89-214 סמסטר א' תשעא/תקצירים

כאמור בדף הקורס, התוכנית מכסה ארבעה נושאים.

1. מבוא לתורת המספרים האלמנטרית (שעור אחד)
2. חבורות (שמונה שעורים)
3. חוגים (שלושה שעורים)
4. שדות (שעור אחד)

בהמשך יוצגו כאן תקצירי ההרצאות.

• חזרה ל89-214 סמסטר א' תשעא

הרצאה ראשונה

מבוא לתורת המספרים

הנחת המוצא היא שאתם מכירים את התכונות היסודיות של המספרים השלמים (תכונות של החיבור והכפל, של הקבועים 0 ו-1, ושל יחס הסדר). תרגיל: איך אפשר להגדיר את הקבועים ואת יחס הסדר, אם נתונים רק החיבור והכפל?

הגדרנו את יחס החלוקה (שהוא יחס סדר חלש על אוסף הזוגות [math]\displaystyle{ \ \pm n }[/math]), ואת המחלק המשותף המקסימלי (המחלק המשותף שהוא הגדול ביותר מכל המחלקים המשותפים, לפי היחס הרגיל), ואז הוכחנו שרשרת של טענות:

1. אפשר לבצע חילוק עם שארית ("אוקלידיות");

2. המחלק המשותף המקסימלי של a ו- b הוא צירוף שלם שלהם.

3. אם [math]\displaystyle{ \ a|bc }[/math] ו- a זר ל-b, אז [math]\displaystyle{ \ a|c }[/math].

הגדרנו מספר אי-פריק (לא ניתן לפרק באופן לא-טריוויאלי) ומספר ראשוני (אם הוא מחלק מכפלה אז הוא מחלק את אחד הגורמים), והבחנו שכל ראשוני הוא אי-פריק (זה קל). כעת אפשר להוכיח

4. כל שלם אי-פריק הוא ראשוני (כלומר, במספרים השלמים, "ראשוני" ו"אי-פריק" הם בעצם אותו מושג), ואז

5. המשפט היסודי של האריתמטיקה: לכל מספר שלם יש פירוק יחיד לגורמים אי-פריקים.

השרשרת הזו תופיע באופן כללי בהרבה בפרק השלישי של הקורס, כאשר נעסוק בתחומי שלמות (שהם סוג מיוחד של חוגים קומוטטיביים (שהם סוג מיוחד של חוגים)).

תרגיל. בכתה הגדרנו מחלק משותף מקסימלי לגבי יחס הסדר הרגיל, ואמרנו שלו היינו מגדירים לפי יחס החלוקה היינו מקבלים אותו הדבר. הוכיחו טענה זו. כלומר, הראו שכל מחלק משותף של a ו-b מחלק את המחלק המשותף המקסימלי.

הרצאה שניה

לסיום הפרק הראשון הגדרנו את יחס השקילות [math]\displaystyle{ \ a \equiv b \pmod{n} }[/math] (אם ורק אם [math]\displaystyle{ \ n|(a-b) }[/math]). מחלקות השקילות שלו הן [math]\displaystyle{ \ \mathbb{Z}_n = \{[0],[1],\dots,[n-1]\} }[/math]. מתברר שפעולות החיבור והכפל לפי רכיבים מגדירות פעולות בין המחלקות. משפט השאריות הסיני קובע שאם n,m זרים, אז הפונקציה [math]\displaystyle{ \ \mathbb{Z}_{nm} \rightarrow \mathbb{Z}_n \times \mathbb{Z}_m }[/math] המוגדרת על-ידי [math]\displaystyle{ \ [x]_{nm} \mapsto ([x]_n,[x]_m) }[/math] (תרגיל: הוכח שהיא מוגדרת היטב; מה יש לבדוק?) היא חד-חד-ערכית ועל.

מערכת מתמטית כוללת קבוצה, פעולות, יחסים וקבועים (או חלק מהם). המשך הקורס יעסוק בכמה מערכות מתמטיות חשובות: חבורות, חוגים ושדות. לפני שנעסוק בחבורות באופן ישיר, נפגוש שני מבנים אלגבריים פשוטים יותר: חבורות למחצה ומונוידים.

חבורה למחצה היא קבוצה עם פעולה בינארית אסוציאטיבית. דוגמא כללית: אוסף כל הפונקציות מקבוצה X לעצמה. (במובן מסויים, כל חבורה למחצה היא אוסף של פונקציות מקבוצה מתאימה לעצמה [בעתיד נוכיח תוצאה דומה על חבורות]). שימו לב שכדי שקבוצה חלקית של אוסף כל הפונקציות מ-X ל-X תהיה חבורה למחצה, די בכך שהיא תהיה סגורה להרכבה (משום שהאסוציאטיביות היא אוטומטית).

איבר של חבורה למחצה המקיים את התנאי [math]\displaystyle{ \ ex=xe=x }[/math] לכל x הוא "איבר יחידה". לא תמיד יש כזה, אבל אם הוא קיים - הוא יחיד. חבורה למחצה שבה יש איבר יחידה, נקראת מונויד (או "יחידון").

הרצאה שלישית

איבר y של מונויד M הוא "הפכי של x" אם xy=yx=1. אם יש ל-x הפכי, אז הוא יחיד --- ולאיבר הזה קוראים "ההפכי של x". איבר שיש לו הפכי הוא "איבר הפיך". לדוגמא, איבר היחידה הוא הפיך --- אבל יש מונוידים שבהם אין אף איבר הפיך אחר. מונויד שכל האיברים שלו הפיכים נקרא חבורה. מתברר שבכל מונויד M, אוסף האיברים ההפיכים [math]\displaystyle{ \ U(M) }[/math] הוא חבורה.

המונויד מקיים את תכונת הצמצום משמאל אם מ-xy=xz תמיד נובע y=z. לדוגמא, המונויד של המספרים עד n עם פעולת המקסימום אינו מקיים את התכונה הזו. מונויד המוכל בחבורה מקיים את תכונת הצמצום (אבל יש דוגמאות - קשות יחסית - למונוידים המקיימים את תכונת הצמצום ואינם מוכלים באף חבורה).

משפט. מונויד סופי בעל תכונת הצמצום משמאל הוא חבורה.

דוגמאות לחבורות.

1. [math]\displaystyle{ \ \mathbb{Z}_n }[/math] ביחס לפעולת החיבור.
2. אוסף האברים ההפיכים ב-[math]\displaystyle{ \ \mathbb{Z}_n }[/math] ביחס לפעולת הכפל. לחבורה הזו קוראים חבורת אוילר מסדר n, ויש בה [math]\displaystyle{ \ \varphi(n) }[/math] אברים.
3. החבורה הסימטרית [math]\displaystyle{ \ S_n }[/math] היא חבורת התמורות על n עצמים. אפשר לכתוב כל תמורה כמכפלה של מחזורים זרים, באופן יחיד.
4. החבורה הדיהדרלית [math]\displaystyle{ \ D_n }[/math] כוללת, על-פי ההגדרה, את הפעולות המותרות על מצולע משוכלל בן n צלעות. אפשר להציג אותה כחבורת האברים [math]\displaystyle{ \ \{\sigma^i \tau^j\} }[/math] עם היחסים [math]\displaystyle{ \ \sigma^n = \tau^2 = 1 }[/math], [math]\displaystyle{ \ \tau \sigma \tau^{-1} = \sigma^{-1} }[/math]; וגם כחבורה של מטריצות סיבוב ושיקוף מסדר 2. שימו לב ש-[math]\displaystyle{ \ D_3 }[/math] היא בעצם החבורה [math]\displaystyle{ \ S_3 }[/math], משום שכל תמורה של הקודקודים שומרת על המשולש במקומו (מה שאינו נכון כשמספר הקודקודים גדול יותר).
5. לכל שדה F, המטריצות ההפיכות מסדר n מעל F מהוות חבורה, [math]\displaystyle{ \ \operatorname{GL}_n(F) }[/math].

לסיום, הגדרנו מכפלה ישרה חיצונית, שהיא המכפלה הקרטזית של שתי חבורות נתונות עם הפעולה לפי רכיבים, כדרך לבנות חבורה חדשה מחבורות נתונות.

תרגיל. הוכיחו ש- [math]\displaystyle{ \ U_{8} \cong \mathbb{Z}_2 \times \mathbb{Z}_2 }[/math] וש- [math]\displaystyle{ \ U_{10} \cong \mathbb{Z}_4 }[/math].

הרצאה רביעית

תת-קבוצה לא-ריקה H של חבורה G היא תת-חבורה אם H מהווה חבורה בזכות עצמה ביחס לפעולות המצומצמות מ-G. זה שקול לכך שהיא סגורה לכפל וללקיחת הפכי (בחבורה סופית, די בכך שהקבוצה סגורה לכפל). תת-החבורות הטריוויאליות הן G עצמה, והקבוצה הכוללת רק את איבר היחידה.

אם H תת-חבורה של G, קבוצה מהצורה [math]\displaystyle{ \ Ha = \{xa: x\in H\} }[/math] נקראת קוסט ימני של H. הקוסטים הימניים זרים זה לזה, והם מכסים את החבורה. מכיוון שלכולם אותו גודל (השווה לסדר של H), מתקבל משפט לגרנז': הסדר של חבורה (סופית) מתחלק בסדר של כל תת-חבורה.

חיתוך של אוסף כלשהו של תת-חבורות הוא תת-חבורה, וכך אפשר להגדיר את החבורה הנוצרת על-ידי קבוצה S, כתת-החבורה הקטנה ביותר המכילה את S. אבריה של תת-החבורה הזו הם המכפלות של אברי S וההפכיים שלהם.

הסדר של איבר [math]\displaystyle{ \ g \in G }[/math] הוא n>0 הקטן ביותר שעבורו [math]\displaystyle{ \ g^n=1_G }[/math] (אם יש כזה; אחרת הסדר הוא אינסוף). כל איבר g יוצר תת-חבורה [math]\displaystyle{ \ \langle g \rangle }[/math], הכוללת בדיוק את החזקות של g; סדר החבורה הזו שווה לסדר האיבר. חבורות כאלה, הנוצרות על-ידי איבר אחד, נקראות חבורות ציקליות.

לדוגמא, החבורה [math]\displaystyle{ \ \mathbb{Z}_n }[/math] ציקלית, משום שהיא נוצרת על-ידי המחלקה [math]\displaystyle{ \ [1] }[/math]. כל החבורות הציקליות מאותו סדר איזומורפיות זו לזו. חישבנו שהסדר של a בחבורה הזו הוא [math]\displaystyle{ \ n/(a,n) }[/math], ולכן יש בדיוק [math]\displaystyle{ \ \phi(n/e) }[/math] אברים מכל סדר n/e. בפרט, יש לחבורה [math]\displaystyle{ \ \mathbb{Z}_n }[/math] בדיוק [math]\displaystyle{ \ \phi(n) }[/math] יוצרים.

הרצאה חמישית

כל תת-חבורה של [math]\displaystyle{ \ \mathbb{Z}_n }[/math] נוצרת על-ידי איבר המחלק את n; אם a|n, אז הסדר של החבורה הנוצרת על-ידי a הוא n/a, ולכן, אם H תת-חבורה של [math]\displaystyle{ \ \mathbb{Z}_n }[/math] מסדר d, היא שווה לחבורה הציקלית <n/d>. כלומר, לחבורות ציקליות יש תת-חבורה יחידה מכל סדר שמשפט לגרנז' מתיר.

הוכחנו ש- [math]\displaystyle{ \ \mathbb{Z}_{nm} \cong \mathbb{Z}_n \times \mathbb{Z}_m }[/math] אם ורק אם n,m זרים. (על-ידי בניית העתקה מפורשת: [math]\displaystyle{ \ [x]_{nm} \mapsto ([x]_{n},[x]_m) }[/math]). מכאן נובע למשל ש- [math]\displaystyle{ \ \mathbb{Z}_{12} \times \mathbb{Z}_{15} \cong \mathbb{Z}_3 \times \mathbb{Z}_{60} }[/math]: לחבורה האבלית שמות רבים.

מגדירים את המכפלה של תת-חבורות כקבוצה של כל המכפלות האפשריות: [math]\displaystyle{ \ AB=\{ab | a\in A, b\in B\}$ }[/math]. באופן דומה אפשר להגדיר, לכל קבוצה בחבורה, [math]\displaystyle{ \ S^{-1}=\{s^{-1} | s\in S\} }[/math]. הוכחנו שאם A,B תת-חבורות, אז המכפלה AB תת-חבורה אם ורק אם AB=BA.

הגדרנו הומומורפיזם (העתקה מחבורה G לחבורה H, השומרת על הכפל (ולכן גם על איבר היחידה ועל פעולת ההיפוך)). התמונה של הומומורפיזם היא תת-חבורה של H, והגרעין הוא תת-חבורה של G. הומומורפיזם הוא חד-חד-ערכי אם ורק אם הגרעין שלו טריוויאלי. ראינו שכל תת-חבורה יכולה להיות תמונה של הומומורפיזם כלשהו. מאידך, לא כל תת-חבורה יכולה להיות גרעין של הומומורפיזם: לתת-חבורות כאלה נקרא בשעור הבא "תת-חבורות נורמליות", ובינתיים אנו מגדירים אותן על-פי התכונה [math]\displaystyle{ \ aH=Ha }[/math] לכל a, ותכונות השקולות לה.

הרצאה ששית

תת-חבורה H של G המקיימת את התנאי [math]\displaystyle{ \ aHa^{-1} \subset H }[/math] לכל [math]\displaystyle{ \ a\in G }[/math], (או כל אחד מהתנאים השקולים לכך) נקראת תת-חבורה נורמלית. אם [math]\displaystyle{ \ N\leq G }[/math] תת-חבורה נורמלית, מסמנים [math]\displaystyle{ \ N \triangleleft G }[/math]. הוכחנו שתת-חבורה היא נורמלית אם ורק אם הפעולה הטבעית של כפל קוסטים - מוגדרת היטב. את האוסף הזה אפשר להפוך לחבורה, הקרויה חבורת המנה, [math]\displaystyle{ \ G/N }[/math]. כמובן, [math]\displaystyle{ \ |G/N| = [G:N] }[/math]. קיומה של חבורת המנה מאפשר להוכיח קריטריון נוסף: תת-חבורה היא נורמלית אם ורק אם היא גרעין להומומורפיזם כלשהו (ההעתקה [math]\displaystyle{ \ \theta : G \rightarrow G/N }[/math] לפי [math]\displaystyle{ \ \theta(x) = xN }[/math] היא הומומורפיזם, ו- [math]\displaystyle{ \ \operatorname{Ker}(\theta) = N }[/math]). כלומר: תת-חבורות נורמליות של G = גרעינים של הומומורפיזמים מ-G.

הוכחנו את משפט האיזומורפיזם הראשון: לכל הומומורפיזם [math]\displaystyle{ \ \phi : G \rightarrow H }[/math], [math]\displaystyle{ \ G/\operatorname{Ker}(\phi) \cong \operatorname{Im}(\phi) }[/math]. מעכשיו, אם נרצה להוכיח ש- [math]\displaystyle{ \ G/K \cong H }[/math], מספיק יהיה לבנות אפימורפיזם (=הומומורפיזם על( [math]\displaystyle{ \ G \rightarrow H }[/math] שהגרעין שלו הוא K.

ראינו שנורמליות מחלחלת כלפי מטה: אם [math]\displaystyle{ \ K \triangleleft G }[/math] ו- [math]\displaystyle{ \ H \leq G }[/math], אז [math]\displaystyle{ \ K \cap H \triangleleft H }[/math]. בפרט (אם מניחים [math]\displaystyle{ \ K \sub H }[/math]) נורמליות עוברת בתורשה לתת-חבורה. מאידך, נורמליות אינה טרנזיטיבית: יתכן ש- [math]\displaystyle{ N \triangleleft H \triangleleft G }[/math] ובכל זאת [math]\displaystyle{ \ N \not \triangleleft G }[/math].

אם [math]\displaystyle{ \ N \triangleleft G }[/math] ו- [math]\displaystyle{ \ H \leq G }[/math] אז [math]\displaystyle{ \ NH }[/math] תמיד תת-חבורה; יתרה מזו, המכפלה של תת-חבורות נורמליות היא נורמלית.

הגדרנו מתי חבורה G היא מכפלה ישרה פנימית של שתי תת-חבורות שלה (הן צריכות להיות נורמליות, בעלות חיתוך טריוויאלי, וכך שמכפלתן היא כל החבורה). הוכחנו שכל מכפלה ישרה חיצונית היא גם מכפלה ישרה פנימית, ושמכפלה ישרה פנימית איזומורפית למכפלה ישרה חיצונית של תת-החבורות.

הרצאה שביעית

הוכחנו, בעזרת משפט האיזומורפיזם הראשון, את משפט האיזומורפיזם השני (אם [math]\displaystyle{ \ N,H\leq G }[/math] ו-N נורמלית אז [math]\displaystyle{ \ H/(N\cap H)\cong HN/N }[/math]) והשלישי (אם [math]\displaystyle{ \ K \leq N \leq G }[/math] ושתיהן נורמליות ב-G, אז [math]\displaystyle{ \ (G/K)/(N/K) \cong G/N }[/math]). הוכחנו את המודולריות של סריג תת-החבורות הנורמליות: לכל שלוש תת-חבורות A,B,C כך ש- [math]\displaystyle{ \ A \subset C }[/math], הביטוי [math]\displaystyle{ \ A \cdot B \cap C }[/math] אינו תלוי בסדר הסוגריים. זוהי אינה "המודולריות של סריג תת-החבורות", משום שאם A,B,C סתם תת-חבורות, לא מובטח שהקבוצות המשתתפות בחישוב הזה הן בעצמן תת-חבורות; לעומת זאת המכפלה והחיתוך של תת-חבורות נורמליות הם תת-חבורות נורמליות. תרגיל: אם A,B,C תת-חבורות נורמליות ו- [math]\displaystyle{ \ A \subset C }[/math] תת-חבורה מאינדקס סופי, הוכח ש- [math]\displaystyle{ \ |C/A|=|BC/BA|\cdot |C\cap B / A \cap B| }[/math].

הסברנו את ההתאמה בין אוסף תת-החבורות של G המכילות תת-חבורה נורמלית K, לבין אוסף תת-החבורות של חבורת המנה G/K. ההתאמה הזו שומרת (בשני הכיוונים) על הכלה, ולכן היא חד-חד-ערכית ושומרת על חיתוך ומכפלה. היא שומרת גם על נורמליות ועל מנות ואינדקסים. תרגיל. נסח את הטענות האלה במפורש, והוכח אחת או שתיים מהן.

הגדרנו כמה מושגים הקשורים באברים מתחלפים: המרכז (מם צרויה) של חבורה G הוא אוסף האברים [math]\displaystyle{ \ Z(G) }[/math] המתחלפים עם כל אברי החבורה. זוהי תמיד תת-חבורה נורמלית. הראינו שהמרכז של החבורה הסימטרית הוא טריוויאלי.

המרכז (ריש פתוחה) של איבר g הוא אוסף האברים המתחלפים איתו, והמרכז (כנ"ל) של תת-חבורה הוא אוסף האברים המתחלפים עם כל איבר בחבורה. תרגיל: כתוב, כפסוק על אברים בלבד, את שלוש הטענות הבאות: [math]\displaystyle{ \ A \subseteq C_G(B) }[/math]; [math]\displaystyle{ \ AB = BA }[/math]; [math]\displaystyle{ \ A \triangleleft AB }[/math].

אברים x,g מתחלפים אם ורק אם הצמדת g על-ידי x אינה משנה את האיבר. ברוח זו, הגדרנו את יחס הצמידות על החבורה: שני אברים הם צמודים אם אפשר להגיע מאחד לשני על-ידי הצמדה, כלומר, הצמודים של x הם האברים מהצורה [math]\displaystyle{ \ g x g^{-1} }[/math]. הוכחנו שמספר האברים במחלקת הצמידות של a שווה לאינדקס [math]\displaystyle{ \ [G:C_G(a)] }[/math] של המרכז של האיבר בחבורה (ומכאן שמספר האברים הזה מחלק את סדר החבורה).

הרצאה שמינית

הפירוק של חבורה לאיחוד של מחלקות צמידות קובע את שוויון המחלקות [math]\displaystyle{ \ |G|=|Z(G)|+\sum [G:C_G(x)] }[/math], שבו הסכום באגף ימין הוא על נציג אחד מכל מחלקה של אברים לא מרכזיים (המחלקה של איבר מרכזי כוללת אותו בלבד).

משוויון המחלקות מסיקים של"חבורת-p" (חבורה מסדר [math]\displaystyle{ \ p^n }[/math]) יש מרכז לא טריוויאלי. הראינו שאם G חבורה לא אבלית, אז המנה [math]\displaystyle{ \ G/Z(G) }[/math] אינה יכולה להיות ציקלית. בעזרת שתי התוצאות האחרונות אפשר למיין את כל החבורות מסדר [math]\displaystyle{ \ p^2 }[/math] (כולן אבליות, ובהמשך נראה שיש רק שתיים כאלה - [math]\displaystyle{ \ \mathbb{Z}_{p^2} }[/math] ו- [math]\displaystyle{ \ \mathbb{Z}_p^2 }[/math]), ואת כל החבורות הלא-אבליות מסדר [math]\displaystyle{ \ p^3 }[/math] (יש שתיים).

הראינו שבחבורה הסימטרית [math]\displaystyle{ \ S_n }[/math], שתי תמורות הן צמודות זו לזו אם ורק אם יש להן אותו מבנה מחזורים. זה מאפשר לנתח קומבינטורית את מחלקות הצמידות של החבורה הזו, לחשב מרכזים, וכדומה.

הוכחנו את משפט קיילי, הקובע שכל חבורה סופית איזומורפית לתת-חבורה של חבורת תמורות. תרגיל. הציגו את [math]\displaystyle{ \ S_3 }[/math] בתור תת-חבורה של [math]\displaystyle{ \ S_6 }[/math].

הרצאה תשיעית

הגדרנו את הסימן של תמורה [math]\displaystyle{ \ \sigma }[/math] בתור הזוגיות של מספר 'הפרות הסדר', שהן זוגות [math]\displaystyle{ \ i\lt j }[/math] עם [math]\displaystyle{ \ \sigma(i)\gt \sigma(j) }[/math]. הפונקציה הזו היא הומומורפיזם [math]\displaystyle{ \ S_n \rightarrow \{\pm 1\} }[/math]. כל תמורה אפשר להציג כמכפלה של חילופים (לאו דווקא זרים, כמובן). מכיוון שלכל חילוף יש סימן אי-זוגי, הסימן קובע את הזוגיות של מספר החילופים בכל הצגה כזו.

הגרעין של העתקת הסימן, היינו אוסף כל התמורות הזוגיות, הוא תת-חבורה נורמלית מאינדקס 2 של [math]\displaystyle{ \,S_n }[/math], שאותה מסמנים ב-[math]\displaystyle{ \,A_n }[/math]. כפי ש-[math]\displaystyle{ \,S_n }[/math] נוצרת על-ידי כל החילופים, [math]\displaystyle{ \,A_n }[/math] נוצרת על-ידי כל המחזורים מאורך 3. אם [math]\displaystyle{ \ n\geq 5 }[/math] אז החבורה [math]\displaystyle{ \ A_n }[/math] פשוטה, כלומר, אין לה תת-חבורות נורמליות לא טריוויאליות.

חבורת האוטומורפיזמים של חבורה G כוללת, לפי ההגדרה, את כל האוטומורפיזמים של החבורה (אלו הם הומומורפיזמים חד-חד-ערכיים ועל, מן החבורה אל עצמה). הצמדה באיבר של G מגדירה אוטומורפיזם, והפונקציה המתאימה לכל איבר את ההצמדה בו-עצמו היא הומומורפיזם, שהגרעין שלו הוא מרכז החבורה. התמונה נקראת "חבורת האוטומורפיזמים הפנימיים", והיא תת-חבורה נורמלית של חבורת האוטומורפיזמים.

לאחר שהוברר שהצמדה מסוגלת להגדיר אוטומורפיזמים על החבורה, אפשר להשתמש בשיטה הזו גם כדי להגדיר אוטומורפיזמים של תת-חבורות. אם H תת-חבורה נתונה, נסמן ב- [math]\displaystyle{ \ N_G(H) = \{g\in G: gHg^{-1} =H\} }[/math] את המנרמל של H. זוהי תת-החבורה הגדולה ביותר של G שבתוכה H נורמלית. שיטת ההצמדה מגדירה הומומורפיזם של המנרמל לתוך חבורת האוטומורפיזמים של H, שהגרעין שלו הוא המרכז [math]\displaystyle{ \ C_G(H) }[/math]. כך מתקבל "משפט N/C": המנה [math]\displaystyle{ \ N_G(H)/C_G(H) }[/math] איזומורפית לתת-חבורה של חבורת האוטומורפיזמים של H.

הרצאה עשירית

הוכחנו את משפט קושי: בכל חבורה (סופית) שהסדר שלה מתחלק ב-p, יש איברים מסדר p (הוכחנו את התוצאה בכמה שלבים: בחבורות ציקליות זהו תרגיל קל; בחבורות אבליות כלליות עוברים לחבורת מנה ביחס לתת-חבורה ציקלית ומסיימים באינדוקציה; בחבורות כלליות מפעילים את שוויון המחלקות).

מכאן עברנו לנתח חבורות אבליות. הגדרנו את האקספוננט של חבורה אבלית A, שהוא המספר e הקטן ביותר המקיים [math]\displaystyle{ \ x^e = 1 }[/math] לכל [math]\displaystyle{ \ x\in A }[/math]. האקספוננט שווה לכפולה המשותפת המינימלית של כל הסדרים של אברים של A. לפי משפט קושי, הראשוניים המחלקים את סדר החבורה הם אותם ראשוניים המחלקים את האקספוננט שלה. בכל חבורה אבלית יש איבר מסדר השווה לאקספוננט שלה (בכתה הוכחנו את הטענה רק לחבורת-p אבלית).

מכיוון שהחבורה A אבלית, פעולת ההעלאה בחזקת n היא הומומורפיזם, ואפשר להגדיר את הגרעין [math]\displaystyle{ \ A_n = \{x: x^n=1\} }[/math] והתמונה [math]\displaystyle{ \ A^n = \{x^n\} }[/math]. הראינו שחבורה אבלית מסדר nm, כאשר n,m זרים, היא מכפלה ישרה של תת-החבורות [math]\displaystyle{ \ A^n \times A^m }[/math], שהסדרים שלהן m ו-n בהתאמה. באינדוקציה, נובע מכאן שכל חבורה אבלית מתפרקת למכפלה ישרה של חבורות מסדר חזקת ראשוני.

המשפט המרכזי על חבורות-p אבליות קובע שאם H תת-חבורה ציקלית של A שסדרה שווה לאקספוננט של A (ותמיד קיימת כזו), אז A מתפרקת למכפלה ישרה של H ותת-חבורה נוספת. מכאן נובע, באינדוקציה, שכל חבורת-p אבלית היא מכפלה ישרה של חבורות ציקליות. בשילוב עם התוצאה הקודמת, קיבלנו שכל חבורה אבלית סופית היא מכפלה ישרה של חבורות ציקליות.

הרצאה אחת-עשרה

התאוריה של חבורות אבליות סופיות מסוכמת במשפט הבא: כל חבורה אבלית סופית אפשר להציג באופן יחיד בצורה [math]\displaystyle{ \ \mathbb{Z}_{d_1} \times \cdots \times \mathbb{Z}_{d_t} }[/math], כאשר [math]\displaystyle{ \ d_1|\cdots | d_t }[/math]. את הקיום מוכיחים על-ידי קיבוץ מרכיבי-p הגדולים ביותר לכדי המרכיב האחרון, הגדולים ביותר מאלו שנותרו מרכיבים את המרכיב השני בגודלו, וכן הלאה. היחידות נובעת מכך שאנו יכולים לחשב את [math]\displaystyle{ \ d_1 }[/math] מתוך החבורה. אכן, מספר הגורמים t הוא הערך המקסימלי שהפונקציה [math]\displaystyle{ \ \log_p|A/pA| }[/math] מקבלת; ובנוסף לזה, [math]\displaystyle{ \ |p^{\ell-1}A/p^\ell A| = p^t }[/math] אם ורק אם [math]\displaystyle{ \ p^\ell | d_1 }[/math]. מובן שמחזקות הראשוניים המחלקות את המספר אפשר לשחזר אותו באופן מלא.

התחלנו ללמוד את תורת החוגים: נלמד רק חוגים קומוטטיביים עם יחידה. חוג קומוטטיבי, אם כך, הוא מערכת מתמטית עם שתי פעולות ("חיבור" ו"כפל") ושני קבועים ("0" ו"1"). הגדרנו מהם תת-חוגים, אידיאלים, סכום ומכפלה של אידיאלים (שגם הם אידיאלים), הומומורפיזמים של חוגים, גרעין ותמונה. משפט האיזומורפיזם הראשון לחוגים קובע שלכל הומומורפיזם [math]\displaystyle{ \ \phi : R \rightarrow S }[/math] מתקיים [math]\displaystyle{ \ R/\operatorname{Ker}(\phi) \cong \operatorname{Im}(\phi) }[/math].

הרצאה שתים-עשרה

לכל איבר a בחוג R, קבוצת הכפולות [math]\displaystyle{ \ Ra = \{xa : x \in R\} }[/math] של a היא אידיאל; אידיאל מסוג זה נקרא אידיאל ראשי.

הגדרנו אידיאל מקסימלי; אידיאל (בחוג קומוטטיבי) הוא מקסימלי אם ורק אם המנה ביחס אליו היא שדה; בפרט, אידיאל האפס מקסימלי אם ורק אם החוג הוא שדה.

הגדרנו אידיאל ראשוני. אידיאל הוא ראשוני אם ורק אם המנה ביחס אליו היא תחום שלמות (כלומר, חוג קומוטטיבי שאין בו מחלקי אפס. איבר [math]\displaystyle{ \ a \neq 0 }[/math] הוא מחלק אפס אם יש איבר [math]\displaystyle{ \ b\neq 0 }[/math] כך ש- [math]\displaystyle{ \ ab = 0 }[/math]). בפרט, אפס הוא אידיאל ראשוני אם ורק אם החוג הוא תחום שלמות.

כל תת-חוג של שדה הוא תחום שלמות (גם ההיפך נכון: כל תחום שלמות מוכל בשדה, הקרוי "שדה השברים" שלו). בפרט, כל שדה הוא תחום שלמות, ולכן כל אידיאל מקסימלי הוא ראשוני.

התכונות הבסיסיות של אברים בתחום שלמות סובבות סביב יחס החלוקה. כמו בשעור הראשון, [math]\displaystyle{ \ a|b }[/math] (קרי, a מחלק את b) אם קיים בחוג איבר c כך ש- [math]\displaystyle{ \ b = ac }[/math]. איבר הוא הפיך (ביחס לכפל!) אם ורק אם הוא מחלק את 1. מגדירים יחס חברות, [math]\displaystyle{ \ a\sim b }[/math] אם a ו-b מחלקים זה את זה; באופן שקול, אם אחד מהם הוא כפולת השני באיבר הפיך. (שימו לב שהשקילות מניחה שבחוג אין מחלקי אפס).

איבר הוא אי-פריק אם אין לו מחלקים פרט לחבריו וההפיכים. איבר הוא ראשוני אם כשהוא מחלק מכפלה הוא מוכרח לחלק את אחד הגורמים שלה. p הוא איבר כזה אם ורק אם האידיאל הראשי ש-p יוצר, Rp, הוא ראשוני. בכל תחום שלמות, אם איבר מתפרק כמכפלה של גורמים ראשוניים, אז אין לו פירוק אחר לגורמים אי-פריקים.

הגדרנו חוג אוקלידי, והראינו שאם a,b שונים מאפס, אז [math]\displaystyle{ \ d(a)=d(ab) }[/math] אם ורק אם b הפיך. מכאן נובע באינדוקציה שכל איבר בחוג אוקלידי הוא מכפלה של איברים אי-פריקים. הוכחנו גם שכל אידיאל של חוג אוקלידי הוא ראשי (לדוגמא, האידיאל [math]\displaystyle{ \ \mathbb{Z}n+\mathbb{Z}m }[/math] של [math]\displaystyle{ \ \mathbb{Z} }[/math] הוא ראשי; זהו המשפט שהוכחנו בשעור הראשון). מכאן נובע שבחוג אוקלידי, כל איבר אי-פריק יוצר אידיאל מקסימלי, ולכן הוא ראשוני. כלומר, בחוג אוקלידי המושגים "ראשוני" ו"אי-פריק" מתלכדים (למרות שהדבר אינו כך בתחומי שלמות כלליים).

בתרגיל תראו שחוג הפולינומים מעל שדה, [math]\displaystyle{ \ F[\lambda] = \{a_n\lambda^n+\cdot+a_1\lambda+a_0 : a_0,\dots,a_n\in F\} }[/math], הוא חוג אוקלידי. מכאן שכל פולינום מתפרק לגורמים אי-פריקים באופן יחיד, ושהאידיאל הנוצר על-ידי איבר אי-פריק הוא מקסימלי.

הרצאה שלוש-עשרה

המטרה היא לבנות שדות סופיים. הגדרנו את המאפיין של שדה, שהוא הסדר של 1 בחבורה החיבורית של השדה (אם הסדר הוא אינסופי, אומרים שהמאפיין שווה לאפס. לפי ההגדרה הזו, המאפיין הוא היוצר של הגרעין של ההומומורפיזם היחיד מחוג השלמים אל השדה). המאפיין הוא תמיד אפס או מספר ראשוני. לשדה סופי יש מאפיין ראשוני. כל שדה ממאפיין ראשוני p מכיל עותק של השדה מסדר p.

אם שדה מכיל תת-שדה, אז הוא מהווה מרחב וקטורי מעליו, ויש לו מימד. מספר האברים במרחב וקטורי n ממדי מעל שדה F שווה ל- [math]\displaystyle{ \ |F|^n }[/math], ולכן מספר האברים בכל שדה סופי הוא חזקה של ראשוני.

לפולינום [math]\displaystyle{ \ f(\lambda) }[/math] יש שורש a אם ורק אם [math]\displaystyle{ \ (\lambda-a)|f(\lambda) }[/math]. בגלל הפירוק היחיד לגורמים, נובע מכאן שמספר השורשים של פולינום חסום על-ידי המעלה שלו.

לכל פולינום f, חוג המנה [math]\displaystyle{ \ F[\lambda]/\langle f(\lambda)\rangle }[/math] הוא מרחב וקטורי ממימד השווה למעלת f; אם f אי-פריק, זהו שדה, המכיל שורש של הפולינום. באינדוקציה, יוצא מזה שאפשר לבנות לכל פולינום "שדה מפצל" (שהוא שדה שבו הפולינום מתפרק למכפלה של גורמים ליניאריים).

כדי לבנות שדה מסדר [math]\displaystyle{ \ q=p^n }[/math], מתבוננים בפולינום [math]\displaystyle{ \ \lambda^q - \lambda }[/math] מעל השדה מסדר p. בתוך שדה מפצל שלו, כל השורשים שונים זה מזה, ולכן יש בדיוק q שורשים. בשל האדיטיביות של העלאה בחזקת q, מתברר שאוסף השורשים הוא שדה - מסדר q, כנדרש.

לכל n יש פולינום אי-פריק ממעלה n מעל השדה מסדר p, ופולינומים כאלה מאפשרים לבנות את השדה מסדר [math]\displaystyle{ \ p^n }[/math] באופן ישיר. אם מקדישים תשומת לב רבה יותר לשדות פיצול, אפשר להוכיח שהשדה מסדר q הוא יחיד (עד כדי איזומורפיזם).