Algebra és számelmélet 4 (matematika tanárszak) 2020 tavasz - előadásjegyzetek 2020. március 23-ától kezdve


Előadások a távoktatás megkezdése előtt


Az előadások rövid informális összefoglalói Károlyi tanár úr honlapjáról származnak. Itt olvashatnak a már megtartott előadásokról. Az anyag részletesebben is megtalálható a Freud: Lineáris algebra[F], a Freud-Gyarmati: Számelmélet [FGy], illetve Kiss: Bevezetés az algebrába [K] könyvekben, habár nem minden szerepel ugyanúgy. Ahol lehetséges, zárójelben utalás található a megfelelő fejezet, definíció vagy tétel sorszámára, vagy az oldalszámra.
1. előadás, február 11. [K 2.2, 5.11]

Először megpróbáltuk 'köbgyökteleníteni' az 1/(1+∛2) tört nevezőjét, majd röviden beszéltem arról, mivel fogunk foglalkozni a félév során.
Gyűrű, kommutatív gyűrű, egységelemes gyűrű, ferdetest, test fogalma. Részgyűrű fogalma, hogyan ellenőrizzük, hogy egy részhalmaz részgyűrű. Egység, nullosztó. Minden ferdetest nullosztómentes. Nullosztómentes gyűrűben minden nemnulla elemmel lehet egyszerűsíteni. Minden véges nemnulla (egységelemes) nullosztómentes gyűrű ferdetest, vagyis Weddernburn tétele értelmében (amit NB=nem biz.), test. A bizonyításnál egyelőre feltettük az egységelem létezését, amire igazából nincs szükség.
Példák: minden ferdetest (test), egész számok, modulo m maradékosztályok. Test fölötti T[x] polinomgyűrű. Egységelemes kommutatív R gyűrű fölötti R[x] polinomgyűrű, R[x] egységei, nullosztómentes ha R is az volt. Test fölötti n x n-es mátrixok, nem kommutatív és nem is nullosztómentes, ha n nagyobb, mint 1. A mátrixszorzás asszociativitásának igazolása arra visszavezetve, hogy leképezések kompozíciója asszociatív. Valós függvények a pontonkénti műveletekre nézve, nem nullosztómentes. Ebben részgyűrűt alkotnak a differenciálható valós függvények. Az a+b√2 alakú számok, ahol a,b egész. Gauss-egészek.
Kvaterniók. Kvaternió konjugáltja, normája, nemnulla kvaternió inverze. Tisztán képezetes (0 valós részű) kvaterniók kapcsolata a térvektorokkal, azok skaláris illetve vektoriális szorzatával.


2. előadás, február 25. [K 5.1, 5.7, 5.11]

Művelettartó leképezések. Példák (csoportok közötti izomorfizmus, vektorterek közötti lineáris leképezések, maradékosztályok képzése, komplex konjugálás, permutációk előjele. Kvaternióknál a konjugálás összegtartó, de nem szorzattartó. Művelettartó bijekció az 1. feladatsoron bevezetett K-ból H-ra. Metatétel: művelettartó szürjektív leképezés egy algebrai struktúrából egy megfelelő műveletekkel ellátott halmazra a halmazt ugyanolyan típusú algebrai struktúrával ruházza fel (a műveleti azonosságok, axiómák átöröklődnek). Ezt csoportok esetén be is bizonyítottuk. Következmény: H-ban is teljesülnek a gyűrűaxiómák. Gyűrűhomomorfizmus, beágyazás.
R és C beágyazása H-ba. A kvaterniók minden valós számmal felcserélhetőek, nem 0 valós számmal lehet osztani, egyébként nincs értelme, csak annak, hogy jobbról, vagy balról végezzük az osztást, de az eredmény általában más lesz. A számfogalom felépítésének vázlatos áttekintése az 1-től H-ig (1, N, Z, Q, R, C, H). A természetes számok Peano-féle axiómarendszere, rekurzióval való definiálhatóság és a teljes indukció elve. A műveletek bevezetése N-en rekurzív definícióval.
A hányadostest fogalma, létezésének szükséges feltétele. A feltétel elégségességének igazolása számpáros konstrukcióval. Számpárok ekvivalenciaosztályai, ezeken a műveletek definiálása, háttérben a racionális számok megszokott tulajdonságaival. Azt, hogy a műveletek jól definiáltak, a gyakorlaton fogjuk megbeszélni.


3. előadás, március 3. [K 2.2, 5.7, 5.8, 5.10, 5.11, F 5.6]

Áttekintettük a hányadostest tulajdonságait, és ezek egy részét részletesen igazoltuk is a múlt órán bevezetett konstrukcióra. A hányadostest egyértelműsége (5.7.4 tétel, NB). R hányadosteste a legszűkebb olyan test, amely R-et tartalmazza. Ha R részgyűrűje a T testnek akkor T tartalmazza R (egy) hányadostestét. Példák: Z hányadosteste Q, T[x] hányadosteste T(x), a T fölötti racionális törtfüggvények teste.
A többszörös fogalma gyűrűben. Az 1 által generált részcsoport egy test additív csoportjában. Test karakterisztikája, prímteste.
Az algebra, mint struktúra fogalma. Példák: T fölötti n x n-es mátrixok, T[x], test részteste fölött, H az R fölött (de C fölött nem!).
Frobenius tétele (NB). Minden nem 0 véges dimenziós nullosztómentes algebra ferdetest. Ehhez segedtételnek kimondtam, de még nem bizonyítottam, hogy ha egy G nemüres halmazon a szorzás egy asszociatív művelet és minden a,b elemre megoldhatók az ax=b és az ya=b egyenletek, akkor G egy csoport.


4. előadás, március 10. [K 5.9, 3.4, 3.5]

A rendezés fogalma, rendezés definiálása N-en. Rendezett gyűrű, pozitivitási tartomány. Ez utóbbi meghatározza a rendezést. Pozitív elemek összege is pozitív. Rendezett gyűrűben minden nemnulla elem négyzete és ilyenek összege is pozitív. Következmény: C nem rendezhető, R és Z pedig csak a szokásos módon rendezhető.
A számelmélet alaptétele, és bizonyításának áttekintése Z-ben, illetve T[x]-ben. A felbontás létezésének igazolása Z[x]-ben.
Példa olyan egész együtthatós polinomra, ami Q fölött irreducibilis, Z fölött azonban nem. Primitív polinom, minden rac. együtthatós polinom lényegében egyértelműen felírható egy racionális szám és egy primitív polinom szorzataként. Egy konstans polinom pontosan akkor osztója egy egész együtthatós polinomnak Z fölött, ha minden együtthatójának osztója. Egy konstans c polinom pontosan akkor felbonthatatlan Z[x]-ben, ha c felbonthatatlan Z-ben. 1. Gauss-lemma, primitív polinomok szorzata is primitív. Köv: ha egy primitív polinom osztója egy egész együtthatós polinomnak Q[x]-ben, akkor a hányados is egész együtthatós, ezt a maradékos osztás tétele csak normált esetben biztosította.
Schönemann--Eisenstein-kritérium, egyelőre biz. nélkül. Alkalmazás: Q fölött létezik akárhanyadfokú irreducibilis polinom.


Előadások a távoktatás idején


5. előadás, március 24. [K 3.4, 3.5, 3.9]

Második Gauss-lemma. A Z fölött irreducibilis polinomok leírása (3.4.8). A számelmélet alaptételének befejezése Z[x]-ben: minden irreducibilis polinom prímtulajdonságú. Ha az R szokásos gyűrű alaptételes, akkor R[x] is az (NB). Következmény: T[x,y] alaptételes.
A Schönemann-Eisenstein kritérium bizonyítása.
A körosztási polinom definíciója, rekurzív előállítása xn-1 szorzattá alakítása nyomán. Mivel a körosztási polinom normált, ebből következik, hogy egész együtthatós. A p-edik körosztási polinom irreducibilitásának igazolása, ha p prím, a Schönemann--Eisenstein-kritériumot használva. Felhasználtuk, hogy f pontosan akkor irreducibilis, ha f(x+c) irreducibilis, ennek igazolása a gyakorlaton történik.

Az 5. előadás kézzel írott jegyzete (márc. 24.)


6. előadás, március 31. [FGy 9.1, 9.2, 10.1, 10.2, K 6.1, 6.2]

Algebrai és transzcendens számok. Algebrai szám ellentettje és négyzetgyöke (k-adik gyöke) is algebrai. Algebrai szám minimálpolinomja, a minimálpolinom tulajdonságai. Ha egy α algebrai szám gyöke egy normált, Q fölött irreducibilis polinomnak, akkor az az α szám minimálpolinomja. Ha a minimálpolinom foka d, akkor 1, α,α2, ..., αd-1 bázis Q(α)-ban. Q(α) elemeinek áttekintése.
Testbővítés algebrai elemei. Az előbbi fogalmak és tételek általánosítása testbővítésekre. Testbővítés foka.
Egy L:K testbővítésben egy α elem pontosan akkor algebrai (K fölött), ha |K(α):K| véges. Következmény: véges fokú bővítés minden eleme algebrai. Fokszámtétel (egyelőre bizonyítás nélkül). Következmény: az algebrai számok, illetve általában egy testbővítés algebrai elemei testet alkotnak.

A 6. előadás kézzel írott jegyzete (márc. 31.)


7. előadás, április 7. [FGy 9.1, 9.2, 10.1, 10.2, K 6.1, 6.2]

Ismétlés az előző óráról. Ha α algebrai K fölött, akkor K(α) minden eleme algebrai K fölött. Ha α transzcendens K fölött, akkor K(α) izomorf K[x] hányadostestével. A fokszámtétel bizonyítása. Q fölött minden véges bővítés egyszerű (NB). Példa: Q(√2)(∛2) hatodfokú bővítés, ∛2 nem írható fel a+b(√2) alakban, ahol a,b racionális. Ötödik gyök 4 foka 5, x5-4 irreducibilis Q fölött. Egy komplex szám pontosan akkor algebrai, ha valós és képzetes része algebrai. Másodfokú bővítések. Q minden másodfokú bővítése Q(√d) alakú, ahol d 1-től különböző négyzetmentes egész szám. Megjegyzés: ezek a bővítések mind különbözőek, lásd majd a gyakorlaton.

A 7. előadás kézzel írott jegyzete (ápr. 7.)


8. előadás, április 14. [K 6.1, 6.2, 6.7]

Ismétlés, gyakorlás: számolás egyszerű algebrai bővítésekben. Szorzat, inverz kiszámolása gyöktelenítéssel, euklideszi algoritmussal, lineáris egyenletrendszer fölírásával. Algebrai szám minimálpolinomjának meghatározása. A fokszámtétel alkalmazása polinom irreducibilitásának bizonyítására. Egyszerű algebrai bővítés elemei minimálpolinomjának a kiszámolása lineáris egyenletrendszerrel. Véges testek elemszáma prímhatvány. Véges testek létezése és egyértelműsége (nem bizonyítjuk). Számolás véges testekben.

A 8. előadás kézzel írott jegyzete (ápr. 14.)


9. előadás, április 21. [K 6.8]

Szerkesztési feladatok a középiskolában. Az euklideszi szerkesztés eszközei, a szerkesztés megengedett lépései (öt fajta). Hogyan bizonyítsuk, hogy valami nem szerkeszthető? Példa nem szerkeszthető feladatra (korlátozott lépésekkel - csak vonalzós szerkesztés): Adott egy egység oldalú négyzet(rács), szerkesztendő az egyik négyzetoldal fölé szabályos háromszög csak egyenes vonalzó használatával. Ez azért nem lehetséges, mert a megszerkesztett pontok koordinátái mindig racionális számok lesznek. Másik, megoldható szerkesztési probléma csak vonalzóval: szerkesszük meg egy általános trapéz (egyik) alapjának felezőpontját. Csak körzővel minden megszerkeszthető (Mohr--Masceroni-tétel, BN). Euklideszi szerkesztések. A koordinátarendszer kijelölése. Az alapadatok által generált résztest. Pontok, egyenesek, körök koordinátái. Az egyes lépésekben megszerkesztett objektumok koordinátáinak kiszámítása: ezek benne van a már megszerkesztett adatok álal generált test egy max. másodfokú bővítésében. Szerkeszthető valós számok. Egy pont pontosan akkor megszerkeszthető, ha koordinátái szerkeszthető számok. Legyen K0 az alapadatok által generált résztest. Ha az x valós szám szerkeszthető, akkor benne van R egy olyan résztestében, amely K0-ból véges sok másodfokú bővítés egymásutánjával kapható meg. Köv: ha egy valós szám szerkeszthető, akkor foka K fölött 2-hatvány. Alkalmazások: a kockakettőzés és a körnégyszögesítés lehetetlensége. Általános szögharmadolás sem lehetséges euklideszi szerkesztéssel, hiszen a 20 fokos szög nem szerkeszthető meg (koszinusza harmadfokú algebrai szám). (Az alapadatok kiválasztása, ha csak egy kör vagy egy szög adott.)

A 9. előadás kézzel írott jegyzete (ápr. 21.)


10. előadás, április 28. [K 6.8, 6.2]

Geometriai szerkesztések (folyatás). A szerkeszthetőség szükséges feltétele (másodfokú bővítések sorozatának létezése) elégséges feltétel is. A bizonyítás során szerkeszhteő számok összegének, szorzatának és hányadosának szerkesztése. Szerkeszthető szám négyzetgyökének szerkesztése. A szerkeszthetőség másik (könnyebben ellenőrizhető) szükséges és elégséges feltétele (BN). Szabályos n-szög szerkesztése. A szabályos ötszög esete. cos 2π/n mikor kettőhatvány? A cos 2π/n és a megfelelő primitív egységgyök fokának kapcsolata. Az n-edik körosztási polinom foka és a szerkeszthetőség kapcsolata: szabályos n-szög pontosan akkor szerkeszthető, ha n úgy írható föl, mint egy kettőhatvány és különböző Fermat-prímek szorzata. Visszatérés a testelmélethez: az algebrai számok teste algebrailag zárt.

A 10. előadás kézzel írott jegyzete (ápr. 28.)


11. előadás, május 5. [FGy 4.1, 4.2]

Magasabb fokú diofantikus egyenletek és kongruenciák kapcsolata. Másodfokú binom kongruenciák. Kvadratikus maradékok és kvadratikus nemmaradékok. A mod p kvadratikus maradékok, illetve nemmaradékok jellemzése, számuk. Mely prímekre nézve lesz a (-1) kvadratikus maradék? Legendre-szimbólum. Elemi tulajdonságok, multiplikativitás. Mely prímekre nézve lesz a 2 kvadratikus maradék (NB). Kvadratikus reciprocitási tétel (NB). Számolás a Legendre-szimbólummal. A kvadratikus reciprocitási tétel alkalmazása annak eldöntésére, mely prímekre nézve lesz a 3 kvadratikus maradék. Végtelen sok 12k-1 alakú pozitív prímszám van. Ehhez segédtétel: egy 12c2-1 alakú szám minden prímosztója 12k+1 vagy 12k-1 alakú, és kell lennie 12k-1 alakú prímosztónak.

A 11. előadás kézzel írott jegyzete (máj. 5.)


12. előadás, május 12. >Mintadolgozat, megoldások.

Részletes vizsgatájékoztató: május 15-éig. Konzultáció a Teams-csoportban a mintadolgozatról, a vizsgakövetelményekről: pénteken, május 15-én, délután 4-től.