Algebran ja lukuteorian harjoitustehtäviä. 1. Tutki, ovatko seuraavat relaatiot ekvivalenssirelaatioita joukon N kaikkien osajoukkojen

Samankaltaiset tiedostot
Algebran ja lukuteorian harjoitustehtävien ratkaisut

a b 1 c b n c n

Teema 4. Homomorfismeista Ihanne ja tekijärengas. Teema 4 1 / 32

MAT Algebra I (s) periodilla IV 2012 Esko Turunen

802355A Algebralliset rakenteet Luentorunko Syksy Markku Niemenmaa Kari Myllylä Topi Törmä Marko Leinonen

MAT Algebra I (s) periodeilla IV ja V/2009. Esko Turunen

H = : a, b C M. joten jokainen A H {0} on kääntyvä matriisi. Itse asiassa kaikki nollasta poikkeavat alkiot ovat yksiköitä, koska. a b.

a ord 13 (a)

Esimerkki A1. Jaetaan ryhmä G = Z 17 H = 4 = {1, 4, 4 2 = 16 = 1, 4 3 = 4 = 13, 4 4 = 16 = 1}.

LUKUTEORIA A. Harjoitustehtäviä, kevät (c) Osoita, että jos. niin. a c ja b c ja a b, niin. niin. (e) Osoita, että

(xa) = (x) (a) = (x)0 = 0

800333A Algebra I Luentorunko Kevät Työryhmä: Markku Niemenmaa, Kari Myllylä, Juha-Matti Tirilä

g : R R, g(a) = g i a i. Alkio g(a) R on polynomin arvo pisteessä a. Jos g(a) = 0, niin a on polynomin g(x) nollakohta.

ja jäännösluokkien joukkoa

(Monisteen Esimerkki 2.6.8) Olkoon R polynomifunktioiden rengas R[x]. Kiinnitetään c R. Merkitään

koska 2 toteuttaa rationaalikertoimisen yhtälön x 2 2 = 0. Laajennuskunnan

Liite 2. Ryhmien ja kuntien perusteet

802355A Renkaat, kunnat ja polynomit Luentorunko Syksy 2013

on Abelin ryhmä kertolaskun suhteen. Tämän joukon alkioiden lukumäärää merkitään

kaikille a R. 1 (R, +) on kommutatiivinen ryhmä, 2 a(b + c) = ab + ac ja (b + c)a = ba + ca kaikilla a, b, c R, ja

1 Algebralliset perusteet

(x + I) + (y + I) = (x + y)+i. (x + I)(y + I) =xy + I. kaikille x, y R.

Algebra I Matematiikan ja tilastotieteen laitos Ratkaisuehdotuksia harjoituksiin 9 (6 sivua) OT

Polynomien suurin yhteinen tekijä ja kongruenssi

[a] ={b 2 A : a b}. Ekvivalenssiluokkien joukko

Algebra II. Syksy 2004 Pentti Haukkanen

Esko Turunen Luku 3. Ryhmät

k=1 b kx k K-kertoimisia polynomeja, P (X)+Q(X) = (a k + b k )X k n+m a i b j X k. i+j=k k=0

Äärellisesti generoitujen Abelin ryhmien peruslause

2017 = = = = = = 26 1

renkaissa. 0 R x + x =(0 R +1 R )x =1 R x = x

{I n } < { I n,i n } < GL n (Q) < GL n (R) < GL n (C) kaikilla n 2 ja

Rationaaliluvun desimaaliesitys algebrallisesta ja lukuteoreettisesta näkökulmasta

802354A Algebran perusteet Luentorunko Kevät Työryhmä: Markku Niemenmaa, Kari Myllylä, Topi Törmä

802354A Algebran perusteet Luentorunko Kevät Työryhmä: Markku Niemenmaa, Kari Myllylä, Topi Törmä

jonka laskutoimitus on matriisien kertolasku. Vastaavasti saadaan K-kertoiminen erityinen lineaarinen ryhmä

[E : F ]=[E : K][K : F ].

Matematiikan ja tilastotieteen laitos Algebra I - Kesä 2009 Ratkaisuehdoituksia harjoituksiin 8 -Tehtävät sivua Heikki Koivupalo ja Rami Luisto

Ideaalit ja tekijärenkaat Ryhmähomomorfismin φ : G G ydin on ryhmän G normaali aliryhmä. Esko Turunen Luku 7. Ideaalit ja tekijärenkaat

Lukuteorian kertausta

Kuvauksista ja relaatioista. Jonna Makkonen Ilari Vallivaara

rm + sn = d. Siispä Proposition 9.5(4) nojalla e d.

Algebra I Matematiikan ja tilastotieteen laitos Ratkaisuehdotuksia harjoituksiin 3 (9 sivua) OT

Algebra I, harjoitus 5,

Algebra I Matematiikan ja tilastotieteen laitos Ratkaisuehdotuksia harjoituksiin 6 (8 sivua) OT. 1. a) Määritä seuraavat summat:

802328A LUKUTEORIAN PERUSTEET Merkintöjä ja Algebrallisia rakenteita

MAT Algebra 1(s)

Lineaariset ryhmät Pro gradu -tutkielma Miia Lillstrang Matematiikan yksikkö Oulun yliopisto 2016

Johdatus lukuteoriaan Harjoitus 2 syksy 2008 Eemeli Blåsten. Ratkaisuehdotelma

Esko Turunen MAT Algebra1(s)

HN = {hn h H, n N} on G:n aliryhmä.

ALGEBRA KEVÄT 2013 JOUNI PARKKONEN

Salausmenetelmät. Veikko Keränen, Jouko Teeriaho (RAMK, 2006)

802354A Lukuteoria ja ryhmät Luentorunko Kevät Työryhmä: Markku Niemenmaa, Kari Myllylä, Juha-Matti Tirilä, Antti Torvikoski, Topi Törmä

TAMPEREEN YLIOPISTO Pro gradu -tutkielma. Tommi Kuusisto

7. Olemassaolo ja yksikäsitteisyys Galois n kunta GF(q) = F q, jossa on q alkiota, määriteltiin jäännösluokkarenkaaksi

Algebra I Matematiikan ja tilastotieteen laitos Ratkaisuehdoituksia harjoituksiin 8 (7 sivua)

Tekijäryhmät ja homomorsmit

Injektio. Funktiota sanotaan injektioksi, mikäli lähtöjoukon eri alkiot kuvautuvat maalijoukon eri alkioille. Esim.

Diofantoksen yhtälön ratkaisut

4. Ryhmien sisäinen rakenne

Koodausteoria, Kesä 2014

Jäännösluokat. Alkupala Aiemmin on tullut sana jäännösluokka vastaan. Tarkastellaan

MS-A0402 Diskreetin matematiikan perusteet

Tekijä Pitkä Matematiikka 11 ratkaisut luku 2

ei ole muita välikuntia.

14. Juurikunnat Määritelmä ja olemassaolo.

Esitetään tehtävälle kaksi hieman erilaista ratkaisua. Ratkaisutapa 1. Lähdetään sieventämään epäyhtälön vasenta puolta:

Mitään muita operaatioita symbolille ei ole määritelty! < a kaikilla kokonaisluvuilla a, + a = kaikilla kokonaisluvuilla a.

Algebran perusteet. 44 ϕ(105) = (105). Näin ollen

6. Tekijäryhmät ja aliryhmät

811120P Diskreetit rakenteet

Johdatus matematiikkaan

Johdanto 2. 2 Osamääräkunnan muodostaminen 7. 3 Osamääräkunnan isomorfismit 16. Lähdeluettelo 20

2 Renkaat ja kunnat. toteutuvat: 1. pari (K, +) on Abelin ryhmä, jonka neutraalialkio on 0 K,

H = H(12) = {id, (12)},

3 Ryhmäteorian peruskäsitteet ja pienet ryhmät, C 2

MATP153 Approbatur 1B Ohjaus 2 Keskiviikko torstai

pdfmark=/pages, Raw=/Rotate 90 1 LUKUTEORIAA JA MUITA TYÖKALUJA SALAUKSEEN Lukujoukot Sekalaisia merkintöjä...

Algebra 1, harjoitus 9, h = xkx 1 xhx 1. a) Käytetään molemmissa tapauksissa isomorfialausetta. Tarkastellaan kuvauksia

1 Lineaariavaruus eli Vektoriavaruus

d Z + 17 Viimeksi muutettu

Sekalaiset tehtävät, 11. syyskuuta 2005, sivu 1 / 13. Tehtäviä

Peruskäsitteet. 0. Kertausta

a 2 ba = a a + ( b) a = (a + ( b))a = (a b)a, joten yhtälö pätee mielivaltaiselle renkaalle.

Algebra 1. Jouni Parkkonen Luentoja Jyväskylän yliopistossa talvella 2019

Mikäli huomaat virheen tai on kysyttävää liittyen malleihin, lähetä viesti osoitteeseen

a k+1 = 2a k + 1 = 2(2 k 1) + 1 = 2 k+1 1. xxxxxx xxxxxx xxxxxx xxxxxx

Eräitä ratkeavuustarkasteluja

Koodausteoria, Kesä 2014

Laitos/Institution Department Matematiikan ja tilastotieteen laitos. Aika/Datum Month and year Huhtikuu 2014

Lisää ryhmästä A 5 1 / 28. Lisää ryhmästä

Dihedraalinen ryhmä Pro gradu Elisa Sonntag Matemaattisten tieteiden laitos Oulun yliopisto 2013

Matriisiteoria Harjoitus 1, kevät Olkoon. cos α sin α A(α) = . sin α cos α. Osoita, että A(α + β) = A(α)A(β). Mikä matriisi A(α)A( α) on?

Salausmenetelmät LUKUTEORIAA JA ALGORITMEJA. Veikko Keränen, Jouko Teeriaho (RAMK, 2006) 3. Kongruenssit. à 3.4 Kongruenssien laskusääntöjä

Syklinen ryhmä Pro Gradu -tutkielma Taava Kuha Matemaattisten tieteiden laitos Oulun yliopisto 2016

Algebra kl Tapani Kuusalo

ALKULUKUJA JA MELKEIN ALKULUKUJA

802320A LINEAARIALGEBRA OSA I

Olkoon funktion f määrittelyjoukkona reaalilukuväli (erityistapauksena R). Jos kaikilla määrittelyjoukon luvuilla x 1 ja x 2 on voimassa ehto:

Transkriptio:

Algebran ja lukuteorian harjoitustehtäviä Versio 1.0 (27.1.2006) Turun yliopisto Lukuteoria 1. Tutki, ovatko seuraavat relaatiot ekvivalenssirelaatioita joukon N kaikkien osajoukkojen joukolla: a) C D on olemassa bijektio f : C D, b) C D on olemassa injektio f : C D. Vastaus: a) Kyllä. b) Ei. 2. Olkoon joukon R R relaatio ρ määritelty ehdolla (a, b) ρ(c, d) joss a = d ja b = c. Onko tämä relaatio a) refleksiivinen, b) symmetrinen, c) transitiivinen? Vastaus: a) Ei. b) On. c) Ei. 3. Etsi jokin edustajisto seuraaville annetun joukon A ekvivalenssirelaatioille : a) A = Z Z, (a, b) (c, d), joss a c ja b d ovat molemmat parillisia. b) A = M 2 2 (R), P Q, joss det P = det Q. 4. Olkoon a Z. Osoita, että luku a 2 + 1 ei ole neljällä jaollinen. 5. Etsi kaikki sellaiset positiiviset kokonaisluvut n, että luvuista n, n+2 ja n+4 jokainen on alkuluku. Vastaus: Ainoa ratkaisu on n = 3. 6. Laske syt(242963, 702191) ja esitä se muodossa 242963u + 702191v, missä u, v Z.

Vastaus: syt(242963, 702191) = 7 = 242963 ( 6286) + 702191 2175. 7. Osoita, että syt(8a + 3, 5a + 2) = 1, aina kun a Z Vihje: Tutki erikseen tapaukset a > 0, a = 0 ja a < 0. 8. Olkoon n jokin luonnollinen luku, n > 1. Merkitään N = n! + 1. Osoita, että a) luvun N kaikki alkutekijät p toteuttavat ehdon p > n, b) luvuista N + 1, N + 2,..., N + n 1 ei yksikään ole alkuluku. 9. Etsi kussakin kohdassa kaikki sellaiset positiiviset kokonaisluvut m, että annettu kongruenssi on voimassa: a) 27 4 (mod m) b) 1000 1 (mod m) c) 1331 0 (mod m) Vihje: Tutki lukujen 27 4, 1000 1 ja 1331 alkutekijähajotelmia. Vastaus: a) 23. b) 3, 9, 27, 37, 111, 333, 999. c) 11, 121, 1331. 10. Laske luvun n = 1! + 2! + 3! + + 100! pienin ei-negatiivinen jäännös a) modulo 5, b) modulo 7, c) modulo 48. Vihje: Kuinka pitkälle kyseisen luvun kertomatermejä on laskettava? Vastaus: a) 3, b) 5, c) 9. 11. Osoita, että Diofantoksen yhtälöllä 5x 2 3y 2 = 7 ei ole yhtään kokonaislukuratkaisua. 12. Etsi luvun 2 4 n + 3 9 n pienin alkutekijä kun n on positiivinen kokonaisluku. Vihje: Tarkastele aluksi kyseistä lukua arvoilla n = 1, 2, 3,... ja yritä havaita jokin kaava pienimmälle alkutekijälle. Vastaus: 5.

13. Lukuja F n = 2 2n + 1, n Z 0, sanotaan Fermat n luvuiksi. Osoita, että Fermat n luvut ovat pareittain suhteellisia alkulukuja, tai siis kahden erisuuren Fermat n luvun F m ja F n suurin yhteinen tekijä on 1. Vihje: Osoita ensin, että F n = (F n i 1) 2i + 1 kaikilla 0 i n. 14. Todista: Olkoot a, c ja m > 0 kokonaislukuja ja d lukujen a ja m suurin yhteinen tekijä. Kongruenssiyhtälö ax c (mod m) on ratkeava, jos ja vain jos d jakaa luvun c. Jos yhtälö on ratkeava, sillä on täsmälleen d erisuurta ratkaisua välillä 0 x m 1. 15. Etsi kokeilemalla kongruenssiyhtälöiden 4x 6 (mod 10) ja 3x 7 (mod 10) kaikki ratkaisut 0 x 9. Vastaus: 4 ja 9; 9. 16. Osoita, ettei luku 2 32 + 1 ole alkuluku. Vihje 1: Kyseinen luku on jaollinen luvulla 641. Vihje 2: Kongruenssiyhtälöistä 5 2 7 1 (mod 641) ja 5 4 2 4 (mod 641) voi olla apua. 17. Mikä on luvun 1234 1234 jakojäännös, kun sitä jaetaan luvulla 7? Vihje: Tutki ensin luvun 1234 jakojäännöstä. Vastaus: 2. 18. Osoita, ettei yhtälöllä x 3 = 3 + 6y 3 ole kokonaislukuratkaisuja. Vihje: Tutki yhtälöä modulo 7. Ryhmät 19. Osoita, että parillisten kokonaislukujen joukko 2Z muodostaa ryhmän kokonaislukujen yhteenlaskun suhteen. 20. Olkoon G ryhmä. Todista seuraavat väitteet: a) Jos G on kommutatiivinen ryhmä, niin (ab) 2 = a 2 b 2 kaikilla a, b G. b) Jos (ab) 2 = a 2 b 2 kaikilla a, b G, niin G on kommutatiivinen. c) Jos a 2 = 1 kaikilla a G, niin G on kommutatiivinen. 21. Laadi ryhmän Z 9 ryhmätaulu ja ratkaise sen avulla ryhmässä yhtälö 7x = 5.

Vastaus: x = 2. 22. Olkoon S n = {α α : N n N n on bijektio}, missä N n = {1, 2,..., n}. Olkoon G = (S n, ), missä (α β)(x) = α(β(x)), kaikilla α, β S n ja x N n. a) Osoita, että G on ryhmä. b) Onko H = {α S n α(1) = 1} ryhmän G aliryhmä? c) Onko K = {α S n α(1) 1} ryhmän G aliryhmä? Vastaus: b) On. c) Ei ole. 23. Mistä alkioista ryhmän R aliryhmä < S > koostuu, kun a) S = { 1}, b) S = {3}, c) S = 2Z? Vastaus: a) < S > = {±1}. b) < S > = {3 n n Z}. c) < S > = Q. 24. Olkoon G ryhmä, a G ja luvut m, n Z suhteellisia alkulukuja. Oletetaan, että a m = 1. Osoita, että on olemassa sellainen b G, että a = b n. 25. Tutki, ovatko seuraavat ryhmät syklisiä: a) Z 2 Z 3, b) Z 2 Z 4. Vastaus: a) On. b) Ei ole. 26. Olkoon G ryhmä, joka ei ole kommutatiivinen. Osoita, että ryhmällä G on ainakin kolme eri aliryhmää. Vihje: Ajattele ryhmän generoivaa joukkoa. 27. Osoita, että joukko G = { ( 1 0 0 1 ), ( 0 1 1 0 ), ( 1 0 0 1 ), ( 0 1 1 0 )} muodostaa ryhmän matriisikertolaskun suhteen. 28. Osoita, että neliöt QR m = {a 2 a Z m} muodostavat ryhmän Z m aliryhmän. Luettele ryhmien QR 7, QR 8 ja QR 11 alkiot.

Vastaus: QR 7 = {1, 3, 2}, QR 8 = {1}, QR 11 = {1, 4, 2, 5, 3}. 29. Osoita, ettei ryhmä G = Z 12 ole syklinen. Etsi jotkin kaksi alkiota, jotka generoivat koko ryhmän G. 30. a) Montako alkiota on ryhmässä Z 17? b) Osoita, että 3 2 1, 3 4 1 ja 3 8 1 ryhmässä Z 17. c) Osoita a- ja b-kohtien avulla, että Z 17 on syklinen ryhmä. Vastaus: a) 16. 31. Olkoon G = Z 109 ja H alkion 23 generoima ryhmän G aliryhmä. Tutki, mitkä ryhmän G alkiot kuuluvat aliryhmään H. Vihje 1: Ryhmän G alkiot 0, 1, 2,..., 108 voi olla mukavampaa ajatella muodossa 54, 53,..., 1, 0, 1,..., 54. Vihje 2: Ratkaise ensin ord(23). Vihje 3: Yritä löytää jokin pieni positiivinen luku n, jolla < n > = < 23 >. 32. Olkoon G joukko, O joukko siinä määriteltyjä binäärioperaatioita (paria (G, O) kutsutaan algebraksi, ryhmä on siis eräs erikoistapaus algebrasta) ja ekvivalenssirelaatio joukossa G. Relaatiota sanotaan kongruenssiksi, jos se täyttää ehdon jos a b ja c d, niin (a c) (b d), kaikilla joukon O operaatioilla ja joukon G alkioilla a, b, c ja d (vertaa lukukongruenssiin). a) Osoita, että ehdolla [a] [b] = [a b] määritelty joukon G/ binäärioperaatio on hyvin määritelty eli ehdoista [a] = [b] ja [c] = [d] seuraa [a] [c] = [b] [d], jos on kongruenssi. (Tämä merkitsee, että (G/, O) on algebra, jos on kongruenssi.) b) Olkoon nyt O = { } ja (G, ) (kommutatiivinen) ryhmä, jonka neutraalialkio on e. Osoita, että myös G/ on (kommutatiivinen) ryhmä, ts. kaikki (kommutatiivisen) ryhmän ehdot periytyvät ryhmältä G algebralle G/, jos on kongruenssi. c) Osoita, että jos H on ryhmän G normaali aliryhmä ja ehdolla b a, jos ja vain jos b a H

määritelty ekvivalenssirelaatio, niin on kongruenssi. d) Osoita, että [e] on ryhmän G normaali aliryhmä, jos on kongruenssi. 33. Määrää ryhmän G = Z 15 aliryhmän A = {1, 4} kaikki sivuluokat. 34. Tutkitaan ryhmää G = Z 2 Z 6, missä (a, b) + (c, d) = (a + c, b + d), aina kun (a, b), (c, d) G. Olkoon H alkion (1, 3) generoima ryhmän G aliryhmä. a) Miksi H on välttämättä normaali aliryhmä? b) Kuinka monta alkiota aliryhmässä H on? c) Jaa koko ryhmä G aliryhmän H (vasempiin) sivuluokkiin, ja etsi jokin sivuluokkien edustajisto. d) Kirjoita edustajiston avulla ryhmän G/H ryhmätaulu. e) Onko G/H syklinen ryhmä? Vastaus: a) Koska G on Abelin ryhmä. b) 2. c) G = ( (0, 0) + H ) ( (0, 1) + H ) ( (0, 2) + H ) ( (0, 3) + H ) ( (0, 4) + H ) ( (0, 5) + H ). d) e) On. + (0, 0) + H (0, 1) + H (0, 2) + H (0, 3) + H (0, 4) + H (0, 5) + H (0, 0) + H (0, 0) + H (0, 1) + H (0, 2) + H (0, 3) + H (0, 4) + H (0, 5) + H (0, 1) + H (0, 1) + H (0, 2) + H (0, 3) + H (0, 4) + H (0, 5) + H (0, 0) + H (0, 2) + H (0, 2) + H (0, 3) + H (0, 4) + H (0, 5) + H (0, 0) + H (0, 1) + H (0, 3) + H (0, 3) + H (0, 4) + H (0, 5) + H (0, 0) + H (0, 1) + H (0, 2) + H (0, 4) + H (0, 4) + H (0, 5) + H (0, 0) + H (0, 1) + H (0, 2) + H (0, 3) + H (0, 5) + H (0, 5) + H (0, 0) + H (0, 1) + H (0, 2) + H (0, 3) + H (0, 4) + H 35. Tutki, mitkä seuraavista kuvauksista ovat homomorfismeja: a) f : R R, f(x) = 2 x, b) f : Z Z, f(x) = x + 1, c) f : R R, f(x) = x. Vastaus: a) On. b) Ei ole. c) On. 36. Oletetaan, että ryhmät G ja G 1 ovat isomorfiset. Todista seuraavat väitteet: a) Jos G on Abelin ryhmä, myös G 1 on Abelin ryhmä. b) Jos G on syklinen ryhmä, myös G 1 on syklinen. 37. Tutki, ovatko seuraavat ryhmät isomorfiset:

a) (R 2, +) ja (C, +), b) Z ja Z Z. Vihje: Voivatko alkioista (1, 0) ja (1, 1) molemmat kuulua homomorfismin f : Z Z Z kuvaan Im(f)? Vastaus: a) Ovat. b) Eivät ole. 38. a) Olkoot G ja G ryhmiä, f : G G isomorfismi ja c G. Osoita, että ord(c) = ord(f(c)). b) Olkoon G ryhmä ja a, b G. Millainen kaava saadaan a-kohdan tuloksesta, kun tarkastellaan isomorfismia f : G G, f(x) = axa 1 ja valitaan c = ba. Vastaus: b) ord(ba) = ord(ab). 39. Etsi ryhmästä Z 17 jokin kertalukua 16 oleva alkio. Konstruoi sitten isomorfismi ryhmien Z 17 ja Z 16 välille. Vihje: Mitä vaihtoehtoja ryhmän Z 17 alkioiden kertaluvuilla on? 40. Osoita, että funktiot f(x) = ( cos sin x x cos sin x x ) ja g(x) = ( 1 x ovat homomorfismeja ryhmältä (R, +) ryhmään GL 2 (R). Mitkä ovat niiden ytimet? Vihje: Tarvitset trigonometrian kaavoja 0 1 ) sin(x + y) = sin x cos y + cos x sin y ja cos(x + y) = cos x cos y sin x sin y eli sinin ja kosinin summakaavoja. Jälkimmäisen näistä saa todistettua huomaamalla, että yksikköympyrän pisteiden ( cos(x+y), sin(x+y) ) ja (cos 0, sin 0) = (1, 0) välimatka toisiinsa on täsmälleen sama kuin y asteen verran kierrettyjen pisteiden (cos x, sin x) ja ( cos( y), sin( y) ) = (cos y, sin y) välimatka, eli ( cos(x + y) 1 ) 2 + ( sin(x + y) 0 ) 2 = (cos x cos y) 2 + (sin x + sin y) 2. Haluttu kaava saadaan tästä sieventämällä, kun muistetaan, että sin 2 x + cos 2 x = 1 (kateettien neliöiden summa on hypotenuusan neliö, joka yksikköympyrän tapauksessa on yksi). Tämän jälkeen saadaan todistettua kaavat cos(π/2 x) = sin x ja sin(π/2 x) = cos x tässä järjestyksessä. Näiden kahden ja kosinin summakaavan avulla saadaan lopulta sinin summakaava. 41. On olemassa homomorfismi f : Z 12 Z 20, joka määräytyy ehdosta f(1) = 5. Luettele muiden alkioiden kuvat. Määrää tämän homomorfismin ydin ja kuva. 42. Luettele ryhmän G = Z 18 alkiot. Osoita, että G on syklinen. Etsi sitten sen kaikki aliryhmät. Vihje: Kuinka suuri kertaluku ryhmällä G on? Minkä additiivisen ryhmän kanssa G on silloin isomorfinen?

Renkaat 43. Anna esimerkki joukoista A ja R, A R, sekä joukossa R määritellyistä binäärioperaatioista + ja, joilla a) (A, +, ) ja (R, +, ) ovat renkaita, mutta (A, +, ) ei ole renkaan (R, +, ) alirengas, b) lisäksi (A, +, ) ei ole nollarengas, c) lisäksi A on ääretön joukko. 44. Seuraavassa esitetään joitakin rationaalilukujen joukon Q osajoukkoja, joiden määritelmissä murtoluku m tarkoittaa aina supistettua murtolukua, jossa siis osoittajan m ja n nimittäjän n suurin yhteinen tekijä on yksi (m, n Z, n > 0). Mitkä näistä osajoukoista ovat rationaalilukujen renkaan alirenkaita? a) R 1 = { m n on pariton}, n b) R 2 = { m m on pariton}, n c) R 3 = { m n on kakkosen potenssi}. n d) Määritä vielä löytämiesi renkaiden yksikköryhmät. 45. Olkoon R >0 positiivisten reaalilukujen joukko. Määritellään siinä uudet yhteenlasku- ( ) ja kertolaskuoperaatiot ( ) säännöillä x y = x y ja x y = x lg y, missä lg y tarkoittaa luvun y kymmenkantaista logaritmia. Osoita, että (R >0,, ) on kommutatiivinen rengas. 46. Tutki, muodostavatko seuraavat matriisijoukot renkaan M 3 (R) alirenkaan: {( ) } 1 a b a) S 1 = 0 1 c a, b, c R, 0 0 1 {( ) } a 0 b b) S 2 = 0 0 0 a, b, c R, ) } c) S 3 = a, b, c, d, e, f R. 0 0 c {( a b c 0 d e 0 0 f Vastaus: a) Ei, b) ei, c) kyllä. 47. Olkoon (H, +, ), H = {a + bi + cj + dk a, b, c, d R}, ns. kvaternionirengas, jonka nolla- ja ykkösalkiot ovat 0 H = 0 ja 1 H = 1, jonka operaatiot + ja rajoitettuna reaaliluvuille R ovat reaalilukujen tavanomaiset yhteen- ja kertolaskut ja jossa pätee laskusäännöt: i 2 = j 2 = k 2 = 1, ij = k, jk = i, ki = j ja ai = ia, aj = ja, ak = ka,

aina kun a R. a) Laske ji, kj ja ik. b) Olkoon kvaternionin q = a + bi + cj + dk konjugaattikvaternioni alkio q = a bi cj dk. Laske qq. c) Osoita, että renkaan H yksikköryhmä on H = H \ {0 H }. d) Merkitään M(z 1, z 2 ) = ( z 1 z 2 z 2 z 1 ) kaikilla z1, z 2 C. Osoita, että joukko muodostaa renkaan M 2 (C) alirenkaan. H = {M(z 1, z 2 ) z 1, z 2 C} e) Osoita, että renkaat H ja H ovat isomorfiset. 48. Osoita, että renkaan Z[i] = {a + bi a, b Z} kaikki yksiköt ovat 1, i, 1 ja i. Vihje: Jos z = a + bi, niin zz = a 2 + b 2. Jos z 1 z 2 = 1, niin z 1 z 2 z 1 z 2 = 1. 49. Olkoon R rengas. Alkioiden a, b R sanotaan kommutoivan, jos ab = ba (kommutatiivisessa renkaassa siis kaikki alkiot kommutoivat toistensa kanssa). Osoita, että a ja b kommutoivat, jos ja vain jos kaikilla kokonaisluvuilla n > 1 pätee yhtälö (a b)(a n 1 + a n 2 b + a n 3 b 2 + + ab n 2 + b n 1 ) = a n b n. 50. Renkaan R alkiota a sanotaan nilpotentiksi, jos a n = 0, jollakin kokonaisluvulla n > 0. a) Mitä nilpotentteja alkioita on renkaassa Z 16? b) Entä renkaassa Z 15? c) Osoita, että jos a R on nilpotentti, niin 1 a R. Vastaus: a) 0, ±2, ±4, ±6 ja 8. b) 0. 51. Olkoon R joukko, O joukko siinä määriteltyjä binäärioperaatioita (paria (R, O) kutsutaan algebraksi, rengas on siis eräs erikoistapaus algebrasta) ja ekvivalenssirelaatio joukossa R. Relaatiota sanotaan kongruenssiksi, jos se täyttää ehdon jos a b ja c d, niin (a c) (b d), kaikilla joukon O operaatioilla ja joukon R alkioilla a, b, c ja d (vertaa lukukongruenssiin). a) Osoita, että ehdolla [a] [b] = [a b]

määritelty joukon R/ binäärioperaatio on hyvin määritelty eli ehdoista [a] = [b] ja [c] = [d] seuraa [a] [c] = [b] [d], jos on kongruenssi. (Tämä merkitsee, että (R/, O) on algebra, jos on kongruenssi.) b) Olkoon nyt O = {+, } ja (R, +, ) (kommutatiivinen) rengas. Osoita, että myös R/ on (kommutatiivinen) rengas, ts. kaikki (kommutatiivisen) renkaan ehdot periytyvät renkaalta R algebralle R/, jos on kongruenssi. c) Osoita, että jos I on renkaan R ihanne ja ehdolla b a, jos ja vain jos b a + I määritelty ekvivalenssirelaatio, niin on kongruenssi. d) Osoita, että [0 R ] on renkaan R ihanne, jos on kongruenssi. 52. Osoita, että matriisirenkaalla R = M 2 (R) ei ole kuin triviaalit ihanteet {0} ja R. Vihje 1: Oleta, että I on jokin mielivaltaisesti valittu, nollasta eroava, renkaan R ihanne ja α I nollamatriisista eroava matriisi. Osoita ensin, että ihanteessa I on tällöin sellainen matriisi, jossa on tasan yksi nollasta eroava alkio. Vihje 2: Jatka sitten osoittamalla, että ihanteessa I on sellaisia matriiseja, joissa on tasan yksi nollasta eroava alkio määrätyssä paikassa (vasemmassa yläkulmassa, oikeassa yläkulmassa, jne.) Vihje 3: Kolmanneksi näytä, että ihanteessa I on ainakin yksi säännöllinen matriisi. Vihje 4: Ensimmäisen vihjeen osoittamiseksi tutki matriisin α kertomista eri puolilta matriiseilla ( ) ( 1 0 0 0, 0 0 ) ( 0 1 R. Toisessa vihjeessä voit puolestaan käyttää matriisia 0 1 ) 1 0 R. 53. a) Luettele kaikki ryhmähomomorfismit f : Z 6 Z 2. b) Mitkä näistä homomorfismeista ovat myös rengashomomorfismeja? c) Miten tilanne muuttuu, kun edellä Z 6 ja Z 2 vaihtavat paikkaa? 54. a) Osoita, että yläkolmiomatriisit U 2 (R) = {( ) } a b 0 d a, b, d R muodostavat renkaan. b) Osoita, että (R 2, +, ) on rengas, kun binäärioperaatiot määritetään ehdoilla (a, b) + (c, d) = (a + c, b + d), c) Osoita, että ehto f : ( ) a b 0 d (a, d) määrittelee rengashomomorfismin f : U 2 (R) R 2. d) Määritä Ker(f) ja Im(f). (a, b) (c, d) = (a c, b d). e) Minkälaisen isomorfian renkaiden homomorfialause antaa d-kohdan tilanteessa? f) Onko renkaalla U 2 (R) sellaista alirengasta, joka olisi isomorfinen renkaan R 2 kanssa?

Vastaus: d) Ker(f) = {( 0 b 0 0 f) On: {( ) a 0 0 d a, d R }. ) b R } =: ( ) 0 R 0 0 ja Im(f) = R 2. 55. Oletetaan, että R ja S ovat renkaita, h : R S rengashomomorfismi ja I renkaan R ihanne. Tällöin h(r) on renkaan S alirengas ja h(i) renkaan h(r) ihanne. Onko kuitenkin mahdollista, että h(i) ei olisikaan renkaan S ihanne? Vastaus: On. 56. Oletetaan, että R on rengas, jonka karakteristika on neljä (sama karakteristikan määritelmä toimii myös yleisemmin mille tahansa renkaalle, mutta tällöin karakteristika ei välttämättä ole pelkästään alkuluku tai nolla). a) Osoita, että kaikille a, b R on voimassa (a + b) 4 = a 4 + 2a 2 b 2 + b 4 ja (a + b) 8 = a 8 + 2a 4 b 4 + b 8. b) Miten tätä voisi yleistää? 57. Etsi yhtälön x 2 + 8x = 1 ratkaisut x a) renkaassa Z 8, b) kokonaisalueessa Z 17. Vastaus: a) ±1 ja ±3. b) 4. 58. Olkoon I = 5Z[i] kokonaisluvun 5 generoima Gaussin kokonaislukujen renkaan ihanne. a) Onko jäännösluokkarengas Z[i]/I kokonaisalue? b) Onko jäännösluokka 1 + i + I renkaan Z[i]/I yksikkö? Vastaus: a) Ei ole. b) On. Kunnat 59. Oletetaan, että p on alkuluku ja (R, +, ) rengas, jossa on p alkiota. Osoita, että R on kunta. 60. Oletetaan, että (D, +, ) on äärellinen kokonaisalue, jossa on q alkiota. Osoita, että jokainen x D toteuttaa yhtälön x q = x.

61. Osoita, että kokonaisalueen Z[i] = {a + bi C a, b Z} osamääräkunta Q(Z[i]) on isomorfinen kunnan Q[i] = {a + bi C a, b Q} kanssa. 62. a) Mitkä joukoista { m } S 1 = m, n Z, 5 m, n 0, { n m } S 2 = m, n Z, 5 m, 5 n, { n m } S 3 = m, n Z, 5 n, { n m } S 4 = m, n Z, n 0 5 n ovat rationaalilukujen kunnan Q alirenkaita, mitkä alikuntia? b) Kommutatiivista rengasta R sanotaan lokaaliksi renkaaksi, jos sen epäyksiköt muodostavat ihanteen, eli joukko E R = {a R a ei ole renkaan R yksikkö} = R \ R on renkaan R ihanne. Mitkä joukoista S 1, S 2, S 3 ja S 4 ovat lokaaleja renkaita? c) Osoita, että lokaalin renkaan R epäyksikköjen joukko E R on maksimaalinen ihanne. Vastaus: a) S 1 on alikunta, S 3 ja S 4 ovat alirenkaita, mutta eivät alikuntia, ja S 2 ei ole edes alirengas. b) S 1 ja S 3. Polynomirenkaat 63. Olkoon R rengas, joka ei ole nollarengas. a) Osoita, ettei mikään renkaan R alkioista voi samanaikaisesti sekä kuulua yksikköryhmään R että olla nollanjakaja. b) Olkoon I = < x 3 1 > polynomirenkaan R[x] ihanne. Onko alkio x + I jäännösluokkarenkaan R[x]/I yksikkö? c) Entä x 1 + I? Vastaus: b) On. c) Ei ole.

64. Generoiko polynomi x maksimaalisen ihanteen renkaassa a) R[x], b) Z[x]? Vihje: Onko olemassa homomorfismia, joka kuvaa ko. renkaan kunnaksi ja jonka ydin on kyseinen ihanne? Vastaus: a) Kyllä. b) Ei. 65. Olkoon I = {p(x) Z[x] p(0) on parillinen luku}. a) Osoita, että I on renkaan Z[x] ihanne. b) Osoita, että polynomit x ja 2 generoivat ihanteen I. c) Osoita, ettei Z[x] ole pääihannerengas. Vihje: Voit todistaa c-kohdan osoittamalla, ettei I ole pääihanne. Tämän puolestaan saa osoitettua lähtemällä liikkeelle siitä vastaoletuksesta, että I olisi yhden polynomin generoima, jolloin syntyy ongelmia ihanteeseen kuuluvien polynomien x ja 2 kanssa. 66. Jos K on kunta ja p(x) = a 0 + a 1 x + + a n x n K[n] on astetta n oleva polynomi, niin sen resiprookkipolynomi on p(x) = a 0 x n + a 1 x n 1 + + a n = x n p(1/x). a) Osoita, että polynomi x 5 + x 2 + 1 on jaoton renkaassa Z 2 [x]. b) Osoita, että jos p(c) = 0, jollakin alkiolla c K \ {0}, niin p(c 1 ) = 0. c) Osoita, että pq(x) = p(x) q(x) eli polynomien tulon resiprookkipolynomi on resiprookkipolynomien tulo. d) Osoita, että myös polynomi x 5 + x 3 + 1 on jaoton renkaassa Z 2 [x]. 67. Oletetaan, että p(x) Z 2 [x] on k-asteinen polynomi. Osoita, että on olemassa sellainen binomi q(x) = x m + x n Z 2 [x], että p(x) q(x), missä 0 m < n 2 k. Vihje 1: Tarkastele eri monomien x n jakojäännöksiä r n (x) modulo p(x). Onko olemassa kokonaisluvut 0 m < n, joilla r m (x) = r n (x)? Vihje 2: Kuinka monta erilaista jakojäännöspolynomia r n (x) voi enintään olla? 68. a) Osoita, että polynomi p(x) = x 4 + x + 1 Z 2 [x] on jaoton. Olkoon ihanne I = < p(x) >, kunta K = Z 2 [x]/i ja jäännösluokka α = x + I K. Merkitään vielä kunnassa K: 1 = 1 + I ja 0 = 0 + I. b) Etsi alkioille α 5 ja α 10 esitys sellaisina alkion α polynomeina, joiden aste on enintään kolme. c) Osoita, että joukko A = {0, 1, α 5, α 10 } on kunnan K alikunta.

69. Onko polynomin x jäännösluokka yksikkö renkaassa a) R 1 = R[x]/< x 2 + 3 >, b) R 2 = Z 7 [x]/< x 2 + 3 > tai c) R 3 = Z 11 [x]/< x 251 >? Vastaus: a) Kyllä. b) Kyllä. c) Ei.