Mathematics · Boek 5 · Bachelor Year 3

Universitaire wiskunde — Bachelor jaar 3

Universitaire wiskunde — Bachelor jaar 3 · Bachelor Year 3

3Modulen over een hoofdideaaldomein

Lineaire algebra over een ring in plaats van over een lichaam: die kleine wijziging in de hypothesen levert een van de grote unificatiestellingen van de algebra op. Een moduul over Z\Z is een abelse groep; een moduul over K[X]K[X] is een vectorruimte met een endomorfisme erop. De structuurstelling voor eindig voortgebrachte modulen over een hoofdideaaldomein classificeert dus in één klap alle eindig voortgebrachte abelse groepen en alle endomorfismen op gelijkvormigheid na — de reductie van Jordan, die in bachelorjaar 2 nog via delicate inducties werd verkregen, valt eruit als gevolg, samen met haar subtielere tegenhanger, de rationale normaalvorm, geldig over elk lichaam. De rekenmotor is de normaalvorm van Smith, een matrixrekenkunde die Euclides waardig is.

Overal is AA een commutatieve ring, weldra een hoofdideaaldomein; “moduul” betekent AA-moduul.

3.1 Modulen, vrije modulen

Definitie 3.1

Een AA-moduul is een abelse groep (M,+)(M, +) met een scalaire vermenigvuldiging A×MMA \times M \to M die aan de axioma’s van een vectorruimte voldoet: a(x+y)=ax+aya(x + y) = ax + ay, (a+b)x=ax+bx(a + b)x = ax + bx, (ab)x=a(bx)(ab)x = a(bx) en 1x=x1x = x. Deelmodulen, quotiënten M/NM/N, morfismen (AA-lineaire afbeeldingen), directe sommen iMi\bigoplus_i M_i en de isomorfiestellingen worden woord voor woord gedefinieerd en bewezen zoals voor vectorruimten en abelse groepen; in het bijzonder is M/kerfimfM/\ker f \cong \operatorname{im} f voor een morfisme ff.

Voorbeeld 3.2

De drie motiverende gevallen.

  1. A=KA = K een lichaam: modulen zijn vectorruimten.
  2. A=ZA = \Z: modulen zijn precies de abelse groepen (nxnx is gedwongen x++xx + \dots + x), deelmodulen zijn deelgroepen.
  3. A=K[X]A = K[X]: een moduul is een KK-vectorruimte VV samen met de KK-lineaire afbeelding u ⁣:xXxu\colon x \mapsto X\cdot x — en omgekeerd wordt elk paar (V,u)(V, u) met uL(V)u \in \mathcal L(V) een K[X]K[X]-moduul via Px=P(u)(x)P \cdot x = P(u)(x). De deelmodulen zijn precies de uu-invariante deelruimten.

Een ideaal van AA is precies een deelmoduul van AA; een quotiëntring A/IA/I is een AA-moduul. Anders dan vectorruimten kunnen modulen torsie hebben: in Z/6Z\Z/6\Z wordt het element 3ˉ0\bar 3 \ne 0 vernietigd door 202 \neq 0.

Definitie 3.3

MM heet eindig voortgebracht als M=Ax1++AxnM = Ax_1 + \dots + Ax_n voor zekere xix_i. En MM heet vrij van rang nn als MAnM \cong A^n, dat wil zeggen als het een basis heeft (een voortbrengende familie die AA-lineair onafhankelijk is). Elk eindig voortgebracht MM is een quotiënt van een vrij moduul: (a1,,an)aixi(a_1, \dots, a_n) \mapsto \sum a_ix_i beeldt AnA^n af op MM.

Propositie 3.4 (Invariantie van de rang)

Is A0A \neq 0 en AmAnA^m \cong A^n, dan is m=nm = n.

Bewijs. Kies een maximaal ideaal m\mathfrak m van AA (Stelling 2.8) en stel k=A/mk = A/\mathfrak m, een lichaam. Een isomorfisme f ⁣:AmAnf \colon A^m \to A^n beeldt mAm\mathfrak m A^m in mAn\mathfrak m A^n af (lineariteit) en induceert dus een isomorfisme van de quotiënten

Am/mAm    An/mAn,dat wil zeggenkmknA^m/\mathfrak m A^m \;\cong\; A^n/\mathfrak m A^n, \qquad\text{dat wil zeggen}\qquad k^m \cong k^n

als kk-vectorruimten (het quotiënt Am/mAmA^m/\mathfrak m A^m wordt door m\mathfrak m vernietigd, dus factoriseert de AA-werking over kk; de beelden van de standaardbasis vormen een kk-basis). De dimensietheorie over het lichaam kk geeft m=nm = n.

Stelling 3.5 (Deelmodulen van vrije modulen)

Zij AA een hoofdideaaldomein en MAnM \subseteq A^n een deelmoduul. Dan is MM vrij van rang n\leq n.

Bewijs. Inductie naar nn. Voor n=1n = 1 is MM een ideaal, dus M=(0)M = (0) (vrij van rang 00) of M=dAAM = dA \cong A (xdxx \mapsto dx is injectief: het is een domein). Voor n>1n > 1: zij π ⁣:AnA\pi \colon A^n \to A de laatste coördinaat. Dan is π(M)\pi(M) een ideaal, dus (0)(0) of dAdA. Is het (0)(0), dan is MAn1×{0}M \subseteq A^{n-1} \times \{0\} en past de inductiehypothese. Kies anders x0Mx_0 \in M met π(x0)=d\pi(x_0) = d. Elke xMx \in M schrijft zich op precies één manier als

x=π(x)dAx0+(xπ(x)dx0),xπ(x)dx0Mkerπx = \underbrace{\frac{\pi(x)}{d}}_{\in A}\, x_0 + \Bigl(x - \tfrac{\pi(x)}d x_0\Bigr), \qquad x - \tfrac{\pi(x)}d x_0 \in M \cap \ker\pi

(π(x)dA\pi(x) \in dA, dus de coëfficiënt ligt in AA). Bijgevolg is M=Ax0(Mkerπ)M = Ax_0 \oplus (M \cap \ker \pi): de som is direct, want π(ax0)=ad=0\pi(ax_0) = ad = 0 dwingt a=0a = 0 af. Per inductie is MkerπkerπAn1M \cap \ker\pi \subseteq \ker \pi \cong A^{n-1} vrij van rang n1\leq n - 1; x0x_0 toevoegen (onafhankelijk van kerπ\ker\pi, zoals net gezien) geeft een basis van MM met hoogstens nn elementen.

Opmerking 3.6

Bijgevolg heeft over een hoofdideaaldomein elk eindig voortgebracht moduul MM een eindige presentatie: een surjectie φ ⁣:AnM\varphi\colon A^n \to M heeft een vrije kern met basis c1,,ckc_1, \dots, c_k (knk \leq n), en MAn/im(C)M \cong A^n / \operatorname{im}(C) met CMn,k(A)C \in M_{n,k}(A) de matrix waarvan de kolommen de cjc_j zijn. MM begrijpen betekent dus een matrix over AA begrijpen, op basiswisselingen in bron en doel na — het onderwerp van de volgende paragraaf.

3.2 De normaalvorm van Smith

Definitie 3.7

Twee matrices B,CMn,k(A)B, C \in M_{n,k}(A) heten equivalent als C=QBPC = QBP met QGLn(A)Q \in GL_n(A) en PGLk(A)P \in GL_k(A) (inverteerbaar over AA: determinant in A×A^\times). Equivalente presentatiematrices definiëren isomorfe modulen An/imA^n/ \operatorname{im} (wissel van basis in AnA^n en AkA^k).

Stelling 3.8 (Normaalvorm van Smith)

Zij AA een hoofdideaaldomein en BMn,k(A)B \in M_{n,k}(A). Dan is BB equivalent met een diagonaalmatrix

diag(d1,d2,,dr,0,,0),d1d2dr0,\operatorname{diag}(d_1, d_2, \dots, d_r, 0, \dots, 0), \qquad d_1 \mid d_2 \mid \cdots \mid d_r \neq 0 ,

en de did_i zijn op associatie na uniek: d1did_1 \cdots d_i is een grootste gemene deler van de i×ii \times i-minoren van BB (in het bijzonder is die grootste gemene deler een invariant van de equivalentie). De did_i heten de invariante factoren van BB.

Bewijs. Bestaan. Is B=0B = 0, dan zijn we klaar. Beschouw anders de verzameling idealen (b)(b) voortgebracht door de ingangen van matrices die equivalent zijn met BB; omdat AA noethers is, kunnen we een met BB equivalente matrix BB' kiezen en een ingang dd van BB' waarvoor (d)(d) in die verzameling maximaal is. Breng dd met rij- en kolomverwisselingen naar plaats (1,1)(1,1).

Bewering: dd deelt elke ingang van BB'. Eerst kolom 1: is bi1b_{i1} geen veelvoud van dd, stel dan e=gcd(d,bi1)=ud+vbi1e = \gcd(d, b_{i1}) = ud + vb_{i1} (Bézout), zodat (e)(d)(e) \supsetneq (d). De truc met de 2×22 \times 2-matrix: op de rijen 11 en ii werken met

(uvbi1ede)GL2(A)(det=ud+vbi1e=1)\begin{pmatrix} u & v \\ -\dfrac{b_{i1}}e & \dfrac de \end{pmatrix} \in GL_2(A) \qquad \Bigl(\det = \tfrac{ud + v b_{i1}}e = 1\Bigr)

levert een equivalente matrix met ingang ee op plaats (1,1)(1,1): in strijd met de maximaliteit van (d)(d). Dus deelt dd kolom 11, en symmetrisch rij 11. Veelvouden van rij 1 en kolom 1 aftrekken veegt die schoon: BB' is equivalent met (d00B)\begin{pmatrix} d & 0\\ 0 & B''\end{pmatrix}. Vervolgens deelt dd elke ingang bb van BB'': tel de rij van bb op bij rij 1 (een elementaire bewerking; de nieuwe eerste rij bevat dd en bb-ingangen) en herhaal het kolomveegargument: een niet-veelvoud zou (d)(d) opnieuw verbeteren. Nu inductie naar de afmeting: BB'', waarvan alle ingangen door dd deelbaar zijn, heeft een Smith-vorm diag(d2,)\operatorname{diag}(d_2, \dots) waarvan de ingangen door dd deelbaar blijven (elke ingang van een QBPQB''P is een AA-combinatie van ingangen van BB''); stel d1=dd_1 = d.

Eenduidigheid. Noteer met Di(B)D_i(B) een grootste gemene deler van alle i×ii \times i-minoren. Rij- en kolombewerkingen, en algemener vermenigvuldiging met een willekeurige matrix, kunnen die grootste gemene deler niet verkleinen: de i×ii \times i-minoren van QBQB zijn AA-combinaties van die van BB (ontwikkeling van Cauchy–Binet; of rechtstreeks: elke rij van QBQB is een combinatie van rijen van BB, en minoren zijn multilineair in de rijen). Dus delen Di(QBP)D_i(QBP) en Di(B)D_i(B) elkaar: DiD_i is een invariant van de equivalentie. Op de diagonaalvorm zijn de i×ii \times i-minoren 0\neq 0 de producten van ii van de djd_j, en maakt de deelbaarheid d1drd_1 \mid \dots \mid d_r van d1did_1 \cdots d_i de grootste gemene deler. Bijgevolg is d1di=Di(B)d_1 \cdots d_i = D_i(B) op eenheden na, en ligt di=Di/Di1d_i = D_i/D_{i-1} vast.

Methode 3.9

Over een euclidisch domein (Z\Z, K[X]K[X]) is de Smith-reductie een algoritme — geen maximaliteitsargument nodig: breng de ingang met de kleinste euclidische grootte naar plaats (1,1)(1,1); deelt ze een ingang van haar rij of kolom niet, dan laat een euclidische deling daar een strikt kleinere rest achter — wissel die naar binnen en begin opnieuw (terminatie: de groottes dalen); deelt ze haar hele rij en kolom, veeg die dan schoon; deelt ze een inwendige ingang niet, tel die rij dan op bij rij 11 en begin opnieuw; en werk recursief verder op het inwendige blok. In de praktijk, bij gehele matrices: bereken D1=gcdD_1 = \gcd van de ingangen, dan D2D_2, … via de minoren voor kleine afmetingen, of laat het algoritme lopen.

Voorbeeld 3.10 (Een volledig uitgewerkte Smith-reductie)

Reduceer M=(123456789)M = \begin{pmatrix} 1 & 2 & 3\\ 4 & 5 & 6\\ 7 & 8 & 9 \end{pmatrix} over Z\Z. De hoekingang 11 deelt alles: veeg haar rij en kolom schoon (L2L24L1L_2 \leftarrow L_2 - 4L_1, L3L37L1L_3 \leftarrow L_3 - 7L_1, daarna C2C22C1C_2 \leftarrow C_2 - 2C_1, C3C33C1C_3 \leftarrow C_3 - 3C_1):

M(1000360612).M \sim \begin{pmatrix} 1 & 0 & 0\\ 0 & -3 & -6\\ 0 & -6 & -12 \end{pmatrix} .

In het inwendige blok deelt de hoekingang 3-3 alle ingangen: L3L32L2L_3 \leftarrow L_3 - 2L_2 en C3C32C2C_3 \leftarrow C_3 - 2C_2 vegen het schoon tot diag(3,0)\operatorname{diag}(-3, 0). Na aanpassing van de tekens (een rij met 1-1 vermenigvuldigen is een geoorloofde bewerking):

Mdiag(1,3,0),Z3/MZ3Z/3Z×Z.M \sim \operatorname{diag}(1, 3, 0), \qquad \Z^3/M\Z^3 \cong \Z/3\Z \times \Z .

Controle via de determinantdelers: D1=gcd(ingangen)=1D_1 = \gcd(\text{ingangen}) = 1; elke 2×22\times2-minor van MM is een veelvoud van 33 (bijvoorbeeld det(1245)=3\det\bigl(\begin{smallmatrix}1 & 2\\ 4 & 5\end{smallmatrix}\bigr) = -3) en één ervan is 3-3: D2=3D_2 = 3; en D3=detM=0D_3 = \det M = 0. Dus d1=1d_1 = 1, d2=3d_2 = 3, d3=0d_3 = 0: hetzelfde antwoord. Twee lessen: een invariante factor 00 legt de rangval vast (de cokern krijgt een vrije Z\Z-summand erbij), en de deelbaarheidsketen 1301 \mid 3 \mid 0 is het Smith-certificaat — een diagonaalreductie die de keten schendt (zeg diag(2,3)\operatorname{diag}(2, 3), die de onachtzame lezer uit (2003)\bigl(\begin{smallmatrix}2 & 0\\ 0 & 3\end{smallmatrix}\bigr) haalt door te vroeg te stoppen: de juiste Smith-vorm is diag(1,6)\operatorname{diag}(1, 6), want hier is D1=1D_1 = 1!) is niet af.

Het deelrooster L = ℤ(2,0) + ℤ(1,3) van ℤ2 (de rode punten). De normaalvorm van Smith van ( smallmatrix 2 & 1\\ 0 & 3 smallmatrix ) is diag(1, 6): in de aangepaste basis f_1 = (1,3), f_2 = (0,1) van ℤ2 geldt L = ℤ f_1 ℤ\,6f_2, zodat ℤ2/L ℤ/6ℤ — de index is gelijk aan | | = 6, de oppervlakte van het gearceerde fundamentaaldomein.
Het deelrooster L=Z(2,0)+Z(1,3)L = \Z(2,0) + \Z(1,3) van Z2\Z^2 (de rode punten). De normaalvorm van Smith van (2103)\bigl(\begin{smallmatrix} 2 & 1\\ 0 & 3\end{smallmatrix}\bigr) is diag(1,6)\operatorname{diag}(1, 6): in de aangepaste basis f1=(1,3)f_1 = (1,3), f2=(0,1)f_2 = (0,1) van Z2\Z^2 geldt L=Zf1Z6f2L = \Z f_1 \oplus \Z\,6f_2, zodat Z2/LZ/6Z\Z^2/L \cong \Z/6\Z — de index is gelijk aan det=6\abs{\det} = 6, de oppervlakte van het gearceerde fundamentaaldomein.

3.3 De structuurstelling

Definitie 3.11

Zij AA een domein en MM een AA-moduul. Het torsiedeelmoduul is

T(M)={xM:ax=0 voor zekere a0}T(M) = \{x \in M : ax = 0 \text{ voor zekere } a \neq 0\}

(een deelmoduul: uit ax=by=0ax = by = 0 volgt ab(x+y)=0ab(x + y) = 0 met ab0ab \ne 0). MM heet torsievrij als T(M)=0T(M) = 0, en een torsiemoduul als T(M)=MT(M) = M.

Stelling 3.12 (Structuur van eindig voortgebrachte modulen over een hoofdideaaldomein)

Zij AA een hoofdideaaldomein en MM een eindig voortgebracht AA-moduul. Dan bestaan er een unieke rNr \in \N en elementen d1d2dsd_1 \mid d_2 \mid \cdots \mid d_s, alle 0\neq 0 en geen eenheden, op associatie na uniek, met

M    ArA/(d1)A/(ds).M \;\cong\; A^r \,\oplus\, A/(d_1) \oplus \cdots \oplus A/(d_s).

Bovendien is T(M)A/(d1)A/(ds)T(M) \cong A/(d_1)\oplus\dots\oplus A/(d_s) en M/T(M)ArM/T(M) \cong A^r: een eindig voortgebracht torsievrij moduul over een hoofdideaaldomein is vrij.

Bewijs. Bestaan. Presenteer MAn/im(C)M \cong A^n/\operatorname{im}(C) (Opmerking 3.6) en breng CC in Smith-vorm: na de twee basiswisselingen is MAn/(d1A××drA×0××0)A/(d1)A/(dr)AnrM \cong A^n / (d_1A \times \dots \times d_rA \times 0 \times \dots \times 0) \cong A/(d_1) \oplus \dots \oplus A/(d_r) \oplus A^{\,n - r}. Laat de factoren weg waarin did_i een eenheid is (A/(di)=0A/(d_i) = 0); de deelbaarheidsketen overleeft dat.

Het herkennen van de torsie. In de ontbinding is ArA^r torsievrij (een domein heeft geen nuldelers) en is elke A/(di)A/(d_i) torsie (vernietigd door di0d_i \ne 0); een directe som splitst de torsie dienovereenkomstig: T(M)=iA/(di)T(M) = \bigoplus_i A/(d_i) en M/T(M)ArM/T(M) \cong A^r.

Eenduidigheid van rr: M/T(M)ArM/T(M) \cong A^r hangt alleen van MM af, en Propositie 3.4 legt rr vast.

Eenduidigheid van de did_i: het volstaat het torsiemoduul T=T(M)T = T(M) te behandelen. Ontbind elke did_i in priemelementen en splits met de Chinese reststelling (Stelling 2.9; verschillende priemelementen brengen comaximale idealen voort):

A/(d)pdA/(pvp(d)):TpjA/(pkp,j),A/(d) \cong \bigoplus_{p \mid d} A/\bigl(p^{v_p(d)}\bigr): \qquad T \cong \bigoplus_{p} \bigoplus_{j} A/\bigl(p^{k_{p,j}}\bigr),

met de elementaire delers pkp,jp^{k_{p,j}}. Omgekeerd worden de did_i uit de multiverzameling elementaire delers gereconstrueerd (dsd_s = product van de hoogste macht van elk priemelement, enzovoort), zodat het volstaat te bewijzen dat de multiverzameling {kp,j}j\{k_{p,j}\}_j voor elk priemelement pp door TT is bepaald. Leg pp vast en beschouw voor j1j \geq 1 de A/(p)A/(p)-vectorruimten pj1T/pjTp^{j-1}T/p^jT. Op een cyclische factor A/(pk)A/(p^k) geldt

pj1(A/(pk))/pj(A/(pk)){A/(p)als jk,0als j>k,p^{j-1}\bigl(A/(p^k)\bigr)\big/p^{j}\bigl(A/(p^k)\bigr) \cong \begin{cases} A/(p) & \text{als } j \leq k,\\ 0 & \text{als } j > k, \end{cases}

en op een factor A/(qk)A/(q^k) met qpq \neq p is de vermenigvuldiging met pp bijectief (pp is inverteerbaar modulo qkq^k: Bézout), zodat het quotiënt 00 is. Directe sommen gaan er doorheen: dimA/(p)pj1T/pjT=#{i:kp,ij}\dim_{A/(p)} p^{j-1}T/p^jT = \#\{i : k_{p,i} \geq j\}. Die intrinsieke dimensies leggen de multiverzameling exponenten vast.

Gevolg 3.13 (Eindig voortgebrachte abelse groepen)

Elke eindig voortgebrachte abelse groep is Zr×Z/d1Z××Z/dsZ\Z^r \times \Z/d_1\Z\times\dots\times\Z/d_s\Z met d1dsd_1 \mid \dots \mid d_s, en dat op precies één manier. Elke eindige abelse groep is een product van cyclische groepen van priemmachtorde, als multiverzameling uniek.

Voorbeeld 3.14

De abelse groepen van orde pnp^n komen overeen met de partities van nn: voor p4p^4 zijn dat Z/p4\Z/p^4, Z/p3×Z/p\Z/p^3\times\Z/p, (Z/p2)2(\Z/p^2)^2, Z/p2×(Z/p)2\Z/p^2 \times (\Z/p)^2 en (Z/p)4(\Z/p)^4 — vijf groepen, want 44 heeft vijf partities. Bij gemengde ordes vermenigvuldigen de aantallen zich priemgetal per priemgetal (Chinese reststelling): er zijn 5×25 \times 2 abelse groepen van orde 2432=1442^4 \cdot 3^2 = 144.

3.4 Toepassing: normaalvormen van endomorfismen

Zij KK een lichaam, VV een KK-vectorruimte van eindige dimensie nn, en uL(V)u \in \mathcal L(V); maak van VV een K[X]K[X]-moduul via Px=P(u)(x)P \cdot x = P(u)(x) (Voorbeeld 3.2). Dat moduul is eindig voortgebracht (een KK-basis brengt het voort) en torsie: voor elke xx zijn de n+1n+1 vectoren x,u(x),,un(x)x, u(x), \dots, u^n(x) KK-afhankelijk, wat een annihilerende veelterm 0\neq 0 oplevert.

Definitie 3.15

Voor een monische P=Xm+am1Xm1++a0P = X^m + a_{m-1}X^{m-1} + \dots + a_0 is de begeleidende matrix

CP=(0a01a101am1):C_P = \begin{pmatrix} 0 & & & -a_0\\ 1 & \ddots & & -a_1\\ & \ddots & 0 & \vdots\\ & & 1 & -a_{m-1} \end{pmatrix} :

de matrix van “vermenigvuldigen met XX” op K[X]/(P)K[X]/(P) in de basis 1,Xˉ,,Xˉm11, \bar X, \dots, \bar X^{m-1}.

Stelling 3.16 (Frobenius: de rationale normaalvorm)

Er bestaat precies één rij monische niet-constante veeltermen P1P2PsP_1 \mid P_2 \mid \dots \mid P_s (de gelijkvormigheidsinvarianten van uu) zodanig dat, als K[X]K[X]-modulen,

VK[X]/(P1)K[X]/(Ps):V \cong K[X]/(P_1) \oplus \cdots \oplus K[X]/(P_s):

in een geschikte basis heeft uu de blokdiagonale matrix diag(CP1,,CPs)\operatorname{diag}(C_{P_1}, \dots, C_{P_s}). Bovendien geldt:

  1. Ps=μuP_s = \mu_u (de minimaalveelterm) en P1Ps=χuP_1\cdots P_s = \chi_u (de karakteristieke veelterm); in het bijzonder is μuχu\mu_u \mid \chi_u (Cayley–Hamilton opnieuw bewezen) en χuμus\chi_u \mid \mu_u^{\,s}, zodat χu\chi_u en μu\mu_u dezelfde irreducibele factoren hebben.
  2. Twee endomorfismen (of vierkante matrices) zijn gelijkvormig dan en slechts dan als ze dezelfde gelijkvormigheidsinvarianten hebben.

Bewijs. Pas de structuurstelling (Stelling 3.12) toe op het hoofdideaaldomein K[X]K[X]: het torsiemoduul VV ontbindt met invariante factoren PiP_i, monisch genormaliseerd (de eenheden van K[X]K[X] zijn K×K^\times); een vrij deel treedt niet op (VV is torsie). Op elke cyclische factor K[X]/(Pi)K[X]/(P_i) heeft vermenigvuldigen met XX de matrix CPiC_{P_i} in de basis van de machten van Xˉ\bar X: de bases achter elkaar zetten geeft de blokvorm.

(1) De annihilator van V=K[X]/(Pi)V = \bigoplus K[X]/(P_i) is (P1)(Ps)=(Ps)(P_1)\cap \dots\cap(P_s) = (P_s) (deelbaarheidsketen: PsP_s is een gemeenschappelijk veelvoud, en de klasse van 11 in de laatste factor wordt precies door (Ps)(P_s) vernietigd): dus μu=Ps\mu_u = P_s. Voor χu\chi_u: op een cyclische factor is χCP=P\chi_{C_P} = P, met inductie naar m=degPm = \deg P. Ontwikkel det(XImCP)\det(XI_m - C_P) naar de eerste rij (met als ingangen XX, dan nullen, en a0a_0 in de laatste kolom):

det(XImCP)=Xdet(XIm1CP~)+(1)1+ma0detL,\det(XI_m - C_P) = X\,\det\bigl(XI_{m-1} - C_{\tilde P}\bigr) + (-1)^{1+m}\,a_0\,\det L ,

waarbij P~=Xm1+am1Xm2++a1\tilde P = X^{m-1} + a_{m-1}X^{m-2} + \dots + a_1 (dezelfde vorm, één maat kleiner) en LL driehoekig is met diagonaal (1,,1)(-1, \dots, -1), zodat detL=(1)m1\det L = (-1)^{m-1}. Per inductie is de eerste term XP~X\tilde P en de tweede a0a_0: samen XP~+a0=PX\tilde P + a_0 = P (basisgeval m=1m=1: det(X+a0)=P\det(X + a_0) = P). Determinanten vermenigvuldigen over de blokken: χu=Pi\chi_u = \prod P_i. Cayley–Hamilton: elke PiPsP_i \mid P_s, dus deelt χu=Pi\chi_u = \prod P_i de veelterm Pss=μusP_s^{\,s} = \mu_u^s; en μu=Ps\mu_u = P_s deelt χu\chi_u als een van haar factoren.

(2) Gelijkvormige endomorfismen zijn geconjugeerde moduulstructuren en hebben dus dezelfde invarianten (de eenduidigheid in Stelling 3.12); omgekeerd geven gelijke invarianten isomorfe K[X]K[X]-modulen, en een moduulisomorfisme is precies een lineaire bijectie die de twee endomorfismen verweeft: een gelijkvormigheid.

Gevolg 3.17 (Gelijkvormigheid is ongevoelig voor lichaamsuitbreiding)

Zij KLK \subseteq L lichamen en M,NMn(K)M, N \in M_n(K). Zijn MM en NN gelijkvormig over LL, dan zijn ze het over KK.

Bewijs. De gelijkvormigheidsinvarianten van MM worden berekend met de minorenformule van Smith (Stelling 3.8), toegepast op de presentatiematrix XInMXI_n - M over K[X]K[X] — het K[X]K[X]-moduul VM=KnV_M = K^n heeft immers presentatiematrix XInMXI_n - M: de afbeelding K[X]nVMK[X]^n \to V_M, (Qi)Qi(M)ei(Q_i) \mapsto \sum Q_i(M)e_i, is surjectief met een kern voortgebracht door de kolommen van XInMXI_n - M (een rechtstreekse verificatie: modulo die kolommen reduceert elk element van K[X]nK[X]^n tot een constante vector, en constante vectoren worden bijectief afgebeeld; de weekendopgave werkt dit uit). Grootste gemene delers van veeltermen veranderen niet onder lichaamsuitbreiding: is dd de monische grootste gemene deler in K[X]K[X] van een familie (fj)(f_j), dan geeft Bézout dat d=ujfjd = \sum u_jf_j met ujK[X]u_j \in K[X], zodat elke gemeenschappelijke deler van de fjf_j in L[X]L[X] de veelterm dd deelt; en omdat dd zelf een gemeenschappelijke deler is, is het ook in L[X]L[X] de grootste gemene deler. De invariante factoren van XInMXI_n - M, quotiënten van opeenvolgende grootste gemene delers van minoren, zijn dus dezelfde over KK als over LL: MM en NN hebben dezelfde gelijkvormigheidsinvarianten over LL precies wanneer over KK; besluit met Stelling 3.16(2).

Stelling 3.18 (De jordanvorm, opnieuw afgeleid)

Stel dat χu\chi_u over KK in lineaire factoren uiteenvalt (bijvoorbeeld K=CK = \C). Passen we op VV de ontbinding in elementaire delers toe (uit het bewijs van Stelling 3.12) in plaats van die in invariante factoren, dan is

Vλ,jK[X]/((Xλ)kλ,j),V \cong \bigoplus_{\lambda, j} K[X]\big/\bigl((X - \lambda)^{k_{\lambda,j}}\bigr),

en in de basis ((Xλ)k1,,(Xλ),1ˉ)\bigl(\overline{(X-\lambda)^{k-1}}, \dots, \overline{(X - \lambda)}, \bar 1\bigr) van elke factor werkt uu als het jordanblok Jk(λ)J_k(\lambda): elk endomorfisme waarvan de karakteristieke veelterm uiteenvalt, heeft een jordanbasis, en de multiverzameling blokken (λ,k)(\lambda, k) is uniek.

Bewijs. De elementaire delers van het torsiemoduul VV zijn de (Xλ)k(X - \lambda)^k, waarbij XλX - \lambda de irreducibele factoren van μu\mu_u doorloopt (die uiteenvalt, want χu\chi_u doet dat en beide hebben dezelfde irreducibele factoren, Stelling 3.16). Stel in W=K[X]/((Xλ)k)W = K[X]/((X-\lambda)^k) de vectoren fj=(Xλ)kjf_j = \overline{(X - \lambda)^{k-j}} voor j=1,,kj = 1, \dots, k: dan is (Xλ)fj=fj1(X - \lambda)f_j = f_{j-1} (met f0=0f_0 = 0), dat wil zeggen u(fj)=λfj+fj1u(f_j) = \lambda f_j + f_{j-1}: de matrix van uu op (f1,,fk)(f_1, \dots, f_k) is precies Jk(λ)J_k(\lambda) (enen boven de diagonaal). De eenduidigheid van de multiverzameling elementaire delers is Stelling 3.12.

Opmerking 3.19

De hiërarchie van de normaalvormen is nu doorzichtig: de rationale vorm bestaat over elk lichaam en herkent gelijkvormigheid absoluut (Gevolg 3.17); de jordanvorm is haar verfijning zodra χu\chi_u uiteenvalt. De bewijzen van de stelling van Jordan uit bachelorjaar 2, met hun dimensietellingen, zijn hiermee opgeslokt: al die combinatoriek was de rekenkunde van het hoofdideaaldomein K[X]K[X].

3.5 Oefeningen

Oefening 3.1

(a) Toon aan dat Q\Q als Z\Z-moduul niet eindig voortgebracht is. (b) Toon aan dat Q\Q torsievrij maar niet vrij is. (c) Waarom spreekt geen van beide uitspraken Stelling 3.12 tegen?

Oplossing

Oplossing van Oefening 3.1.

(a) Was Q=Zq1++Zqk\Q = \Z q_1 + \dots + \Z q_k, zij dan dd een gemeenschappelijke noemer van de qiq_i: elke combinatie ligt in 1dZ\frac1d\Z, maar 12d1dZ\frac1{2d} \notin \frac1d\Z. Tegenspraak.

(b) Torsievrij: uit nq=0nq = 0 met n0n \neq 0 volgt q=0q = 0 in Q\Q. Niet vrij: twee rationale getallen ab,cd0\frac ab, \frac cd \neq 0 voldoen aan de niet-triviale betrekking (bc)ab(ad)cd=0(bc)\frac ab - (ad)\frac cd = 0, dus heeft een basis hoogstens één element; en QZ\Q \cong \Z zou Q=Zq\Q = \Z q cyclisch maken, terwijl q2Zq\frac q2 \notin \Z q. (En Q0\Q \neq 0.)

(c) Stelling 3.12 veronderstelt eindige voortbrenging, en die ontkent (a): geen tegenspraak dus — Q\Q laat juist zien dat die hypothese in de uitspraak “torsievrij \Rightarrow vrij” nodig is.

Oefening 3.2

Geef de abelse groepen van orde 360360 op isomorfie na, zowel in de vorm met elementaire delers als in die met invariante factoren. Hoeveel abelse groepen van orde p5p^5 zijn er?

Oplossing

Oplossing van Oefening 3.2.

360=23325360 = 2^3\cdot3^2\cdot5. Partities: van 33: (3),(2,1),(1,1,1)(3), (2,1), (1,1,1); van 22: (2),(1,1)(2), (1,1); van 11: (1)(1). Dus 3×2×1=63 \times 2 \times 1 = 6 groepen. Elementaire delers \to invariante factoren:

Z/8×Z/9×Z/5\Z/8 \times \Z/9 \times \Z/5Z/360\Z/360
Z/8×Z/3×Z/3×Z/5\Z/8 \times \Z/3 \times \Z/3 \times \Z/5Z/3×Z/120\Z/3 \times \Z/120
Z/4×Z/2×Z/9×Z/5\Z/4 \times \Z/2 \times \Z/9 \times \Z/5Z/2×Z/180\Z/2 \times \Z/180
Z/4×Z/2×Z/3×Z/3×Z/5\Z/4 \times \Z/2 \times \Z/3 \times \Z/3 \times \Z/5Z/6×Z/60\Z/6 \times \Z/60
(Z/2)3×Z/9×Z/5(\Z/2)^3 \times \Z/9 \times \Z/5Z/2×Z/2×Z/90\Z/2 \times \Z/2 \times \Z/90
(Z/2)3×Z/3×Z/3×Z/5(\Z/2)^3 \times \Z/3 \times \Z/3 \times \Z/5Z/2×Z/6×Z/30\Z/2 \times \Z/6 \times \Z/30

(Om naar de invariante factoren over te gaan: de grootste dsd_s verzamelt van elk priemgetal de hoogste macht, enzovoort naar beneden.) Van orde p5p^5: even veel als er partities van 55 zijn, namelijk 77.

Oefening 3.3

Bereken de normaalvorm van Smith over Z\Z van

B=(2468),C=(2000300012),B = \begin{pmatrix} 2 & 4\\ 6 & 8 \end{pmatrix}, \qquad C = \begin{pmatrix} 2 & 0 & 0\\ 0 & 3 & 0\\ 0 & 0 & 12 \end{pmatrix},

en herken de abelse groepen Z2/BZ2\Z^2/B\Z^2 en Z3/CZ3\Z^3/C\Z^3.

Oplossing

Oplossing van Oefening 3.3.

Voor BB: D1=gcd(2,4,6,8)=2D_1 = \gcd(2,4,6,8) = 2 en D2=detB=1624=8D_2 = \abs{\det B} = \abs{16 - 24} = 8. Invariante factoren d1=2d_1 = 2 en d2=8/2=4d_2 = 8/2 = 4: Smith-vorm diag(2,4)\operatorname{diag}(2, 4), en Z2/BZ2Z/2Z×Z/4Z\Z^2/B\Z^2 \cong \Z/2\Z \times \Z/4\Z.

Voor CC: diagonaal, maar niet in Smith-vorm (232 \nmid 3). D1=gcd(2,3,12)=1D_1 = \gcd(2,3,12) = 1; D2=gcd(23,212,312)=gcd(6,24,36)=6D_2 = \gcd(2\cdot3,\, 2\cdot12,\, 3\cdot12) = \gcd(6, 24, 36) = 6; D3=72D_3 = 72. Dus d=(1,6,12)d = (1, 6, 12) en Z3/CZ3Z/6Z×Z/12Z\Z^3/C\Z^3 \cong \Z/6\Z\times\Z/12\Z — in overeenstemming met de Chinese reststelling: Z/2×Z/3×Z/12Z/6×Z/12\Z/2\times\Z/3\times\Z/12 \cong \Z/6\times\Z/12.

Oefening 3.4 ★★

Zij LZnL \subseteq \Z^n een deelgroep van rang nn met als basis de kolommen van BMn(Z)B \in M_n(\Z), detB0\det B \neq 0. Toon aan dat Zn/L\Z^n/L eindig is van kardinaliteit detB\abs{\det B}, en dat Zn/LiZ/diZ\Z^n/L \cong \prod_i \Z/d_i\Z voor de invariante factoren did_i van BB. Illustreer dit met L=Z(2,0)+Z(1,3)L = \Z(2,0) + \Z(1,3).

Oplossing

Oplossing van Oefening 3.4.

Schrijf B=Qdiag(d1,,dn)PB = Q\,\operatorname{diag}(d_1, \dots, d_n)\,P met Q,PGLn(Z)Q, P \in GL_n(\Z) (Stelling 3.8; geen enkele did_i is 00, want detB0\det B \neq 0). Dan is Zn/BZnZn/diag(d)Zn=iZ/diZ\Z^n/B\Z^n \cong \Z^n/ \operatorname{diag}(d)\Z^n = \prod_i \Z/d_i\Z (het samengestelde isomorfisme xQ1xx \mapsto Q^{-1}x van Zn\Z^n beeldt BZnB\Z^n af op diag(d)PZn=diag(d)Zn\operatorname{diag}(d)P\Z^n = \operatorname{diag}(d)\Z^n). De kardinaliteit is di=detdiag(d)=detB\prod \abs{d_i} = \abs{\det \operatorname{diag}(d)} = \abs{\det B}, want detQ\det Q en detP\det P zijn ±1\pm 1. Voor L=Z(2,0)+Z(1,3)L = \Z(2,0) + \Z(1,3) is B=(2103)B = \bigl(\begin{smallmatrix}2 & 1\\ 0 & 3\end{smallmatrix}\bigr) met D1=1D_1 = 1 en D2=6D_2 = 6: Z2/LZ/6Z\Z^2/L \cong \Z/6\Z, van kardinaliteit detB=6\abs{\det B} = 6.

Oefening 3.5 ★★

Zij AA een domein. (a) Ga na dat T(M)T(M) een deelmoduul is en dat M/T(M)M/T(M) torsievrij is. (b) Toon aan dat het ideaal (X,Y)(X, Y) van K[X,Y]K[X,Y], opgevat als K[X,Y]K[X,Y]-moduul, torsievrij maar niet vrij is: de structuurstelling heeft de hypothese van een hoofdideaaldomein werkelijk nodig.

Oplossing

Oplossing van Oefening 3.5.

(a) Dat het een deelmoduul is, staat al in Definitie 3.11. Is a(x+T(M))=0a(x + T(M)) = 0 in M/T(M)M/T(M) met a0a \neq 0, dan is axT(M)ax \in T(M), dus bax=0bax = 0 voor zekere b0b \neq 0; en ba0ba \neq 0 (domein), zodat xT(M)x \in T(M): de klasse is nul. Dus is M/T(M)M/T(M) torsievrij.

(b) (X,Y)K[X,Y](X, Y) \subseteq K[X,Y] is torsievrij (een deelmoduul van het domein K[X,Y]K[X,Y] dat op zichzelf werkt). Stel dat het vrij was; twee elementen P,QP, Q voldoen aan QPPQ=0Q\cdot P - P \cdot Q = 0, een niet-triviale betrekking zodra PQP \ne Q en beide 0\neq 0, dus heeft een basis één element: (X,Y)=(P)(X, Y) = (P), een hoofdideaal — in strijd met Oefening 2.6(a). Torsievrij en eindig voortgebracht (XX en YY brengen het voort), en toch niet vrij: over het niet-hoofdideaaldomein K[X,Y]K[X,Y] faalt de structuurstelling.

Oefening 3.6 ★★

(a) Toon aan dat 2Z2\Z geen direct complement heeft in het Z\Z-moduul Z\Z: deelmodulen van vrije modulen zijn vrij (Stelling 3.5), maar hoeven geen directe summanden te zijn. (b) Toon aan dat een MAnM \subseteq A^n (AA een hoofdideaaldomein) waarvoor An/MA^n/M torsievrij is, wél een directe summand is.

Oplossing

Oplossing van Oefening 3.6.

(a) Was Z=2ZC\Z = 2\Z \oplus C, dan beperkt de projectie ZZ/2Z\Z \to \Z/2\Z tot een isomorfisme CZ/2ZC \cong \Z/2\Z: CC zou een deelgroep van Z\Z zijn waarvan het element x0x \neq 0 voldoet aan 2xC2Z=02x \in C \cap 2\Z = 0. Maar Z\Z is torsievrij: dus C=0C = 0, wat Z=2Z\Z = 2\Z afdwingt — onjuist.

(b) An/MA^n/M is eindig voortgebracht en torsievrij, dus vrij (Stelling 3.12): An/MArA^n/M \cong A^r met basis f1,,frf_1, \dots, f_r. Kies originelen yiAny_i \in A^n van de fif_i en stel F=Ay1++AyrF = Ay_1 + \dots + Ay_r. Voor elke xAnx \in A^n is π(x)=aifi\pi(x) = \sum a_if_i, dus xaiyiMx - \sum a_iy_i \in M: bijgevolg An=M+FA^n = M + F. Ligt aiyi\sum a_iy_i in MM, dan geeft toepassen van π\pi dat aifi=0\sum a_if_i = 0, dus zijn alle ai=0a_i = 0 (basis): MF=0M \cap F = 0. Bijgevolg is An=MFA^n = M \oplus F.

Oefening 3.7 ★★

Los in Z2\Z^2 het stelsel

{2x+4yb1(mod20),6x+8yb2(mod20),\begin{cases} 2x + 4y \equiv b_1 \pmod{20},\\ 6x + 8y \equiv b_2 \pmod{20}, \end{cases}

op, en bepaal voor welke paren (b1,b2)(b_1, b_2) er oplossingen zijn; gebruik de Smith-vorm uit Oefening 3.3 (inverteerbare variabelenwisselingen aan beide kanten).

Oplossing

Oplossing van Oefening 3.7.

De reductie uit Oefening 3.3 was effectief: met

L=(1031),R=(1201),LBR=(2004)L = \begin{pmatrix} 1 & 0\\ -3 & 1\end{pmatrix}, \qquad R = \begin{pmatrix} 1 & 2\\ 0 & -1 \end{pmatrix}, \qquad LBR = \begin{pmatrix} 2 & 0\\ 0 & 4\end{pmatrix}

(rijbewerking R2R23R1R_2 \leftarrow R_2 - 3R_1, kolombewerkingen C2C22C1C_2 \leftarrow C_2 - 2C_1 en daarna C2C2C_2 \leftarrow -C_2). Stel y=R1xy = R^{-1}x (een bijectie van (Z/20Z)2(\Z/20\Z)^2, want RR is inverteerbaar over Z\Z); dan is het stelsel Bxb(mod20)Bx \equiv b \pmod{20} gelijkwaardig met

2y1b1,4y23b1+b2(mod20).2y_1 \equiv b_1, \qquad 4y_2 \equiv -3b_1 + b_2 \pmod{20}.

De congruentie kyc(mod20)ky \equiv c \pmod{20} is oplosbaar dan en slechts dan als gcd(k,20)c\gcd(k, 20) \mid c: er zijn dus oplossingen precies wanneer 2b12 \mid b_1 en 4b23b14 \mid b_2 - 3b_1, dat wil zeggen b1b_1 even en b23b1(mod4)b_2 \equiv 3b_1 \pmod 4. In dat geval zijn er 2×4=82 \times 4 = 8 oplossingen modulo 2020.

Oefening 3.8 ★★

(a) Bepaal alle gelijkvormigheidsinvarianten en mogelijke jordanvormen van een nilpotente 4×44 \times 4-matrix, gesorteerd naar de partitie van 44 die ze realiseren. (b) Geef twee complexe 4×44\times4-matrices met dezelfde karakteristieke en minimaalveelterm die niet gelijkvormig zijn, en bewijs dat dit voor n3n \leq 3 niet kan.

Oplossing

Oplossing van Oefening 3.8.

(a) Een nilpotente uu heeft μu=Xk\mu_u = X^k; de elementaire delers zijn Xk1X^{k_1} \geq \dots, met één jordanblok Jki(0)J_{k_i}(0) per deel van een partitie van 44:

partitiejordanvorminvariante factoren
(4)(4)J4J_4X4X^4
(3,1)(3,1)J3J1J_3 \oplus J_1X, X3X,\ X^3
(2,2)(2,2)J2J2J_2 \oplus J_2X2, X2X^2,\ X^2
(2,1,1)(2,1,1)J2J1J1J_2 \oplus J_1 \oplus J_1X, X, X2X,\ X,\ X^2
(1,1,1,1)(1,1,1,1)00X,X,X,XX, X, X, X

(b) Neem u=J2J2u = J_2\oplus J_2 en v=J2J1J1v = J_2 \oplus J_1 \oplus J_1: beide hebben χ=X4\chi = X^4 en μ=X2\mu = X^2, maar verschillende invariante factoren — dus niet gelijkvormig (Stelling 3.16); men kan ook de rangen vergelijken: rku=21=rkv\operatorname{rk} u = 2 \neq 1 = \operatorname{rk} v. Voor n3n \leq 3 bepalen χ\chi en μ\mu voor elke eigenwaarde λ\lambda (over een splitsingslichaam) de totale grootte mλ3m_\lambda \leq 3 van de λ\lambda-blokken en het grootste blok rλr_\lambda; en een partitie van m3m \leq 3 ligt vast door haar grootste deel (m=3m = 3 met r=2r = 2 dwingt (2,1)(2,1) af, enzovoort). De elementaire delers vallen dus samen, en Gevolg 3.17 laat de gelijkvormigheid afdalen naar het grondlichaam.

Oefening 3.9 ★★★

Zij uL(V)u \in \mathcal L(V) met dimV=n\dim V = n. Toon aan dat het volgende gelijkwaardig is: (i) VV is een cyclisch K[X]K[X]-moduul (er is een xx met V=K[u]xV = K[u]x, een cyclische vector); (ii) μu=χu\mu_u = \chi_u; (iii) s=1s = 1 in Stelling 3.16. Leid af dat een begeleidende matrix een cyclische vector heeft, en bepaal wanneer een diagonaalmatrix er een heeft.

Oplossing

Oplossing van Oefening 3.9.

(i)\Rightarrow(ii): is V=K[u]xV = K[u]x, dan is VK[X]/Ann(x)V \cong K[X]/\operatorname{Ann}(x) met Ann(x)=(μu)\operatorname{Ann}(x) = (\mu_u) (een veelterm vernietigt xx precies wanneer ze heel V=K[u]xV = K[u]x vernietigt, want P(u)Q(u)x=Q(u)P(u)xP(u)Q(u)x = Q(u)P(u)x). Dus n=dimV=degμun = \dim V = \deg \mu_u; en omdat μuχu\mu_u \mid \chi_u met degχu=n\deg\chi_u = n, geeft het monisch zijn μu=χu\mu_u = \chi_u.

(ii)\Rightarrow(iii): degχu=idegPi\deg\chi_u = \sum_i \deg P_i en μu=Ps\mu_u = P_s (Stelling 3.16); gelijkheid van de graden dwingt s=1s = 1 af.

(iii)\Rightarrow(i): VK[X]/(P1)V \cong K[X]/(P_1) is cyclisch, voortgebracht door het origineel van 1ˉ\bar 1.

Een begeleidende matrix is het geval V=K[X]/(P)V = K[X]/(P) zelf: x=1ˉx = \bar 1, dus e1e_1, is cyclisch. Voor een diagonaalmatrix diag(λ1,,λn)\operatorname{diag}(\lambda_1, \dots, \lambda_n) is χ=(Xλi)\chi = \prod (X - \lambda_i) en μ=λ verschillend(Xλ)\mu = \prod_{\lambda \text{ verschillend}} (X - \lambda); die vallen samen dan en slechts dan als de λi\lambda_i paarsgewijs verschillend zijn: een diagonaalmatrix heeft een cyclische vector precies wanneer haar diagonaalingangen paarsgewijs verschillen (dan voldoet x=(1,,1)x = (1, \dots, 1): Vandermonde).

Oefening 3.10 ★★★

Bewijs voor MMn(Z)M \in M_n(\Z), opgevat als endomorfisme van Zn\Z^n, de indexformule: is detM0\det M \ne 0, dan is [Zn:MZn]=detM[\Z^n : M\Z^n] = \abs{\det M}; leid af dat MGLn(Z)M \in GL_n(\Z) dan en slechts dan als detM=±1\det M = \pm 1. Toepassing: de groep Z2\Z^2 heeft precies σ1(m)=dmd\sigma_1(m) = \sum_{d \mid m} d deelgroepen van index mm. (Tel de matrices in Hermite-vorm (ab0d)\bigl(\begin{smallmatrix} a & b\\ 0 & d\end{smallmatrix}\bigr) met ad=mad = m en 0b<d0 \leq b < d.)

Oplossing

Oplossing van Oefening 3.10.

Smith: M=Qdiag(d1,,dn)PM = Q\operatorname{diag}(d_1,\dots,d_n)P, en Oefening 3.4 geeft [Zn:MZn]=di=detM[\Z^n : M\Z^n] = \prod\abs{d_i} = \abs{\det M}. Is detM=±1\det M = \pm 1, dan heeft de formule met de geadjugeerde matrix, M1=(detM)1t ⁣com(M)M^{-1} = (\det M)^{-1}\,{}^{t}\!\operatorname{com}(M), gehele ingangen, dus MGLn(Z)M \in GL_n(\Z); omgekeerd geeft MM1=IMM^{-1} = I dat detMdetM1=1\det M \cdot \det M^{-1} = 1 in Z\Z, dus detM=±1\det M = \pm1.

Deelgroepen van index mm in Z2\Z^2: zo’n deelgroep LL heeft rang 22 (eindige index) en een unieke basis in Hermite-vorm (ab0d)\bigl(\begin{smallmatrix} a & b\\ 0 & d\end{smallmatrix}\bigr): dd wordt gekenmerkt door L({0}×Z)={0}×dZL \cap (\{0\} \times \Z) = \{0\} \times d\Z, aa door π1(L)=aZ\pi_1(L) = a\Z (de eerste coördinaten), en bb is dan uniek modulo dd; normaliseer a,d>0a, d > 0 en 0b<d0 \leq b < d. De index is ad=mad = m. Tellen: voor elke deler dmd \mid m (met a=m/da = m/d) zijn er dd keuzen voor bb, samen dmd=σ1(m)\sum_{d \mid m} d = \sigma_1(m).

Oefening 3.11 ★★

(Vergelijkingen xk=ex^k = e in abelse groepen) Zij GG een eindige abelse groep met invariante factoren d1d2dsd_1 \mid d_2 \mid \dots \mid d_s. (a) Toon aan dat voor elke k1k \geq 1

#{xG:xk=e}  =  i=1sgcd(k,di).\#\{x \in G : x^k = e\} \;=\; \prod_{i=1}^{s}\gcd(k, d_i) .

(b) Leid af: een eindige abelse groep is cyclisch dan en slechts dan als voor elke kk de vergelijking xk=ex^k = e hoogstens kk oplossingen heeft. (c) Vind zo de cycliciteit terug van eindige deelgroepen van K×K^\times (KK een lichaam, Hoofdstuk 4): waarom garandeert de veelterm Xk1X^k - 1 het criterium uit (b)?

Oplossing

Oplossing van Oefening 3.11.

(a) Volgens de structuurstelling is GiZ/diZG \cong \prod_i\Z/d_i\Z, en xk=ex^k = e ontkoppelt per coördinaat. In Z/dZ\Z/d\Z heeft kx0(modd)kx \equiv 0 \pmod d precies gcd(k,d)\gcd(k, d) oplossingen (xx moet een veelvoud van d/gcd(k,d)d/\gcd(k,d) zijn, en daarvan zijn er gcd(k,d)\gcd(k, d)). Vermenigvuldig over de factoren.

(b) Is G=Z/dsZG = \Z/d_s\Z cyclisch (s=1s = 1), dan is het aantal gcd(k,ds)k\gcd(k, d_s) \leq k. Is s2s \geq 2, neem dan k=d1k = d_1: het aantal is igcd(d1,di)=d1s>d1\prod_i\gcd(d_1, d_i) = d_1^{\,s} > d_1 (elke gcd\gcd is d1d_1 wegens de deelbaarheidsketen), zodat de vergelijking xd1=ex^{d_1} = e meer dan d1d_1 oplossingen heeft.

(c) In een lichaam heeft Xk1X^k - 1 hoogstens kk wortels (Hoofdstuk 2: een veelterm 0\neq 0 van graad kk over een domein), dus voldoet elke eindige deelgroep GK×G \leq K^\times aan het criterium van (b): GG is cyclisch — het structurele bewijs van één regel voor de cycliciteit van Fq×\mathbb F_q^\times, naast het telbewijs van Hoofdstuk 4.

Oefening 3.12 ★★★

(Elementaire matrices brengen voort) (a) Toon aan dat MMn(Z)M \in M_n(\Z) inverteerbaar is in Mn(Z)M_n(\Z) dan en slechts dan als detM=±1\det M = \pm1. (b) Toon aan dat SL2(Z)SL_2(\Z) wordt voortgebracht door de twee elementaire matrices E=(1101)E = \bigl(\begin{smallmatrix}1 & 1\\ 0 & 1\end{smallmatrix}\bigr) en F=(1011)F = \bigl(\begin{smallmatrix}1 & 0\\ 1 & 1\end{smallmatrix}\bigr). (Voer het algoritme van Euclides uit op de eerste kolom van MSL2(Z)M \in SL_2(\Z) door links met machten van EE en FF te vermenigvuldigen, tot je ±(101)\pm\bigl(\begin{smallmatrix}1 & *\\ 0 & 1\end{smallmatrix}\bigr) bereikt; maak het met de hand af — merk op dat I=(EF1E)2-I = (EF^{-1}E)^2.) (c) Leg het verband met de Smith-reductie uit: over Z\Z volstaan rij- en kolombewerkingen met determinant 11 om te diagonaliseren, op tekens na.

Oplossing

Oplossing van Oefening 3.12.

(a) Is MN=IMN = I met NN geheel, dan is detMdetN=1\det M\det N = 1 met beide geheel, dus detM=±1\det M = \pm1. Omgekeerd heeft bij detM=±1\det M = \pm1 de cofactorformule M1=1detMt ⁣com(M)M^{-1} = \frac1{\det M}\,{}^t\!\operatorname{com}(M) gehele ingangen.

(b) Links vermenigvuldigen met EkE^{-k} trekt kk maal rij 22 van rij 11 af; met FkF^{-k} trekt het kk maal rij 11 van rij 22 af. Is M=(ac)SL2(Z)M = \bigl(\begin{smallmatrix}a & *\\ c & *\end{smallmatrix}\bigr) \in SL_2(\Z), dan is de eerste kolom (a,c)(a, c) een unimodulaire vector (gcd(a,c)=1\gcd(a, c) = 1: hij deelt detM=1\det M = 1). Voer met deze rijbewerkingen Euclides uit op (a,c)(a, c): na eindig veel stappen wordt de kolom (±1,0)(\pm1, 0). De matrix is dan ±(1b01)=±Eb\pm \bigl(\begin{smallmatrix}1 & b\\ 0 & 1\end{smallmatrix} \bigr) = \pm E^{b} (de determinant bleef 11). Rest nog I-I in de voortbrengers te schrijven: (EF1E)2=(0110)2=I(EF^{-1}E)^2 = \bigl(\begin{smallmatrix}0 & 1\\ -1 & 0\end{smallmatrix}\bigr)^2 = -I (ga het kwadraat van die rotatiematrix na). Terugrollend is MM een woord in E±1E^{\pm1} en F±1F^{\pm1}.

(c) Het algoritme van Smith (Methode 3.9) gebruikt precies zulke rij- en kolombewerkingen (plus verwisselingen en tekenwissels, die zelf op het teken van de determinant na producten van elementaire bewerkingen zijn): over Z\Z is elke matrix van de vorm UDVU\,D\,V met U,VU, V producten van elementaire matrices en DD de Smith-vorm — en (b) is het geval 2×22\times2 met determinant 11 van het algemene feit dat matrices van EE-type SLn(Z)SL_n(\Z) voortbrengen.

3.6 Probleem: de commutant en de bicommutant

Probleem 3.1

Weekendopgave — rationale vorm, commutant, bicommutant

Zij KK een lichaam, VV een KK-vectorruimte van dimensie n1n \geq 1, en uL(V)u \in \mathcal L(V). We bestuderen de commutant

C(u)={vL(V):uv=vu},\mathcal C(u) = \{v \in \mathcal L(V) : uv = vu\},

een deelalgebra van L(V)\mathcal L(V) die K[u]={P(u):PK[X]}K[u] = \{P(u) : P \in K[X]\} bevat, en we bewijzen de dimensieformule van Frobenius en de bicommutantstelling: C(C(u))=K[u]\mathcal C(\mathcal C(u)) = K[u]. Overal is VV het K[X]K[X]-moduul dat door uu wordt bepaald, met gelijkvormigheidsinvarianten P1PsP_1 \mid \cdots \mid P_s en cyclische ontbinding V=i=1sViV = \bigoplus_{i=1}^s V_i, waarbij Vi=K[u]xiK[X]/(Pi)V_i = K[u]\,x_i \cong K[X]/(P_i) en ni=degPin_i = \deg P_i (Stelling 3.16).

Deel I — De presentatiematrix XIMXI - M, en opwarmers.

  1. Zij MMn(K)M \in M_n(K) en zij φ ⁣:K[X]nVM=Kn\varphi \colon K[X]^n \to V_M = K^n de afbeelding die (Q1,,Qn)(Q_1, \dots, Q_n) naar iQi(M)ei\sum_i Q_i(M)e_i stuurt. Toon aan dat φ\varphi een surjectief morfisme van K[X]K[X]-modulen is en dat elke kolom van XInMXI_n - M in kerφ\ker\varphi ligt.
  2. Toon aan dat modulo de kolommen van XInMXI_n - M elk element van K[X]nK[X]^n congruent is met een constante vector (verlaag de graden met XeijmjiejXe_i \equiv \sum_j m_{ji}e_j), en leid af dat kerφ=(XInM)K[X]n\ker\varphi = (XI_n - M)\,K[X]^n: het moduul VMV_M heeft presentatiematrix XInMXI_n - M. Vind zo het vertrekpunt van Gevolg 3.17 terug: de gelijkvormigheidsinvarianten van MM zijn de invariante factoren van XInMXI_n - M die geen eenheid zijn.
  3. Bereken de gelijkvormigheidsinvarianten van: een scalaire matrix λIn\lambda I_n; een diagonaalmatrix met verschillende diagonaalingangen; het n×nn \times n-jordanblok Jn(0)J_n(0); en diag(J2(0),J1(0))\operatorname{diag}(J_2(0), J_1(0)) voor n=3n = 3.
  4. Toon aan dat dimK[u]=degμu=ns\dim K[u] = \deg \mu_u = n_s.

Deel II — Morfismen tussen cyclische modulen.

  1. Zij P,QP, Q monisch en niet-constant. Toon aan dat een K[X]K[X]-morfisme f ⁣:K[X]/(P)K[X]/(Q)f \colon K[X]/(P) \to K[X]/(Q) vastligt door f(1ˉ)f(\bar 1), en dat een cˉK[X]/(Q)\bar c \in K[X]/(Q) als f(1ˉ)f(\bar 1) kan dienen dan en slechts dan als Pcˉ=0P\bar c = 0 in K[X]/(Q)K[X]/(Q).
  2. Leid af dat

    HomK[X](K[X]/(P),K[X]/(Q))    K[X]/(gcd(P,Q)),\operatorname{Hom}_{K[X]}\bigl(K[X]/(P),\, K[X]/(Q)\bigr) \;\cong\; K[X]\big/\bigl(\gcd(P, Q)\bigr),

    van dimensie deggcd(P,Q)\deg \gcd(P, Q) over KK. (Toon aan dat de oplossingen cˉ\bar c van Pcˉ=0P\bar c = 0 in K[X]/(Q)K[X]/(Q) het cyclische deelmoduul vormen dat door Q/gcd(P,Q)\overline{Q/\gcd(P,Q)} wordt voortgebracht.)

  3. Bewijs de formule van Frobenius:

    dimKC(u)=i,j=1sdeggcd(Pi,Pj)=i=1s(2s2i+1)ni.\dim_K \mathcal C(u) = \sum_{i,j=1}^{s} \deg\gcd(P_i, P_j) = \sum_{i=1}^{s} (2s - 2i + 1)\, n_i .

    (Een vv die commuteert is precies een K[X]K[X]-endomorfisme van VV; ontbind End(iVi)\operatorname{End}(\bigoplus_i V_i) in matrices van morfismen VjViV_j \to V_i en gebruik de deelbaarheidsketen.)

  4. Leid af dat dimC(u)n\dim \mathcal C(u) \geq n, met gelijkheid precies wanneer uu cyclisch is (s=1s = 1), en bereken dimC(u)\dim\mathcal C(u) voor u=λidu = \lambda\,\mathrm{id}: de twee uitersten van de formule.
  5. Controleer de formule van Frobenius rechtstreeks voor diag(J2(0),J1(0))\operatorname{diag}(J_2(0), J_1(0)) door de commutant expliciet als 3×33\times3-matrices te berekenen.

Deel III — De bicommutantstelling. Zij wC(C(u))w \in \mathcal C(\mathcal C(u)); we bewijzen dat wK[u]w \in K[u].

  1. Toon aan dat K[u]C(C(u))K[u] \subseteq \mathcal C(\mathcal C(u)) en dat elke wC(C(u))w \in \mathcal C(\mathcal C(u)) met uu commuteert — zodat de te bewijzen inclusie C(C(u))K[u]\mathcal C(\mathcal C(u)) \subseteq K[u] een echte verscherping van wC(u)w \in \mathcal C(u) is.
  2. Stel eerst dat uu cyclisch is, V=K[u]xV = K[u]x. Toon rechtstreeks aan dat C(u)=K[u]\mathcal C(u) = K[u] (evalueer een commuterende vv in xx: v(x)=P(u)xv(x) = P(u)x voor zekere PP, en vergelijk vv met P(u)P(u) op de basis ukxu^k x), en besluit de stelling in dit geval.
  3. Terug naar het algemene geval. Zij voor elke ii de afbeelding πi ⁣:VVi\pi_i\colon V \to V_i de projectie langs de andere summanden. Toon aan dat πiC(u)\pi_i \in \mathcal C(u), en leid af dat ww elke ViV_i invariant laat en met ui=uViu_i = u\restriction_{V_i} commuteert; besluit met vraag 11, toegepast op de cyclische uiu_i: er zijn veeltermen QiQ_i met wVi=Qi(u)Viw\restriction_{V_i} = Q_i(u)\restriction_{V_i}.
  4. Nu moeten de QiQ_i nog tot één veelterm worden verlijmd. Toon voor iji \leq j (zodat PiPjP_i \mid P_j) aan dat ηij ⁣:VjVi\eta_{ij} \colon V_j \to V_i, R(u)xjR(u)xiR(u)x_j \mapsto R(u)x_i, een goed gedefinieerd K[X]K[X]-morfisme is (wat moet worden nagegaan, is dat uit R(u)xj=0R(u)x_j = 0 volgt dat R(u)xi=0R(u)x_i = 0), en dat η~ij=ηijπj\tilde\eta_{ij} = \eta_{ij}\circ\pi_j, met 00 voortgezet op de andere summanden, in C(u)\mathcal C(u) ligt.
  5. Toon met wη~ij=η~ijww\tilde\eta_{ij} = \tilde\eta_{ij}w aan dat QiQj(modPi)Q_i \equiv Q_j \pmod{P_i} voor iji \leq j. Leid af dat Q=QsQ = Q_s voldoet aan QQi(modPi)Q \equiv Q_i \pmod {P_i} voor alle ii, zodat w=Q(u)w = Q(u) op elke ViV_i, en dus op VV:

     C(C(u))=K[u]. \boxed{\ \mathcal C(\mathcal C(u)) = K[u].\ }
  6. (Slot) Leid uit de stelling af: commuteert vv met elke matrix die met uu commuteert en is uu cyclisch, dan is vv een veelterm in uu; en geef een voorbeeld dat laat zien dat C(u)=K[u]\mathcal C(u) = K[u] faalt voor u=idu = \mathrm{id} met n2n \geq 2 — waar precies komt de cycliciteit binnen?

Deel IV — Wat de gelijkvormigheidsinvarianten opleveren. De rationale normaalvorm is een machine; hier zijn vijf van haar klassieke producten.

  1. (Getransponeerde) Toon aan dat elke MMn(K)M \in M_n(K) gelijkvormig is met haar getransponeerde tM{}^tM. (De bewerkingen die XIMXI - M in Smith-vorm brengen, brengen getransponeerd XItMXI - {}^tM in dezelfde Smith-vorm: gelijke gelijkvormigheidsinvarianten.)
  2. (Afdaling van gelijkvormigheid) Zij KLK \subseteq L een lichaamsuitbreiding en M,NMn(K)M, N \in M_n(K). Toon aan dat MM en NN gelijkvormig zijn over KK zodra ze het zijn over LL. (De Smith-vorm van XIMXI - M berekend in K[X]K[X] is nog steeds een Smith-vorm in L[X]L[X] — waarom veranderen de invariante factoren niet?) Een gevolg om te onthouden: twee reële matrices die in GLn(C)GL_n(\C) geconjugeerd zijn, zijn dat ook in GLn(R)GL_n(\R).
  3. (Classificatie van nilpotente endomorfismen) Zij uu nilpotent. Toon aan dat het aantal blokken van grootte k\geq k in haar ontbinding in nilpotente jordanblokken gelijk is aan rkuk1rkuk\operatorname{rk}u^{k-1} - \operatorname{rk}u^k, en leid af: de nilpotente klassen van Mn(K)M_n(K) staan, voor elk lichaam KK, in bijectie met de partities van nn. Hoeveel nilpotente klassen telt M5(K)M_5(K)?
  4. (Een concreet paar) Bepaal de gelijkvormigheidsinvarianten van de afgeleide D ⁣:PPD\colon P \mapsto P' op de ruimte Kn1[X]K_{n-1}[X] van veeltermen van graad <n< n: (a) voor K=QK = \Q; (b) voor K=FpK = \mathbb F_p met p<np < n (in karakteristiek pp is (Xp)=0(X^p)' = 0: bereken kerDk\ker D^k en gebruik vraag 18).
  5. (Conjugatieklassen van GL2(Fq)GL_2(\mathbb F_q)) Toon met invariante factoren aan dat elke klasse van GL2(Fq)GL_2(\mathbb F_q) van precies één van vier types is: centraal aIaI; diagonaliseerbaar met twee verschillende eigenwaarden aba \neq b in Fq×\mathbb F_q^\times; niet-halfenkelvoudig met minimaalveelterm (Xa)2(X - a)^2; of cyclisch met irreducibele karakteristieke veelterm.
  6. Tel de klassen van elk type en besluit: GL2(Fq)GL_2(\mathbb F_q) heeft precies q21q^2 - 1 conjugatieklassen. (Tel de monische irreducibele kwadratische veeltermen over Fq\mathbb F_q; de ongeordende paren {a,b}\{a, b\}; en denk eraan dat de inverteerbaarheid de constante termen beperkt.)
  7. (Cyclisch is generiek) Toon aan dat MM2(Fq)M \in M_2(\mathbb F_q) niet cyclisch is dan en slechts dan als MM scalair is, en leid af dat een uniform toevallig gekozen 2×22\times2-matrix over Fq\mathbb F_q cyclisch is met kans 1q31 - q^{-3}. Formuleer de overeenkomstige heuristiek voor MnM_n en grote qq (geen bewijs nodig): niet-cyclische matrices zijn zeldzaam — en juist daarom vergde Deel III van Probleem 3.1 pas voorbij het generieke geval echt werk.

Deel V — Aanvullingen.

  1. (Centrum van de commutant) Toon aan dat het centrum van de algebra C(u)\mathcal C(u) precies K[u]K[u] is (combineer de twee inclusies uit Deel III). Leid af dat C(u)\mathcal C(u) commutatief is dan en slechts dan als uu cyclisch is — waarmee het gelijkheidsgeval van vraag 8 langs een zuiver structurele weg wordt teruggevonden.
  2. (Welke dimensies komen voor?) Leid uit de formule van Frobenius af dat dimC(u)n(mod2)\dim\mathcal C(u) \equiv n \pmod 2 voor elke uu. Bepaal vervolgens de precieze verzameling waarden die dimC(u)\dim \mathcal C(u) aanneemt wanneer uu heel L(V)\mathcal L(V) doorloopt met dimV=4\dim V = 4: toon aan dat die {4,6,8,10,16}\{4, 6, 8, 10, 16\} is (loop de rijen graden n1nsn_1 \leq \dots \leq n_s met som 44 af en realiseer elke rij door een nilpotent endomorfisme). In het bijzonder worden 1212 en 1414, hoewel van de juiste pariteit, niet bereikt: de pariteitsvoorwaarde is nodig maar niet voldoende.
  3. (Klassevergelijking van GL2(F3)GL_2(\mathbb F_3)) Bereken voor q=3q = 3 de grootte van elke conjugatieklasse uit vraag 20 met baan en stabilisator: de centralisator van een cyclische MM in GL2(Fq)GL_2(\mathbb F_q) is de eenhedengroep van K[M]K[M] (vraag 11). Herken K[M]K[M] in de drie niet-centrale types, geef de drie monische irreducibele kwadratische veeltermen over F3\mathbb F_3, en controleer de klassevergelijking

    48=GL2(F3)=21+112+28+36,48 = \abs{GL_2(\mathbb F_3)} = 2\cdot1 + 1\cdot12 + 2\cdot8 + 3\cdot6,

    met 2+1+2+3=8=q212 + 1 + 2 + 3 = 8 = q^2 - 1 klassen, zoals vraag 21 voorspelt.

Oplossing

Oplossing van Probleem 3.1.

1. φ\varphi is additief en K[X]K[X]-lineair: φ(X(Qi)i)=i(XQi)(M)ei=MiQi(M)ei=Xφ((Qi)i)\varphi(X \cdot (Q_i)_i) = \sum_i (XQ_i)(M)e_i = M\sum_i Q_i(M)e_i = X \cdot \varphi\bigl((Q_i)_i\bigr), want de moduulstructuur van VMV_M is Xv=MvX \cdot v = Mv. Ze is surjectief: de constante vectoren geven heel KnK^n. Kolom jj van XIMXI - M is XejimijeiXe_j - \sum_i m_{ij}e_i, met beeld Mejimijei=0Me_j - \sum_i m_{ij}e_i = 0.

2. Modulo de kolommen is XejimijeiXe_j \equiv \sum_i m_{ij}e_i: elke vector van veeltermen reduceert, met inductie naar de hoogste graad, tot een constante vector cKnc \in K^n. Ligt de oorspronkelijke vector in kerφ\ker\varphi, dan is φ(c)=c=0\varphi(c) = c = 0 (op constanten is φ\varphi de identificatie Kn=VMK^n = V_M), zodat de vector in het kolomopspansel ligt: kerφ=(XInM)K[X]n\ker\varphi = (XI_n - M)K[X]^n. Bijgevolg is VMK[X]n/(XIM)K[X]nV_M \cong K[X]^n/(XI - M)K[X]^n, en Smith over K[X]K[X] (alle invariante factoren 0\neq 0, want hun product is det(XIM)=χM\det(XI - M) = \chi_M) geeft VMiK[X]/(fi)V_M \cong \bigoplus_i K[X]/(f_i): de niet-constante fif_i zijn de gelijkvormigheidsinvarianten, te berekenen als quotiënten van grootste gemene delers van minoren (Stelling 3.8).

3. λIn\lambda I_n: XIλIXI - \lambda I is al in Smith-vorm: de invarianten zijn (Xλ,,Xλ)(X - \lambda, \dots, X - \lambda), nn stuks. Verschillende diagonaalingangen: ViK[X]/(Xλi)V \cong \bigoplus_i K[X]/(X - \lambda_i) met paarsgewijs comaximale moduli, dus perst de Chinese reststelling dat samen tot de ene cyclische K[X]/(i(Xλi))K[X]/\bigl(\prod_i(X - \lambda_i)\bigr): één invariant, χ\chi. Jn(0)J_n(0): μ=Xn=χ\mu = X^n = \chi dwingt één invariant XnX^n af. En diag(J2(0),J1(0))\operatorname{diag}(J_2(0), J_1(0)): elementaire delers X2,XX^2, X, dus invarianten P1=XP2=X2P_1 = X \mid P_2 = X^2.

4. PP(u)P \mapsto P(u) beeldt K[X]K[X] af op K[u]K[u], met kern (μu)(\mu_u) per definitie van de minimaalveelterm: K[u]K[X]/(μu)K[u] \cong K[X]/(\mu_u), van dimensie degμu=degPs=ns\deg\mu_u = \deg P_s = n_s.

5. De K[X]K[X]-lineariteit dwingt f(Qˉ)=f(Q1ˉ)=Qf(1ˉ)f(\bar Q) = f(Q\cdot\bar 1) = Q\,f(\bar 1) af. De klasse 1ˉ\bar 1 voldoet aan P1ˉ=0P \bar 1 = 0, dus is Pf(1ˉ)=0P f(\bar 1) = 0 noodzakelijk. Is omgekeerd Pcˉ=0P\bar c = 0, dan is f(Qˉ)=Qcˉf(\bar Q) = Q\bar c goed gedefinieerd (uit QQmodPQ \equiv Q' \bmod P volgt dat (QQ)cˉ(Q - Q')\bar c een veelvoud is van Pcˉ=0P\bar c = 0) en K[X]K[X]-lineair.

6. Zij g=gcd(P,Q)g = \gcd(P, Q), P=gPP = gP' en Q=gQQ = gQ' met gcd(P,Q)=1\gcd(P', Q') = 1. In K[X]/(Q)K[X]/(Q) geldt Pcˉ=0    QPc    QPc    QcP\bar c = 0 \iff Q \mid Pc \iff Q' \mid P'c \iff Q' \mid c (Euclides, want gcd(P,Q)=1\gcd(P', Q') = 1). De toegelaten cˉ\bar c vormen dus het deelmoduul voortgebracht door Qˉ\bar{Q'}, waarvan de annihilator {R:QRQ}=(g)\{R : Q \mid RQ'\} = (g) is: dat deelmoduul is K[X]/(g)\cong K[X]/(g). Met vraag 5 volgt Hom(K[X]/(P),K[X]/(Q))K[X]/(gcd(P,Q))\operatorname{Hom}(K[X]/(P), K[X]/(Q)) \cong K[X]/(\gcd(P,Q)), van dimensie deggcd(P,Q)\deg\gcd(P,Q).

7. vv commuteert met uu dan en slechts dan als vv met elke P(u)P(u) commuteert, dan en slechts dan als vv K[X]K[X]-lineair is: C(u)=EndK[X](V)\mathcal C(u) = \operatorname{End}_{K[X]}(V). Schrijven we morfismen van V=jVjV = \bigoplus_j V_j als matrices (fij)(f_{ij}) met fijHom(Vj,Vi)f_{ij} \in \operatorname{Hom}(V_j, V_i) (stel samen met de injecties en projecties), dan geeft vraag 6

dimC(u)=i,jdeggcd(Pi,Pj)=i,jnmin(i,j)=k=1s(2(sk)+1)nk,\dim \mathcal C(u) = \sum_{i,j} \deg\gcd(P_i, P_j) = \sum_{i,j} n_{\min(i,j)} = \sum_{k=1}^{s} \bigl(2(s - k) + 1\bigr)\,n_k ,

waarbij we de deelbaarheidsketen gebruiken (gcd(Pi,Pj)=Pmin(i,j)\gcd(P_i, P_j) = P_{\min(i,j)}) en, voor de laatste stap, dat min(i,j)=k\min(i,j) = k optreedt voor precies 2(sk)+12(s - k) + 1 paren (i,j)(i, j).

8. Omdat 2(sk)+112(s-k)+1 \geq 1, is dimC(u)knk=n\dim\mathcal C(u) \geq \sum_k n_k = n, met gelijkheid precies wanneer s=1s = 1, dat wil zeggen wanneer uu cyclisch is (Oefening 3.9). Voor u=λidu = \lambda\,\mathrm{id} is s=ns = n en zijn alle nk=1n_k = 1: dim=k=1n(2(nk)+1)=n2\dim = \sum_{k=1}^n (2(n-k)+1) = n^2 — klopt, want C(λid)=L(V)\mathcal C(\lambda\,\mathrm{id}) = \mathcal L(V).

9. Volgens de formule: invarianten (X,X2)(X, X^2), dus s=2s = 2, n1=1n_1 = 1 en n2=2n_2 = 2, waaruit dim=31+12=5\dim = 3\cdot1 + 1\cdot2 = 5. Rechtstreeks: in de basis (e1,e2,e3)(e_1, e_2, e_3) met ue2=e1u e_2 = e_1 en ue1=ue3=0ue_1 = ue_3 = 0 levert Au=uAAu = uA voor A=(aij)A = (a_{ij}) de voorwaarden a21=a23=a31=0a_{21} = a_{23} = a_{31} = 0 en a11=a22a_{11} = a_{22}: vijf vrije parameters a11=a22,a12,a13,a32,a33a_{11}{=}a_{22}, a_{12}, a_{13}, a_{32}, a_{33}.

10. Een veelterm P(u)P(u) commuteert met alles wat met uu commuteert (het is een som van machten van uu): dus K[u]C(C(u))K[u] \subseteq \mathcal C(\mathcal C(u)). En uC(u)u \in \mathcal C(u), zodat elke wC(C(u))w \in \mathcal C(\mathcal C(u)) met uu commuteert.

11. Zij V=K[u]xV = K[u]x en vC(u)v \in \mathcal C(u). Schrijf v(x)=P(u)xv(x) = P(u)x (cycliciteit). Voor een willekeurige y=Q(u)xy = Q(u)x is dan v(y)=vQ(u)x=Q(u)v(x)=Q(u)P(u)x=P(u)yv(y) = vQ(u)x = Q(u)v(x) = Q(u)P(u)x = P(u)y. Dus v=P(u)v = P(u): C(u)=K[u]\mathcal C(u) = K[u]. En dan is C(C(u))=C(K[u])=C(u)=K[u]\mathcal C(\mathcal C(u)) = \mathcal C(K[u]) = \mathcal C(u) = K[u] (met heel K[u]K[u] commuteren is hetzelfde als met uu commuteren). De stelling geldt dus in het cyclische geval.

12. πi\pi_i is K[X]K[X]-lineair (de ontbinding is een directe som van deelmodulen), dus πiC(u)\pi_i \in \mathcal C(u), en ww commuteert ermee: w(Vi)=wπi(V)=πiw(V)Viw(V_i) = w\pi_i(V) = \pi_i w(V) \subseteq V_i. De beperking wi=wViw_i = w\restriction_{V_i} commuteert met de cyclische ui=uViu_i = u\restriction_{V_i} (vraag 10), dus wiC(ui)=K[ui]w_i \in \mathcal C(u_i) = K[u_i] (vraag 11): wi=Qi(ui)=Qi(u)Viw_i = Q_i(u_i) = Q_i(u)\restriction_{V_i} voor zekere QiK[X]Q_i \in K[X].

13. Dat ηij(R(u)xj)=R(u)xi\eta_{ij}(R(u)x_j) = R(u)x_i goed gedefinieerd is: uit R(u)xj=0R(u)x_j = 0 volgt PjRP_j \mid R, en PiPjP_i \mid P_j geeft PiRP_i \mid R, dus R(u)xi=0R(u)x_i = 0 (want Ann(xi)=(Pi)\operatorname{Ann}(x_i) = (P_i)). ηij\eta_{ij} is dan per constructie K[X]K[X]-lineair, en η~ij=ηijπj\tilde\eta_{ij} = \eta_{ij}\pi_j is een samenstelling van K[X]K[X]-morfismen VVV \to V: dus η~ijC(u)\tilde\eta_{ij} \in \mathcal C(u).

14. Evalueer wη~ij=η~ijww\tilde\eta_{ij} = \tilde\eta_{ij}w in xjx_j: links staat w(xi)=Qi(u)xiw(x_i) = Q_i(u)x_i, rechts ηij(Qj(u)xj)=Qj(u)xi\eta_{ij}\bigl(Q_j(u)x_j\bigr) = Q_j(u)x_i. Bijgevolg is (QiQj)(u)xi=0(Q_i - Q_j)(u)\,x_i = 0, dus PiQiQjP_i \mid Q_i - Q_j voor alle iji \leq j. In het bijzonder is, met Q=QsQ = Q_s, QQi(modPi)Q \equiv Q_i \pmod{P_i}, zodat Q(u)Q(u) en Qi(u)Q_i(u) op ViV_i samenvallen (dat Pi(u)P_i(u) vernietigt). Daarom is w=Q(u)w = Q(u) op elke ViV_i, en dus op VV: C(C(u))K[u]\mathcal C(\mathcal C(u)) \subseteq K[u], en met vraag 10 volgt C(C(u))=K[u]\mathcal C(\mathcal C(u)) = K[u].

15. De eerste bewering zijn de vragen 10–14 (of, voor cyclische uu, vraag 11 alleen). Voor u=idu = \mathrm{id} met n2n \geq 2 heeft C(u)=L(V)\mathcal C(u) = \mathcal L(V) dimensie n2n^2, terwijl dimK[u]=degμu=1\dim K[u] = \deg\mu_u = 1. Daar faalt C(u)=K[u]\mathcal C(u) = K[u] dus grondig; en toch geldt de bicommutantstelling (C(L(V))=Kid=K[u]\mathcal C(\mathcal L(V)) = K\,\mathrm{id} = K[u]: het centrum van de matrixalgebra bestaat uit de scalairen). De cycliciteit zorgt ervoor dat de enkele commutant al polynomiaal is; de dubbele commutant is dat altijd.

16. Is P(XIM)Q=SP(XI - M)Q = S een Smith-reductie (P,QP, Q inverteerbaar over K[X]K[X]), dan geeft transponeren tQ(XItM)tP=tS=S{}^tQ\,(XI - {}^tM)\,{}^tP = {}^tS = S: dezelfde Smith-vorm, dus hebben XIMXI - M en XItMXI - {}^tM dezelfde invariante factoren, oftewel MM en tM{}^tM hebben dezelfde gelijkvormigheidsinvarianten (Gevolg 3.17): ze zijn gelijkvormig.

17. De gelijkvormigheidsinvarianten van MM over LL zijn de invariante factoren van XIMXI - M in L[X]L[X]. Een Smith-reductie van XIMXI - M over K[X]K[X] — met P,QP, Q inverteerbaar over K[X]K[X], diagonaal en met de deelbaarheidsketen — is ook een geldige Smith-reductie over L[X]L[X] (PP en QQ blijven inverteerbaar: hun determinanten zijn constanten 0\neq 0), en monische invariante factoren zijn uniek: de invariante factoren berekend over KK en over LL vallen dus samen. Bijgevolg is MLNM \sim_L N precies wanneer ze dezelfde invariante factoren hebben, en dus precies wanneer MKNM \sim_K N. In het bijzonder zijn reële matrices die over C\C geconjugeerd zijn, dat ook over R\R — een uitspraak die vaak analytisch wordt bewezen (specialiseer een inverteerbare P+iQP + \iu Q), hier structureel.

18. Ontbind u=Jmt(0)u = \bigoplus J_{m_t}(0) in nilpotente jordanblokken. In één blok van grootte mm is rkJmk=max(mk,0)\operatorname{rk}J_m^k = \max(m - k, 0), dus rkJmk1rkJmk=1\operatorname{rk}J_m^{k-1} - \operatorname{rk}J_m^k = 1 als mkm \geq k en anders 00. Sommeren over de blokken geeft rkuk1rkuk=#{t:mtk}\operatorname{rk}u^{k-1} - \operatorname{rk}u^k = \#\{t : m_t \geq k\}. De rangenrij legt dus de multiverzameling (mt)(m_t) vast — een partitie van nn — en omgekeerd wordt elke partitie gerealiseerd: nilpotente klassen \leftrightarrow partities van nn, over elk lichaam. Voor M5M_5: p(5)=7p(5) = 7 klassen (55; 4+14{+}1; 3+23{+}2; 3+1+13{+}1{+}1; 2+2+12{+}2{+}1; 2+1+1+12{+}1{+}1{+}1; 151^5).

19. (a) Over Q\Q (of over elk lichaam van karakteristiek 00) is Dn=0D^n = 0 en Dn1(Xn1)=(n1)!0D^{n-1}(X^{n-1}) = (n-1)! \neq 0: DD is nilpotent van index nn op een nn-dimensionale ruimte, dus cyclisch met de ene invariant XnX^n (x=Xn1x = X^{n-1} brengt voort: haar herhaalde afgeleiden spannen alles op). (b) Over Fp\mathbb F_p met p<np < n is Dp=0D^p = 0, want de pp-de afgeleide van elk monoom XmX^m draagt de factor m(m1)(mp+1)m(m-1)\cdots(m-p +1), een product van pp opeenvolgende gehele getallen, dus 0modp\equiv 0 \bmod p. Schrijf n=ap+rn = ap + r met 0r<p0 \leq r < p. Dan wordt kerDk\ker D^k opgespannen door de monomen XmX^m met DkXm=0D^kX^m = 0; tellen we de exponenten m<nm < n naar hun rest modulo pp, dan is dimkerDk=ak+min(r,k)\dim\ker D^k = ak + \min(r, k) voor 0kp0 \leq k \leq p, zodat rkDk1rkDk=dimkerDkdimkerDk1=a+1kr\operatorname{rk}D^{k-1} - \operatorname{rk}D^k = \dim\ker D^k - \dim\ker D^{k-1} = a + \mathbf 1_{k \leq r}. Volgens vraag 18 heeft de partitie aa blokken van grootte precies pp en (als r>0r > 0) één blok van grootte rr: gelijkvormigheidsinvarianten XrXpXpX^r \mid X^p \mid \dots \mid X^p. De karakteristiek verandert dus de normaalvorm van de vertrouwdste operator uit de wiskunde.

20. Een MGL2M \in GL_2 heeft s{1,2}s \in \{1, 2\} invariante factoren. Is s=2s = 2, dan is P1=P2=XaP_1 = P_2 = X - a (met a0a \neq 0 wegens de inverteerbaarheid), dus M=aIM = aI, centraal. Is s=1s = 1, dan is MM cyclisch met karakteristieke veelterm == minimaalveelterm χ\chi van graad 22, en corresponderen de klassen met de mogelijke χ\chi met χ(0)0\chi(0) \neq 0: χ\chi valt uiteen met verschillende wortels aba \neq b (begeleidende matrix \sim diagonaal); χ=(Xa)2\chi = (X - a)^2 (begeleidende matrix, niet halfenkelvoudig); of χ\chi irreducibel. Van elk type precies één — de invariante factoren zijn een volledige invariant.

21. Centraal: q1q - 1 keuzen voor aa. Verschillende uiteenvallende eigenwaarden: de ongeordende paren {a,b}Fq×\{a, b\} \subseteq \mathbb F_q^\times met aba \neq b, dus (q12)\binom{q-1}2 klassen. Minimaalveelterm (Xa)2(X-a)^2: q1q - 1 klassen. Irreducibele kwadratische veeltermen met constante term 0\neq 0: alle irreducibele kwadratische veeltermen komen in aanmerking (hun wortels zijn 0\neq 0), en er zijn q2q2\frac{q^2 - q}2 monische irreducibele kwadratische veeltermen (de q2q^2 monische kwadratische veeltermen min de (q2)+q=q2+q2\binom q2 + q = \frac{q^2+q}2 die uiteenvallen). Totaal:

(q1)+(q1)(q2)2+(q1)+q2q2=q21.(q - 1) + \frac{(q-1)(q-2)}2 + (q - 1) + \frac{q^2 - q}2 = q^2 - 1 .

22. Is MM niet cyclisch, dan is s=2s = 2 en is MM scalair (de tweedeling van vraag 20 geldt in M2M_2, inverteerbaar of niet: twee invariante factoren van graad 11 met P1P2P_1 \mid P_2 en P1=P2P_1 = P_2 dwingen M=aIM = aI af). De scalaire matrices zijn met qq onder de q4q^4 matrices: cyclisch met kans 1q31 - q^{-3}. In het algemeen is de niet-cyclische deelverzameling van MnM_n die waar de (n1)×(n1)(n-1)\times(n-1)-minoren van XIMXI - M een gemeenschappelijke factor hebben — een echte algebraïsche voorwaarde — zodat haar aandeel voor grote qq klein is, van orde O(1/q)O(1/q): matrices met χ=μ\chi = \mu zijn de regel, en het lijmargument uit Deel III is de prijs voor de uitzonderingen.

23. Een element van het centrum van C(u)\mathcal C(u) ligt in C(u)\mathcal C(u) en commuteert met elk element van C(u)\mathcal C(u), dus ligt het in C(C(u))=K[u]\mathcal C(\mathcal C(u)) = K[u] (vraag 14). Omgekeerd is K[u]C(u)K[u] \subseteq \mathcal C(u), en commuteert elke P(u)P(u) met elke vC(u)v \in \mathcal C(u) (zo’n vv commuteert met uu en dus met elke macht van uu): K[u]K[u] is centraal in C(u)\mathcal C(u). Bijgevolg is Z(C(u))=K[u]Z(\mathcal C(u)) = K[u]. Daaruit volgt dat C(u)\mathcal C(u) commutatief is dan en slechts dan als C(u)=Z(C(u))=K[u]\mathcal C(u) = Z(\mathcal C(u)) = K[u]; in dat geval is dimC(u)=dimK[u]=nsn\dim\mathcal C(u) = \dim K[u] = n_s \leq n, terwijl vraag 8 dimC(u)n\dim\mathcal C(u) \geq n geeft: dus ns=nn_s = n en s=1s = 1, dat wil zeggen uu is cyclisch. Omgekeerd geeft vraag 11 voor cyclische uu dat C(u)=K[u]\mathcal C(u) = K[u], commutatief. Structureel gezegd: een matrixalgebra die gelijk is aan haar eigen centrum is precies een veeltermalgebra K[u]K[u] van een cyclische uu.

24. Elke coëfficiënt 2s2i+12s - 2i + 1 in de formule van Frobenius is oneven, dus

dimC(u)=i=1s(2s2i+1)nii=1sni=n(mod2).\dim\mathcal C(u) = \sum_{i=1}^s(2s - 2i + 1)\,n_i \equiv \sum_{i=1}^s n_i = n \pmod 2 .

Voor n=4n = 4 zijn de mogelijke rijen graden n1nsn_1 \leq \dots \leq n_s van de invariante factoren met som 44: (4)(4), (1,3)(1, 3), (2,2)(2, 2), (1,1,2)(1, 1, 2) en (1,1,1,1)(1, 1, 1, 1); elk daarvan wordt gerealiseerd, bijvoorbeeld door het nilpotente endomorfisme met Pi=XniP_i = X^{n_i} (de deelbaarheidsketen geldt dan vanzelf). De formule geeft respectievelijk

14=4,3+3=6,6+2=8,5+3+2=10,7+5+3+1=16.1\cdot4 = 4, \quad 3 + 3 = 6, \quad 6 + 2 = 8, \quad 5 + 3 + 2 = 10, \quad 7 + 5 + 3 + 1 = 16 .

De verzameling waarden is dus {4,6,8,10,16}\{4, 6, 8, 10, 16\}: even getallen van de juiste pariteit, maar 1212 en 1414 komen nooit voor — tussen de bijna-cyclische rijen en de n2n^2 van de scalaire matrix gaapt een gat.

25. Er geldt GL2(F3)=(q21)(q2q)=86=48\abs{GL_2(\mathbb F_3)} = (q^2 - 1)(q^2 - q) = 8 \cdot 6 = 48. Het centrale type: II en 2I2I, twee klassen van grootte 11. In de drie andere types is MM cyclisch (vraag 20), zodat haar centralisator in GL2GL_2 de groep eenheden van C(M)=K[M]\mathcal C(M) = K[M] is (vraag 11), en de klassegrootte volgens baan en stabilisator gelijk is aan 48/K[M]×48/\abs{K[M]^\times}. Verschillende uiteenvallende eigenwaarden: alleen het paar {1,2}\{1, 2\}, dus één klasse; K[M]F3×F3K[M] \cong \mathbb F_3 \times \mathbb F_3 (Chinese reststelling op χ=(X1)(X2)\chi = (X-1)(X-2)), met 22=42 \cdot 2 = 4 eenheden, dus grootte 48/4=1248/4 = 12. Minimaalveelterm (Xa)2(X - a)^2 met a{1,2}a \in \{1, 2\}: twee klassen; K[M]F3[X]/((Xa)2)K[M] \cong \mathbb F_3[X]/((X-a)^2), met q2q=6q^2 - q = 6 eenheden (na centreren moet de constante term 0\neq 0 zijn), dus grootte 48/6=848/6 = 8. Irreducibele χ\chi: er zijn (93)/2=3(9 - 3)/2 = 3 monische irreducibele kwadratische veeltermen over F3\mathbb F_3, namelijk

X2+1,X2+X+2,X2+2X+2,X^2 + 1, \qquad X^2 + X + 2, \qquad X^2 + 2X + 2,

(geen wortels in F3\mathbb F_3: controleer 0,1,20, 1, 2); dat geeft drie klassen met K[M]F9K[M] \cong \mathbb F_9, q21=8q^2 - 1 = 8 eenheden, dus grootte 48/8=648/8 = 6. Klassevergelijking: 21+112+28+36=2+12+16+18=482\cdot1 + 1\cdot12 + 2\cdot8 + 3\cdot6 = 2 + 12 + 16 + 18 = 48; en 2+1+2+3=8=q212 + 1 + 2 + 3 = 8 = q^2 - 1 klassen, in overeenstemming met vraag 21.

Begrippen gedefinieerd in dit hoofdstuk

Bekijk alle 395 begrippen in de begrippenlijst