Zad 1.
Korzystając z I twierdzenia o izomorfizmie, udowodnić ,że zbiórI=
{
f∈ C(R):f(2)=0}
jest ideałem i jest ideałem maksymalnym w pierścieniu C( R) -zbiorze funkcji ciągłych z zbioru liczb rzeczywistych R do R .Zad 2.
W pierścieniu D - zbiorze funkcji różniczkowalnych w przedziale (0, 5), który z zbiorów A={
f∈ D : f'(2)=0}
, B={
f∈ D :f (1)=0 , f'(1)=0}
jest ideałem. Czy jest ideałem pierwszym, maksymalnym?.Zad 3.
Które z zbiorów jest pierścieniem a który pierścieniem i ciałema). A=
{
a+b4√
3 :a , b∈Q}
działania to dodawanie i mnożenie liczb rzeczywistych.b). R3 i działania dodawania i mnożenia to dodawanie i mnożenie po współrzędnych.
c). Q[X]
(
X3−2)
d). Z5[X](
X2+1)
e). Z5[X](
X2+2)
Zad 4.
Wykazać, że ideał (2+i) w pierścieniu Z[i] jest maksymalny.Zad 5.
Wyznaczyć elementy pierścienia ilorazowego Z2[X]I gdzie
I=(X3+X+1)=(X3+X +1)Z2[X]. Obliczyć sumę i iloczyn elementów X2+1+I i X +1+I oraz element odwrotny elementu X .
Zad 6.
Czy element a=4 jest jednoznacznie rozkładalny w pierścieniu Z[
i√
3]
. Podać wszystkie rozkłady z dokładnością do elementów stowarzyszonych.Zad 8.
Wyznaczyć wszystkie ideały pierścienia Z6× Z14× Z2 . Które z nich są maksymalne.Zad 9.
Znaleźć najmniejszą liczbę m aby Z[
m1]
=Z[
187]
.Zad 10.
Jakiego typu odwracalny, rozkładalny, nierozkładalny w pierścieniu Z[
101]
jestelement a). 11
20 b).
8 7 .
Zad 11.
Czy wielomian f jest rozkładalny w pierścieniu R[X] : a). f ( X )=5 X7−4 X3+6 X +14 , R=Q .b). f ( X )=5 X7−4 X3+6 X−7 , R=Z c). f ( X )=2 X3+X +1 , R=Z3
Zad 12.
Niech f ( X )=X4+X2+6 X +3 , g ( X )= X4+X3+5 X +1 , będą wielomianami w pierścieniu Z7[X] . Znaleźć u ( X ) , v (X )∈ Z7[X] takie, żeu ( X ) f ( X )+v ( X ) g ( X )=NWD(f ( X ), g ( X ))
Rozwiązania
Zad 1.
Korzystając z I twierdzenia o izomorfizmie, udowodnić ,że zbiórI=
{
f∈ C(R):f(2)=0}
jest ideałem i jest ideałem maksymalnym w pierścieniu C( R) -zbiorze funkcji ciągłych z zbioru liczb rzeczywistych R do R .Rozwiązanie
Niech φ :C ( R) → R , φ(f (x ))=f (2) dla każdego f (x)∈C (R). Odwzorowanie to jest homomorfizmem pierścieni /uzasadnienie podobnego zadania było na ćwiczeniach i dowód można było pominąć/ ponieważ:
10
f +g
(¿(x))=( f + g) (2)=f (2)+ g (2)=φ(f ( x ))+φ (g ( x)) (f ( x )+g (x ))=φ¿
φ¿
20
fg
(¿(x))=(fg)(2)=f(2)g(2)=φ(f(x))φ (g(x))
(f(x)g(x))=φ¿
φ¿
dla dowolnych f ( x ) , g (x) ∈C (R) .
Dla f ( x )=−a+ax∈C ( R) i dowolnego a∈ R mamy φ (−a+ax )=−a+2 a=a zatem Imφ=R . Ponadto Kerφ=
{
f(x)∈ C(R):φ(f(x))=0}
={
f(x)∈C(R): f(2)=0}
=I to korzystając z I podstawowego twierdzenia o homomorfizmie pierścieni mamy C (R )I ≅R .
Twierdzenie
W pierścieniu D przemiennym z jedynką i ideału I tego pierścienia mamy: ,
Ideał I jest ideałem maksymalnym ⇔ pierścień ilorazowy D
I jest ciałem.
Z powyższego twierdzenia mamy, że ideał I jest ideałem maksymalnym.
Zad 2.
W pierścieniu D - zbiorze funkcji różniczkowalnych w przedziale (0, 5) , który z zbiorów A={
f∈ D : f'(2)=0}
, B={
f∈ D :f (1)=0 , f'(1)=0}
jest ideałem. Czy jest ideałem pierwszym, maksymalnym?.Rozwiązanie
Zbiór A nie jest ideałem ponieważ funkcje f ( x )=x2−4 x , g ( x)=x są różniczkowalne w przedziale (0 , 5) i ponadto f ( x)∈ A , natomiast
(f ( x ) g ( x ))'=3 x2−8 x∉ A gdyż 3 ∙22−8∙ 2=−2≠ 0.
Zbiór B jest ideałem, gdyż dla dowolnych f(x), g(x)∈ B i dowolnej funkcji różniczkowalnej przedziale (0 , 5) h( x ) mamy:
10(f + g) (1)=f(1)+g(1)=0(f +g)'(1)=f'(1)+g'(1)=0 20(fh)(1)=f (1) h (1 )=0 (fh )'(1)=f (1) h'(1)+ f'(1) h (1)=0
Analogicznie dla (hf) (1)=0(hf)'(1)=0 .
Ideał B nie jest ideałem pierwszym tym bardziej maksymalnym gdyż dla
f(x)=x−1 i g(x)=x−1 mamy f(x)g(x)=(x−1)2∈ B natomiast f (x)∉ B i g ( x)∉ B
Zad 3.
Które z zbiorów jest pierścieniem a który pierścieniem i ciałema). A=
{
a+b4√
3 :a , b∈Q}
działania to dodawanie i mnożenie liczb rzeczywistych.b). R3 i działania dodawania i mnożenia to dodawanie i mnożenie po współrzędnych.
c). Q[X]
(
X3−2)
d). Z5[X](
X2+1)
e). Z5[X](
X2+2)
Rozwiązanie Ad. a).
Zbiór A=
{
a+b4√
3 :a , b∈Q}
z działaniami to dodawanie i mnożenie liczb rzeczywistych nie jest pierścieniem tym bardziej ciałem gdyż źle jest określone działanie mnożeniaponieważ:
√
4 34√
3=√
3∉ A . Gdyby√
434√
3=√
3∈ A to istniały by a , b ∈Q takie, żea+b4
√
3=√
3 . Wtedy b ≠ 0 ib√
43=√
3−a . Zatem podnosząc obie strony do kwadratu mamy b2√
3=3−2 a√
3+a2 a stąd√
3= 3+a2b2+2 a co jest nie możliwe.
Ad. b).
Zbiór R3 z działaniami dodawania wektorów dodając ich współrzędne na tych samych miejscach i działaniem zewnętrznym jest przestrzenią wektorową a więc zbiór ten z
dodawaniem wektorów jest grupą abelową. Aby był on pierścieniem to wystarczy sprawdzić pozostałe aksjomaty związane z mnożeniem wewnętrznym.
10 Łączność mnożenia: Dla (x , y , z ) , (a , b , c ) ,( d , e , f )∈ R3 mamy cf
x(ad), y (be), z (¿)
¿
((x , y , z)(a , b , c))(d , e , f)=(xa , yb , zc)(d , e , f)=((xa)d ,(yb)e ,(zc)f)=¿
20 Rozdzielność mnożenia względem dodawania: Dla (x , y , z ) , (a , b , c ) ,( d , e , f )∈ R3 mamy :
(( x , y , z )+ (a , b , c ))( d , e , f )=( x +a , y +b , z+ c )( d , e , f )=((x + a) d , ( y +b )e , (z +c ) f)=( xd +ad , ye+be , zf + cf )=(xd , ye , zf )+( ad , be , cf )=( x , y , z )(d , e , f )+ (a , b , c )( d , e , f ) Analogicznie rozdzielność z drugiej strony.
Można to uzasadnić wykorzystując fakt, że R z działaniem dodawania i mnożenia liczb rzeczywistych jest pierścieniem. Wtedy R × R × R≅R3 gdyż między tymi zbiorami występuje kanoniczna bijekcja i działania wewnętrzne w pierścieniu R × R × R przechodzą na działania w zbiorze R3.
Pierścień ten nie jest ciałem ponieważ np. element (2,0,0) ≠(0,0,0) nie ma elementu odwrotnego. Gdyby istniał np. (x , y , z) to (2,0,0) ( x , y , z )=(2 x , 0,0)=(1,1,1) a więc
0=1 co jest niemożliwe.
Ad. c). Zbiór Q[X]
(
X3−2)
jest pierścieniem ilorazowym a więc jest pierścieniem dla ideału I=(
X3−2)
=(
X3−2)
Q[ X ] w pierścieniu Q[ X ] . Zgodnie z treścią zadania należy ustalić czy jest ciałem czy też tylko pierścieniem i nie jest ciałem.Twierdzenie. W całkowitym pierścieniu ideałów głównych D dla elementu a
nierozkładalnego tego pierścienia ideał aD jest maksymalny.
Pierścień Q[ X ] jest całkowitym pierścieniem ideałów głównych i element a=X2−2 /Kryterium Eisensteina dla p=2 / jest nierozkładalny, zatem z powyższego twierdzenia ideał
(
X3−2)
jest maksymalny a stąd Q[X](
X3−2)
jestciałem.
Można pokazać wykorzystując homomorfizm φ :Q[X]→ R , φ(f (x ))=f (
√
2) ,że Q[X](
X3−2)
≅Q[√
2]
=Q(√
2) .Ad. d). Z5[X]
(
X2+1)
jest tylko pierścieniem i nie jest ciałem, gdyż ideałI=
(
X2+1)
=(
X2+1)
Q[ X ] nie jest ideałem pierwszym a stąd nie jest ideałemmaksymalnym . (X +3 )( X +2 )=X2+1∈ I natomiast X +3∉ I gdyż X2+1⫮ X+3 oraz X +2 ∉ I gdyż X2+1⫮ X+2.
Twierdzenie
W pierścieniu D przemiennym z jedynką i ideału I tego pierścienia:
Ideał I jest ideałem pierwszym ⇔ pierścień ilorazowy D
I jest całkowity.
Twierdzenie
W pierścieniu D przemiennym z jedynką i ideału I tego pierścienia mamy: , Ideał I jest ideałem maksymalnym ⇔ pierścień ilorazowy D
I jest ciałem.
Wniosek
W pierścieniu D przemiennym z jedynką , ideał maksymalny tego pierścienia jest ideałem pierwszym gdyż ciało jest zawsze dziedziną całkowitości.
Ad. e). Z5[X]
(
X2+2)
jest pierścieniem i ciałem, gdyż ideałI=
(
X2+2)
=(
X2+2)
Q[ X ] jest ideałem maksymalnym. Gdyby nie był maksymalny to wielomian X2+2 byłby rozkładalny i jeden z czynników rozkładu byłby stopnia 1 /liniowy/ . Wtedy wielomian X2+2 miałby pierwiastek co jest niemożliwe, gdyż02+2=2 , 12+2=3 , 22+2=1 , 32+2=1 , 42+2=2.
Zad 4.
Wykazać, że ideał (2+i) w pierścieniu Z[i] jest maksymalny.Rozwiązanie
Pierścień Z[i] jest dziedziną ideałów głównych gdyż jest pierścieniem Euklidesowym z normą N(a+bi)=|a+bi|2=a2+b2 .
Twierdzenie. W całkowitym pierścieniu ideałów głównych D dla elementu a nierozkładalnego tego pierścienia ideał aD jest maksymalny.
Aby wystarczy wykazać, że ideał I=(2+i)=(2+i)Z [i] jest maksymalny wystarczy pokazać, że element 2+i jest nierozkładalny w pierścieniu Z [i] . Gdyby był rozkładalny to istniałyby liczby całkowite a , b , c , d takie, że 2+i=(a+ bi)(c+ di) i elementy
(a+bi ) ,( c+ di) są nieodwracalne.
Wtedy |2+i|=|a+bi||c +di|⇒5=
(
a2+b2)(
c2+d2)
Zatem a2+b2∣5 w pierścieniu Z . Stąd
10a2+b2=1⇔ a=± 1 ib=0 luba=0 i b=± 1 . Wtedy elementy a+bi są odwracalne.
20a2+b2=5⇔ a=±2 ib=± 1lub a=±1 ib=± 2 . Wtedy elementy ±(2+i) są stowarzyszone z 2+i natomiast ±(2−i)⫮2+i / 2+i
2−i=3+4 i
5 ∉ Z [i] /. Elementy
±1 ± 2i są stowarzyszone z jakimś elementem ± 2± i . Element 2+i jest nieodwracalny ponieważ 1
2+i=2−i
5 ∉ Z [i] . Zatem nie ma czynnika nieodwracalnego nie stowarzyszonego z 2+i który dzieliłby 2+i . Oznacza to, że element 2+i jest nierozkładalny w pierścieniu i
Z¿ ] a stąd ideał I=(2+i)=(2+i) Z[i] jest maksymalny.
Zad 5.
Wyznaczyć elementy pierścienia ilorazowego Z2[X]I gdzie
I=(X3+X+1)=(X3+X +1)Z2[X]. Obliczyć sumę i iloczyn elementów X2+1+I i X +1+I oraz element odwrotny elementu X .
Rozwiązanie
Dla f ( X ), g( X)∈ Z2[X ]
g ( X )∈f ( X )+I ⇔ f ( X )−g ( X )∈ I ⇔ X3+X+1∣ f ( X )−g ( X )⇔(f ( X ))X3+X + 1=(g ( X ))X3+X +1 Zatem
Z2[X]
I =
{
0+I , 1+I , X +I ,1+X +I , X2+I , X2+1+I , X2+X+ I , X2+X +1+I}
a). X2+1+I+ X +1+I=X2+X +I
b). ( X2+1+I¿(X +1+I )=
(
X2+1)
(X +1)+I=X3+X2+X+1+I =X2+X +Ic). Dla a , b , c∈ Z2 mamy
1+I=( X +I )
(
a X2+bX +c +I)
=a X3+b X2+cX +I=a X3+b X2+cX −a(
X3+X +1)
+I=b X2+(c−a) X −a+I⇔b=0, c−a=0,−a=1 Stąd a=1 ,b=0, c=1 zatem (X +I)−1=X2+1+ I .Zad 6.
Czy element a=4 jest jednoznacznie rozkładalny w pierścieniu Z[
i√
3]
. Podać wszystkie rozkłady z dokładnością do elementów stowarzyszonych.Rozwiązanie
Element 4 jest rozkładalny gdy istnieją liczby całkowite a , b , c , d takie, że 4=( a+bi)(c +di) i elementy
(a+bi ) ,( c+ di) są nieodwracalne w pierścieniu Z
[
i√
3]
. Wtedy |4|=|
a+bi√
3||
c +di√
3|
⇒ 16=(
a2+3 b2) (
c2+3 d2)
Zatem a2+3 b2∣16 w pierścieniu Z . Stąd
10a2+3 b2=1⇔ a=± 1i b=0 . Wtedy elementy a+bi są odwracalne.
20a2+3 b2=2 brak rozwiązań.
30a2+3 b2=4⇔ a=±1 ib=± 1 lub a=±2 i b=0 . Otrzymujemy możliwe elementy
±(1+i
√
3) , ±(1−i√
3) , ± 2 i nie trudno sprawdzić, że te elementy są dzielnikami liczby 4.Na tym zostawiamy znajdowanie wszystkich rozwiązań gdyż gdyby a2+3 b2>4 to c2+3 d2<4 a te przypadki były analizowane.
Z dokładnością do stowarzyszenia otrzymaliśmy różne czynniki 1+i
√
3 , 1−i√
3 ,2 które jak wynika z naszej analizy są już nierozkładalne. Gdyby były rozkładalne to pojawiłyby się czynniki rozkładu w naszej analizie. Ponadto każdy nie dzieli pozostałe czynniki.
1−i
√
31+i
√
3=4−2 i
√
34 ∉ Z
[
i√
3]
, 2 1+i√
3=2−2i
√
34 ∉ Z
[
i√
3]
, 1+i√
31−i
√
3=4 +2i
√
34 ∉ Z
[
i√
3]
,2
1−i
√
3=2+2i
√
34 ∉ Z
[
i√
3]
, 1−i√
32 ∉ Z
[
i√
3]
, 1+i√
32 ∉ Z
[
i√
3]
.Elementy te są nieodwracalne gdyż dowolny element odwracalny dzieli inny element a jak widać powyżej, że ta własność nie jest spełniona.
Zatem 4=(1+i
√
3)(1−i√
3)=2∙ 2 . Są to wszystkie rozkłady na czynniki nierozkładalne z dokładnością do elementu stowarzyszonego i te rozkłady są różne.Oznacza to, że pierścień Z
[
i√
3]
nie jest pierścieniem z jednoznacznością rozkładu tym bardziej nie jest pierścieniem ideałów głównych a tym bardziej pierścieniem Euklidesa.Natomiast Z
[
i√
3]
⊂Z[
−1+i2√
3]
=Z[
1+i2√
3]
i pierścień Z[
−1+i2√
3]
jakpokazywaliśmy na ćwiczeniach jest pierścieniem Euklidesa a stąd pierścieniem ideałów głównych i pierścieniem z jednoznacznością rozkładu. Wtedy mamy tylko rozkład
4=(1+i
√
3)(1−i√
3) w pierścieniu Z[
−1+i2√
3]
gdyż element 2 w tym pierścieniu jest odwracalny.Zad 8.
Wyznaczyć wszystkie ideały pierścienia Z6× Z14× Z2 . Które z nich są maksymalne.Rozwiązanie
Twierdzenie. Dla pierścieni R , S I⊂ R × S jest ideałem ⇔ istnieją ideały IR⊂R , IS⊂ S takie, że I=IR× IS .
Dowód. Twierdzenie 8.9 Skrypt wykładu str. 66.
Wszystkie ideały pierścienia Zn są postaci dZn, d∈ Zn, d∣n lub d=0 . Przyk. 5. Skrypt wykładu str. 66.
Ideały w Z6 : I0={0}, I2=2 Z6={0,2,4}, I3=3 Z6={0,3}, I1=Z6={0,1,2,3,4,5} . Ideały w Z14 : J0={0}, J2=2 Z14={0,2,4,6,8,10,12}, J7=3 Z14={0,7}, J1=Z14 . Ideały w Z2 : K0={0}, K1=Z2={0,2} .
Każdy ideał w pierścieniu Z6× Z14× Z2 będzie postaci:
I(i , j , k)=Ii× Jj× Kk , i∈{0,1,2,3}, , j∈{0,1,2,7}, , k∈{0,1}
Ideały maksymalne : I(2,1,1)=I2× J1× K1 . I(3,1,1)=I3× J1× K1 , I(1,2,1)=I1×J2× K1 , I(1,7,1)=I1×J7× K1 , I(1,1,0)=I1× J2× K0 .
Zad 9.
Znaleźć najmniejszą liczbę m aby Z[
m1]
=Z[
187]
.Rozwiązanie
Ponieważ 18=2 ∙ 3∙ 3 to w m muszą wystąpić czynniki pierwsze rozkładu: 2 i 3 aby móc zastąpić mianownik 18 na mianownik mk . Biorąc m=6 nasze
minimum to nam wystarczy ponieważ: 7
18=7 ∙ 2
62 co oznacza, że Z
[
16]
⊃ Z[
187]
.Ponadto 3 7
18−1=21−18 18 = 3
18=1
6 co oznacza, że Z
[
16]
⊂ Z[
187]
. ZatemZ
[
16]
=Z[
187]
i z naszej konstrukcji wynika, że jest to minimum.Zad 10.
Jakiego typu odwracalny, rozkładalny, nierozkładalny w pierścieniu Z[
101]
jestelement a). 11
20 b).
8 7 . Rozwiązanie
Ad a). Element 11
20 jest nierozkładalny ponieważ jest nieodwracalny i nie da się rozłożyć na czynniki nieodwracalne ponieważ:
Gdyby 20 11= k
10l to 11k =20∙ 10l a stąd 11∣20 ∙10l co jest niemożliwe w pierścieniu liczb całkowitych. Oznacza to, że 11
20 jest nieodwracalne.
Gdyby 11 20= k
10l m
10s to 11∙10l +s=20 km i 11∣20 km . Stąd ze względu na przemienność mnożenia można założyć, że k =11n . Wtedy 10l+ s−1=2 nm . Zatem
m=2u10r lub m=5u10r dla pewnych u , r∈ N . Wtedy czynnik m
10s jest postaci 2u10r
10s lub 5u10r
10s . Liczby tej postaci są odwracalne ponieważ 10s
5u10r=10s2u
10u+r ∈ Z
[
101]
, 210u10sr=10s5u10u+r ∈ Z
[
101]
.Zatem nie można uzyskać drugiego czynnika nieodwracalnego to oznacza, że element ten jest nierozkładalny.
Ad. b). Element 8
7 jest odwracalny ponieważ 7
8=7 ∙ 53
103 ∈ Z
[
101]
.Zad 11.
Czy wielomian f jest rozkładalny w pierścieniu R[X] : a). f ( X )=5 X7−4 X3+6 X +14 , R=Q .b). f ( X )=5 X7−4 X3+6 X−7 , R=Z c). f ( X )=2 X3+X +1 , R=Z3
Rozwiązanie
Ad. a). Z kryterium Eisensteina dla p=2 wynika, że wielomian jest nierozkładalny w pierścieniu Q[X] .
Ad. b). Ponieważ 1 jest pierwiastkiem tego wielomianu to wielomian X −1∣ f ( X) a zatem f(X)=(X −1)g(X) w pierścieniu Z[X] i stg(X)=6 . Jest to rozkład na czynniki nieodwracalne a więc wielomian ten jest rozkładalny.
Ad. c). Gdyby ten wielomian był rozkładalny to jeden z czynników rozkładu byłby
wielomianem stopnia 1 /liniowy/. Wtedy ten wielomian miałby pierwiastek w ciele Z3 . Natomiast f (0 )=1 , f (1)=1 , f (2)=1 co oznacza brak pierwiastka a zatem wielomian jest nierozkładalny.
Zad 12.
Niech f ( X )=X4+X2+6 X +3 , g ( X )= X4+X3+5 X +1 , będą wielomianami w pierścieniu Z7[X] . Znaleźć u ( X ) , v (X )∈ Z7[X] takie, żeu ( X ) f ( X )+v ( X ) g ( X )=NWD(f ( X ), g ( X )) Rozwiązanie.
Stosując algorytm Euklidesa na znajdowanie NWD w pierścieniach Euklidesowych mamy:
1
X4+X2+6 X +3 : X4+X3+5 X +1 6 X4+6 X3+2 X +6
6 X3+X2+X +2
f (X )=g( X)+6 X3+X2+X +2 6 X +5
X4+X3+5 X +1 :6 X3+X2+X+2 6 X4+X3+X2+2 X
2 X3+X2+1 5 X3+2 X2+2 X+4
3 X2+2 X +5
g(X )=(6 X +5)
(
6 X3+X2+X+2)
+3 X2+2 X +5 2 X+66 X3+X2+X +2:3 X2+2 X +5 X3+3 X2+4 X
4 X2+5 X +2 3 X2+2 X +5
¿=¿
Zatem
NWD(f ( X ) , g ( X ))=3 X2+2 X +5=g ( X )−(6 X +5)
(
6 X3+X2+X+2)
=g ( X )−(6 X +5)(f ( X )−g ( X ))=−(6 X +5 ) f ( X )+(6 X +6 ) g ( X ) .NWD(f(X), g(X))=3 X2+2 X +5=−(6 X +5)f(X)+(6 X +6)g(X) .