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8 GRUPPI E ANELL

Nel documento Istituzioni di Matematica (pagine 67-85)

8.1 - Gruppi.

Siano un insieme e G æ un’operazione in .G

Si dice che è un G gruppo rispetto a æ, oppure (più correttamente!) che la coppia ÐG, æÑ è un gruppo, se valgono le seguenti proprietà:

G.1 l’operazione æ è associativa;

G.2 esiste in l’elemento neutro per G æ;

G.3 per ogni gG esiste il Ð Ñ14 simmetrico di rispetto a g æ. Se inoltre

G.4 l’operazione æ è commutativa il gruppo si dice commutativo o abeliano.

Esempi

8.1.1 e sono gruppi abeliani rispetto alla somma.™ 

8.1.2 non è un gruppo rispetto alla somma (non esiste in generale l’opposto di un elemento).

8.1.3 e non sono gruppi rispetto al prodotto (non esiste l’inverso di ).™  ! 8.1.4 ÏÖ!× e  sono gruppi abeliani rispetto al prodotto.

8.1.5 Per ogni insieme , l’insieme delle permutazioni su (cfr. 4.4) è un gruppo (inA A generale non abeliano) rispetto alla composizione di funzioni definita in 4.7.

8.1.6 Sia un insieme. ( ) (cfr. 3.5) non è un gruppo né rispetto all’unione né rispettoA c A all’intersezione; è però un gruppo abeliano rispetto all’operazione æ (detta differenza simmetrica) definita come segue:

XæYœ(XY) (Ï XY) aX Y, −c( ).A

8.2 - Sottogruppi.

Sia ÐG, æÑ un gruppo.

Un sottoinsieme non vuoto di , chiuso rispetto a H G æ, si dice sottogruppo di seG ÐH, æÑ è ancora un gruppo Ð Ñ15 .

Esempi

8.2.1 ™ non è un sottogruppo di Й,  Ñ, pur essendo chiuso rispetto alla somma. 8.2.2  è un sottogruppo di Ð ÏÖ!× † Ñ , (cfr. esempio 8.1.4).

Teorema 8.2.3

Sia ÐG, æÑ un gruppo, e sia un sottogruppo di G. L’elemento neutro per H æ in coincideH con l’elemento neutro per æ in (e quindi, per ogni G hH il simmetrico di in coincideh H col simmetrico di in ).h G

Dimostrazione  Sia l’elemento neutro per 8 æ in , e sia G 8" l’elemento neutro per

æ in . Poiché H 8"H, deve essere 8"æ8" œ8"; dunque si ha (indicando con 8" il simmetrico di 8" in )G

8œ æ œ æÐ8 8 8 8"æ8"Ñ œ æ8 8"æ8"œ æÐ8 8"æ8"Ñæ8"œ Ð æ8 8"ÑæÐ8"æ8"Ñ œ8"æ œ8 8".

Possiamo ora applicare il teorema 7.5.1 e concludere che per ogni elemento di il simmetricoH in coincide col simmetrico in .H G

8.3 - Omomorfismi e isomorfismi tra gruppi. Siano , ÐG æÑ Ðe , H ‰ Ñgruppi.

Una funzione :f GÄH tale che ( )W f œG si dice un omomorfismo tra ÐG, æÑ e ÐH, ‰ Ñ (o anche, più semplicemente, tra e ) seG H

f x( æyf x( )‰f y( ) ax y, .−G Un omomorfismo che sia anche una corrispondenza biunivoca si dice isomorfismo.

Esempio 8.3.1

Un esempio significativo e importante di isomorfismo tra gruppi sarà dato in 10.4 (teorema 10.4.2).

15 Rigorosamente, la notazione ( , ) è impropria; infatti, quella che si può considerare in non èH æ H l’operazione æ ma la restrizione ad di H æ (cfr. 4.5). Distinguere tra æ e la sua restrizione ad appesantirebbeH

8.4 - Anelli.

Sia un insieme con almeno due elementi, e siano A  †, due operazioni in (cheA chiameremo rispettivamente somma e prodotto).

Si dice che è un A anello rispetto a  e , oppure (più correttamente!) che la terna† ÐA,  † Ñ, è un anello, se

A.1 ÐA,  Ñ è un gruppo commutativo; A.2 il prodotto è associativo;

A.3 il prodotto è distributivo rispetto alla somma.

Se inoltre

A.4 esiste in un elemento neutro per il prodottoA oppure

A.5 il prodotto è commutativo

si dice rispettivamente che è un A anello con unità (e l’elemento neutro si dice l’unità di , eA si indica con “ ”) oppure che è un " A anello commutativo. Naturalmente, se valgono sia la A.4

che la A.5 si dice che è un A anello commutativo con unità.

Ricordiamo che, come convenuto in 7.4, gli elementi neutri per la somma e il prodotto si indicano rispettivamente con “ ” e “ ”; qualora possa esservi confusione con i numeri! " naturali e , si usano le notazioni “! " !A” e “"A”. Inoltre, secondo quanto stabilito in 7.5, l’opposto di un elemento si indica con x x, l’inverso di un elemento (se esiste) si indicax con .x"

Esempi

8.4.1 ™ e sono anelli commutativi con unità rispetto alle ordinarie operazioni di somma e prodotto.

8.4.2 L’insieme dei polinomi a coefficienti in (oppure in ) nell’indeterminata è un™  x anello commutativo con unità rispetto alle usuali operazioni di somma e prodotto.

8.4.3 L’insieme dei numeri interi pari (cioè della forma #5 con 5 − ™) è un anello commutativo senza unità rispetto alle ordinarie operazioni di somma e prodotto.

Osservazione 8.4.4

Sia ÐA,  † Ñ, un anello. Per ogni aA, si ha a† ! œ ! †aœ !.

Dimostrazione Ricordiamo che abbiamo convenuto in 7.4 di indicare con  !

l’elemento neutro di rispetto alla somma. Si haA

a† ! œ a† !  ! œ( ) a† !  † !a

da cui (sommando ad ambo i membri l’opposto di a† !) si ricava che ! œa† !. Allo stesso modo si trova che ! †aœ !.

Osservazione 8.4.5

Sia ÐA,  † Ñ, un anello con unità. Si ha " Á !

ossia, l’elemento neutro per il prodotto è necessariamente distinto dall’elemento neutro per la somma.

Dimostrazione  Se fosse " œ !, per ogni aA sarebbe

aœa† " œa† ! œ !

e dunque in esisterebbe solo l’elemento , contro l’ipotesi che sia un anello (e che dunqueA ! A appartengano ad almeno due elementi).A

Osservazione 8.4.6

Sia ÐA,  † Ñ, un anello con unità. Non esiste in l’inverso di .A !

Dimostrazione Se aA, è a† ! œ ! per l’osservazione 8.4.4, e dunque (per

l’osservazione 8.4.5) non può essere a† ! œ ".

Osservazione 8.4.7

Sia ÐA,  † Ñ, un anello con unità. Si ha

Ð  " † Ð  " œ ") ) ; inoltre, per ogni aA, si ha

Ð  " †) aœ a.

Dimostrazione  Per l’osservazione 8.4.4 si ha (applicando la proprietà distributiva)

! œ ! † Ð  " œ Ð"  Ð  "ÑÑ † Ð  "Ñ œ " † Ð  "Ñ  Ð  "Ñ † Ð  "Ñ œ  "  Ð  " † Ð  ") ) ) e dunque, sommando ad ambo i membri, la prima parte dell’asserto. Inoltre, sempre" applicando l’osservazione 8.4.4 e la proprietà distributiva,

Ð  " † ) a aœ Ð  " †  " †) a aœ Ð  "  " †) aœ ! †aœ ! e, analogamente, a Ð  " †) aœ ! , cosicché Ð  " †) a è l’opposto di .a

8.5 - Omomorfismi e isomorfismi tra anelli. Siano , , ÐA  † Ñ Ðe , , B Š  Ñanelli.

Una funzione :f AÄB tale che ( )W f œA si dice un omomorfismo tra ÐA, † Ñ, e ÐB,Š  Ñ, (o anche, più semplicemente, tra e ) seA B

f x( yf x( )Šf y( ) e (f x y† )œf x( )f y( ) ax y, − A. Un omomorfismo che sia anche una corrispondenza biunivoca si dice isomorfismo.

Esempio 8.5.1

Un esempio significativo di omomorfismo tra anelli sarà dato in 8.6 (teorema 8.6.11).

Esercizio [*] 8.5.2

Siano ÐA,  † Ñ, e ÐB, Š  Ñ, anelli, e sia :f AÄB un isomorfismo tra e . Si dimostriA B che la funzione inversa f":BÄA è un isomorfismo tra ÐB, Š  Ñ Ð, e A,  † Ñ, .

8.6 - L’anello ™8.

In tutta la sezione 8.6 supporremo fissato un numero intero positivo .8

Definiamo nell’insieme ™8 (cfr. 6.4) due operazioni: le indicheremo con “” e “ ”, e† le chiameremo rispettivamente somma e prodotto. Se [ ], [ ]+ , − ™8, poniamo

[ ]+  , ³ +  ,[ ] [ ]

e [ ] [ ]+ † , ³ + † ,[ ].

Si noti che con lo stesso simbolo “” abbiamo indicato a sinistra l’operazione che stiamo definendo in ™8 e a destra la ben nota operazione di somma in ; analogamente per il™ simbolo “ ” (che, per di piu, spesso si omette, proprio come in ). Ciò usualmente non dà† ´ ™ luogo ad ambiguità né a confusione.

Si noti inoltre che abbiamo definito la “somma” (e il “prodotto”) di due classi di resto mediante la somma (o, rispettivamente, il prodotto) dei loro rappresentanti: poiché tali rappresentanti non sono univocamente determinati, è importante assicurarsi che la definizione sia “ben posta”, ossia dipenda solo dalle classi considerate e non dai rappresentanti scelti in esse (cfr. l’esempio 4.2.1 e, più avanti, l’esempio 8.6.2). Ciò avviene mediante il

Teorema 8.6.1

Siano , , ’, ’+ , + , −™. Se [ ]+ œ +[ ’] e [ ], œ ,[ ’], allora [+  , œ +  ,] [ ’ ’] e [+, œ + ,] [ ’ ’].

Dimostrazione  Per l’osservazione 6.2.2, se [ ]+ œ +[ ’] e [ ], œ ,[ ’] deve essere

+ ´ + Ð’ mod8) e , ´ , Ð’ mod8),

ossia devono esistere , 2 5 − ™ tali che

’ e ’ .

+  + œ 28 ,  , œ 58

Allora

Ð+  ,Ñ  Ð+  , Ñ œ Ð+  + Ñ  Ð,  , Ñ œ 28  58 œ Ð2  5Ñ8’ ’ ’ ’

e dunque +  , ´ +  , Ð’ ’ mod )8

ossia, ancora per l’osservazione 6.2.2, [+  , œ +  ,] [ ’ ’] come si voleva dimostrare. Inoltre,

+,  + , œ +,  +,  +,  + , œ +Ð,  , Ñ  , Ð+  + Ñ œ +58  , 28 œ Ð+5  , 5Ñ8’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’

e dunque +, ´ + , Ð’ ’ mod )8

ossia, ancora per l’osservazione 6.2.2, [+, œ + ,] [ ’ ’] come si voleva dimostrare.

Esempio 8.6.2 Sia .8 œ $

Si ha [ ]# œ &[ ], tuttavia [ ]## œ " Á # œ #[ ] [ ] [ ]. Non sarebbe dunque possibile definire,&

analogamente a come si è fatto per somma e prodotto, un “elevamento a potenza” in ™8

ponendo [ ]+ [ ], ³ +[ ].,

Analogamente, per 8 œ &, si ha [ ]$ œ )[ ], tuttavia [ ]#$ œ ) œ $ Á " œ #&' œ #[ ] [ ] [ ] [ ] [ ].)

Teorema 8.6.3

Й8,  Ñ è un gruppo abeliano.

Dimostrazione  Proviamo in primo luogo che la somma in ™8 è associativa. Se [ ],+

[ ], [ ] appartengono a , - ™8 (con , , + , - −™), si ha

Ð +  , Ñ  - œ +  ,  - œ Ð+  ,Ñ  - œ[ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] œ +  Ð,  -Ñ œ +  ,  -Ó œ +  Ð ,  - Ñ[ ] [ ] [ [ ] [ ] [ ] perché la somma in è associativa.™

Si ha poi

[ ]+  ! œ +  ! œ + œ !  + œ !  +[ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] per ogni [ ]+ −™8, e dunque [ ] è l’elemento neutro per la somma in ! ™8.

Se [ ]+ −™8 (con + −™), si ha [ ]+  + œ  +  + œ ![ ] [ ] [ ] [ ] e dunque [ +] è l’opposto di [ ].+

Proviamo infine che la somma in ™8 è commutativa. Se [ ] e [ ] appartengono a + , ™8

(con , + , −™), si ha [ ]+  , œ +  , œ ,  + œ ,  +[ ] [ ] [ ] [ ] [ ]

Esercizio [*] 8.6.4

Si dimostri che Й8,  † Ñ, è un anello commutativo con unità.

Esempio 8.6.5 Sia .8 œ '

Si ha [ ] [ ]# † $ œ # † $ œ ' œ ![ ] [ ] [ ]; dunque in ™' non vale la legge di annullamento del prodotto.

Esempio 8.6.6 Sia .8 œ %

Si ha [ ] [ ]# † # œ # † # œ % œ ![ ] [ ] [ ]; dunque in ™% l’elemento [ ]# Á ! ha per quadrato .!

Esempio 8.6.7 Sia .8 œ $

Il polinomio B  # B$ [ ] si annulla per ogni elemento di ™$, ma non è il polinomio nullo.

Esempio 8.6.8 Sia .8 œ '

Si ha [ ]% œ % † % œ % † % † % œ % † % † á %[ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ].

Esercizio 8.6.9 Sia .8 œ '

Risolvere, se è possibile, le seguenti equazioni in ™' nell’incognita :B

[ ]$ † B œ #[ ]; [ ]$ † B œ $[ ]; [ ]% † B œ #[ ]; [ ]% † B œ $[ ]; [ ]& † B œ "[ ]; [ ]& † B œ #[ ]; [ ]; [ ]; B œ ## B œ $# B  " œ !# [ ] [ ]; B  # œ !# [ ] [ ]; B  $ † B  B  $ † B  % † B œ !& [ ] % $ [ ] # [ ] [ ].

Esercizio 8.6.10 Sia .8 œ (

Risolvere, se è possibile, le seguenti equazioni in ™( nell’incognita :B [ ]$ † B œ #[ ]; [ ]$ † B œ $[ ]; [ ]% † B œ #[ ]; [ ]% † B œ $[ ]; [ ]& † B œ "[ ]; [ ]& † B œ #[ ]; B œ ## [ ]; B œ $# [ ]; B  " œ !# [ ] [ ]. Teorema 8.6.11

La proiezione canonica ™Ä™8 è un omomorfismo fra anelli.

Dimostrazione  Siano , + , −™. Si ha [+  , œ +  ,] [ ] [ ] e [+, œ + ,] [ ][ ] per

definizione di somma e prodotto in ™8, e ciò prova l’asserto.

8.7 - I criteri di divisibilità per i numeri interi.

Come applicazione della teoria sviluppata nella sez. 8.6, dimostriamo i classici criteri di divisibilità per i numeri interi.

In tutta questa sezione, indichiamo con un numero intero e con un numero intero7 8 positivo. Ci proponiamo di stabilire condizioni necessarie e sufficienti affinché sia7 divisibile per , ossia (cfr. teorema 6.4.3 ed esercizio 6.4.4) affinché si abbia8

7 ´ ! Ð mod ).8

Poiché numeri opposti hanno gli stessi divisori, possiamo supporre che sia 7  !. I nostri criteri faranno riferimento alle cifre della rappresentazione posizionale di in7 base "!; sia dunque

7 œ - † "!  -5 5 5"† "!5" á  - † "!  - † "!  - † "!  -$ $ # # " !.

Per ogni numero intero , indicheremo con [ ] la classe di resto modulo a cui+ + 8 appartiene ; per il teorema 8.6.11, possiamo scrivere+

Teorema 8.7.1

Sia l’ultima cifra di . Si ha-! 7

7 ´ -! Ðmod )# 7 ´ -! Ðmod )&

e 7 ´ -! Ðmod"!).

Pertanto: è divisibile per sse l’ultima cifra di è , , , oppure ; è divisibile per 7 # 7 ! # % ' ) 7 & sse l’ultima cifra di è oppure ; è divisibile per 7 ! & 7 "! sse l’ultima cifra di è .7 !

Dimostrazione  Se 8 œ # oppure 8 œ & oppure 8 œ "!, è ["! œ !] [ ] e quindi

dalla ÐæÑ, ricordando l’osservazione 8.4.4, si ricava che [ ]7 œ -[ ]!

ossia (cfr. osservazione 6.2.2) 7 ´ -! Ðmod ).8

Le uniche cifre divisibili per sono , , , e ; le uniche cifre divisibili per sono # ! # % ' ) & ! e ; e l’unica cifra divisibile per & "! ! è . L’asserto è così completamente provato.

Teorema 8.7.2

Siano , e le ultime tre cifre di . Si ha- -# " -! 7

7 ´ - † "!  -" [ ] ! Ðmod )% e 7 ´ - † "!  - † "!  -# [ ]# " [ ] ! Ðmod)).

Pertanto: è divisibile per sse è divisibile per il numero formato dalle ultime due cifre di7 % % 7 7; è divisibile per sse è divisibile per il numero formato dalle ultime tre cifre di .) ) 7

Dimostrazione  Dalla ÐæÑ si ricava che

[ ]7 œ 2 † "!!!  - † "!  - † "!  - œ[ !] [ ] [ ] [# ]# [ ] [" ] [ ]!

œ 2 † "!!  - † "!  -[ "] [ ] [ ] [" ] [ ].!

Se 8 œ ), è ["!!! œ !] [ ] e quindi (ricordando l’osservazione 8.4.4) [ ]7 œ - † "!  - † "!  -[ ] [# ]# [ ] [" ] [ ];!

Se 8 œ %, è ["!! œ !] [ ] e quindi (ricordando ancora l’osservazione 8.4.4) [ ]7 œ - † "!  -[ ] [" ] [ ]!

come si voleva.

Teorema 8.7.3

Sia un numero intero, e siano , 7 - -5 5"á - -, , e le cifre di . Si ha# " -! 7 7 ´ -  -( 5 5" á  -  -  - Ñ Ð# " ! mod$) e 7 ´ -  -( 5 5" á  -  -  - Ñ Ð# " ! mod )*

Pertanto: è divisibile per [risp.: per sse è divisibile per [risp.: per ] la somma delle7 $ *Ó $ * sue cifre.

Dimostrazione  Se 8 œ $ oppure 8 œ *, è ["! œ "] [ ] e quindi dalla ÐæÑ si ricava

che [ ]7 œ - † "  -[ ] [ ]5 5 [ 5"] [ ]† " 5" á  - † "  - † "  - œ[ ] [ ]# # [ ] [ ]" [ ]!

œ -  -[ ]5 [ 5"] á  -  -  - œ -  -[ ]# [ ]" [ ]! [ 5 5" á  -  -  -# " !]. Dall’osservazione 6.2.2 segue l’asserto.

Osservazione 8.7.4 Sia .8 œ *

Per il teorema 8.6.11, se + œ ,  - allora è anche [ ]+ œ ,  -[ ] [ ]; se + œ ,  - allora è anche [ ]+ œ ,  -[ ] [ ]; se + œ , † - allora è anche [ ]+ œ , † -[ ] [ ]; se + œ ,;  < allora è anche [ ]+ œ , ;  <[ ][ ] [ ]. Attenzione: non vale il viceversa!

Il teorema 8.7.3 giustifica la cosiddetta “prova del ” per la somma, la sottrazione, la* moltiplicazione e la divisione euclidea.

Esercizio 8.7.5 Sia .8 œ *

Si trovino dei numeri interi , e tali che + , - + Á ,;  < ma [ ]+ œ , ;  <[ ][ ] [ ], mostrando così che la “prova del ” fornisce una condizione necessaria ma non sufficiente per l’esattezza* del calcolo.

Esercizio [*] 8.7.6

Si enunci una “prova del ” analoga a quella “del ”. Si può enunciare analogamente una$ * “prova del ” ? E una “prova dell’ ” ? E una “prova del # ) "!” ? E una “prova del ” ?'

Perché la più diffusa è la “prova del ” ?*

Teorema 8.7.7

Siano , - -5 5", á - -, , e le cifre di , e supponiamo pari (ponendo # " -! 7 5 - ³ !5 qualora 7 abbia un numero pari di cifre). Si ha

7 ´ Ð-  -5 5" á  -  -  - Ñ Ð# " ! mod"")

ossia 7 ´ Ð-  -5 5# á  -  - Ñ  Ð-# ! 5" -5$ á  - Ñ Ð" mod""Ñ.

Pertanto: è divisibile per 7 "" sse è divisibile per "" la differenza tra la somma delle sue cifre “di posto dispari” e la somma delle sue cifre “di posto pari”.

Dimostrazione  Se 8 œ "" si ha ["! œ  "] [ ], da cui (per il teorema 8.6.11)

["!]2 œ  "[ ] se è dispari e [2 "!]2 œ "[ ] se è pari.2

Ancora per il teorema 8.6.11, e ricordando che abbiamo scelto in modo che sia-5 5 pari, dalla ÐæÑ si ricava che

[ ]7 œ - † "  -[ ] [ ]5 5 [ 5"]† Ð  " Ñ  á  - † "  - † Ð  " Ñ  - œ[ ] [ ] [ ]# [ ]" [ ] [ ]!

œ -  -[ ]5 [ 5"] á  -  -  - œ -  -[ ]# [ ]" [ ]! [ 5 5" á  -  -  -# " !]. Dall’osservazione 6.2.2 segue l’asserto.

Esercizio [*] 8.7.8

Si enunci una “prova dell’""” analoga a quella “del ”, discutendone in raffronto vantaggi e* svantaggi.

9.- CAMPI

9.1 - Campi.

Sia un insieme con almeno due elementi, e siano F  †, due operazioni in (cheF chiameremo rispettivamente somma e prodotto).

Si dice che è un F campo rispetto a  e , oppure (più correttamente! che la terna† Ñ ( , F  † Ñ, è un campo, se

F.1 ( , F  † Ñ, è un anello e inoltre

F.2 (FÏÖ!× † Ñ, è un gruppo commutativo.

Sia ( , F  † Ñ, un campo. Il fatto che (FÏÖ!× † Ñ, sia un gruppo commutativo comporta in particolare che FÏÖ!× è chiuso rispetto al prodotto. Dunque un prodotto di elementi di F può essere solo se almeno uno dei fattori è (questa è la cosiddetta ! ! legge di annullamento del prodotto).

Sia ( , F  † Ñ, un campo, e sia xF. Se 8 −™, si indica con 8x l’elemento di F ottenuto sommando addendi tutti uguali a (cioè: 8 x 8 ³x x  á x x, dove compare x 8 volte al secondo membro); si pone poi Ð  8)x³  8( x). Convenendo infine che ! œ !x F , si è definito il significato della scrittura Dx per ogni D −™.

Sia ( , F  † Ñ, un campo, e sia xF. Se 8 − ™, si indica con x8 l’elemento di F ottenuto moltiplicando fattori tutti uguali a (cioè: 8 x x8 ³x x† † á †x, dove compare x 8 volte al secondo membro).

Esempi

9.1.1  è un campo rispetto alle ordinarie operazioni di somma e prodotto.

9.1.2 L’insieme †… # œ Ö! "×( ) , è un campo rispetto alle operazioni  †, definite ponendo

!  ! œ !; !  " œ "; "  ! œ "; "  " œ !; ! † ! œ !; ! † " œ !; " † ! œ !; " † " œ ".

9.1.3 Sia un numero primo. L’anello : ™: considerato in 8.6 è un campo, che si indica anche con †… :( ). Per : œ # si ottiene il campo considerato nell’esempio 9.1.2.

Esercizio [*] 9.1.4

Sia ( , F  † Ñ, un campo. Si dimostri che

(7  8)xœ 7  8x x a7 8 −, ™, xF (7x) († 8y)œ 78( )(xy) a7 8 −, ™, , x yF

9.2 - Isomorfismo tra campi.

Siano ( , F  † Ñ, e (F’, Š  Ñ, campi.

Una corrispondenza biunivoca :f FÄF’ si dice un isomorfismo tra e F F’ se

f x( yf x( )Šf y( ) e (f x y† )œf x( )f y( ) ax y, −F. Due campi tra i quali esista un isomorfismo si “comportano allo stesso modo” rispetto alla somma e al prodotto; si dice anche che “coincidono a meno di isomorfismi”.

Esercizio [*] 9.2.1

Siano ( , F  † Ñ, e (F’, Š  Ñ, campi, e sia :f FÄF’ un isomorfismo tra e F F’. Si dimostri che la funzione inversa f":F’ÄF è un isomorfismo tra (F’, Š  Ñ, e ( , F  † Ñ, .

9.3 - Sottocampi.

Sia ( , F  † Ñ, un campo.

Un sottoinsieme non vuoto di , chiuso rispetto alla somma e al prodotto, si diceK F

sottocampo di se ( , F K  † Ñ, è ancora un campo.

Esempio 9.3.1

9.4 - Campi ordinati.

Siano ( , F  † Ñ, un campo e Ÿ una relazione di ordine totale in (cfr. 5.2).F

Si dice che ( , F  †, , Ÿ Ñ è un campo ordinato se Ð Ñ16

9.4.CO1 aŸb Ê a Ÿc bc aa b c, , −F;

9.4.CO2 Ð Ÿ Ñ • Ð  !Ña b c Ê acŸbc aa b c, , −F.

Le 9.4.CO1 e 9.4.CO2 esprimono in sostanza il fatto che la relazione d’ordine Ÿ è “compatibile” con le operazioni di somma e prodotto definite in .F

Esempio 9.4.1

Il campo dei numeri razionali è un campo ordinato.

Esempio 9.4.2

Il campo †… #( ) considerato nell’esempio 9.1.2 non è un campo ordinato. Mostriamo infatti che: se per una relazione di ordine totale Ÿ in †…( ) valesse la # 9.4.CO1, non potrebbe essere né ! Ÿ "né " Ÿ !.

Se fosse

! Ÿ " allora per la 9.4.CO1 dovrebbe essere anche

!  " Ÿ "  " ossia " Ÿ ! da cui ! œ " , assurdo. Analogamente, se fosse " Ÿ ! allora per la 9.4.CO1 dovrebbe essere anche

"  " Ÿ !  " ossia

! Ÿ " da cui ancora ! œ " , assurdo.

Teorema 9.4.3

Sia ( , F  †, , Ÿ Ñ un campo ordinato. Comunque presi , , , a b c dF si ha Ð Ÿ Ñ • Ð Ÿ Ña b c d Ê a Ÿc bd

e Ð! ŸaŸ Ñ • Ð! Ÿb cŸ Ñd Ê acŸ bd.

Dimostrazione  Sia aŸb c, Ÿd . Per la 9.4.CO1, da aŸb segue che

a Ÿc bc e da cŸd segue che

b Ÿc b .d Per la proprietà transitiva della relazione Ÿ si ha allora che

a Ÿc b .d

Sia inoltre , , , a b c dF. Per la 9.4.CO2, da aŸb segue che acŸ bc

e da cŸd segue che

bcŸbd.

Per la proprietà transitiva della relazione Ÿ si ha allora che acŸbd.

Teorema 9.4.4

Sia un numero primo. Il campo : †…(:Ñ (cfr. esempio 9.1.3) non è un campo ordinato.

Dimostrazione  Procediamo per assurdo, supponendo che esista in †… :( ) una

relazione di ordine totale Ÿ tale che (†…( ), :  †, , Ÿ Ñ risulti un campo ordinato. Per l’osservazione 8.4.5, deve essere vera una e una sola delle seguenti due relazioni: "  ! oppure ."  !

Supponiamo in primo luogo che si abbia "  !; dal teorema 9.4.3 si ricava che ðóóóóóñóóóóóò ðóóóóóñóóóóóò"  "  á  "  !  !  á  !

:  " volte :  " volte

ossia  "  ! da cui, ancora per il teorema 9.4.3,  "  "  !  " ossia !  " assurdo perché abbiamo invece supposto che si abbia !  ".

Supponendo che si abbia "  !, si procede analogamente: dal teorema 9.4.3 si ricava in primo luogo che  "  ! e poi che !  " giungendo ancora ad un assurdo.

Sia ( , F  †, , Ÿ Ñ un campo ordinato.

Gli elementi di per i quali risulta x F x ! si dicono positivi; l’insieme di tali elementi si indica con F. Gli elementi di per i quali risulta x F x ! si dicono invece negativi; l’insieme di tali elementi si indica con F.

Si noti che (poiché Ÿ è per ipotesi una relazione di ordine totale) ÖF, Ö!×, F× è una partizione di (cfr. 3.7).F

Teorema 9.4.5

Sia ( , F  †, , Ÿ Ñ un campo ordinato. Comunque presi , , , a b c dF si ha che ab Ê a c bc;

Ð  Ñ • Ð  !Ña b c Ê acbc; Ð  Ñ • Ð  Ña b c d Ê a c bd; Ð! Ÿa Ñ • Ð! Ÿb c Ñd Ê acbd.

Dimostrazione  Se ab, per la 9.4.CO1 deve essere

a Ÿc b .c

Se fosse a œc bc, sommando c ad ambo i membri si avrebbe aœb, contro l’ipotesi; dunque, a c bc, come si voleva.

Se ab e c !, per la 9.4.CO2 deve essere acŸbc.

Se fosse acœbc, moltiplicando ambo i membri per c" (che esiste, perché è unF campo e cÁ ! essendo c !) si avrebbe aœb, contro l’ipotesi; dunque, acbc, come si voleva.

Le ultime due implicazioni seguono dalle prime due procedendo come nella dimostrazione del teorema 9.4.3.

Teorema 9.4.6

Sia ( , F  †, , Ÿ Ñ un campo ordinato, e sia xF. Si ha Ð Ñ17

xF Í xF.

Dimostrazione  Sia xF. Allora

x !

e dunque (per il teorema 9.4.5, sommando  x ad ambo i membri) !   x

ossia

xF. Viceversa, sia  −x F. Allora

  !x

e dunque (per il teorema 9.4.5, sommando ad ambo i membri)x !  x

ossia

xF come si voleva.

Teorema 9.4.7

Sia ( , F  †, , Ÿ Ñ un campo ordinato. Per ogni xF, si verifica uno e uno solo dei seguenti casi:

xF oppure xœ ! oppure xF.

Dimostrazione  Sia xF.

Proviamo in primo luogo che si verifica almeno uno dei casi xF, xœ !,  xF. Poiché la Ÿ è per ipotesi una relazione di ordine totale in , sarà F ! Ÿ x oppure xŸ ! ; se ! Ÿx, si ha xœ ! oppure xF; se xŸ ! si ha xœ ! oppure xF, ossia (per il teorema 9.4.5) xF.

Proviamo ora che si verifica uno solo dei casi xF, xœ !, xF. Se xœ ! (e quindi anche xœ !) non può essere xF né xF per definizione di F. Se fosse xF e xF, sarebbe x  ! e x  ! (da cui ancora !  x), ossia xœ ! (per la proprietà antisimmetrica) che è assurdo per la definizione di F.

17 Si ricordi che  x indica l’opposto di , cioè il simmetrico di rispetto alla somma, come convenutox x in 8.4.

Teorema 9.4.8

Sia ( , F  †, , Ÿ Ñ un campo ordinato. Comunque scelti , x yF, si ha: ( ) 3 Ð Ÿ Ñ Ê Ð x y yŸ  Ñx ;

( ) 33 x#   ! ; inoltre, Ðx# œ !Ñ Í Ð œ !Ñx ;

(333) "  ! (e, quindi,  "  !); inoltre, 5 † "  ! per ogni 5 − ™; ( ) 3@ Ð  !Ñ Í Ðx x"  !Ñ;

( ) @ Ð  x y !Ñ Ê Ðx" Ÿ y"Ñ;

( ) @3 Ðx y,   !Ñ Ê Ða5 − ™ÑÐÐx5  y5Ñ Í Ð   ÑÑx y ; (@33) Ð! x "Ñ Ê Ð x#  Ñx .

Dimostrazione  Proviamo la ( ). Dalla 3 xŸy segue subito (sommando x ad ambo

i membri) che yx  !. Se yxœ !, allora xœy e quindi  œ x y, da cui in particolare yŸ x. Se yx !, è yxF e quindi (per il teorema 9.4.6) xy !, da cui infine (sommando x ad ambo i membri) x y e dunque x  y, come si voleva.

Proviamo la ( ). Per la legge di annullamento del prodotto e per l’osservazione 8.4.4,33 è chiaro che x# œ ! se e solo se xœ !. Se x !, allora x#   ! †x (per la 9.4.CO2), e dunque x#   ! ricordando ancora l’osservazione 8.4.4. Se x !, allora x  ! (per il teorema 9.4.7) e dunque Ð x)#   ! per quanto appena visto. D’altro lato,

Ð x)# œ ÐÐ  " †) x)# œ Ð  ")# #x œ x# ricordando l’osservazione 8.4.7.

Poiché " œ "#, e " Á !, dalla ( ) segue che 33 "  !; per induzione su si prova5 facilmente la (333).

Essendo (x" "Ñ œx, per provare la ( ) basta mostrare che 3@ Ð  !Ñ Ê Ðx x" !Ñ. Sia allora x !. Se fosse x"  ! (non può essere x" œ ! per l’osservazione 8.4.4) sarebbe x"  ! (per il teorema 9.4.6), e quindi x"†x ! †x (per il teorema 9.4.5) ossia  "  ! contro la (333).

Proviamo ora la ( ). Sia @ x y !. Per la ( ) è anche , 3@ x y !; dunque x" "y  ! per la 9.4.CO2. Applicando ancora la 9.4.CO2 (con cœ x" "y Ñ alla x y, si trova y"  x", come si voleva.

La ( ) equivale alla@3

(xy x)( 5"x5#yx5$y# á x y5#y5"Ñ   ! Í xy  ! che è immediata per la 9.4.CO2 essendo per ipotesi , x y ! e quindi anche

x5"x5#yx5$y#  á x y5#y5"   !.

Proviamo infine la (@33). Poiché per ipotesi x !, per il teorema 9.4.5 si ha che Ð  "Ñx Ê Ðx#  Ñx e Ð  "Ñx Ê Ðx#  Ñx da cui l’asserto.

Osservazione 9.4.9

In un campo ordinato, l’equazione x# " œ ! nell’incognita x non ha soluzioni.

Dimostrazione  Infatti, x# " œ ! equivale a x# œ  " ; ma x#   ! per ogni

xF (per la ( ) del teorema 9.4.8) e 33  "  ! (per la (333) dello stesso teorema 9.4.8).

Siano ( , F  †, , Ÿ Ñ e (F’, Š , , £ Ñ campi ordinati.

Si dice isomorfismo tra ( , F  †, , Ÿ Ñ e (F’, Š , , £ Ñ un isomorfismo tra i campi ( , F  † Ñ, e (F’, Š  Ñ, (cfr. 9.2) per il quale sia inoltre

xŸy Í ( )f x £f y( ) ax y, −F.

Esercizio [*] 9.4.10

Siano ( , F  †, , Ÿ Ñ e (F’, Š , , £ Ñ campi ordinati, e sia :f FÄF’ un isomorfismo tra F e F’. Si dimostri che la funzione inversa f":F’ÄF è un isomorfismo tra (F’, Š , , £ Ñ e ( , F  †, , Ÿ Ñ.

Teorema 9.4.11

Ogni campo ordinato possiede un sottocampo isomorfo a .

Dimostrazione  Sia ( , F  †, , £ Ñ un campo ordinato. Definiamo una funzione ::

ÄF ponendo :Ð78 Ñ œ Ð7"FÑÐ8"FÑ" a78 − . Si dimostra (ma noi omettiamo i dettagli) che è “ben definita” (cioè che (: : 78Ñ non dipende dalla frazione 78 ma solo dal numero razionale che 78 rappresenta), che è iniettiva (e: quindi, poiché ( )W : œ, è una biiezione tra e ( ), cfr. 4.4), e infine che è un::: isomorfismo fra campi ordinati.

Nel documento Istituzioni di Matematica (pagine 67-85)

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