Algebra. Inhaltsverzeichnis. Ralf Gerkmann. Mathematisches Institut. Ludwig-Maximilians-Universität München. (Version 8.

Transkript

1 Ralf Gerkmann Mathematisches Institut Ludwig-Maximilians-Universität München Algebra (Version 8. Februar 2019) Inhaltsverzeichnis Teil I Gruppentheorie 1 1. Die Kategorie der Gruppen Untergruppen und Erzeugendensysteme Elementordnungen und zyklische Gruppen Nebenklassen und Faktorgruppen Der Hauptsatz über endlich erzeugte abelsche Gruppen Semidirekte Produkte Auflösbarkeit Gruppenoperationen Die Sylowsätze Die symmetrischen Gruppen Teil II Körpertheorie Körpererweiterungen und Erweiterungsgrad Algebraische Körpererweiterungen Fortsetzung von Körperhomomorphismen Zerfällungskörper Endliche Körper Normale und separable Erweiterungen Der Hauptsatz der Galoistheorie Galoisgruppen spezieller Erweiterungen Reine Gleichungen und zyklische Erweiterungen Auflösbarkeit von Polynomen durch Radikale Literaturverzeichnis

2

3 1. Die Kategorie der Gruppen Überblick Die Gruppen als algebraische Struktur sind uns bereits aus dem ersten Semester bekannt. Wir kennen sie auch schon als Bestandteil komplizierterer Strukturen. Ist zum Beispiel K ein Körper und V ein K-Vektorraum, dann sind (K, +), (V, +) und (K, ) mit K = K \ {0 K} Gruppen. In diesem Abschnitt sehen wir uns genauer an, wie die Definition der Gruppen auf einfacheren Begriffen, den Halbgruppen und Monoiden, aufgebaut ist. Ebenso beschäftigen wir uns mit den Homomorphismen dieser Strukturen; dies sind Abbildungen, die mit der jeweiligen Struktur verträglich sind. Außerdem lernen wir eine ganze Reihe von Beispielen und erste Konstruktionsprinzipien für Gruppen kennen. Wichtige Begriffe und Sätze (abelsche / kommutative) Halbgruppen, Monoide und Gruppen Neutralelement eines Monoids, invertierbare Elemente Homomorphismen von Halbgruppen, Monoiden und Gruppen Mono-, Epi-, Iso-, Endo- und Automorphismen Ist G ein Monoid, dann bildet die Teilmenge G der invertierbaren Elemente eine Gruppe. Ist G eine Gruppe, dann bildet die Menge Aut(G) der Automorphismen von G ebenfalls eine Gruppe, mit der Komposition von Abbildungen G G als Verknüpfung. Bekanntlich ist eine Verknüpfung auf einer Menge X eine Abbildung X X X. Im Prinzip kann eine Verknüpfung mit einem beliebigen Symbol bezeichnet werden. Häufig verwendet man aber eines der Symbole,,, + oder. Mit dem Begriff der Verknüpfung allein können wir nun bereits unsere erste algebraische Struktur definieren. (1.1) Definition Eine Halbgruppe ist ein Paar (G, ) bestehend aus einer nichtleeren Menge G und einer Verknüpfung auf G, die das Assoziativgesetz (a b) c = a (b c) für alle a, b, c G erfüllt. Seien nun (G, ) und (H, ) Halbgruppen. Ein Halbgruppen-Homomorphismus von (G, ) nach (H, ) ist eine Abbildung φ : G H mit φ(g h) = φ(g) φ(h) für alle g, h G. Wird als Verknüpfungssymbol für eine Halbgruppe eines der Zeichen,, oder verwendet, dann spricht man von einer Halbgruppe in multiplikativer Schreibweise. Häufig wird das Symbol zwischen einzelnen Bezeichnern auch weggelassen, d.h. man schreibt ab statt a b. Ist das Verknüpfungssymbol + oder, dann liegt die Halbgruppe in additiver Schreibweise vor. 3

4 (1.2) Definition Seien (G, ) und (H, ) Halbgruppen und φ : G H ein Halbgruppen- Homomorphismus. Man bezeichnet φ als (i) (ii) (iii) Halbgruppen-Monomorphismus, wenn φ injektiv Halbgruppen-Epimorphismus, wenn φ surjektiv Halbgruppen-Isomorphismus, wenn φ bijektiv ist. Einen Halbgruppen-Homomorphismus φ : G G von (G, ) nach (G, ) bezeichnet man als Halbgruppen-Endomorphismus. Ist die Abbildung φ außerdem bijektiv, dann spricht man von einem Halbgruppen- Automorphismus. Die Bezeichnungen Monomorphismus, Epimorphismus,... sind bereits aus der Linearen Algebra bekannt, bezogen sich dort aber nicht auf die Halbgruppen, sondern auf die Kategorie der Vektorräume und ihre zugehörigen Homomorphismen, die linearen Abbildungen. Man verwendet die Begriffe im Zusammenhang mit vielen anderen algebraischen Strukturen, wie zum Beispiel Ringen, Körpern, Moduln usw. Da die Bedeutung jeweils vollkommen analog ist (z.b. ist ein Monomorphismus stets ein injektiver Homomorphismus), verzichtet man darauf, die Defintionen für jede Kategorie explizit neu anzugeben. (1.3) Definition Sei (G, ) eine Halbgruppe. Ein Element e G mit der Eigenschaft, dass a e = e a = a für alle a G erfüllt ist, bezeichnet man als Neutralelement von (G, ). (1.4) Proposition Jede Halbgruppe besitzt höchstens ein Neutralelement. Beweis: Sei (G, ) eine Halbgruppe, und seien e, e Neutralelemente von (G, ). Weil e Neutralelement ist, gilt a e = a für alle a G, insbesondere also e e = e. Weil e Neutralelement ist, gilt e a = a für alle a G, also insbesondere e e = e. Insgesamt erhalten wir e = e e = e. (1.5) Definition (i) (ii) Eine Halbgruppe (G, ) wird Monoid genannt, wenn sie mindestens ein Neutralelement besitzt. Nach (1.4) ist dieses dann eindeutig bestimmt; wir bezeichnen es mit e G. Sind (G, ) und (H, ) Monoide, so bezeichnet man eine Abbildung φ : G H als Monoid-Homomorphismus von (G, ) nach (H, ), wenn φ ein Halbgruppen-Homomorphismus ist und außerdem φ(e G ) = e H gilt. Bei einem Monoid in multiplikativer Schreibweise verwendet man für das Neutralelement neben e G auch die Bezeichnung 1 G, bei additiver Schreibweise auch die Bezeichnung 0 G. 4

5 (1.6) Definition Sei (G, ) ein Monoid. Ein Element a G wird invertierbar in (G, ) genannt, wenn ein b G mit a b = b a = e G existiert. Man nennt b in diesem Fall ein Inverses von a. Wir formulieren einige einfache Regeln für das Rechnen mit inversen Elementen. (1.7) Proposition Sei (G, ) ein Monoid. (i) (ii) (iii) Jedes Element g G besitzt höchstens ein Inverses; sofern es existiert, wird es mit g 1 bezeichnet. Seien g, h G invertierbare Elemente. Dann sind auch die Elemente gh und g 1 invertierbar, und es gilt (gh) 1 = h 1 g 1 und (g 1 ) 1 = g. Das Neutralelement e G von (G, ) ist invertierbar, und es gilt e 1 G = e G. Beweis: zu (i) Nehmen wir an, dass h und h beides Inverse von g sind. Dann gilt g h = e G und h g = e G, und es folgt h = e G h = (h g) h = h (g h) = h e G = h. zu (ii) Die Gleichungen (h 1 g 1 ) (gh) = h 1 (g 1 g)h = h 1 e G h = h 1 h = e G und (gh) (h 1 g 1 ) = g(hh 1 )g 1 = ge G g 1 = gg 1 = e G zeigen, dass h 1 g 1 das (eindeutig bestimmte) Inverse von G ist. Ebenso sieht man anhand der Gleichungen g 1 g = e G und gg 1 = e G, dass es sich bei g um das Inverse von g 1 handelt. zu (iii) Wie unter (ii) folgt dies direkt aus der Gleichung e G e G = e G. Liegt das Monoid G in additiver Schreibweise vor, dann verwendet man für das Inverse eines Elements a G die Bezeichnung a an Stelle von a 1. Die in (1.7) (ii) formulierte Rechenregeln lässt sich leicht auf mehrere Faktoren erweitern. (1.8) Lemma Ist r N und sind g 1,..., g r G invertierbare Elemente, dann gilt (g 1... g r ) 1 = g 1 r... g 1 1. Beweis: Dies führt man durch vollständige Induktion leicht auf den bereits bewiesenen Fall r = 2 zurück. Für r = 1 ist die Aussage trivial. Sei nun r 3, und setzen wir die Aussage für kleinere r voraus. Dann gilt auf Grund der Induktionsvoraussetzung (g 1... g r 1 g r ) 1 = g 1 r (g 1... g r 1 ) 1 = g 1 r gr g 1 1. Bereits in früheren Semestern wurde die n-te Potenz eines Körperelements für alle n Z definiert. Die Definition lässt sich problemlos auf die Elemente einer Halbgruppe bzw. eines Monoids übertragen. (1.9) Definition Ist (G, ) eine Halbgruppe und g G ein beliebiges Element, dann definiert man rekursiv g 1 = g und g n+1 = g n g für alle n N. Ist (G, ) ein Monoid, dann setzt man g 0 = e G. Ist g darüber hinaus invertierbar, dann setzt man g n = (g n ) 1 für alle n N und hat damit insgesamt g n für alle n Z definiert. 5

6 (1.10) Lemma In jeder Halbgruppe (G, ) gelten die Rechenregeln g m g n = g m+n und (g m ) n = g mn für alle m, n N. Sind g und h vertauschbar, gilt also gh = hg, dann folgt (gh) n = g n h n für g, h G und n N. In einem Monoid gelten die Regeln für m, n N 0, im Falle invertierbarer Elemente g, h für m, n Z (die dritte Regel natürlich wieder nur bei vertauschbaren Elementen). Beweis: Der Beweis der Regeln für Halbgruppen erfolgt durch vollständige Induktion, und die Übertragung auf Monoide und Halbgruppen ist reine Routine. Die vollständige und detaillierte Ausformulierung des Beweises ist aber eine sinnvolle Übungsaufgabe. Ist r N und ist {g 1,..., g r, h 1,..., h r } eine Menge von Elementen in G mit der Eigenschaft, dass jedes Element der Menge mit jedem anderen vertauschbar ist, dann gilt (g 1... g r ) (h 1... h r ) = (g 1 h 1 )... (g r h r ) und g 1... g r = g r... g 1. Die zuletzt formulierte Rechenregel für Potenzen lässt sich auf mehr als zwei Faktoren verallgemeinern: Hier gilt entsprechend (g 1... g r ) m = g1 m... gr m. Wiederum erhält man all diese Aussagen durch einfache Induktionsbeweise. Liegt die Halbgruppe (G, +) in additiver Schreibweise vor, dann schreibt man ng statt g n. Die rekursive Definition der n-ten Potenz lautet dann 1 g = g und (n + 1)g = ng + g, und die übrigen Rechenregeln nehmen die folgende Form an. mg + ng = (m + n)g, n(mg) = (mn)g, n(g + h) = ng + nh, (g g r ) + (h h r ) = (g 1 + h 1 ) (g r + h r ), g g r = g r g 1, m(g g r ) = mg mg r. Man beachte, dass die dritte bis sechste Regel wiederum die Vertauschbarkeit der Elemente erfordert. Allerdings wird die additive Schreibweise auch fast nur bei kommutativen Strukturen verwendet. (1.11) Definition Ein Monoid (G, ), in dem jedes Element ein Inverses besitzt, wird Gruppe genannt. Sind (G, ) und (H, ) Gruppen, so bezeichnet man eine Abbildung φ : G H als Gruppen-Homomorphismus, wenn φ(g g ) = φ(g) φ(g ) für alle g, g G gilt. Man beachte, dass man bei der Definition des Gruppen-Homomorphismus φ in (1.11) nicht zu fordern braucht, dass Neutralelemente und Inverse unter φ erhalten bleiben, also φ(e G ) = e H und φ(g 1 ) = φ(g) 1 für alle g G gilt, wie man auf Grund von (1.5) (ii) vielleicht erwarten würde. Der Grund dafür ist, dass sich diese Eigenschaften von selbst aus der Homomorphismus-Definition ergeben. Denn nach Definition gilt φ(e G ) = φ(e G e G ) = φ(e G ) φ(e G ); durch Multiplikation beider Seiten mit φ(e G ) 1 erhält man φ(e G ) 1 φ(e G ) = φ(e G ) 1 φ(e G ) φ(e G ), 6

7 also e H = e H φ(e G ) und schließlich e H = φ(e G ). Für jedes g G gilt außerdem φ(g) φ(g 1 ) = φ(g g 1 ) = φ(e G ) = e H. Multipliziert man beide Seiten mit φ(g) 1, so erhält man φ(g) 1 φ(g) φ(g 1 ) = φ(g) 1 e H, somit e H φ(g) 1 = φ(g) 1 und φ(g 1 ) = φ(g) 1. Gruppen-Homomorphismen sind mit beliebigen ganzzahligen Potenzen verträglich, d.h. für alle g G und m Z gilt φ(g m ) = φ(g) m. Wir beweisen dies zunächst für m N durch vollständige Induktion. Den Induktionsanfang erhält man durch die Gleichung φ(g 1 ) = φ(g) = φ(g) 1, den Induktionsschritt von m auf m + 1 durch φ(g m+1 ) = φ(g m g) = φ(g m )φ(g) = φ(g) m φ(g) = φ(g) m+1. Offenbar gilt auch φ(g 0 ) = φ(e G ) = e H = φ(g) 0, und für alle m N außerdem φ(g m ) = φ((g m ) 1 ) = φ(g m ) 1 = (φ(g) m ) 1 = φ(g) m. Damit ist die Gleichung für alle m Z bewiesen. Wie man sich leicht überzeugt, gilt die Gleichung im Fall m N auch für Halbgruppen- und im Fall m N 0 für Monoid- Homomorphismen. Man bezeichnet zwei Gruppen (G, ) und (H, ) als isomorph und schreibt G = H, wenn es einen Isomorphismus φ : G H von Gruppen gibt. Wie wir im weiteren Verlauf noch sehen werden, besitzen zwei isomorphe Gruppen in jeder Hinsicht dieselben algebraischen Eigenschaften. Weil φ eine Bijektion ist, sind isomorphe Gruppen zum Beispiel immer gleich mächtig. (1.12) Definition Gilt in einer Halbgruppe (bzw. einem Monoid, einer Gruppe) (G, ) die Gleichung a b = b a für alle a, b G, dann bezeichnet man die Halbgruppe (bzw. das Monoid, die Gruppe) als kommutativ oder abelsch. Viele einfache Beispiele für Halbgruppen, Monoide und Gruppen erhält man durch die bekannten Zahlbereiche. Beispielsweise ist (N, +) eine Halbgruppe. Die Strukturen (N 0, +), (N 0, ), (N, ) und (Z, ) sind Monoide, wobei das Neutralelement im ersten Fall durch die 0, in den anderen drei Fällen durch die 1 gegeben ist. Das Paar (Z, +) ist sogar eine Gruppe. Außerdem sind für jeden Körper (K, +, ) die Paare (K, +) und (K, ) Gruppen, wobei jeweils K = K \ {0 K } ist. Also liefern die Zahlbereiche Q, R und C weitere Beispiele für Gruppen. Alle hier genannten Halbgruppen, Monoide und Gruppen sind offenbar abelsch. Wir werden im weiteren Verlauf der Vorlesung an vielen Stellen sehen, wie sich aus vorgegebenen Gruppen neue Gruppen konstruieren lassen. Ein besonders einfaches Beispiel für eine solche Konstruktion behandeln wir sofort. (1.13) Definition Seien (G, ) und (H, ) Gruppen. Dann bildet das kartesische Produkt G H mit der Verknüpfung gegeben durch (g 1, h 1 ) (g 2, h 2 ) = (g 1 g 2, h 1 h 2 ) für alle (g 1, h 1 ), (g 2, h 2 ) G H ebenfalls eine Gruppe. Man nennt sie das äußere direkte Produkt von G und H. Darüber hinaus gilt (i) (ii) Es ist (G H, ) genau dann abelsch, wenn (G, ) und (H, ) abelsch sind. Sind G und H zwei weitere Gruppen mit G = G und H = H, dann folgt G H = G H. 7

8 Beweis: Zunächst beweisen wir das Assoziativgesetz. Seien (g 1, h 1 ), (g 2, h 2 ), (g 3, h 3 ) G H vorgegeben. Nach Definition der Verknüpfung und auf Grund der Assoziativität von und erhalten wir ((g 1, h 1 ) (g 2, h 2 )) (g 3, h 3 ) = (g 1 g 2, h 1 h 2 ) (g 3, h 3 ) = ((g 1 g 2 ) g 3, (h 1 h 2 ) h 3 ) = (g 1 (g 2 g 3 ), h 1 (h 2 h 3 )) = (g 1, h 1 ) (g 2 g 3, h 2 h 3 ) = (g 1, h 1 ) ((g 2, h 2 ) (g 3, h 3 )). Seien nun e G, e H die Neutralelemente der Gruppen G und H. Für alle (g, h) G H gilt dann (g, h) (e G, e H ) = (g e G, h e H ) = (g, h) und ebenso (e G, e H ) (g, h) = (e G g, e H h) = (g, h). Dies zeigt, dass (e G, e H ) das Neutralelement von (G H, ) ist. Schließlich gilt auch (g, h) (g 1, h 1 ) = (g g 1, h h 1 ) = (e G, e H ) und (g 1, h 1 ) (g, h) = (g 1 g, h 1 h) = (e G, e H ). Dies zeigt, dass (g 1, h 1 ) jeweils ein Inverses von (g, h) ist, für alle (g, h) G H. Insgesamt sind damit alle Gruppenaxiome verifiziert. zu (i) Die Gruppe (G H, ) ist genau dann abelsch, wenn (g 1, h 1 ) (g 2, h 2 ) = (g 2, h 2 ) (g 1, h 1 ) für alle (g 1, h 1 ), (g 2, h 2 ) in G H erfüllt ist. Nach Definition der Verknüpfung ist dies wiederum äquivalent zu (g 1 g 2, h 1 h 2 ) = (g 2 g 1, h 2 h 1 ) bzw. zu g 1 g 2 = g 2 g 1 und h 1 h 2 = h 2 h 1 für alle g 1, g 2 G und h 1, h 2 H. Letzteres bedeutet, dass die Gruppen (G, ) und (H, ) beide abelsch sind. zu (ii) In diesem Teil des Beweises verwenden wir aus Gründen der Übersichtlichkeit für die Gruppen G, G und H, H jeweils dasselbe Verknüpfungssymbol. Ist G = G und H = H, dann gibt es nach Definition Isomorphismen φ : G G und ψ : H H. Wir zeigen, dass die Abbildung φ ψ gegeben durch (φ ψ)(g, h) = (φ(g), ψ(h)) für alle (g, h) G H einen Isomorphismus zwischen G H und G H definiert. Aus der Bijektivität von φ und ψ folgt, dass auch φ ψ bijektiv ist: Zum Nachweis der Surjektivität sei (g, h ) G H vorgegeben. Weil φ und ψ surjektiv sind, gibt es Elemente g G und h H mit φ(g) = g und ψ(h) = h, und es folgt (φ ψ)(g, h) = (φ(g), ψ(h)) = (g, h ). Um zu zeigen, dass φ ψ auch injektiv ist, seien (g 1, h 1 ), (g 2, h 2 ) Elemente mit (φ ψ)(g 1, h 1 ) = (φ ψ)(g 2, h 2 ). Dann gilt (φ(g 1 ), ψ(h 1 )) = (φ(g 2 ), ψ(h 2 )), also φ(g 1 ) = φ(g 2 ) und ψ(h 1 ) = ψ(h 2 ). Die Injektivität von φ und ψ liefert g 1 = g 2, h 1 = h 2, und daraus wiederum folgt (g 1, h 1 ) = (g 2, h 2 ). Zum Schluss überprüfen wir noch, dass φ ψ ein Gruppenhomomorphismus ist. Wieder seien zwei Elemente (g 1, h 1 ) und (g 2, h 2 ) in G H vorgegeben. Auf Grund der Definition von φ ψ und der Homomorphismus- Eigenschaft der beiden Abbildungen φ, ψ erhalten wir (φ ψ)((g 1, h 1 ) (g 2, h 2 )) = (φ ψ)(g 1 g 2, h 1 h 2 ) = (φ(g 1 g 2 ), ψ(h 1 h 2 )) = (φ(g 1 ) φ(g 2 ), ψ(h 1 ) ψ(h 2 )) = (φ(g 1 ), ψ(h 1 )) (φ(g 2 ), ψ(h 2 )) = (φ ψ)(g 1, h 1 ) (φ ψ)(g 2, h 2 ). Beispielsweise ist die Menge Z Z mit der Verknüpfung (a, b) (c, d) = (a + c, b + d) eine Gruppe. Das Neutralelement der Gruppe ist (0, 0), und das Inverse von (a, b) ist jeweils ( a, b). Aus einem Monoid lässt sich eine Gruppe gewinnen, indem man die Verknüpfung auf die Teilmenge der invertierbaren Elemente einschränkt. Dieses Grundprinzip werden wir nun ausformulieren. Als wichtigsten Punkt müssen wir dabei überprüfen, dass die Einschränkung der Abbildung auch tatsächlich eine Verknüpfung auf der kleineren Menge liefert. Hierfür benötigen wir ein Kriterium. 8

9 (1.14) Definition Sei (X, ) eine Menge mit einer Verknüpfung. Eine Teilmenge U X wird abgeschlossen unter genannt, wenn für alle x, y U auch das Element x y in U liegt. Ist U X abgeschlossen unter, dann ist die Abbildung U : U U X, die man durch Einschränkung von auf die Teilmenge U U X X erhält, zugleich eine Abbildung U U U, also eine Verknüpfung auf U. Da nach Definition x U y = x y für alle x, y U gilt, verwendet man für die Verknüpfung U der Einfachheit halber weiterhin das Symbol. (1.15) Satz Sei (G, ) ein Monoid und G G die Teilmenge der invertierbaren Elemente. Dann ist G abgeschlossen unter der Verknüpfung, und (G, ) ist eine Gruppe. Das Neutralelement e G von G ist zugleich das Neutralelement von (G, ). Beweis: Nach (1.7) (ii) ist das Produkt zweier invertierbarer Elemente wiederum invertierbar. Somit ist G unter abgeschlossen. Wir überprüfen nun für (G, ) die Gruppenaxiome. Das Assoziativgesetz ist in G erfüllt, weil es sogar in G gültig ist. Nach (1.7) (iii) ist e G in G enthalten. Für alle g G, und damit erst recht für alle g G, gilt ge G = e G g = g. Dies zeigt, dass e G das Neutralelement von (G, ) ist. Somit ist (G, ) ein Monoid. Wiederum auf Grund von (1.7) (ii) folgt aus g G auch g 1 G. Wegen g g 1 = g 1 g = e G ist g 1 das Inverse von g in (G, ). Jedes Element in G besitzt also in (G, ) ein Inverses; damit ist der Nachweis der Gruppen-Eigenschaften für (G, ) abgeschlossen. Wir diskutieren eine Reihe von Anwendungsbeispielen von (1.15). (i) (ii) (iii) Die Zahlen ±1 die einzigen invertierbaren Elemente des Monoids (Z, ). Also bilden diese eine zweielementige Gruppe. Für jeden Körper K und jedes n N bildet die Menge M n,k der (n n)-matrizen über K mit der Matrizenmultiplikation als Verknüpfung ein Monoid, mit der Einheitsmatrix als Neutralelement. Die Teilmenge GL n (K) M n,k der invertierbaren Matrizen bildet darin eine Gruppe, die als allgemeine lineare Gruppe bekannt ist. Bezeichnet allgemeiner V einen K-Vektorraum, dann bildet die Menge End K (V ) der Vektorraum-Endomorphismen von V (also die Menge der linearen Abbildungen V V ) zusammen mit der Komposition von Abbildungen ein Monoid, mit der identischen Abbildung id V als Neutralelement. Die Teilmenge Aut K (V ) End K (V ) der Automorphismen von V, also der bijektiven Endomorphismen, bildet darin eine Gruppe. Man nennt Aut K (V ) auch die Automorphismengruppe oder allgemeine Gruppe des Vektorraums V ; häufig wird auch die Bezeichnung GL(V ) verwendet. 9

10 (iv) Sei X eine beliebige Menge und Abb(X) die Menge der Abbildungen X X. Dann ist durch (Abb(X), ) ein Monoid gegegeben, wobei die Verknüpfung wiederum die Komposition von Abbildungen bezeichnet. Schränkt man auf die Teilmenge Per(X) Abb(X) der bijektiven Abbildungen ein, so erhält man nach (1.15) eine Gruppe, die sog. Permutationsgruppe der Menge X. Existiert zwischen zwei Mengen X und Y eine Bijektion, dann sind Per(X) und Per(Y ) isomorph. Im speziellen Fall, dass X für ein n N gleich der endlichen Menge M n = {1,..., n} ist, nennt man S n = Per(M n ) auch die symmetrische Gruppe in n Elementen. Dies ist abelsch für n 2 und nicht-abelsch für n 3. Für eine letzte wichtige Klasse von Beispielen legen wir eine beliebige Gruppe G zu Grunde. Sind φ 1, φ 2 : G G zwei Endomorphismen von G, dann ist auch φ 1 φ 2 ein Endomorphismus von G, denn für alle g, h G gilt (φ 1 φ 2 )(gh) = φ 1 (φ 2 (gh)) = φ 1 (φ 2 (g) φ 2 (h)) = φ 1 (φ 2 (g)) φ 1 (φ 2 (g)) = (φ 1 φ 2 )(g) (φ 1 φ 2 )(h). Ist φ 3 ein weiterer Endomorphismus, dann gilt (φ 1 φ 2 ) φ 3 = φ 1 (φ 2 φ 3 ); diese Gleichung wurde früher bereits für beliebge Kompositionen von Abbildungen verifiziert. Außerdem gilt φ 1 id G = id G φ 1 = φ 1. Dies zeigt, dass die Menge End(G) der Endomorphismen von G zusammen mit der Komposition als Verknüpfung ein Monoid bildet, mit id G als Neutralelement. Es gilt nun (1.16) Proposition Die invertierbaren Elemente in End(G) sind genau die Automorphismen der Gruppe G. Beweis: Ist φ in End(G) ein invertierbares Element, dann gibt es ein ψ End(G) mit ψ φ = id G und φ ψ = id G. Aus den Gleichungen folgt, dass φ bijektiv ist. Als bijektiver Homomorphismus ist φ nach Definition ein Automorphismus. Sei nun umgekehrt φ ein Automorphismus von G. Dann ist φ bijektiv. Wir zeigen weiter unten, dass die Umkehrabbildung φ 1 von φ ein Gruppenhomomorphismus ist. Weil mit φ auch φ 1 bijektiv ist, ist durch φ 1 dann insgesamt ein Automorphismus gegeben. Darüber hinaus zeigen die Gleichungen φ 1 φ = id G und φ φ 1 = id G, dass es sich bei φ im Monoid End(G) um ein invertierbares Element handelt. Zum Nachweis der Homomorphismus-Eigenschaft von φ 1 seien g, h G vorgegeben. Auf Grund der Homomorphismus-Eigenschaft von φ gilt φ(φ 1 (g) φ 1 (h)) = φ(φ 1 (g)) φ(φ 1 (h)) = gh. Durch Anwendung von φ 1 auf beide Seiten dieser Gleichung erhalten wir φ 1 (g)φ 1 (h) = φ 1 (gh). Also ist φ 1 verträglich mit der Verknüpfung von G und damit ein Homomorphismus. Zusammen mit (1.15) erhalten wir nun (1.17) Satz Die Automorphismen einer Gruppe G bilden mit der Verknüpfung selbst eine Gruppe. Man nennt sie die Automorphismengruppe Aut(G) der Gruppe G. 10

11 Zum Schluss bemerken wir noch, dass allgemeiner gilt: Ist φ : G H ein Isomorphismus von Gruppen, dann gilt dasselbe für die Umkehrabbildung φ 1 : H G. Der Nachweis dafür funktioniert genauso wie im zweiten Teil des Beweises von (1.16). Allerdings lassen sich zwei Isomorphismen G H in der Regel nicht verknüpfen (jedenfalls nicht mit der Komposition von Abbildungen), also bilden die Isomorphismen zwischen G und H im Allgemeinen keine Gruppe. 11

12 2. Untergruppen und Erzeugendensysteme Überblick Eine wichtige Aufgabe bei der Untersuchung algebraischer Strukturen ist die Beschreibung gleichartiger Unterstrukturen. Im Falle der Vektorräume waren dies die Untervektorräume. In der Linearen Algebra haben wir gesehen, dass sich die Elemente eines Untervektorraums mit Hilfe einer Basis auf übersichtliche Weise beschreiben lassen: Jedes Element des Untervektorraums besitzt eine eindeutige Darstellung als Linearkombination der Basis. In diesem Abschnitt lernen wir nun die Untergruppen als natürliche Unterstruktur der Gruppen kennen. Leider gibt es hier so etwas wie einen Basis im Allgemeinen nicht; lediglich das Konzept des Erzeugendensystems lässt sich auf die Kategorie der Gruppen übertragen. Mit Hilfe der Erzeugendensysteme lassen sich alle Elemente der Untergruppe als Produkte darstellen, aber diese Darstellung ist nicht eindeutig, und auch nur im Fall der abelschen Gruppen einigermaßen übersichtlich. Eine besondere Rolle werden im weiteren Verlauf die zyklischen Gruppen spielen. Das sind diejenigen Gruppen, die ein einelementiges Erzeugendensystem besitzen. Wichtige Begriffe und Sätze Definition des Untergruppenbegriffs Untergruppen als Bild- und Urbildmengen unter Homomorphismen Erzeugendensysteme von Untergruppen zyklische Untergruppen Eindeutigkeit von Gruppenhomomorphismen: Jeder Homomorphismus φ : G H ist durch die Bilder eines Erzeugendensystems S von G bereits eindeutig festgelegt. (2.1) Definition Sei (G, ) eine Gruppe. Eine Teilmenge U G wird Untergruppe von G genannt, wenn e G in U liegt und für alle a, b U auch die Elemente a b und a 1 in U liegen. Man verwendet die Notation U G um anzuzeigen, dass U eine Untergruppe von G ist. Unmittelbar aus (2.1) ergibt sich, dass für alle a U und m Z auch a m in U enthalten ist, und das für jedes r N mit a 1,..., a r U auch das Produkt a 1... a r in U enthalten ist. Beide Aussagen zeigt man durch einfache Induktionsbeweise. Sei (G, ) eine Gruppe und U eine Untergruppe. Durch Einschränkung der Verknüpfung : G G G auf die Teilmenge U U G G erhalten wir eine Abbildung U : U U G. Auf Grund der Implikation a, b U a b U gilt jeweils a U b = a b U für alle a, b U. Also ist U auch eine Abbildung U U U, somit eine Verknüpfung auf U. 12

13 (2.2) Proposition Das Paar (U, U ) ist eine Gruppe. Beweis: Die Verknüpfung U stimmt auf ihrem gesamten Definitionsbereich mit überein. Weil das Assoziativgesetz in G gültig ist, gilt (a U b) U c = (a b) c = a (b c) = a U (b U c) für alle a, b, c U. Auf Grund der Voraussetzung e G U und wegen e G U a = e G a = a, a U e G = a e G = a ist e G ein Neutralelement in (U, U ). Für jedes a U ist auch a 1 in U enthalten. Wegen a U a 1 = a a = e G und a 1 U a = a 1 a = e G ist a 1 das Inverse von a in (U, U ). Im weiteren Verlauf der Vorlesung wird uns eine Vielzahl von Untergruppen begegnen. Zunächst beschränken wir uns auf die folgenden zwei Beispiele. (i) (ii) Ist G eine Gruppe, dann sind {e G } und G Untergruppen von G. Man bezeichnet sie als die trivialen Untergruppen. Für beide Mengen kontrolliert man unmittelbar, dass die Untergruppen-Bedingungen erfüllt sind. Sei K ein Körper, V ein K-Vektorraum und Aut K (V ) die bereits in 1 definierte Menge der Vektorraum-Automorphismen von V. Dann ist Aut K (V ) eine Untergruppe der Permutationsgruppe Per(V ). Denn aus der Linearen Algebra ist bekannt, dass id V eine lineare Abbildung ist. Also ist das Neutralelement von Per(V ) in Aut K (V ) enthalten. Seien nun ϕ, ψ Aut K (V ) vorgegeben. Nach Ergebnissen aus der Linearen Algebra sind auch die Kompositionen ϕ ψ und ϕ 1 linear, außerdem sind sie bijektiv, insgesamt also in Aut K (V ) enthalten. Damit haben wir die Untergruppen-Bedingungen verifiziert. Darüber hinaus können Gruppenhomomorphismen zur Definition von Untergruppen definiert werden. (2.3) Proposition Sei φ : G H ein Gruppenhomomorphismus, außerdem U eine Untergruppe von G und V eine Untergruppe von H. Dann gilt (i) Die Bildmenge φ(u) ist eine Untergruppe von H. (ii) Die Urbildmenge φ 1 (V ) ist eine Untergruppe von G. Beweis: zu (i) Wegen e G U und φ(e G ) = e H ist e H φ(u) enthalten. Seien nun g, h φ(u) vorgegeben. Dann gibt es Elemente g, h U mit φ(g) = g und φ(h) = h. Mit g, h liegen auch die Elemente gh und g 1 in U. Es folgt g h = φ(g)φ(h) = φ(gh) U, und ebenso erhalten wir g 1 = φ(g) 1 = φ(g 1 ) φ(u). zu (ii) Aus φ(e G ) = e H V folgt e G φ 1 (V ). Sind g, h φ 1 (V ) vorgegeben, dann gilt φ(g), φ(h) V. Es folgt φ(gh) = φ(g)φ(h) V und somit gh φ 1 (V ). Ebenso gilt φ(g 1 ) = φ(g) 1 V, also g 1 φ 1 (V ). Eine besonders wichtige Rolle spielen in der Gruppentheorie der Kern ker(φ) = φ 1 ({e H }) und das Bild im(φ) = φ(g) eines Gruppenhomomorphismus. Nach (2.3) ist ker(φ) eine Untergruppe von G und im(φ) eine Untergruppe von H. Beispielsweise ist für jedes n N die alternierende Gruppe A n als Kern des Signums- Homomorphismus sgn : S n {±1} eine Untergruppe der symmetrischen Gruppe S n. Aus der Linearen Algebra ist bekannt, dass die Determinante auf der Menge M n,k der (n n)-matrizen über einem Körper K die Multiplikativitätsregel det(ab) = det(a) det(b) erfüllt. Außerdem gilt det(a) 0 genau 13

14 dann, wenn A invertierbar ist. Daraus folgt, dass die Determinantenfunktion einen Gruppenhomomorphismus det : GL n (K) K definiert. Der Kern SL n (K) = {A M n,k det(a) = 1} wird die spezielle lineare Gruppe vom Rang n über dem Körper K genannt. Es handelt sich um eine Untergruppe der allgemeinen linearen Gruppe GL n (K). Kerne und Bilder sind bereits aus der Linearen Algebra im Zusammenhang mit linearen Abbildungen bekannt. Wie dort gilt auch hier (2.4) Proposition Sei φ : G H ein Gruppenhomomorphismus. Die Abbildung φ ist genau dann injektiv, wenn ker(φ) = {e G } gilt. Beweis: Ist φ ein Monomorphismus, dann ist e G das einzige Element, das auf e H abgebildet wird. Also gilt ker(φ) = {e G }. Setzen wir ker(φ) = {e G } voraus, und seien g, h G mit φ(g) = φ(h) vorgegeben. Dann gilt φ(g)φ(h) 1 = e H, und wir erhalten φ(gh 1 ) = φ(g)φ(h) 1 = e H. Nach Definition des Kerns folgt gh 1 ker(φ). Auf Grund der Voraussetzung bedeutet dies gh 1 = e G und somit g = h. Häufig kann man aus einer gegebenen Familie von Unterstrukturen durch bestimmte Operationen neue Unterstrukturen definieren. In der Linearen Algebra haben wir dieses Phänomen am Beispiel der Summe und Durchschnitte von Untervektorräumen beobachtet. Entsprechend gilt in der Kategorie der Gruppen (2.5) Proposition Sei (G, ) eine Gruppe, und sei (U i ) i I eine Familie von Untergruppen von G. Dann ist auch U = i I U i eine Untergruppe von G. Beweis: Weil jedes U i eine Untergruppe von (G, ) ist, gilt e G U i für alle i I und damit auch e G U. Seien nun a, b U vorgegeben. Dann gilt a, b U i für alle i I, und aus der Untergruppe-Eigenschaft von U i folgt jeweils ab U i und a 1 U i, für jedes i I. Daraus wiederum folgt ab U und a 1 U. In vielen Situationen ist es wünschenswert, Untergruppen auf möglichst kurze und einfache Art und Weise zu spezifizieren. Eine einfache Möglichkeit ist die Beschreibung von Untergruppen durch Erzeugendensysteme. (2.6) Satz Sei G eine Gruppe und S G eine Teilmenge. Dann gibt es eine eindeutig bestimmte Untergruppe U von G mit den folgenden Eigenschaften. (i) U S (ii) Ist V eine weitere Untergruppe von G mit V S, dann folgt V U. Beide Bedingungen lassen sich zusammenfassen in der Aussage, dass U die kleinste Untergruppe von G ist, die S als Teilmenge enthält. Beweis: Existenz: Sei (U i ) die Familie aller Untergruppen von G mit U i S. Dann ist nach (2.5) auch U = i I U i eine Untergruppe von G, und aus U i S für alle i I folgt U S. Sei nun V eine weitere Untergruppe von G mit V S. Dann gilt V = U j für ein j I, und weil nach Definition U U i für alle i I gilt, folgt V U. 14

15 Eindeutigkeit: Seien U, U zwei Untergruppen von G, die beide (i) und (ii) erfüllen. Dann gilt U S und U S. Aus der Eigenschaft (ii) für U folgt U U, und aus Eigenschaft (ii) für U folgt U U, insgesamt also U = U. (2.7) Definition Die Untergruppe U aus (2.6) wird die von S erzeugte Untergruppe genannt und mit S bezeichnet. Ist V eine beliebige Untergruppe von G, dann wird jede Teilmenge T von G mit V = T ein Erzeugendensystem von V genannt. Ist S eine einelementige Teilmenge einer Gruppe G, S = {g} für ein g G, dann verwendet man die Notation g an Stelle der korrekten, aber umständlichen Schreibweise {g}. Auch bei endlichen Mengen mit mehr Elementen wird häufig an Stelle von {g 1,..., g n } die einfachere Notation g 1,..., g n verwendet. Wir betrachten nun eine Reihe von Beispielen für Erzeugendensysteme von Untergruppen. (i) (ii) In jeder Gruppe G gilt = {e G }. Denn wie wir bereits festgestellt haben, ist {e G } eine Untergruppe, und diese enthält trivialerweise als Teilmenge. Andererseits ist e G in jeder Untergruppe U von G enthalten, also ist {e G } eine Teilmenge jeder Untergruppe V von G mit V. Es ist leicht zu sehen, dass die Gruppe (Z, +) von der einelementigen Menge {1} erzeugt wird, denn jedes Element k Z kann in der Form k 1 dargestellt werden, wobei k 1 die k-te Potenz des Elements 1 in additiver Schreibweise bedeutet. Ebenso ist { 1} ein Erzeugendensystem, denn jedes k Z hat die Darstellung k = ( k) ( 1). Allgemein gilt m = mz = {ma a Z} für jedes m N 0. Wir werden später sehen, dass alle Untergruppen von (Z, +) diese Form haben. Dass sich alle Untergruppen einer Gruppe so leicht angeben lassen, ist leider nur sehr selten der Fall. (iii) Man kann zeigen, dass die Menge der Transpositionen (i j) für n 2 ein Erzeugendensystem von S n bildet, und die Menge der 3-Zykel (i j k) für n 3 ein Erzeugendensystem für die alternierende Gruppe A n. (2.8) Definition Eine Gruppe G wird zyklisch genannt, wenn ein g G mit G = g existiert. Existiert eine endliche Teilmenge S G mit G = S, dann nennt man G eine endlich erzeugte Gruppe. Die zyklischen Gruppen werden wir in 3 ausführlich studieren. Ein einfaches Beispiel ist, wie wir oben gesehen haben, die Gruppe (Z, +). Die endlich erzeugten Gruppen sind leider nicht so übersichtlich, aber in 6 werden wir zumindest die endlich erzeugten abelschen Gruppen bis auf Isomorphie klassifizieren. Es ist relativ leicht zu sehen, dass beispielsweise die Gruppe (Q, +) nicht endlich erzeugt ist. Den Beweis behandeln wir in den Übungen. 15

16 Unser nächstes Ziel besteht darin, die in einer Untergruppe der Form S liegenden Elemente explizit anzugeben. Dazu verwenden wir sowohl die im Anschluss an (2.1) formulierte Eigenschaft von Untergruppen als auch die nach (1.7) formulierten Rechenregeln für Gruppenelemente. Um die folgenden Aussagen zu vereinfachen, führen wir die folgende Konvention ein: Das Neutralelement e G einer Gruppe G ist bei uns stets ein Produkt aus null Faktoren. Der Ausdruck g 1... g r steht also im Fall r = 0 für das Element e G. (2.9) Satz Sei G eine Gruppe und S G eine Teilmenge. (i) Die Elemente von S sind gegeben durch S = {g ε gεr r r N 0, g 1,..., g r S, ε k {±1} für 1 k r}. (ii) Sei S endlich, S = {g 1,..., g m } für ein m N 0, und setzen wir voraus, dass jedes Element der Menge S mit jedem anderen vertauschbar ist. Dann gilt S = {g e gem m e k Z für 1 k m}. Beweis: zu (i) Sei U die Teilmenge auf der rechten Seiten der Gleichung. Zunächst überprüfen wir, dass U eine Untergruppe von G ist. Da wir in der Definition von U Produkte der Länge r = 0 eingeschlossen haben, ist das Neutralelement e G in U enthalten. Seien nun g, g U vorgegeben. Dann gibt es nach Definition Elemente r, s N 0, g 1,..., g r, g 1,..., g s S und ε 1,..., ε r, ε 1,..., ε s {±1}, so dass g = g ε gεr r und g = (g 1) ε 1... (g s ) εs erfüllt ist. Offenbar sind die Elemente gg = g ε gεr r (g 1) ε 1... (g s ) εs und g 1 = gr εr... g ε1 1 nach Definition ebenfalls in U enthalten. Also handelt es sich bei U tatsächlich um eine Untergruppe von G. Außerdem enthält sie S als Teilmenge: Ist g S beliebig vorgegeben, dann setzt man g 1 = g, ε 1 = 1 und erhält g = g ε1 1 U. Nun müssen wir noch zeigen, dass U die kleinste Untergruppe von G mit U S ist. Sei V eine beliebige Untergruppe von G mit V S; nachzuweisen ist V U. Zunächst bemerken wir, dass das Produkt der Länge r = 0 in V enthalten ist, denn als Untergruppe von G enthält V das Neutralelement e G. Seien nun r N, g 1,..., g r S und ε 1,..., ε r {±1}. Wegen S V gilt dann auch g 1,..., g r V. Weil V eine Untergruppe von G ist, folgt g ε k k erbracht. zu (ii) V für 1 k r und schließlich gε gεr r V. Damit ist der Nachweis der Inklusion U V Hier gehen wir nach demselben Schema vor und zeigen zunächst, dass die Menge auf der rechten Seite der Gleichung, die wir mit U bezeichnen, eine Untergruppe von G ist. Durch Setzen von e k = 0 für 1 k m sieht man, dass U das Neutralelement enthält. Seien nun g, g U vorgegeben. Dann gibt es Elemente e 1,..., e m, e 1,..., e m Z mit g = g e gem m und g = g e ge m. Es folgt und gg = (g e gem m )(g e ge m ) = (g e1 1 ge 1 1 )...(gem m g e m 1 ) = g e1+e g em+e m m g 1 = (g e gem m ) 1 = (gm em ) 1... (g e1 1 ) 1 = gm em... g e1 1 = g e gm em U. 16

17 Damit ist der Nachweis der Untergruppen-Eigenschaft abgeschlossen. Nun zeigen wir, dass U S gilt. Sei dazu k {1,..., m} vorgegeben. Setzen wir e k = 1 und e i = 0 für 1 i m mit i k, dann erhalten wir g k = g e gem m U. Sei nun V eine beliebige Untergruppe von G mit V S. Dann gilt g k V für 1 k m. Sind e 1,..., e m Z beliebig vorgegeben, dann folgt auf Grund der Untergruppen-Eigenschaft g e k k V für 1 k m und schließlich g e gem m V. Damit ist der Nachweis von U V abgeschlossen. (2.10) Folgerung (i) Ist G eine Gruppe und g G, dann gilt g = {g e e Z}. (ii) Jede zyklische Gruppe ist abelsch. Beweis: Die Aussage (i) ist der Spezialfall von (2.9) (ii) mit m = 1. Zum Beweis von (ii) sei G eine zyklische Gruppe und g 1 G ein Element mit G = g 1. Sind g, h G beliebig vorgegeben, dann gilt nach (i) g = g1 m und h = g1 n für geeignete m, n Z. Es folgt gh = g1 m g1 n = g1 m+n = g1 n+m = g1 n g1 m = hg. Zum Schluss zeigen wir noch, dass jeder Homomorphismus durch seine Werte auf einem Erzeugendensystem eindeutig bestimmt ist. Dies ermöglicht in vielen Fällen eine einfache Kennzeichnung von Homomorphismen. Insbesondere wird sich dieser Satz beim Studium der zyklischen Gruppen und ihrer Automorphismen als nützlich erweisen. (2.11) Satz (Eindeutigkeit von Homomorphismen) Seien G, H Gruppen und S G ein Erzeugendensystem von G. Sind φ, φ Gruppenhomomorphismen mit φ(s) = φ (s) für alle s S, dann folgt φ = φ. : G H Beweis: Wir zeigen, dass die Teilmenge U = {g G φ(g) = φ (g)} eine Untergruppe von G ist. Wegen φ(e G ) = e H = φ (e G ) ist e G U. Sind g, h U beliebig vorgegeben, dann gilt φ(gh) = φ(g)φ(h) = φ (g)φ (h) = φ (gh) und φ(g 1 ) = φ(g) 1 = φ (g) 1 = φ (g 1 ), also gilt gh U und g 1 U. Weil U nach Voraussetzung die Menge S enthält, gilt G = S U und somit G = U. Die Abbildungen φ und φ stimmen also auf der gesamten Gruppe G überein. Ist also beispielsweise S = {a, b} ein zweielementiges Erzeugendensystem einer Gruppe G, dann ist jeder Homomorphismus φ : G H in eine beliebige Gruppe H bereits durch die Bilder φ(a), φ(b) H eindeutig festgelegt. 17

18 3. Elementordnungen und zyklische Gruppen Überblick Für die Struktur einer Gruppe G sind die Ordnung ihrer Untergruppen und Elemente wichtige Merkmale. In diesem Abschnitt konzentieren wir und auf die Ordnung ord(g) von Gruppenelementen g G. Es handelt sich dabei um die kleinste natürliche Zahl m mit g m = e G. Existiert eine solche Zahl nicht, dann setzt man ord(g) =. Wie wir sehen werden, kann ord(g a ) für jedes a Z berechnet werden, sobald ord(g) bekannt ist. Im weiteren Verlauf werden wir das Konzept der Elementordnung verwenden, um die Untergruppenstruktur zyklischer Gruppen vollständig zu beschreiben. Im Gegensatz zu allgemeinen Gruppen ist die Situation hier denkbar einfach: Für jeden Teiler k der Gruppenordnung gibt es genau eine Untergruppe der Ordnung k. Außerdem lässt sich bei zyklischen Gruppen G die in 1 eingeführte Automorphismengruppe Aut(G) vollständig beschreiben. Wichtige Begriffe und Sätze Definition der Ordnung von Gruppen und Elementen einer Gruppe äquivalente Charakterisierung der Elementordnung Rechenregeln für die Elementordnung Beschreibung der Untergruppen zyklischer Gruppen (Im endlichen Fall gibt es für jeden Teiler von G genau eine Untergruppe.) Existenz von Homomorphismen von einer zyklischen Gruppe G in eine Gruppe H Beschreibung der Automorphismengruppe zyklischer Gruppen Wir beginnen mit der Definition der Gruppen- und Elementordnung. (3.1) Definition Sei G eine Gruppe. Die Anzahl G der Elemente von G wird die Ordnung von G genannt. Ist g G ein beliebiges Element, dann bezeichnen wir ord(g) = g als die Ordnung von g. In 2 wurde gezeigt, dass die Elemente einer Untergruppe der Form g durch {g a a Z} gegeben sind. Es kann allerdings vorkommen, dass g a = g b gilt, obwohl a b ist. (3.2) Lemma Sei G eine Gruppe, g G und m N mit g m = e G. Dann ist die von g erzeugte Untergruppe gegeben durch g = {g r 0 r < m}. Beweis: Die Inklusion folgt direkt aus (2.10). Zum Nachweis von sei h g vorgegeben. Wiederum auf Grund der Proposition gibt es ein n Z mit h = g n. Dividieren wir n durch m mit Rest, so erhalten wir ein q, r Z mit n = qm + r und 0 r < m. Es gilt h = g n = g qm+r = (g m ) q g r = e q G gr = g r. Also ist h in der Menge auf der rechten Seite enthalten. 18

19 (3.3) Satz Sei G eine Gruppe und g G ein beliebiges Element. Dann sind für jedes n N die folgenden Aussagen äquivalent. (i) (ii) (iii) n = ord(g) Es gibt ein m N mit g m = e G, und darüber hinaus ist n die minimale natürliche Zahl mit dieser Eigenschaft. Für alle m Z gilt g m = e G genau dann, wenn m ein Vielfaches von n ist. Beweis: (i) (ii) Da ord(g) und damit die Menge g nach Voraussetzung endlich ist, können die Elemente g, g 2, g 3,... nicht alle voneinander verschieden sein. Es gibt also i, j N mit i < j und g i = g j. Setzen wir m = j i, dann gilt g m = g j i = g j (g i ) 1 = e G, also existiert ein m N mit g m = e G. Weil die zyklische Gruppe g insgesamt nur n verschiedene Elemente besitzt, können bereits die Elemente g, g 2,..., g n+1 nicht alle verschieden sein. Wir können also für das j von oben j n + 1 und damit m n voraussetzen. Wäre m < n, dann würde g auf Grund des Lemmas aus der höchstens m-elementigen Menge {e G, g,..., g m 1 } bestehen, im Widerspruch zu g = n. Es gilt also m = n, und n ist die minimale natürliche Zahl mit der Eigenschaft g n = e G. (ii) (iii) Sei m Z mit g m = e G vorgegeben. Dann gibt es q, r Z mit m = qn + r und 0 r < n. Es gilt g r = g m qn = g m (g n ) q = e G e G = e G. Da n nach Voraussetzung die minimale natürliche Zahl mit g n = e G ist, muss r = 0 gelten, und m ist somit ein Vielfaches von n. Setzen wir umgekehrt voraus, dass m ein Vielfaches von n ist, m = kn für ein k Z, dann gilt g m = g kn = (g n ) k = e k G = e G. (iii) (i) Nach Voraussetzung gilt g n = e G, und auf Grund des Lemmas ist g = {e G, g,..., g n 1 }. Würden zwei Elemente in dieser Menge übereinstimmen, dann gäbe es i, j Z mit 0 i < j n 1 und g i = g j, es wäre also g j i = e G. Dies aber wäre ein Widerspruch zur Voraussetzung, da n wegen 0 < j i < n kein Teiler von j i ist. Dies zeigt, dass n tatsächlich aus genau n verschiedenen Elementen besteht, also ord(g) = g = n gilt. Wir geben zwei Beispiele für Elementordnungen an. (i) (ii) Ist n N und G = (Z/nZ, +), dann ist 1 = 1 + nz ein Element der Ordnung n, denn es gilt k 1 = k 0 für 1 k < n und n 1 = n + nz = 0 + nz = 0. In der symmetrischen Gruppe S n kann man leicht überprüfen, dass für 2 k n jeder k-zykel, also jedes Element der Form (a 1... a k ) mit voneinander verschiedenen Einträgen a i {1,..., n}, ein Element der Ordnung k ist. Ist σ ein Produkt disjunkter Zykel der Längen k 1,..., k r, dann gilt ord(σ) = kgv(k 1,..., k r ). Beispielsweise gilt (1 2 3) 2 = (1 2 3)(1 2 3) = (1 3 2) und (1 2 3) 3 = (1 2 3) 2 (1 2 3) = (1 3 2)(1 2 3) = id, also ord((1 2 3)) = 3. 19

20 Nun können wir die Elemente einer endlichen, zyklischen Gruppe genau angeben. (3.4) Folgerung Sei G eine Gruppe. Besitzt g G die endliche Ordnung n, dann sind durch e G, g, g 2,..., g n 1 die n verschiedenen Elemente der zyklischen Gruppe g gegeben. Beweis: Nach (3.3) gilt g n = e G, und auf Grund von (3.2) gilt g = {e G, g, g 2,..., g n 1 }. Wegen g = n sind alle Elemente in dieser Aufzählung verschieden. Für Elemente unendlicher Ordnung lässt sich eine zu (3.3) weitgehend analoge Äquivalenzaussage formulieren: Ist G eine Gruppe und g G, dann sind die folgenden Aussagen äquivalent. (i) ord(g) = (ii) Es gibt kein n N mit g n = e G. (iii) Die Abbildung φ : Z G, k g k ist injektiv. Beweis: (i) (ii) Angenommen, es gilt g n = e G für ein n N. Dann würde aus (3.2) die Gleichung g = {e G, g,..., g n 1 } folgen, im Widerspruch dazu, dass ord(g) = g unendlich ist. (ii) (iii) Angenommen, φ ist nicht injektiv. Dann gäbe es Elemente k, l Z mit k < l und φ(k) = φ(l). Daraus würde g k = g l g l (g k ) 1 = e G g l k = e G folgen, was aber wegen l k N im Widerspruch zur Voraussetzung steht. (iii) (i) Es gilt φ(z) = {g k k Z} = g. Auf Grund der Injektivität von φ erhalten wir ord(g) = g = φ(z) = Z =. Beispielsweise ist 1 ein Element unendlicher Ordnung in (Z, +), denn es gilt n 1 0 für alle n N. Im weiteren Verlauf beschäftigen wir uns nun mit der Untergruppenstruktur zyklischer Gruppen. (3.5) Satz Jede Untergruppe einer zyklischen Gruppe ist zyklisch. Genauer gilt: Sei G eine zyklische Gruppe, g ein Element mit G = g und U eine Untergruppe {e G }. Dann gibt es ein m N mit U = g m. Ist ord(g) = n endlich, dann kann die Zahl m so gewählt werden, dass sie ein Teiler von n ist. Beweis: Weil U nichttrivial ist, gibt es ein r Z, r 0 mit g r U. Weil mit g r auch (g r ) 1 = g r in U enthalten ist, gibt es auch natürliche Zahlen r mit g r U. Sei nun m N die minimale natürliche Zahl mit der Eigenschaft g m U. Wir zeigen, dass dann U = g m gilt. Die Inklusion gilt nach Definition der erzeugten Untergruppe. Nehmen wir nun an, dass nicht erfüllt ist. Dann gibt es ein Element h U \ g m und ein b Z mit h = g b. Durch Division mit Rest erhalten wir q, r Z mit b = qm + r und 0 r < m. Dabei ist der Fall r = 0 ausgeschlossen, denn ansonsten wäre b ein Vielfaches von m und h damit doch in g m enthalten. So aber gilt h (g m ) q = g r U, im Widerspruch zur Minimalität von m. Damit ist die Gleichung U = g m bewiesen. 20

21 Sei nun n = ord(g) endlich, und nehmen wir an, dass m kein Teiler von n ist. Dann gibt es q, r Z mit n = qm + r und 0 < r < m. Es gilt dann g r = g n mq = g n (g m ) q = (g m ) q U, im Widerspruch dazu, dass m mit der Eigenschaft g m U minimal gewählt wurde. Wir erinnern an die Definition des größten gemeinsamen Teilers und des kleinsten gemeinsamen Vielfachen zweier ganzer Zahlen. Seien a, b Z vorgegeben. Eine Zahl d N heißt gemeinsamer Teiler von a und b, wenn d ein Teiler von a und zugleich ein Teiler von b ist. Man nennt d den größten gemeinsamen Teiler von a und b und schreibt d = ggt(a, b), wenn d d für jeden gemeinsamen Teiler von a und b gilt. Die Zahlen a und b werden als teilerfremd bezeichnet, wenn ggt(a, b) = 1 ist. Die Zahl d heißt gemeinsames Vielfaches von a und b, wenn sowohl a d als auch b d erfüllt ist. Vom kleinsten gemeinsamen Vielfachen kgv(a, b) spricht man, wenn jedes weitere gemeinsame Vielfache d von a und b auch eine Vielfaches von d ist. Aus der Klassifikation der Untergruppen einer zyklischen Gruppe können wir das folgende zahlentheoretische Resultat herleiten. (3.6) Satz (Lemma von Bézout) Seien m, n Z, (m, n) (0, 0). Dann gibt es a, b Z mit am + bn = ggt(m, n). Beweis: Sei G = (Z, +) und U = m, n, die von m und n erzeugte Untergruppe. Nach (2.9) (ii) gilt U = Zm + Zn = {am + bn a, b Z}. Weil (Z, +) zyklisch ist, gibt es nach (3.5) ein d N mit U = d. Wir zeigen, dass d = ggt(m, n) erfüllt ist. Wegen m, n d gibt es k, l Z mit m = kd und n = ld. Dies zeigt, dass d jedenfalls ein gemeinsamer Teiler von m und n ist. Sei nun d ein weiterer gemeinsamer Teiler. Dann gibt es k, l Z mit m = k d und n = l d. Die Elemente m, n liegen also in der Untergruppe d, und nach Definition der erzeugten Untergruppe folgt d = U = m, n d. Insbesondere ist d in d enthalten, es gibt also ein r Z mit d = rd. Folglich ist d ein Teiler von d. Damit ist der Beweis der Gleichung d = ggt(m, n) abgeschlossen. Wegen d U gibt es nun a, b Z mit am + bn = d = ggt(m, n). Mit Hilfe des Lemma von Bézout lassen sich wichtige Rechenregeln für Elementordnungen herleiten. (3.7) Satz Sei G eine Gruppe und g G ein Element der endlichen Ordnung n. (i) Für beliebiges m Z gilt ord(g m ) = n genau dann, wenn ggt(m, n) = 1 ist (ii) Ist d N ein Teiler von n, dann gilt ord(g d ) = n d. (iii) Für beliebiges m Z gilt ord(g m ) = n d mit d = ggt(m, n). Beweis: zu (i) Wegen g m g ist g m eine Untergruppe von g. Ist ord(g m ) = n = ord(g), dann muss g m = g gelten. Es existiert also ein k Z mit g = (g m ) k = g km. Wir erhalten g 1 km = e G und damit n (1 km), weil n die Ordnung von g ist. Sei nun d N ein Teiler von n und m. Aus d n folgt dann insbesondere d (1 km). Damit ist d auch ein Teiler von km + (1 km) = 1, also muss d = 1 sein. Wir haben damit gezeigt, dass 1 der einzige (natürliche) gemeinsame Teiler von m und n ist, und es folgt ggt(m, n) = 1 wie gewünscht. 21

22 Wegen g m g ist g m eine Untergruppe von g. Auf Grund des Lemmas von Bézout gibt es a, b Z mit am + bn = ggt(m, n) = 1. Es folgt g = g 1 = g am+bn = (g m ) a (g n ) b = (g m ) a eg b = g am g m. Also ist auch umgekehrt g eine Untergruppe von g m. Insgesamt erhalten wir g = g m und ord(g m ) = g m = g = ord(g) = n. zu (ii) Wegen n = ord(g) gilt für jedes k Z die Äquivalenz (g d ) k = e G g dk = e G n (dk) n d k. Auf Grund von (3.3) (iii) folgt daraus ord(g d ) = n d zu (iii) Seien m und n so gewählt, dass m = m d und n = n d gilt. Zu zeigen ist, dass ord(g m ) = n gilt. Da d ein Teiler von n ist, können wir zunächst den bereits bewiesenen Teil (ii) anwenden und erhalten ord(g d ) = n. Ferner sind m und n teilerfremd. Denn wäre p ein gemeinsamer Primfaktor dieser beiden Zahlen, dann könnten wir m = m d = m pd und n = n d = n pd mit geeigneten m, n N schreiben. Folglich wäre pd ein größerer gemeinsamer Teiler von m und n als d, im Widerspruch zur Definition von d. So aber können wir (i) auf das Gruppenelement g d und die Zahl m anwenden und erhalten ord(g d ) = ord((g d ) m ) = ord(g m d ) = ord(g m ), insgesamt also das gewünschte Ergebnis. Ist beispielsweise G eine Gruppe und g G ein Element der Ordnung 24, dann gilt ord(g 7 ) = ord(g) = 24, ord(g 6 ) = 4 und ord(g 10 ) = 12. Die in der Zahlentheorie eine wichtige Rolle spielende Eulersche ϕ-funktion ist für jedes n N definiert durch ϕ(n) = {k Z 0 k < n, ggt(k, n) = 1}. In der Ringtheorie werden wir zeigen, dass für alle m, n N mit ggt(m, n) = 1 stets ϕ(mn) = ϕ(m)ϕ(n) gilt, außerdem ϕ(p r ) = p r 1 (p 1) für jede Primzahl p und jedes r N. Damit lässt sich ϕ(n) für jede natürliche Zahl n leicht berechnen. Ist G = g eine zyklische Gruppe der Ordnung n, dann sind g k mit 0 k < n nach (3.4) (i) die n verschiedenen Elemente von G. Aus (3.7) (i) kann daher unmittelbar abgeleitet werden, dass G insgesamt ϕ(n) Elemente der vollen Ordnung n enthält. Es gibt also genau ϕ(n) Elemente h in G mit der Eigenschaft G = h. Beispielsweise besitzt jede zyklische Gruppe der Ordnung 24 jeweils genau ϕ(24) = ϕ(2 3 )ϕ(3) = 4 2 = 8 erzeugende Elemente. Gelegentlich ist auch das folgende Kriterium für die Bestimmung der Ordnung hilfreich. (3.8) Satz Sei G eine Gruppe und n N. Ein Element g G hat genau dann die Ordnung n, wenn g n = e G und für jeden Primteiler p von n jeweils g n/p e G gilt. Beweis: Ist n = ord(g), dann ist n N nach (3.3) minimal mit g n = e G. Insbesondere gilt dann g n/p e G für jeden Primteiler p von n. Sei m = ord(g) und das angegebene Kriterium für ein n N erfüllt. Aus der Gleichung g n = e G folgt zunächst m n. Nehmen wir nun an, dass m ein echter Teiler von n ist. Dann besitzt die Zahl n m N einen Primteiler p. Ist k N mit n m = kp, dann folgt n = kpm und n p = km. Wegen gm = e G würden wir g n/p = (g m ) k = e k G = e G erhalten, im Widerspruch zur Annahme g n/p e G. 22