Kurs:Algebraische Zahlentheorie (Osnabrück 2020-2021)/Vorlesung 28
- Der Dirichletsche Einheitensatz
Es sei derGanzheitsringzur endlichen Körpererweiterung.InSatz 25.2haben wir gesehen, dass das Bild der reellen Gesamteinbettung
ein Gitterin ist, wobei die Anzahl der reellen Einbettungen und die Anzahl der Paare von komplexen Einbettungen bezeichnet. Zu jedem von verschiedenen Element ist in jeder reellen Komponente und in jeder komplexen Komponente von verschieden(Real- oder Imaginärteil kann aber sein).Um die Einheitengruppe von zu verstehen, betrachten wir die Abbildung
Man beachte, dass man für die komplexen Einbettungen die Werte
heranzieht. Insgesamt haben wir die Verknüpfung der folgenden Abbildungen
wobei die funktionalen Ausdrücke komponentenweise zu verstehen sind. Da die Einbettungen und der Betrag multiplikativ sind und der Logarithmus die Multiplikation in die Addition überführt, liegt insgesamt ein Gruppenhomomorphismus
vor. Wir sprechen von der logarithmischen Gesamtabbildung und bezeichnen sie mit . Diese ist insbesondere für die Einheitengruppewichtig.
Lemma
Es sei der Ganzheitsringzu einer endlichen Körpererweiterungmit reellen Einbettungen und Paaren von komplexen Einbettungen.
Dann besitzt dielogarithmische Gesamtabbildung
die folgenden Eigenschaften.
- DerKernvon eingeschränkt auf ist die Gruppe der Einheitswurzeln und insbesondere eine endliche zyklische Gruppe.
- Das Bild liegt in der Hyperebene.
- Das Bild ist eine diskreteUntergruppevon.
Beweis
- Für liegt die Faktorisierung
vor. Ein Elementwird genau dann unter auf den Nullvektor abgebildet, wenn in jeder reellen oder komplexen Komponente den Betrag besitzt. Diese Elemente liegen somit alle in einer beschränktenTeilmenge von aber ja auch im Gitter . Daher ist diese Menge endlich und daher ist wegen der Injektivität von auch die zugrunde liegende Menge in endlich. Also haben diese Elemente endlicheOrdnungund sindEinheitswurzeln.Umgekehrt ist ein Torsionselement der Einheitengruppe von in jeder Einbettung ein Torsionselement und hat daher den Betrag , wird also unter auf abgebildet.
- Seieine Einheit und sei
das totale komplexe Einbettungstupel. NachLemma 7.14ist die Norm von gleich
NachLemma 10.1ist der Betrag davon gleich . Unter der komponentenweise genommenen Abbildung
wird dieses Produkt auf die Summe abgebildet, somit gilt
Die letzte Gleichung bedeutet gerade, dass auf der Hyperebene liegt.
- Es ist zu zeigen, dass das Bild mit jeder beschränkten Teilmenge von einen endlichen Durchschnitt besitzt. Das Urbild einer beschränkten Teilmenge unter ist aber auch beschränkt, und der Durchschnitt mit dem Gitter ist endlich.
Die Hyperebene im vorstehenden Lemma hat die reelle Dimension , und darin ist das Bild eine diskrete Untergruppe. Es wird sich herausstellen, dass das Bild in dieser Hyperebene sogar ein Gitter ist, also von linear unabhängigen Vektoren erzeugt wird. Wir erläutern die Situation anhand von Beispielen kleinen Grades.
Beispiel
Zuquadratfreiemund zugehörigem imaginär-quadratischen Zahlbereich(vergleicheBeispiel 25.3)ist dielogarithmische Gesamtabbildungdurch
gegeben. Der minimale Wert von ist und das Bild der logarithmischen Abbildung liegt in . Hieran sieht man erneut, dass es in nur Einheitswurzeln als Einheiten gibt, vergleicheLemma 27.7.
Beispiel
Zuquadratfreiemund zugehörigem reell-quadratischen Zahlbereich mit der Gitterrealisierung
(vergleicheBeispiel 25.4)ist dielogarithmische Gesamtabbildungdurch
gegeben. Diese induziert für die Einheiten den Gruppenhomomorphismus
wobei das Bild(wegenLemma 28.1 (2)oder direkt)auf der Gegendiagonalen landet. Somit liegt ein Gruppenhomomorphismusvor. Der Kern besteht aus und das Bild ist eine diskrete Untergruppe von . Wir werden gleich sehen, dass das Bild die Form mitbesitzt.
Beispiel
Wir knüpfen anBeispiel 25.5an, also.Unter der logarithmischen Gesamtabbildungwird das Ringelement auf
bzw. auf
abgebildet. Die Einheiten bzw. werden auf
bzw.
und diese Vektoren liegen auf der durchdefinierten Ebene. Die lineare Unabhängigkeit dieser beiden Vektoren kann man über die Determinantezeigen.
Die numerischen Werte der Nullstellen des Polynoms sind ungefähr
Die Determinante der oberen -Untermatrix ist ungefähr
Die Bilder der beiden Einheiten und sind also linear unabhängig und daher besteht zwischen den Einheiten selbst in keine Beziehung der Form
für.
Bemerkung
Zu einem Körperautomorphismus der Ordnungauf einer endlichen Körpererweiterungmit einer reellen Einbettungund einem Elementmit
sind und exponentiell unabhängig, d.h. es besteht keine Relation der Form
mit.Aus
mit einem positiven rationalen Exponentenfolgt ja
woraus sich wegen der reellen Einbettungergibt, was ausgeschlossen ist. Daher sind auch die Logarithmen der Beträge von und linear unabhängig über . Wenn die Einheitengruppe den Rang besitzt, so muss bei rein reellen Erweiterungen zwischen den Einheiten und bis auf das Vorzeichen eine exponentielle Relation bestehen. Im reell-quadratischen Fall sind in der Tat für eine Einheit wegen
die beiden zueinander konjugierten Elemente auch bis eventuell auf das Vorzeichen zueinander invers.
Lemma
Es sei ein Zahlbereichmit der zugehörigenreellen Gesamteinbettung
und der Teilmenge
Dann gibt es eine beschränkte Teilmengemit
Beweis
Es seider Grad der Körpererweiterung. NachLemma 7.14gehört zu einer Einheitzu . Ferner ist mit komponentenweiser Multiplikation abgeschlossen in . Es seien positive reelle Zahlen mitfür die komplex-konjugierten Stellen und mit
Wir betrachten die durch definierte beschränkte Teilmenge
Zu einem Elementohne Nulleintrag ist die mit multiplizierte Menge gleich
NachLemma 10.9gibt es in für jede vorgegebene Norm bis auf Assoziiertheit nur endlich viele Elemente mit dieser Norm. Da als Norm nur ganze Zahlen auftreten, gilt dies auch für die Elemente unterhalb einer fixierten Norm. Deshalb gibt es von verschiedene Elementederart, dass jedes Elementmitzu einem der assoziiert ist.
Wir betrachten nun
und behaupten
wobei die Inklusion klar ist. Zum Beweis der anderen Inklusion sei.Wir betrachten . Wegengilt, dass das Produkt der Grenzen in wieder gleich ist und damit die eingangs fixierte Bedingung erfüllt. NachKorollar 26.3gibt es ein von verschiedenesmit,sagen wir
mit.Da die komponentenweise durch die beschränkt sind, ist der Betrag der Norm von durch beschränkt. Daher gibt es ein aus unserer endlichen Auswahlmenge und eine Einheit mit.Somit ist
und
Der folgende Satz heißt Dirichletscher Einheitensatz.
Satz
Es sei einZahlbereichmit reellen Einbettungen und Paaren von komplexen Einbettungen.
Dann ist
mit einer endlichen zyklischen Gruppe.
Beweis
Die logarithmische Gesamtabbildung
hat nachLemma 28.1denKern
und das Bild ist eine diskrete Untergruppe von
Unter der Faktorisierung
mitist die Menge
ausLemma 28.6das Urbild von . Die Überdeckung
mit einer beschränkten Teilmenge,die es nachLemma 28.6gibt, übersetzt sich zu
Da ebenfalls beschränkt ist, folgt aus Aufgabe 28.4,dass die Bildgruppe ein Gitter in ist.
Es liegt also eine kurze exakte Sequenz
vor. Indem man für die Standardvektoren rechts Urbilder in wählt, erhält man auch eine Darstellung
Definition
Eine Familie von Einheitenin einemZahlbereich heißt ein System vonFundamentaleinheiten, wenn man jede Einheit von in eindeutiger Weise als
mit einer Einheitswurzel und ganzzahligen Exponenten schreiben kann.
Bemerkung
Satz 28.7besagt insbesondere, dass es Systeme von Fundamentaleinheiten gibt, und dass stets
ist, wenn wieder die Anzahl der reellen und die Anzahl der Paare von komplexen Einbettungen bezeichnet. Bei einer Zerlegung
kann man eine Basis von und insbesondere die Standardbasis als System von Fundamentaleinheiten nehmen. Man beachte, dass weder die Zerlegung noch die dazu äquivalente Auswahl von Fundamentaleinheiten in irgendeiner Form kanonisch ist. Es liegt eine natürliche Untergruppenbeziehung
vor und damit gibt es auch einen natürlichen Restklassenhomomorphismus
und der Satz besagt eben, dass diese Restklassengruppeeine freiekommutative Gruppe vom Rang ist, also isomorph zu , es gibt aber keine natürliche Identifizierung dieser Restklassengruppe mit . Aus einer surjektiven Gesamtabbildung
erhält man eine freie Untergruppe von , indem man jedem Element der Standardbasis rechts ein Urbild aus zuordnet und von dieser Abbildung das Bild nimmt. Dies führt dann zu einer Zerlegung
Korollar
Es sei einequadratfreieZahl undder zugehörigequadratische Zahlbereich.
- Wenn positiv ist, so ist die Einheitengruppeisomorph zu .
- Wenn negativ ist, so ist die Einheitengruppe endlich.
Beweis
Dies folgt unmittelbar ausSatz 28.7in Verbindung mitLemma 27.3.
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