diff --git a/ws2019/ana/lectures/linear4.pdf b/ws2019/ana/lectures/linear4.pdf deleted file mode 100644 index 885b40f..0000000 Binary files a/ws2019/ana/lectures/linear4.pdf and /dev/null differ diff --git a/ws2019/ana/lectures/linear4.tex b/ws2019/ana/lectures/linear4.tex deleted file mode 100644 index 196f6eb..0000000 --- a/ws2019/ana/lectures/linear4.tex +++ /dev/null @@ -1,233 +0,0 @@ -\documentclass{lecture} - -\begin{document} -\section{Grundlagen} - -\subsection{Abbildungen} - -Die Gesamtheit aller Abbildungen einer Menge $M$ in eine Menge $N$ ist wieder eine Menge und wird mit $Abb(M, N)$ bezeichnet. - -\begin{definition}[] - Seien $M$, $N$, $K$ Mengen - und $f: M \to N$, $g: N \to K$. Die Abb $g \circ f: M \to K, m \mapsto g(f(m))$ - heißt die Komposition von f und g. Die Komposition kann man auch als - Mengenabbildung auffassen: - \[ - \circ: Abb(M, N) \times Abb(N, K) \to Abb(M, K) - \] - \[ - (f, g) \mapsto g \circ f - .\] -\end{definition} - -\begin{lemma}[] - Seien $I$ und $M$ Mengen und es sei: $(M_{i})_{i \in I}$ die - Familie von (immergleichen) Mengen $M_{i} = M$ indiziert - über $i \in I$. Dann existiert eine natürliche Bijektion - \[ - \Phi: Abb(I, M) \to^{\thicksim} \prod_{}^{} (M_{i})_{i \in I} (= M^I) - .\] -\end{lemma} -\begin{proof} - rechts: Tupel $(m_{i})_{i \in I}, m_{i} \in M_{i} = M$ - links: Abbildung $f: I \to M$. - Eine solche Abbildung ist dadurch gegeben, dass man jedem $i \in I$ - ein $m_{i} = f(i) \in M$ zuordnet. Wir definieren $\Phi$ durch die - Zuordnung: - \[ - \Phi: f \in Abb(I, M) \mapsto (f(i))_{i \in I} \in \prod_{}^{} (M_{i})_{i \in I} - .\] - Da die Abb. $f$ durch ihre Werte $f(i) \in M, i \in I$, gegeben ist, - ist $\Phi$ injektiv. - - Ist umgekehrt $(m_{i}) \in \prod M_{i}$ gegeben, so ist die Abbildung - $f: I \to M, i \mapsto m_{i} \in M$ ein Urbild unter $\Phi$. Daher - ist $\Phi$ surjektiv. -\end{proof} - -\section{Gruppen, Ringe, Körper} - -\subsection{Gruppen} - -\begin{definition}[Verknüpfung] - Eine (binäre) Verknüpfung auf einer Menge $M$ ist eine Abbildung: - \[ - *: M \times M \to M - .\] -\end{definition} - -\begin{definition}[Gruppe] - Eine Gruppe $(G, *, e)$ ist eine Menge $G$ mit einer Verknüfung $*$ und - einem (ausgezeichneten) Element $e \in G$, so dass: - \begin{enumerate} - \item $g*(h*k) = (g*h*)*k$ $\forall g,h,k \in G$ (Assoziativität) - \item $e * g = g$ $\forall g \in G$ ((Links)neutrales Element) - \item $\forall g \in G$: $\exists h \in G$: $h * g = e$ (Linksinverses) - \end{enumerate} - Eine Gruppe heißt kommutativ oder abelsch wenn zusätzlich gilt: - \begin{enumerate} - \item $g * h = h * g$ $\forall g, h \in G$ - \end{enumerate} -\end{definition} - -\begin{bsp}[] - \begin{enumerate} - \item $(\Z, +, 0)$ ist abelsche Gruppe - \item $(\Q, +, 0)$, $(\R, +, 0)$, $(\C, +, 0)$ sind abelsche Gruppen. - \item $(\Q \setminus{\{0\}}, \cdot, 1)$ ist eine abelsche Gruppe - \item $(\R_{>0}, \cdot, 1)$ ist abelsche Gruppe - \end{enumerate} -\end{bsp} - -\begin{bem}[] - Menge der Restklassen: - \[ - \{\overline{0}, \overline{1}, \ldots, \overline{n-1}\} = \Z / n\Z - .\] - $(\Z / n\Z, +, \overline{0})$ ist eine abelsche Gruppe. - Wie ist die Summe von Restklassen definiert? - - Seien $A, B \in \Z / n\Z$. Vorschrift für ,,+''. - \begin{enumerate} - \item Wähle ,,Vertreter'' $a,b \in \Z$ von $A,B$, d.h. $a \in A$, - $b \in B$. - \item bilde $a+b$ in $\Z$ - \item $A+B =^{def} \overline{a+b}$, d.h. die Restklasse zu der - $a+b$ gehört. - \end{enumerate} - Damit diese Definition widerspruchsfrei ist (Sprich: ,,+'' - ist \textit{wohldefiniert}) muss man nachweisen, dass das Ergebnis nicht - von der Auswahl im ersten Schritt abhängt. -\end{bem} - -\begin{bsp}[] - Die symmetrische Gruppe $O_{n}$ - \[ - O_{n} := \text{die Menge aller bijektiven Abb.}\\ - \pi: \{1, \ldots, n\} \to \{1, \ldots, n\} - .\] - (sogennante Permutationen) - - $* = \circ$ Komposition von Abbildungen\\ - $e = id_{\{1, \ldots, n\}}$\\ - Wir schreiben Permutationen in der Form: - \[ - \pi = - \begin{pmatrix} - 1 & 2 & 3 & \ldots & n \\ - \pi(1) & \pi(2) & \pi(3) & \ldots & \pi(n) - \end{pmatrix} - .\] - Elementare Kombinationen: $n$ Möglichkeiten für $\pi(1)$, $(n-1)$ - Möglichkeiten, für $\pi(2)\ldots$, 1 Möglichkeit für $\pi(n)$. - \[ - \#O_{n} = n! \text{ (Fakultät)} - .\] - Verifikation der Gruppenaxiome - \begin{enumerate} - \item $g*(h*k) = g \circ (h \circ k) = (g \circ h) \circ k = (g * h) * k$ - \item $e * g = id * g = g$ - \item Sei g eine Permutation und $h = g^{-1}$ die Umkehrabbildung. - Dann gilt $h*g = g^{-1} \circ g = id = e$. - \end{enumerate} - Für $n \ge 3$ ist $\sigma_{n}$ nicht kommutativ. - \[ - \begin{pmatrix} - 1 & 2 & 3 & 4 & \ldots \\ - 2 & 1 & 3 & 4 & \ldots - \end{pmatrix} - \circ - \begin{pmatrix} - 1 & 2 & 3 & 4 & \ldots \\ - 1 & 3 & 2 & 4 & \ldots - \end{pmatrix} - = - \begin{pmatrix} - 1 & 2 & 3 & 4 & \ldots \\ - 2 & 3 & 1 & 4 & \ldots - \end{pmatrix} - .\] - \[ - \begin{pmatrix} - 1 & 2 & 3 & 4 & \ldots \\ - 1 & 3 & 2 & 4 & \ldots - \end{pmatrix} - \circ - \begin{pmatrix} - 1 & 2 & 3 & 4 & \ldots \\ - 2 & 1 & 3 & 4 & \ldots - \end{pmatrix} - = - \begin{pmatrix} - 1 & 2 & 3 & 4 & \ldots \\ - 3 & 1 & 2 & 4 & \ldots - \end{pmatrix} - .\] - -\end{bsp} - -\begin{satz}[] - Sei $G = (G, *, e)$ eine Gruppe. Dann gilt für alle $g, h, k \in G$. - \begin{enumerate} - \item $g * h = g * k \implies h = k$ (Linkskürzung) - \item $g * h = k * h \implies g = k$ (Rechtskürzung) - \item $g * e = g$ (das (links)neutrale Element ist auch rechtsneutral) - \item aus $g*h=g$ oder $h*g=g$ für ein einziges $g\in G$, so folgt $h=e$ - \item $\forall g \in G$: existiert ein eindeutig bestimmtes Element - $g^{-1} \in G$ mit $g^{-1} * g = e = g * g^{-1}$. - \item Aus $h * g = e$ oder $g*h=e$ folgt $h=g^{-1}$. - \item $\left(g^{-1}\right)^{-1} = g$ $\forall g \in G$ - \end{enumerate} -\end{satz} - -\begin{proof}[Beweis 1] - Sei $g * h = g * k$. - - Nach (G3) $\exists s \in G$, sodass $s * g = e$. - Daher gilt $s*(g*h) = (s*g)*h = e*h = k$.\\ - Analog: $s*(g*k) = (s*g)*k = e*k = k$ - Daraus folgt: $h = k$. -\end{proof} - -\begin{proof}[Beweis 3] - Nach (G3) existiert $h\in G$ und $h*g=e$. - - Es folgt $h*(g*e)=(h*g)*e=e*e=e=h*g$\\ - Nach (1) folgt $g*e=g$ -\end{proof} - -\begin{proof}[Beweis 5, Existenz] - Sei $h\in G$ mit $h*g = e$ (ex. nach G3) - - $h*(g*h) = (h*g)*h = e * h = h = h * e$\\ - Durch Linkskürzung erhalten wir $g * h = e$. -\end{proof} - -\begin{proof}[Beweis 2] - Sei $g*k=h*k$. Sei $s \in G$ so dass $k*s=e$ (existenz nach 5). - - $\implies (g*k)*s = g*(k*s) = g*e = g$, analog\\ - $\implies (h*k) * s = h*(k*s) = h*e = h$\\ - Daraus folgt $g = h$. -\end{proof} - -\begin{proof}[Beweis 4] - $g * h = g = g * e \implies h = e$, analog\\ - $h*g = g = e*g \implies h=e$ -\end{proof} - -\begin{proof}[Beweis 5 Eindeutigkeit und 6] - Seien $h, h' \in G$ mit $h*g=e=h'*g$ Nach Rechtskürzung folgt - $h = h'$. Daher ist $g^{-1} eindeutig$. Sei $h \in G$ mit - $g * h = e$. Wegen $g^{-1}*g = e$ folgt mit Linkskürzung, dass $h = g^{-1}$. -\end{proof} - -\begin{proof}[Beweis 7] - aus $g * g^{-1} = e$ folgt $\left(g^{-1}\right)^{-1} = g$ -\end{proof} - -\begin{bem}[] - $g, h \in G$, so gilt $(g * h)^{-1} = h^{-1} * g^{-1}$\\ - Grund: $(h^{-1} * g^{-1}) * (g *h) = h^{-1} * (g*g^{-1}) * h = h^{-1}* e * h = h * h^{-1} = e.$ -\end{bem} -\end{document} diff --git a/ws2019/ana/lectures/linear5.pdf b/ws2019/ana/lectures/linear5.pdf deleted file mode 100644 index d23ba7e..0000000 Binary files a/ws2019/ana/lectures/linear5.pdf and /dev/null differ diff --git a/ws2019/ana/lectures/linear5.tex b/ws2019/ana/lectures/linear5.tex deleted file mode 100644 index 0016c25..0000000 --- a/ws2019/ana/lectures/linear5.tex +++ /dev/null @@ -1,259 +0,0 @@ -\documentclass{lecture} - -\begin{document} -\section{Gruppen, Ringe, Körper} - -\subsection{Ringe} - -\begin{definition}[Ring] - Ein Ring $R = (R, +, \cdot, O_{R})$ ist eine Menge $R$ und zwei - Verknüpfungen $+, \cdot: R \times R \to R$ und einem - Element $O_{R} \in R$ so dass: - \begin{enumerate} - \item $(R, +, O_{R})$ ist eine abelsche Gruppe - \item $a \cdot (b \cdot c) = (a \cdot b) \cdot c$ $\forall a,b,c \in R$ - \item $a \cdot (b + c) = a \cdot b + a \cdot c$, $(a + b) \cdot c = ac + bc$ - \end{enumerate} - - Ein unitärer Ring (,,Ring mit 1'') ist ein Tupel - $(R, +, \cdot, 0_{R}, 1_{R})$, so dass $(R, +, \cdot, 0_{R})$ ein - Ring ist und $1_R \in R$, so dass gilt: - \begin{enumerate} - \item $1_{R} \cdot a = a = a \cdot 1_{R}$ - \end{enumerate} - - Ein Ring heißt kommutativ, wenn - \begin{enumerate} - \item $a \cdot b = b \cdot a$ $\forall a, b \in R$ - \end{enumerate} -\end{definition} - -\begin{bem}[Notation] - Das inverse Element von $a \in R$ bezüglich $+$ bezeichnet man mit - $-a$. Ein Inverses bezüglich $\cdot$ existiert i.A. nicht. - - Die Eins in einem unitären Ring ist eindeutig bestimmt. -\end{bem} - -\begin{bsp} - $(\Z, +, \cdot, 0, 1)$ ist ein kommutativer Ring mit 1 -\end{bsp} - -\begin{bsp}[$\Z / n\Z$] - ist ein kommutativer Ring mit 1. Multiplikationsvorschrift ist die - folgende: Für $A, B \in \Z / n\Z$ - \begin{enumerate} - \item Wähle Vertreter $a, b \in \Z$ von $A$ und $B$. - \item bilde $a \cdot b$ in $\Z$ - \item $A \cdot B :=$ Restklasse von $a \cdot b$ - \end{enumerate} - Nachzuweisen: Unabhängigkeit der Definition von der Auswahl der Vertreter - im ersten Schritt. -\end{bsp} - -\begin{bsp}[Die Menge der geraden ganzen Zahlen] - ist ein kommutativer Ring ohne 1. -\end{bsp} - -\begin{lemma} - $R = (R, +, \cdot, 0_{R})$ Ring. Dann gilt - \begin{enumerate} - \item $0_{R} \cdot a = 0_R = a \cdot 0_R$ - \item $a \cdot (-b) = - ab = (-a) \cdot b$ - \end{enumerate} - Ist R unitär, so gilt: - \begin{enumerate} - \item $-b = (-1_{R}) \cdot b$ - \end{enumerate} -\end{lemma} - -\begin{proof}[Beweis 1] - \[ - 0_{R} \cdot a + 0_{R} = 0_{R} = 0_{R} a = (0_R + 0_R)a = 0_R a + 0_R a - .\] - Mit kürzen folgt: $0_R = 0_R a$ - Analog für $a \cdot 0_R = 0_R$ -\end{proof} - -\begin{proof}[Beweis 2] - \[ - 0_R = a 0_R = a \left((-b) + b\right) = a(-b) + a b - \] also $a(-b) = -ab$. -\end{proof} - -\begin{proof}[Beweis 3] - Ist R unitär, so setzt man in 2 $a = 1_{R}$ ein und erhält 3. -\end{proof} - -\begin{bsp} - $R = \{0\} $ mit den einzig möglichen Verknüpfungen $+$ und $\cdot$ - heißt der \textit{Nullring}. - Nullring ist ein kommutativer Ring mit 1 ($0_R = 0 = 1_R$). - Dies ist der einzige Ring mit $1_R = 0_R$. - - Begründung: Gelte $0_R = 1_R$, so folgt für jedes $r \in R$: - \[ - r = r \cdot 1_R = r \cdot 0_R = 0_R - .\] Egal welches Element herausgenommen wird, es ist immer $0_R$, d.h. - $R$ muss ein Nullring sein. -\end{bsp} - -\begin{lemma} - Sei $R = (R, +, \cdot, 0_R, 1_R)$ ein unitärer Ring und - $R^{\times } \subset R$ die Menge der Elemente die ein Links- und - ein Rechtsinverses bezüglich $\cdot$ haben, das heißt - \[ - R^{\times } = \{r \in R \mid \exists s, t \in R : s r = 1_R = r t\} - .\] - Dann ist $(R^{x}, \cdot, 1_R)$ eine Gruppe. - Man nennt $R^{x}$ die Einheitengruppe von $R$. -\end{lemma} - -\begin{proof} - Seien $r, \overline{r} \in R^{\times }$ und $s, \overline{s}, t, \overline{t}$ - mit - \[ - s r = 1 = r t - .\] und - \[ - \overline{s} \overline{r} = 1 = \overline{r} \overline{t} - .\] Dann - \[ - (s' s)(r r') = s'(s r) r' = s'1r' = s'r' = 1 - .\] - \[ - (r r') (t' t) = r (r' t') t = r 1 t = r t = 1 - .\] $\implies r \cdot r' \in R^{\times }$ - - Wir überprüfen die Gruppenaxiome: G1 folgt aus R2 - - $1 \in R$ ist neutral $\to$ G2 - - Bleibt zu zeigen: $\forall r \in R^{\times }: \exists r' \in R: r r' = 1$ - Nach Definition: $\exists s \in R: s r = 1$. Zu zeigen: $s \in R^{\times }$. - Offenbar hat das Rechtsinverse $r$. Aber $r$ ist auch linksinvers zu $s$: - - Wähle $t \in R$ mit $r t = 1$. Dann gilt $s = s (r t) = (s r) t = t$ - $\implies$ rs = rt = 1. -\end{proof} - -\begin{bem} - $0_R \in R^{\times } \implies \exists r \in R: 0_R r = 1_R \implies 0_R = 1_R \implies$ $R$ ist der Nullring. -\end{bem} - -\begin{definition}[Körper] - Ein Körper $K$ ist ein kommutativer Ring mit 1: $(K, +, 0_K, 1_K)$ - mit $K^{\times } = K \ \{0_K\}$ -\end{definition} - -\begin{bsp} - \begin{enumerate} - \item $\Q, \R, \C$ sind Körper - \item $\Z$ ist kein Körper ($\Z^{\times } = \{+1, -1\} $) - \end{enumerate} -\end{bsp} - -\begin{lemma}[] - In einem Körper $K$ gilt, dass - \[ - a b = 0_K \implies a = 0 \wedge b = 0 - .\] -\end{lemma} - -\begin{proof} - Angenommen $a \neq 0_K$: Dann existiert $a^{-1} \in K$ mit - $a^{-1} a = 1_K$. Es folgt - \[ - b = 1_K b = a^{-1} a b = a^{-1} 0_K = 0_K - .\] -\end{proof} - -\begin{lemma} - Ist $p$ eine Primzahl, so ist $\Z / p\Z$ ein Körper. -\end{lemma} - -\begin{proof}[] - $\Z / p \Z$ ist kommutativer Ring mit 1 (siehe oben). - - Zu zeigen: $\forall A \in \Z / p\Z, A \neq \overline{0}$ ist - die $\overline{1}$ im Bild der Abbildung: - \[ - A\cdot : \Z / p \Z \to \Z / p \Z, B \mapsto A \cdot B - .\] - Wir zeigen sogar, dass $A \cdot$ surjektiv ist. - Da $\Z / p \Z$ endlich ist, genügt es z.z., dass $A \cdot$ injektiv ist. - - Angenommen es gäbe Restklassen $B, C \in \Z / p \Z$ mit - \[ - A \cdot B = A \cdot C - .\] Seien $a, b, c \in \Z$ Vertreter. - Wegen $A \neq \overline{0}$ gilt $a$ nicht durch $p$ teilbar. - Wegen $AB = AC$ gilt $ab =- ac$ mod $p \implies p$ teilt $a (b -c)$. - - Weil $p$ eine Primzahl ist und $p$ teilt nicht $a$ folgt - $p / (b -c)$, also $b =- c$ mod $p \implies B = C$ -\end{proof} - -\begin{bem} - Ist $n \in N$ keine Primzahl, so ist $\Z / n \Z$ kein Körper. -\end{bem} - -\begin{proof} - Für $n=1$ ist $\Z / n\Z$ der Nullring (kein Körper). - - Nun sei $n > 1$ keine Primzahl - $\implies \exists a, b \in \N, 1 < a, b < n$ mit $a b = n$ Für die - Restklassen bedeutet dies: $\overline{a} \neq \overline{0}$, - $\overline{b} \neq \overline{0}$ aber - $\overline{a} \cdot \overline{b} = \overline{a \cdot b} = \overline{n} = \overline{0}$. Wir erhalten Widerspruch zu Lemma 1.15. Also - ist $\Z / n \Z$ kein Körper. -\end{proof} - -\begin{definition}[Charakteristik] - Sei $K$ Köper. Die kleinste natürliche Zahl $n$ mit n mal - $1_K + \ldots + 1_K = 0_K$ (in $K$) heißt die - Charakteristik von K. - - Notation: char(K). - Gibt es eine solche Zahl $n$ nicht, dann setzt man char(K) = 0. -\end{definition} - -\begin{bem} - - \begin{enumerate} - \item char(K) $=0$ oder char(K) $\ge 2$ (wegen $0_K \neq 1_K$). - \item \Q, \R, \C haben Charakteristik Null. - \item \Z / p \Z hat die Charakteristik p. - \end{enumerate} -\end{bem} - -\begin{satz} - char(K) ist entweder 0 oder Primzahl. -\end{satz} - -\begin{proof} - Sei char(K) $\neq 0$, also char(K) $= n \ge 2$. - - Wäre $n$ keine Primzahl, so existieren $a, b \in \N, 1 < a ,b < n$ - mit $ab = n$. Dann gilt: - \[ - (1_K + \ldots + 1_K) \cdot (1_K + \ldots + 1_K) - = (1_K + \ldots + 1_K) = 0 - .\] Aus dem Satz vom Nullprodukt folgt $(1_K + \ldots + 1_K)$ = $0_K$ - oder $(1_K + \ldots + 1_K) = 0_K$ - - Das Widerspricht der Minimalität von n. -\end{proof} - -\subsection{Homomorphismen} - -\begin{definition} - Seien $(G, *_G, e_G)$ und $(H, *_H, e_H)$ Gruppen. - Eine Abbildung $f: G \to H$ heißt Gruppenhomomorphismus wenn für alle - $g, g' \in G$ gilt: - \[ - f(g *_G g') = f(g) *_H f(g') - .\] -\end{definition} - -\end{document}