Kongruencje 5. 4 Grupy 9. 5 Grupy permutacji Homomorfizmy grup Pierścienie 16

Paweª Jamer Promotor: dr in». Agata Pilitowska. Reszty kwadratowe i ich zastosowanie przy konstrukcji wybranych kodów.

Działania Definicja: Działaniem wewnętrznym w niepustym zbiorze G nazywamy funkcję działającą ze zbioru GxG w zbiór G.

Paweª Gªadki. Uªamki ªa«cuchowe 1

Ekstremalnie maªe zbiory

Elementy geometrii w przestrzeni R 3

Transkrypt:

Twierdzenie Wedderburna Witold Tomaszewski Pier±cie«przemienny P nazywamy dziedzin caªkowito±ci (lub po prostu dziedzin ) je±li nie posiada nietrywialnych dzielników zera. Pier±cie«z jedynk nazywamy pier±cieniem z dzieleniem je±li ma przynajmniej dwa elementy (czyli 0 ) i ka»dy niezerowy jego element jest odwracalny. Ciaªem nazywamy przemienny pier±cie«z dzieleniem. Stwierdzenie. Niech P b dzie dziedzin caªkowito±ci. dowolnych a, b, c P (i) je±li a b = 0 to a = 0 lub b = 0, (ii) je±li ab = ac i a 0 to b = c. Wtedy dla Dowód. (i) wynika wprost z denicji dziedziny. (ii) Je±li ab = ac to a(b c) = ab ac = 0 i z punktu (i) wynika,»e b c = 0, wi c b = c. Twierdzenie. Sko«czona dziedzina caªkowito±ci jest ciaªem. Dowód. Niech p, p 2,..., p n b d wszystkimi elementami zbioru P i niech a b dzie niezerowym elementem pier±cienia P. Wtedy ap = {ap, ap 2,..., ap n P. Zbiory ap i P s równoliczne bo je±li nie to dla ró»nych i, j mieliby±my ap i = ap j, a wi c na podstawie Stwierdzenia (i) mamy p i = p j, co jest niemo»liwe. Zatem ap = P. Teraz poka»emy,»e P musi mie jedynk. Z równo±ci ap = P wynika,»e istnieje element e taki,»e ae = ea = a. Poka»emy,»e e musi by elementem neutralnym mno»enia. Niech b b dzie innym niezerowym elementem pier±cienia P. Dla niego te» istnieje f taki,»e bf = fb = b. Policzmy abe = aeb = ab = abf. St d ab(e f) = 0 i poniewa» ab 0 to e f = 0, wi c e = f. To oznacza,»e e jest elementem neutralnym. Z równo±ci ap = P wynika te»,»e istnieje element a taki,»e aa = a a = e, wi c a jest elementem odwracalnym. Zatem ka»dy niezerowy element pier±cienia P jest odwracalny, wi c P jest ciaªem. Niech G b dzie dowoln grup i niech a, b nale» do G. Powiemy,»e a jest sprz»one z b je±li istnieje c G takie,»e a = c bc. Relacja sprz»ono±ci jest relacj równowa»no±ci. Klasy równowa»no±ci tej relacji b dziemy nazywa klasami sprz»ono±ci. Centralizatorem elementu a nazywamy zbiór C(a) = {b G : ab = ba.

2 Centralizator elementu a jest podgrup grupy G. Zgodnie z Twierdzeniem Lagrange'a zachodzi wzór G = C(a) [G : C(a)], gdzie [G : C(a)] jest indeksem C(a) w G i jest równe ilo±ci ró»nych warstw bc(a). Stwierdzenie 2. Ilo± elementów sprz»onych z a jest równa indek- Je±li G jest sko«czona to ilo± elementów sowi centralizatora C(a). sprz»onych z a jest równa G C(a). Dowód. Oznaczamy przez a G klas sprz»ono±ci elementu a, a przez G/C(a) zbiór warstw prawostronnych wzgl dem podgrupy C(a). Zde- niujmy odwzorowanie ϕ : a G G/C(a), ϕ(b ab) = bc(a). Ta funkcja jest oczywi±cie suriekcj. Poka»emy,»e jest ona równie» iniekcj. Je±li ϕ(b ab ) = ϕ(b 2 ab 2 ) to C(a)b = C(a)b 2 i wtedy mamy b b 2 C(a). St d otrzymujemy b b 2 a = ab b 2 i b ab = b 2 ab 2. Czyli ϕ jest ró»nowarto±ciowa. Poniewa» ϕ jest suriekcj i iniekcj, wi c jest bijekcj. Zatem zbiory a G i G/C(a) s równoliczne, a to trzeba byªo pokaza. Druga cz ± stwierdzenia wynika z pierwszej i Twierdzenia Lagrange'a. Twierdzenie 2. Je±li P jest sko«czonym pier±cieniem z jedynk takim,»e dla pewnej liczby pierwszej p pier±cie«p ma podpier±cie«f izomorczny z ciaªem Z p, gdzie p jest liczb pierwsz i nale»y do F to liczba elementów pier±cienia P jest pot g liczby p. Dowód. Podpier±cie«F b dziemy uto»samia z Z p. Pier±cie«P mo-»emy traktowa jako przestrze«liniow nad Z p (z oczywistym dodawaniem wektorów i mno»eniem skalarów z Z p przez wektory z P ). Poniewa» P jest sko«czony to jego wymiar jako przestrzeni liniowej te» jest sko«czony i równy powiedzmy n. Wtedy istniej wektory p,..., p n takie,»e dla ka»dego p P istnieje dokªadnie jeden ci g skalarów α,..., α n taki,»e p = α p.. + α n p n. Wtedy odwzorowanie ϑ : P Zp n, dane wzorem ϑ(p) = (α,..., α n ) jest izomorzmem przestrzeni liniowych. A to oznacza,»e P ma p n elementów. Wniosek. Je±li F jest ciaªem sko«czonym to liczba jego elementów jest równa pot dze liczby pewnej pierwszej p. Dowód. Wystarczy pokaza,»e F zawiera pewne ciaªo Z p i skorzysta z Twierdzenia 2. We¹my zbiór P = {, +,...,. Šatwo wida,»e P jest podpier±cieniem pier±cienia F. Dodatkowo poniewa» F jest zbiorem sko«czonym to P te», wi c istniej liczby k < l takie,»e = k. St d = 0. Je±li n jest najmniejsz liczb tak, l l k

»e = 0 to n musi by liczb pierwsz. Gdyby tak nie byªo i n n = mk to mieliby±my = ( )( ) = 0, n=mk m k i poniewa» w ciele nie ma dzielników zera to = 0 lub m = 0, a to przeczy minimalno±ci liczby n. Zatem n = p k jest pierwsza. W takim razie P ma dokªadnie p elementów i mo»na pokaza,»e funkcja f : P Z p, f( ) = l jest izomorzmem. l Wi c F posiada podpier±cie«izomorczny z Z p. Wniosek 2. Je±li sko«czony pier±cie«z jedynk P zawiera jako podpier±cie«ciaªo q-elementowe (z t sam jedynk ) to P = q n dla pewnego n. Dowód. Dowód jest powtórzeniem dowodu Twierdzenia 2. W zbiorze liczb zespolonych rozpatrujemy wielomian f(x) = x n. Ten wielomian ma dokªadnie n pierwiastków, które nazywamy pierwiastkami stopnia n z jedynki. Sam wielomian x n jest nazywany zwykle wielomianem podziaªu koªa. Wszystkie pierwiastki stopnia n z jedynki maj posta : z k = cos 2kπ n 2kπ + i sin, k = 0,,..., n. n Je±li oznaczymy ε = cos 2π + i sin 2π to mo»emy zauwa»y,»e z n n k = ε k. Mówimy,»e z jest pierwiastkiem pierwotnym stopnia n z jedynki je±li z n = i z k dla 0 < k < n. Na przykªad i jest pierwiastkiem pierwotnym stopnia 4 z jedynki, a nie jest pierwiastkiem pierwotnym stopnia 4 (tylko stopnia 2). Do± ªatwo jest zauwa»y,»e ε k jest pierwiastkiem pierwotnym stopnia n dokªadnie wtedy gdy k i n s wzgl dnie pierwsze. Mo»na st d wywnioskowa,»e wielomian x n ma dokªadnie ϕ(n) pierwiastków stopnia n z jedynki. Rozpatrzmy wielomian () F n (x) = (x ε k ), NWD(k,n)= czyli wielomian którego wszystkimi pierwiastkami s pierwiastki pierwotne stopnia n z jedynki. Stwierdzenie 3. Wielomian F n (x) ma caªkowite wspóªczynniki. Dowód. Dowód mo»na znale¹ w [] na stronie 79. 3

4 Stwierdzenie 4. Je±li f(x), g(x), h(x) s wielomianami o wspóªczynnikach caªkowitych i f(x) = g(x)h(x) to dla ka»dej liczby caªkowitej z mamy g(z) f(z). Stwierdzenie 5. Niech q, m, n b d liczbami caªkowitymi. Liczba q n dzieli q m wtedy i tylko wtedy gdy n m. Dowód. Je±li n m to dla pewnego k mamy m = nk i q m = q nk = (q n ) k = (q n )(q n(k ) + q n(k 2).. + q n + ), wi c q n dzieli q m. Zaªó»my teraz,»e q n dzieli q m i przypu± my,»e n m. Wtedy m = kn + r, gdzie 0 < r < n i mamy q m = q nk+r = q nk q r = (q nk )q r + q r. Jak pokazali±my powy»ej q n q nk i z zaªo»enia q n q m, wi c q n q r, co jest niemo»liwe bo q r < q n. Twierdzenie 3 (J. Wedderburn, 905). Ka»dy sko«czony pier±cie«z dzieleniem jest ciaªem. Dowód. Niech F b dzie sko«czonym pier±cieniem z dzieleniem. Oznaczamy przez Z(F ) zbiór elementów przemiennych ze wszystkimi elementami pier±cienia F, a wi c Z(F ) = {a F : x F ax = xa. Je±li a, b Z(F ) to dla ka»dego x F : () 0, Z(F ) (2) (a + b)x = ax + bx = xa + xb = x(a + b), (3) (ab)x = a(bx) = a(xb) = (ax)b = (xa)b = a(ab), (4) ax = xa xa = a x. Warunki ()-(4) pokazuj,»e Z(F ) jest równie» pier±cieniem z dzieleniem. Z denicji wynika,»e jest równie» przemienny, wi c jest ciaªem. Z Wniosku wynika,»e istnieje liczba pierwsza p i liczba naturalna m takie,»e Z(F ) = p m =: q, a z Wniosku 2 wynika,»e F = q n dla pewnego n. Naszym celem jest pokaza,»e F = Z(F ) lub»e n =, bo wtedy F jest przemienny, a wi c jest ciaªem. Powiedzmy,»e tak nie jest czyli,»e F Z(F ). To znaczy istnieje a nale» cy do F \ Z(F ). Oznaczmy przez C(a) zbiór elementów przemiennych z a tj. C(a) = {b F : ab = ba. Oczywi±cie Z(F ) C(a), wi c C(a) = q da, gdzie d a jest pewn liczb naturaln zale»n od a. Gdyby d a = n to C(a) = F i a Z(F ) przeciwnie do zaªo»enia. Mamy wi c q a < n. Je±li F jest zbiorem niezerowych elementów pier±cienia F tj. grup multiplikatyw tego pier±cienia i Z (F ) = Z(F ) \ {0 oraz C (a) =

C(a) \ {0 to zgodnie ze Stwierdzeniem 2 mamy,»e ilo± elementów sprz»onych z a w F jest równa qn. Ze Stwierdzenia 5 wynika,»e q da q a n. St d wnioskujemy,»e n > 2. Rzeczywi±cie gdyby n = 2 to q a = lub q a = 2. Równo± q a = jest niemo»liwa, bo wtedy C(a) = Z(F ), ale a C(a) i a Z(F ). Jak wcze±niej zauwa»yli±my druga równo± te» jest niemo»liwa. Poniewa» F = Z (F ) + q n q da, gdzie suma przebiega po pewnej ilo±ci klas. To z kolei daje nam równo± : (2) q n = q + q n q da. Ze Stwierdzenia 5 wynika,»e d a n, wi c f(x) = x n x da 5 jest wielomianem. We¹my wielomian F n (x) dany wzorem (). Jego pierwiastkami s wszystkie pierwiastki pierwotne stopnia n z, a to oznacza,»e F n (x) x n. Podobnie ka»dy pierwiastek wielomianu F n (x) jest pierwiastkiem wielomianu x n i nie jest pierwiastkiem wielomianu x da (bo w przeciwnym przypadku nie byªby pierwiastkiem pierwotnym z ). Zatem ka»dy pierwiastek wielomianu F n (x) jest pierwiastkiem wielomianu f(x), czyli równie» F n (x) f(x). Wynik dzielenia f(x) musi F n(x) by wielomianem o wspóªczynnikach caªkowitych bo wyraz wolny wielomianu F n (x) jest równy. Korzystaj c ze Stwierdzenia 4 wnioskujemy,»e F n (q) q n oraz F n (q) q n. Z równo±ci (2) otrzymujemy, q da»e F n (q) q, czyli w szczególno±ci F n (q) F n (q) q = q Z drugiej strony F n (q) = (q ε k ) i mamy q ε k q NWD(k,n)= ε k = q, i poniewa» wielomian F n (x) ma ϕ(n) > czynników to F n (q) (q ) ϕ(n) > (q ) co daje nam sprzeczno± z wcze±niej otrzyman nierówno±ci przeciwn. Uwagi historyczne Twierdzenie Wederburna zostaªo po raz pierwszy opublikowane przez szkockiego matematyka Josepha Wedderburna w 905 roku. Potem okazaªo si,»e jego dowód nie byª poprawny (zawieraª drobne uchybienie). Pierwszy poprawny dowód podaª niedªugo po pojawieniu si pracy Wedderburna Leonard Eugene Dickson, który prawdopodobnie nie wiedziaª,»e oryginalny dowód jest niepoprawny. Dowód tu podany pochodzi od niemieckiego matematyka Ernsta Witta. Literatura [] Amdruszkiewicz R., Wykªad monograczny dla studentów V roku roku matematyki Uniwersytetu w Biaªymstoku,

6 http://math.uwb.edu.pl/ randrusz/monv/algebramon.pdf [ogl dane 25.0.204]