PDF

Materiál na štátnicu

Formát
PDF
Veľkosť
1,8 MB
Pridané
Stiahnutí
1 754
Hodnotenie
3,5/5
Stiahnuť PDF · 1,8 MB

Preber si túto poznámku so svojou AI

Skopíruj pripravený podklad a vlož ho do ChatGPT, Claude alebo inej AI — bude ťa učiť alebo skúšať len z tejto poznámky.

Otvoriť AI: ChatGPT · Claude · Gemini

Náhľad poznámky

Ondrej Vršanský

26.IX.1997

Materiál na štátnicu

Algebra

Verzia 1

Materiál na štátnicu

Algebra

- 2 -

Obsah.

2.1. ZÁKLADY........................................................................................................................................................................................4

2.1.1. ZÁKLADNÉ POJMY Z TEÓR ............................................................................................................................................4

2.1.2. GRUPY A POLIA. ...........................................................................................................................................................................4

2.2. VEKTOROVÉ PRIESTORY..........................................................................................................................................................4

2.2.1. VEKTOROVÉ PRIESTORY A PODPRIESTORY. ..................................................................................................................................4

2.2.2. L .......................................................................................................................5

2.2.3. BÁZA VEKTOROVÉHO PRIESTORU. ................................................................................................................................................6

2.2.4. LINEÁRNE ZOBRAZENIA................................................................................................................................................................7

2.3. MATICE. ..........................................................................................................................................................................................7

2.3.1. POJEM MATICE..............................................................................................................................................................................7

2.3.2. VYJADRENIE LINEÁRNYCH ZOBRAZENÍ POMOCOU MATÍC.............................................................................................................8

2.3.3. RIADKOVÁ EKVIVALENCIA MATÍC................................................................................................................................................8

2.3.4. REGULÁRNE MATICE. ...................................................................................................................................................................9

2.3.5. EKVIVALENTNÉ MATICE. ............................................................................................................................................................ 10

2.3.6. SÚSTAVY LINEÁRNYCH ROVNÍC.................................................................................................................................................. 10

2.4. EUKLIDOVSKÉ A UNITÁRNE PRIESTORY. .........................................................................................................................11

2.4.1. EUKLIDOVSKÉ PRIESTORY. ......................................................................................................................................................... 11

2.4.2. ORTOGONÁLNE MATICE. ............................................................................................................................................................ 13

2.4.3. UNITÁRNE PRIESTORY. ............................................................................................................................................................... 13

2.5. GRUPY............................................................................................................................................................................................15

2.5.1. POLOGRUPY................................................................................................................................................................................ 15

2.5.2. IZOMORFIZMUS NA GRUPÁCH. .................................................................................................................................................... 16

2.5.3. PODGRUPY. ................................................................................................................................................................................ 16

2.5.4. CYKLICKÉ GRUPY....................................................................................................................................................................... 17

2.5.5. HOMOMORFIZMY GRÚP. ............................................................................................................................................................. 18

2.5.6. P! "#$% &(' . ................................................................................................................................................................ 18

2.5.7. ROZKLADY NA GRUPÁCH............................................................................................................................................................ 20

2.5.8. INVARIANTNÉ PODGRUPY........................................................................................................................................................... 20

2.5.9. FAKTOROVÉ GRUPY.................................................................................................................................................................... 22

2.6. DETERMINANTY.........................................................................................................................................................................22

2.6.1. DETERMINANT MATICE............................................................................................................................................................... 22

2.6.2. VLASTNOSTI DETERMINANTOV................................................................................................................................................... 22

2.6.3. MATICE ELEMENTÁRNYCH ÚPRAV.............................................................................................................................................. 24

2.6.4. GRUPA REGULÁRNYCH MATÍC.................................................................................................................................................... 25

2.6.5. CRAMEROVO PRAVIDLO. ............................................................................................................................................................ 25

2.7. OKRUHY........................................................................................................................................................................................25

2.7.1. ZÁKLADNÉ VLASTNOSTI............................................................................................................................................................. 25

2.7.2. OBORY INTEGRITY...................................................................................................................................................................... 26

2.7.3. PODOKRUHY............................................................................................................................................................................... 26

2.7.4. HOMOMORFIZMY A IDEÁLY OKRUHOV. ...................................................................................................................................... 27

2.7.5. FAKTOROVÉ OKRUHY. ................................................................................................................................................................ 28

2.8. POLIA. ............................................................................................................................................................................................28

2.8.1. PODPOLE. ................................................................................................................................................................................... 28

2.8.2. PODIELOVÉ POLE. ....................................................................................................................................................................... 29

2.9. OKRUHY POLYNÓMOV. ...........................................................................................................................................................30

2.9.1. KONŠTRUKCIA POLYNÓMOV....................................................................................................................................................... 30

2.9.2. OKRUHY HLAVNÝCH IDEÁLOV. .................................................................................................................................................. 32

2.9.3. KORENE POLYNÓMOV. ............................................................................................................................................................... 33

2.9.4. ALGEBRAICKÉ ROZŠÍRENIA POLÍ................................................................................................................................................. 35

2.9.5. K#$)&" . ........................................................................................................................................................................ 35

2.10. BILINEÁRNE A KVADRATICKÉ FORMY............................................................................................................................36

Ondrej Vršanský

- 3 -

2.10.1. BILINEÁRNE FORMY. ................................................................................................................................................................ 36

2.10.2. CHARAKTERISTICKÉ VEKTORY A HODNOTY MATÍC (BI)LINEÁRNYCH ZOBRAZENÍ. ................................................................... 36

2.10.3. P * + !" , . ................................................................................................................................................................. 37

2.10.4. KVADRATICKÉ FORMY. ............................................................................................................................................................ 37

2.10.5. KONGRUENCIA MATÍC. ............................................................................................................................................................. 37

2.10.6. REÁLNE KVADRATICKÉ FORMY. ............................................................................................................................................... 38

Materiál na štátnicu

Algebra

- 4 -

2. Algebra.

2.1. Základy.
=iNODGQpSRMP\]WHyULHPQRĺtQ
2.1.2. Grupy a polia.

Definícia.

Usporiadanú dvojicu (A,

⊕) nazývame grupa, ak

• ⊕ je binárna asociatívna operácia na A

A je neprázdna

• ⊕ má neutrálny prvok e.

• ∀xAyA > xy = yx = e.

Príklad.

(Z, +) je grupa, (Q+,

∗) je grupa, (P1..n, °) je grupa.

Definícia.

Usporiadanú trojicu (A,

⊕, ⊗) nazývame okruh, ak

• (A, ⊕) je komutatívna grupa

• ⊗ je binárna asociatívna operácia na A

• ⊗

MHGLVWULEXWtYQDY]K DGRPQD⊕.

Definícia.

Neutrálny prvok operácie

⊗ okruhu (A, ⊕, ⊗) nazývame jednotka okruhu (A, ⊕, ⊗).

Príklad.

(Z, +,

∗) je komutatívny okruh s jednotkou. (2Z, +, ∗) je komutatívny okruh bez jednotky.

Definícia.

Okruh (A,

⊕, ⊗) nazývame obor integrity, ak ∀a,bA : a≠0 ∧ b≠0 ⇒ ab≠0.

Definícia.

Obor integrity s jednotkou nazývame teleso.

Príklad.

(Q, +,

∗) je teleso.

Definícia.

Teleso (A,

⊕, ⊗), kde ⊗ je komutatívna operácia, nazývame pole.

Veta 2.1.2.1.

Zn

MHSROHSUiYHYWHG\NH nMHSUYRţtVOR

Dôkaz.

6WDţtGRNi]D ĺHZnMHRERULQWHJULW\SUiYHYWHG\NH nMHSUYRţtVOR6SlWQiLPSOLNiFLDMH]UHMPiDNn je

SUYRţtVORWDNQHPiLQęFKGHOLWH RYQHĺMHGQRWNXWDNĺH∀x,y≠0 : xyn (=0 v Zn). Ak ale n nie jeSUYRţtVOR

tak

a,bA : a≠0 ∧ b≠0 ∧ ab = n = 0.

2.2. Vektorové priestory.
2.2.1. Vektorové priestory a podpriestory.

Definícia.

Usporiadanú trojicu (V,

⊕, ϕ) nazývame vektorový priestor

QDGSR RPF, ak

• (V, ⊕) je komutatívna grupa

• ϕ : V×FV je taká funk

FLDĺH∀α,β∈Fx,yV platí

α(xy) = αx ⊕ αy

(

α+β)x = αx ⊕ βx

α(β(x)) = (αβ)x

Ondrej Vršanský

- 5 -

1.x = x.

Lema 2.2.1.1.

∀α∈F : ak 0 je neutrálny prvok operácie ⊕ vektorového priestoru V, potom

• α.0 = 0

• α(-x) = -(αx)

Dôkaz.

• α.0 = α(0 ⊕ 0) = α.0 + α.0 ⇒ 0 = α.0.

• 0 = α.0 = α(x ⊕ (-x)) = αx ⊕ α(-x) ⇒ α(-x) = -(αx).

Definícia.

Vektorový priestor (W,

⊕, ψ) nazývame podpriestor vektorového priestoru (V, +, ϕ), ak

WV

• ∀x,yW : xy = x+y

• ∀xW ∀α∈F : ψ(α, x) = ϕ(α, x).

Veta 2.2.1.1.

Neprázdna W

V je podpriestor V

SUiYHYWHG\NH

x,yW : (x - y)∈W

• ∀xW ∀α∈F : αxW.

Dôkaz.

Dopredná implikácia je triviálna. Obrátene nech W

PiSRĺDGRYDQpYODVWQRVWLW≠∅WDNĺH∃xW. Ale

potom aj }x - x|

W ⇒ 0∈W. Rovnako (0 - x)∈W ⇒ -xW a teda ∀yW aj (x - (-y)) = (x + y)∈W.

Veta 2.2.1.2.

Nech W,W´súpodpriestory V. Potom aj

WW´je podpriestor V

W+W´= {x+y; xW a y} je podpriestor V.

Dôkaz.

• (x - y)∈W ∧ (x - y)∈W´⇒ (x - y)∈W. Takiso αx.

• Nech x,yW a x´,y´. Potom (x+) + (y+y´) = (x+y) ∈W + (+y´)∈W´ ⇒ (x+y)+(+y´)∈W+.

2.2.2. Lineárna závis

ORV DQH]iYLVORV YHNWRURY

Definícia.

Vektor x

V nazývame lineárna kombinácia vektorov x1..xnV, ak ∃α1..αn : x = α1x1 + ..

+

αnxn.

Veta 2.2.2.1.

Ak x1..xnV, tak [x1..xn] = {xV; x je lineárna kombinácia x1..xn} je podpriestor V.

Dôkaz.

x = (α1x1+ .. +αnxn), y = (β1x1+ .. +βnxn)∈[x1..xn] : (x - y) = (α1 - β1)x1 + .. + (αn - βn)xn. Podobne ∀α∈F

:

αx = αα1x1 + .. + ααnxn.

Definícia.

[x1..xn] nazývame podpriestor generovaný vektormi x1..xn.

Definícia.

Vektory x1..xn nazývame lineárne závislé, ak ∃i : xi je lineárna kombinácia ostatných.

Veta 2.2.2.2.

Vektory x1..xn sú lineárne závislé práve vtedy,

NH ∃α1..αn≠0 : Σαixi = 0.

Dôkaz.

Ak x1..xn sú lineárne závislé, tak ∃i : xi je lineárna kombinácia ostatných. Nech je to xn a nech xn = α1x1 +

.. +

αn-1xn-1. Potom ale pre αn = -1 platí Σαixi = xn - xn = 0. Obrátene ak ∃α1..αn≠0 : Σαixi = 0, potom xn =

α

α

-

. -

-

.

[

=

∑ /

/

x1..xn sú lineárne závislé.

Materiál na štátnicu

Algebra

- 6 -

Definícia.

Vektory x1..xnlineárne nezávislé, ak nie sú lineárne závislé.

Veta 2.2.2.3.

Vektory x1..xn

V~OLQHiUQH]iYLVOpSUiYHYWHG\NH ∃i : xi je lineárna kombinácia predchádzajúcich.

Dôkaz.

Spätná implikácia je triviálna. Teraz ak x1..xn sú lineárne závislé, tak vezmeme max{i; αi≠0}

NWRUpVS D

SRĺLDGDYRN]DGDQLD

Veta 2.2.2.4.

Ak x je lineárna kombinácia x1..xn, tak [x1..xn] = [x, x1..xn].

Dôkaz.

-H]UHMPpĺH[x1..xn] ⊆ [x, x1..xn]. Nech x = Σαixi a v = βx + Σβixi$NR]QDţtPHγi = αii, potom v =

Σαixi a teda v∈[x1..xn].

Dôsledok 2.2.2.1.

.DĺGiV~VWDYDYHNWRURYx1..xn obsahuje nezávislú podsústavu xi1..xim WDN~ĺH[x1..xn] = [xi1..xim].

Dôkaz.

3RVWXSQęP RGVWUD RYDQtP YHNWRURY V~VWDY\ x1..xn spôsobom popísaným vo vete 2.2.2.4 dosiahneme

nezávislú podsústavu, generujúcu ten istý podpriestor.

Veta 2.2.2.5.

Nech V = [x1..xn] a nech y1..ymV sú nezávislé. Potom nm.

Dôkaz.

x1..xn sú generujúce ⇒ y1,x1..xn

V~ OLQHiUQH ]iYLVOp 3RG D YHW\ Sootm existuje xi ako lineárna

kombinácia predchádzajúcich

SR MHKR RGVWUiQHQt RVWiYD JHQHUXM~FD V~VWDYD $OH WHQWR SRVWXS PRĺQR

SRVWXSQHDSOLNRYD QDYăHWN\ySULţRP]DNDĺGęPRGVWUiQLPHMHGHQxi (veta 2.2.3.2 nikdy nevyberie jeden z y,

lebo tie sú lineár

QHQH]iYLVOp$E\WRWRERORPRĺQpPXVtY\ nm.

2.2.3. Báza vektorového priestoru.

Definícia.

Nezávislú sústavu vektorov x1..xnV nazývame báza vektorového priestoru V, ak

[x1..xn] = V.

Veta 2.2.3.1.

Všetky bázy vektorového priestoru V

PDM~URYQDNęSRţHW vektorov.

Dôkaz.

Tvrdenie je triviálnym dôsledkom vety 2.2.2.5.

Definícia.

3RţHWYHNWRURYEi]YHNWRURYpKRSULHVWRUXV sa nazýva dimenzia VDR]QDţXMHdim(V).

Veta 2.2.3.2.

Ak dim(V) = n

WDNNĺGęFKn+1 vektorov z V je lineárne závislých.

Dôkaz.

Tvrdenie vyplýva priamo z tvrdenia 2.2.2.5.

Veta 2.2.3.3.

.DĺGęYHNWRUxVPRĺQR]DStVD MHGLQęPVS{VRERPDNROLQHiUQXNRPELQiFLXEi]\x1..xn.

Dôkaz.

-H]UHMPpĺHNDĺGęYHNWRUxVPRĺQR]DStVD DNROLQHiUQXNRPELQiFLXEi]\x1..xn. Nech existujú dva

rôzne zápisy x =

Σαixi = Σβixi (teda ∃i : αi≠βi). Ale x - x = Σαixi - Σβixi = Σ(αi - βi)xi

DNH ĺHx1..xn

lineárne nezávislé,

i=1..n : (αi - βi) = 0 ⇒ αi = βi.

Ondrej Vršanský

- 7 -

2.2.4. Lineárne zobrazenia.

Definícia.

Funkciu f : V

V´ nazveme lineárne zobrazenie z vektorového priestoru V do

vektorového priestoru V´, ak

• ∀x,yV : f(x+y) = f(x) + f(y)

• ∀xV ∀α∈F : fx) = α.f(x).

Veta 2.2.4.1.

f

MHOLQHiUQH]REUD]HQLHSUiYHYWHG\NH F(0) = 0 a ∀x,yV ∀α,β∈F : fx + βy) = α.f(x) + β.f(y).

Dôkaz.

Triviálne.

Definícia.

Lineárne zobrazenie f nazývame izomorfizmus, ak f je bijekcia.

Veta 2.2.4.2.

V : V a Fdim(V) sú izomorfné.

Dôkaz.

Pre daný V dimenzie n skonštruujeme izomorfizmus f : V

Fn. Pre x = x1..xn

SRORĺtPHf(x) = y = f(x1) + ..

+ f(xn

7RMH]REUD]HQLH SUHWRĺH Y\MDGUHQLH YăHWNęFK f(xiMHSRG D YHW\MHGLQp 1DY\ăHf-1(y) = Σf-

1(f(xi)) = Σxi = xWDNĺHf je izomorfizmus.

Veta 2.2.4.3 (Základná veta o lineárnych zobrazeniach).

Nech x1..xn je báza vo V a y1..yn je báza vo W. Potom existuje jediné lineárne zobrazenie f : VW t

DNpĺH

i=1..n : f(xi) = yi.

Dôkaz.

1DMSUYGRNiĺHPHĺHWDNp]REUD]HQLHH[LVWXMHQHMYLDFMHGQR1HFKf a gV~]REUD]HQLDVSRĺDGRYDQęPL

YODVWQRV DPL 3RWRP ∀x = α1x1..αnxn : f(x) = f(α1x1..αnxn) = Σfixi) = Σαi.f(xi) = Σαi.g(xi) = Σgixi) =

f(

α1x1..αnxn) = f(x) ⇒ f = g.

([LVWHQFLDOLQHiUQHKR]REUD]HQLDVSRĺDGRYDQęPLYODVWQRV DPLY\SOęYD]WRKRĺHIXQNFLDf, kde ∀x =

α1x1..αnxn : f(x) = α1y1..αnyn je lineárne zobrazenie.

Definícia.

Nech f : V

W je lineárne zobrazenie. Potom funkciu Ker(f) = {xV; f(x) =0} nazývame

jadro (Kernel) zobrazenia f.

Veta 2.2.4.4.

-DGURNDĺGpKROLQHiUQHKR]REUD]HQLDf : VW je podpriestor V. Navyše fMHLQMHNFLDSUiYHYWHG\NH

Kef(f) =

∅.

Dôkaz.

x,yV : f(x - y) = f(x) - f(y) = 0 - 0 = 0. Rovnako ∀xV ∀α∈F : fx) = α.f(x) = α

ýDV QDY\ăHMH

triviálna.

Definícia.

Nech f : V

W je lineárne zobrazenie. Potom funkciu Im(f) = {f(x)∈W; xV} nazývame

obraz (Image) zobrazenia f.

Veta 2.2.4.5.

2EUD]NDĺGpKROLQHiUQHKR]REUD]HQLDf : VW je podpriestor W.

Dôkaz.

f(x), f(y)∈W : x,yV. Ale ∀α,β∈F : α.f(x) + β.f(y) = fx + βy

SULţRPαx + βyV.

2.3. Matice.
2.3.1. Pojem matice.

Definícia.

Zobrazenie {1..n}

×{1..m}→F nazývame matica dimenzie n×m

QDGSR RPF.

Materiál na štátnicu

Algebra

- 8 -

2.3.2. Vyjadrenie lineárnych zobrazení pomocou matíc.

Definícia.

Nech x1..xn je báza vo V, y1..ym báza vo W a f : VW je lineárne zobrazenie. Nech

i∈1..n : f(xi) =

α

0121

1

3

\

=

∑ 4

. Potom maticu Mf =

α

α

α

α

α

565

5

5

/

0

0

/

7

89

:

7;:

nazývame maticou zobrazenia f.

Veta 2.3.2.1.

Nech f a g sú lineárne zobrazenia. Potom aj f+g je lineárne zobrazenie a Mf+g = Mf + Mg.

Dôkaz.

Triviálne.

Veta 2.3.2.2.

Nech f je lineárne zobrazenia. Potom

∀α∈F aj α.f je lineárne zobrazenie a Mαf = α.Mf .

Dôkaz.

Triviálne.

Veta 2.3.2.3.

Nech f : V

V´a g : V´→W sú lineárne zobrazenia. Potom aj g°f je lineárne zobrazenie a Mg°f = Mf × Mg.

Dôkaz.

∀α,β∈F : g°fx + βy) = g(fx + βy)) = g(α.f(x) + β.f(y)) = α.g°f(x) + β.g°f(y). Pritom ak Mf (i,j)

R]QDţtPHαi,j a Mg (i,j) = βi,j, tak ∀i∈1..n j∈1..m : Mg°f (i,j) = α1iβj1 + .. + αniβjm = g°f(xi).

Veta 2.3.2.4.

Ak f : V

W je bijektívne lineárne zobrazenie, tak aj f-1 : WV je lineárne zobrazenie.

Dôkaz.

u,vW ∀α,β∈F : f -1u + βv) = f -1(α.id(u) + β.id(v)) = f -1(α.(f°f -1)(u) + β.(f°f -1)(v)) = f -1(f(α.f -1(u)) +

f(

β.f -1(v))) = f -1(f(α.f -1(u) + β.f -1(v))) = id(α.f -1(u) +β.f -1(v)) = α.f -1(u) +β.f -1(v).

2.3.3. Riadková ekvivalencia matíc.

Definícia.

Medzi elementárne operácie na maticiach patrí

9]iMRPQiYęPHQDGYRFKULDGNRYVW SFRY

9\QiVREHQLHULDGNXVW SFDVNDOiUQRXNRQăWDQWRX

3ULţtWDQLHQiVRENXMHGQpKRULDGNXNLQpPX

Definícia.

Matica M sa nazýva redukovaná, ak

9HG~FLSUYRNNDĺGpKRQHQXORYpKRULDGNXMH

9NDĺGRPULDGNXMHQDMYLDFMHGQDQHnulová hodnota.

Definícia.

Matice M1 a M2riadkovo ekvivalentné

DN PRĺQR XSUDYL MHGQX QD GUXK~ SRPRFRX

elementárnych riadkových úprav.

Veta 2.3.3.1.

.DĺGiPDWLFDMHULDGNRYRHNYLYDOHQWQiVQHMDNRXUHGXNRYDQRXPDWLFRX]KRGQHMGLPHQ]LH

Dôkaz.

Klasický postup redukcie matice.

Definícia.

+RYRUtPH ĺH UHGXNRYDQi PDWLFD A je trojuholníková DN NDĺGę QHQXORYę ULDGRN MHQDG

NDĺGęPQXORYęPDSRVWXSQRV LQGH[RYYHG~FLFKSUYNRYQHQXORYęFKULDGNRYMHQHNOHVDM~FD

Veta 2.3.3.2.

.DĺGi PDWLFD MH ULDGNRYR HNYLYDOHQWQá s nejakou redukovanou trojuholníkovou maticou zhodnej

dimenzie.

Ondrej Vršanský

- 9 -

Dôkaz.

Triviálne.

Veta 2.3.3.3.

Nenulové riadky trojuholníkovej redukovanej matice sú lineárne nezávislé.

Dôkaz.

Triviálne.

Dôsledok 2.3.3.1.

Nenulové riadky trojuholníkovej redukovanej matice tvoria bázu jej riadkového priestoru.

Dôkaz.

7YUGHQLH Y\SOęYD ] YHW\ D IDNWX ĺH QHQXORYp ULDGN\ WURMXKROQtNRYHM UHGXNRYDQHM PDWLFH MHM

riadkový priestor generujú.

Definícia.

+RGQRV matice je dimenzia jej riadkového pristoru.

Dôsledok 2.3.3.2.

+RGQRV WURMXKROQtNRYHMUHGXNRYDQHMPDWLFHMHSRţHWMHMQHQXORYęFKULDGNRY

Dôkaz.

Tvrdenie vyplýva priamo z definície hodnosti a dôsledku 2.3.3.1.

Veta 2.3.3.4.

Štvorcová matica dimenzie n

×n

PiKRGQRV nSUiYHYWHG\NH MHULDGNRYRHNYLYDOHQWQiVMHGQRWNRYRX

maticou rádu n.

Dôkaz.

Jediná trojuholníková redukovaná matica dimenzie n

×n je jednotková matica rádu n

WDNĺH âWYRUFRYi

matica dimenzie n

×n

PiKRGQRV nSUiYHYWHG\NH MHULDGNRYRHNYLYDOHQWQiV RX

Veta 2.3.3.5.

.DĺGpPX SRGSULHVWRUX Fn prislúcha práve jedna trojuholníková redukovaná matica dimenzie n×n nad

SR RPF.

Dôkaz.

Nedokazujeme.

2.3.4. Regulárne matice.

Definícia.

Matica An×n je regulárna, ak existuje matica Bn×n

WDNiĺHA×B = B×A = In.

Veta 2.3.4.1.

Ak

Rn

MHPQRĺLQDUHJXOiUQ\FKPDWtFUiGXn, tak (Rn, ×) je grupa.

Dôkaz.

Rn je neprázdna

SUHWRĺH In UHJXOiUQD =iURYH MH In QHXWUiOQ\P SUYNRP D LQYHU]Qę SUYRN NX NDĺGHM

matici existuje z definície regulárnosti.

Veta 2.3.4.2.

$N SRVWXSQRV HOHPHQWiUQ\FK ULDGNRYęFK RSHUiFLt NWRUęPL UHJXOiUQX PDWLFX A upravíme na In,

uplatníme na In, výsledkom bude regulárna matica A´ inverzná k A.

Dôkaz.

Nech E1 .. Ek sú regulárne matice, reprezentujúce elementárne riadkové operácie. Ak Ek×..×E1×A = In,

potom Ek×..×E1 = A´.

Veta 2.3.4.3.

Matica An×n je regulárna, ak jej prislúchajúce zobrazenie je bijekcia. Naviac ak B

MHPQRĺLQDYăHWNęFK

lineárnych bijekcií f : V

V, tak (B, °) je grupa.

Dôkaz.

Ak fA je bijekcia, tak k nemu existuje inverné zobrazenie fB a jeho matica B je inverzná k A (A×B = In

práve tak ako fA°fB = id). (B

ƒMHJUXSDSUHWRĺHRn, ×MHJUXSDSRG D vety 2.3.4.1).

Materiál na štátnicu

Algebra

- 10 -

Definícia.

Nech x1..xn je báza vo V a y1..yn vo . Nech f : V

MHWDNp]REUD]HQLHĺHV~UDGQLFH

vektora f(xi) vo sú αi1..αin. Maticu M, ktorej prvky M(i,j) = αij, nazývame matica

zobrazenia f. Ak V = V´, M je matica prechodu od bázy x1..xn k báze y1..yn.

Poznámka.

Matice dimenzie n

×m tvoria vektorový priestor dimenzie m.n, ktorého bázou sú elementárne matice Eij.

2.3.5. Ekvivalentné matice.

Definícia.

+RYRUtPHĺHPDWLFHA a Bekvivalentné, ak existujú také regulárne matice P a Qĺe

B = P

×A×Q-1.

Veta 2.3.5.1.

Ekvivalencia matíc je reláciou ekvivalencie.

Dôkaz.

• ∀Am×n : A = In×A×Im-1.

B = P×A×Q-1A = P-1×B×Q = (P-1B×(Q-1)-1

B = P×A×Q-1C = R×B×T-1C = R×P×A×Q-1×T-1

Veta 2.3.5.2.

A a B

V~HNYLYDOHQWQpSUiYHYWHG\NH V~PDWLFDPLURYQDNpKROLQHiUQHKR]REUD]HQLDY]K DGRPQDU{]QH

dvojice báz.

Dôkaz.

nech A a B sú ekvivalentné. Potom existujú regulárne P a Q

DNpĺHB = P×A×Q-1$NVLXYHGRPtPHĺHP

a Q

PRĺQRFKiSD DNRPDWLFHSUHFKRGXEi]WYUGHQLHMH]UHMPp

Veta 2.3.5.3.

Matice A a B

V~HNYLYDOHQWQpSUiYHYWHG\NH MHGQXPRĺQRQDGUXK~XSUDYL HOHPHQWiUQ\PLULDGNRYęPL

DVW SFRYęPL~SUDYDPL

Dôkaz.

Spätná implikácia je triviálna a ak B = P

×A×Q-1, tak P a Q

PRĺQRUR]REUD QDV~ţLQHOHPHQWiUQ\FKPDWtF

2.3.6. Sústavy lineárnych rovníc.

Definícia.

Sústavu lineárnych rovníc

α

α

α

α

<6<=<

<

<

<=<

[

[ E

[

[ E

>2>

?

?>2> ?

+

+

=

+

=

/

0

2

0

/

(typ (1))

reprezentujeme maticou

α

α

α

α

@6@

@

@

@

/

0 2

0

0

/

A

B

BCA B

E

E

, ktorú nazývame rozšírená matica sústavy.

Definícia.

Sústava lineárnych rovníc

α

α

α

α

D;D=D

D

D

D=D

[

[ E

[

[ E

E2E

F

FE2E F

+

+

=

+

=

/

0

2

0

/

sa nazýva homogénna, ak

i∈1..m :

bi=0. Pri reprezentácii homogénnej sústavy vynechávame z

MHM PDWLFH SRVOHGQę VW SHF

Homogénna sústava, ktorej matica sa s maticou sústavy A líši iba chýbajúcim posledným

VW SFRPVDQD]ęYDV~VWDYDadjungovaná k A.

Definícia.

x1..xnFn sa nazýva

NRUH sústavy lineárnych rovníc typu (1), ak ∀j∈1..m :

α

GHIG H

G

J

[ E

=

=

∑ K

$NGYHV~VWDY\PDM~URYQDN~PQRĺLQXULHăHQtKRYRUtPHĺHV~ekvivalentné.

Ondrej Vršanský

- 11 -

Veta 2.3.6.1 (Frobien).

6~VWDYDW\SXPiULHăHQLHSUiYHYWHG\NH MHMPDWLFDDUR]ătUHQiPDWLFDPDM~URYQDN~KRGQRV

Dôkaz.

Zrejmé.

Dôsledok 2.3.6.1.

.DĺGiKRPRJpQQDV~VWDYDPiDVSR MHGHQNRUH

Dôkaz.

Triviálne.

Veta 2.3.6.2.

0QRĺLQDNRUH RYKRPRJpQQHMV~VWDY\MHSRGSULHVWRUFn.

Dôkaz.

Nech x1..xn a y1..yn sú korene a α,β∈Fn. ∀j∈1..m :

α α

β

LM L

L

L

N

[

\

+

=

∑ O

=

α α

α β

PQRP PQRP

P

S

[

\

+

=

∑ T

=

α

α

UVWU

U

X

[

=

∑ Y

+

β

α

UVZU

U

X

\

=

∑ Y

= 0 + 0 = 0.

Definícia.

%i ] X S U L H V W R U X N R U H R Y K R P R J p Q Q H M V ~ V W D Y \ E X G H P H Q D ] Ś Y D fundamentálny systém

tejto sústavy.

Veta 2.3.6.3.

$ N K R G Q R V I X Q G D P H Q W i O Q H M V ~ V W D Y \ M H r, tak dimenzia jej fundamentálneho systému je n-r a on samotný

je tvorený n-rozmernými vektormi zr+1..zn, ktorých jediná jednotka sa postupne nachádza na pozíciách r+1 .. n.

Dôkaz.

Zrejmé.

Definícia.

- H G H Q Ş S H F L i O Q H Y \ E U D Q Ś N R U H V ~ V W D Y \ W \ S X Q D ] Y H P H partikulárne riešenie.

Veta 2.3.6.4.

. D ĺ G Ś N R U H V ~ V W D Y \ P R ĺ Q R ] D S t V D D N R V ~ ţ H W S D U W L N X O i U Q H K R U L H Ş H Q L D D O L Q H i U Q H M N R P E L Q i F L H

fundamentálneho systému.

Dôkaz.

3 R V D Y H W \ M H S U L H V W R U N R U H R Y S R G S U L H V W R U R P Fn . D ĺ G Ś N R U H M H S U H W R L G H Q W L I L N R Y D W H Q Ś

S D U W L N X O i U Q \ P U L H Ş H Q t P Y H N W R U G R S R G S U L H V W R U X N R U H R Y D I X Q G D P H ntálnym systémom (pohyb v rámci

S U L H V W R U X N R U H R Y
2.4. Euklidovské a unitárne priestory.
2.4.1. Euklidovské priestory.

Definícia.

Zobrazenie

ψ : V×VR nazvem

VNDOiUQ\V~ţLQ vo V, ak je symetrické, lineárne a ∀xV

:

ψ(x, x) ≥ 0 (ψ(x, x) = 0 ⇔ x = 0).

Ozna

ţHQLH

ψ(x, y

E X G H P H ] D S L V R Y D 〈x, y〉.

Definícia.

Ak V je vektorový priestor a

ψ

V N D O i U Q \ V ~ ţ L Q W D N X V S R U L D G D Q ~ G Y R M L F X V, ψ) nazvem

Euklidovský priestor.

Definícia.

ý t V O R

[ [

nazvem norma G ĺ N D Y H N W R U D x a zapisujem ||x||.

Veta 2.4.1.1 (Schwartz).

x,yV : |〈x, y〉| ≤ ||x||.||y|| .

Materiál na štátnicu

Algebra

- 12 -

Dôkaz.

Nech x,y

V a α∈F. 0 ≤ 〈x + αy, x + αy〉 = ||x||2 + α〈x, y〉 + α〈y, x〉 + α2||y||2 = ||x||2 + 2α〈x, y〉 + (α||y||)2 ⇒

D

≤ 0 ⇒ 4α2〈x, y〉2 - 4α||x||.||y|| ≤ 0 ⇒ |〈x, y〉| ≤ ||x||.||y||.

Dôsledok 2.4.1.1 (C

DXFK\KRQHURYQRV

x1..xn,y1..ynR :

[ \

[\[

[

]

=

∑ ^

[

_

_

`bac

=

.

\

d

d

egfh

=

.

Dôkaz.

Tvrdenie vyplýva priamo z predchádzajúcej vety.

Lema 2.4.1.1.

• ∀xV : ||x|| ≥ 0

• ∀xV ∀α∈F : ||αx|| = |α|.||x||.

• ∀x,yV : ||x + y|| ≤ ||x|| + ||y

__ W U R M X K R O Q t N R Y i Q H U R Y Q R V

Dôkaz.

• Zrejmé z definície ||x||.

= U H M P p ] G H I L Q t F L H V N D O i U Q H K R V ~ ţ L Q X

• ∀x,yVi∈1..n : |xi + yi| ≤ |xi| + |yi| ⇒ ||x + y|| ≤ ||x|| + ||y||.

Definícia.

+ R Y R U t P H ĺ H Y H N W R U \ x a yortogonálne (kolmé), ak 〈x, y〉 = 0. ∀∅≠MV nazývame

P Q R ĺ L Q X M⊥ = {xV; ∀yM : 〈x, y〉 = 0} ortogonálny doplnok P Q R ĺ L Q \ M vo V.

Veta 2.4.1.2.

∀∅≠MV : M⊥ je podpriestor V.

Dôkaz.

Nech x

M, y,zM⊥, α,β∈F. 〈x, αy + βz〉 = α〈x, y〉 + β〈x, z〉 = 0 + 0 = 0.

Definícia.

Systém vektorov x1..xn je ortogonálny, ak ∀ij∈1..n : 〈xi, xj〉 = 0 a ortonormálny, ak

navyše

i∈1..n : ||xi|| = 1.

Veta 2.4.1.3.

. D ĺ G i Q H Q X O R Y i R U W R J R Q i O Q D V ~ V W D Y D M H O L Q H i U Q H Q H ] i Y L V O i

Dôkaz.

Nech

∃α1..αn :

α

i

i

j

i[

=

∑ k = 0. ∀k∈1..n : 0 =

k

x

,

0

=

k

n
i

i

i

x

x ,

1

= α

=

=

n

i

k

i

i

x

x

1

,

α

=

=

n

i

k

i

i

x

x

1

,

α

=

αk

k

k x

x ,

. Ale

k

k x

x ,

WDNĺHαk = 0.

Dôsledok 2.4.1.2.

.DĺGiRUWRQRUPiOQDV~VWDYDMHOLQHiUQHQH]iYLVOi

Dôkaz.

Zrejmé.

Veta 2.4.1.4 (Gramm-Schmidtov ortogonaliza

ţQęSURFHV

Nech V je Euklidovský priestor a x1..xn je lineárne nezávislá sústava vektorov V. Potom existuje

ortonormálna sústava sústava y1..yn

WDNiĺH∀i∈1..n : [x1..xi] = [y1..yi].

Dôkaz.

Indukciou na n.

n = 1, x1≠0, y1 = x1.||x1||-1.

x1..xn+1, y1..yn, ∀i∈1..n : [x1..xi] = [y1..yi]. xn+1 = u + v, kde u∈[y1..yn], v∉[y1..yn] ⇒ uv. u∈[y1..yn] ⇒

∃α1..αn : u =

α

lml

l

n

[

=

∑ o

$NSRORĺtPHαi = 〈xn+1, yi〉, potom ∀i∈1..n : 〈v, yi〉 = 〈xn+1 -

α

p2p

p

q

[

=

∑ r

, yi〉 = 〈xn+1, yi〉 -

xn+1 -, yi〉 = 〈xn+1, yi〉 - 〈xn+1, yi〉 = 0 a pre yn+1 = v.||v||-1 platí [x1..xn+1] = [y1..yn+1].

Dôsledok 2.4.1.3.

9NDĺGRPNRQHţQRUR]PHUQRPHXNOLGRYVNRPSULHVWRUHH[LVWXMHRUWRQRUPiOQDEi]D

Ondrej Vršanský

- 13 -

Dôkaz.

Triviálne.

Veta 2.4.1.5.

Nech V je euklidovský priestor, x1..xn jeho ortonormálna báza a x =

α

sms

s

t

[

=

∑ u

,y =

β

vwv

v

x

[

=

∑ y

V. Potom

x,y〉 =

α β

z{z

z

|

=

∑ }

.

Dôkaz.

x, y〉 = 〈

α

~m~

~



[

=

∑ €

,

β

w



‚

[

=

∑ ƒ

〉 =

α β

„†…‡„ˆ…

„‰…

Š

[ \

‹= =

∑ ŒŒ

=

α β

Ž{Ž

Ž



=

∑ 

.

Veta 2.4.1.6.

Ka

ĺGpGYDHXNOLGRYVNpSULHVWRU\URYQDNHMGLPHQ]LHV~L]RPRUIQp

Dôkaz.

Nech V a sú euklidovské priestory dimenzie n, x1..xn je ortonormálna báza vo V a y1..yn ortonormálna

báza vo

3RG D]iNODGQHMYHW\ROLQHiUQ\FK]REUD]HQLDFKYHWDH[LVWXMHjediné lineárne zobrazenie f

WDNpĺH∀i∈1..n : f(xi) = yi. Pritom ∀x =

α

‘m‘

‘

’

[

=

∑ “

,y =

β

”w”

”

•

[

=

∑ –

V : 〈f(x), f(y)〉 =

=

=

n
i

i

i

n
i

i

i

x

f

x

f

1

1

)

(

,)

(

β

α

=

α

β

—w—

—

˜

—w—

—

˜

\

\

=

=

™

™

=

α β

š{š

š

›

=

∑ œ

SRG DYHW\ 〈x, y〉.

2.4.2. Ortogonálne matice.

Definícia.

Zobrazenie f : V

je ortogonálne, ak ∀x,yV : 〈x, y〉 = 〈f(x), f(y)〉.

Veta 2.4.2.1.

.DĺGpRUWRJRQiOQH]REUD]HQLHMHLQMHNWtYQH

Dôkaz.

x, y〉 = 〈f(x), f(y)〉 ⇒ f(x) = 0 ⇔ x = 0 ⇒ Ker(f) = {0}.

Veta 2.4.2.2.

Ak f je ortogonáln

HWDNNDĺG~RUWRQRUPiOQXV~VWDYX]REUD]tQDRUWRQRUPiOQX

Dôkaz.

Zrejmé z definície.

Definícia.

Štvorcová matica A sa nazýva ortogonálna

DN MHM ULDGN\ VW SFH WYRULD RUWRJRQiOQX

sústavu v Rn. Matica Atransponovaná k A

Y]QLNQH]iPHQRXULDGN\]VW SFHa naopak).

Veta 2.4.2.3.

A⊥ je transponovaná k A

SUiYHYWHG\NH A×A⊥ = In.

Dôkaz.

Ak ri

R]QDţtPHr-ty riadok A, tak (A×A⊥)(i,j) = 〈ri, rj〉 =

← ≠

← =



L M

L M .

Veta 2.4.2.4.

2U W R J R Q i O Q H P D W L F H V W X S D n tvoria spolu s operáciou násobenia matíc grupu.

Dôkaz.

(A

×B)×(A×B)⊥ = A×B×B⊥×A⊥ = In.

Definícia.

*U X S X R U W R J R Q i O Q \ F K P D W t F V W X S

D n nazývame ortogonálna grupa V W X S D n a

zapisujeme On.
2.4.3. Unitárne priestory.

2]QDţHQLH

Nech x

C, x= a + bi ýt V O R a - bi E X G H P H ] D S L V R Y D

[ .

Materiál na štátnicu

Algebra

- 14 -

Definícia.

Nech V je vektorový priestor na C.

6NDOiUQ\V~ţLQ vo V M H N D ĺ G p ] R E U D ] H Q L H ϕ : V×VC

W D N p ĺ H

• ∀x,x´,yV ∀α,β∈C : ϕ(αx + β, y) = α.ϕ(x, y) + β.ϕ(x´, y)
• ∀x,yV : ϕ(x, y) =

ϕ

\ [

• ∀xV : ϕ(x, x) ≥ 0 (ϕ(x, x) = 0 ⇔ x = 0).

Veta 2.4.3.

6FKZDUW]RYDQHURYQRV

Ak V je unitárny priestor, tak

x,yV : |〈x, y〉| ≤ ||x||.||y||.

Dôkaz.

x,yV : 〈x, y〉 = |〈x, y〉|(cos ϕ + i.sin ϕ). nech tR a x´= t.x + (cos ϕ + i.sin ϕ).y.
0

≤ 〈, 〉 = 〈t.x + (cos ϕ + i.sin ϕ).y, t.x + (cos ϕ + i.sin ϕ).y〉 = 〈tx, tx〉 + 〈tx, (cos ϕ + i.sin ϕ).y 〉 + 〈(cos

ϕ + i.sin ϕ).y, tx〉 + 〈(cos ϕ + i.sin ϕ).y, (cos ϕ + i.sin ϕ).y〉 = t2||x||2 + t(cos ϕ - i.sin ϕ)〈x, y〉 + t(cos ϕ + i.sin

ϕ)〈x, y〉 + (cos ϕ - i.sin ϕ)(cos ϕ + i.sin ϕ)||y||2 = t2||x||2 + t(cos ϕ - i.sin ϕ)|〈x, y〉|(cos ϕ + i.sin ϕ) + t(cos ϕ + i.sin

ϕ)|〈x, y〉|(cos ϕ - i.sin ϕ) + (cos ϕ - i.sin ϕ)(cos ϕ + i.sin ϕ)||y||2 = t2||x||2 + 2t|〈x, y〉| + ||x||2. 0 ≥ D = 4t2|〈x, y〉|2 -
4t2||x||.||y||

⇒ |〈x, y〉| ≤ ||x||.||y||.

Lema 2.4.2.1.

Nech V je unitárny priestor. Potom

• ∀xV : ||x|| ≥ 0 (||x|| = 0 ⇔ x = 0)

• ∀xV ∀α∈R : ||α.x|| = |α|.||x||

• ∀x,yV : ||x + y|| ≤ ||x|| + ||y||.

Dôkaz.

• =U H M P p ] G H I L Q t F L H V N D O i U Q H K R V ~ ţ L Q X

• =U H M P p ] G H I L Q t F L H V N D O i U Q H K R V ~ ţ L Q X

• ||x + y||2 = 〈x+y, x+y〉 = ||x||2 + 〈x, y〉 + 〈y, x〉 + ||y||2 = (

(x) - U H i O Q D ţ D V x) = ||x||2 + 2.(〈x, y〉) + ||y||2 ≤

||x||2 + 2

x, y〉 + ||y||2 = (||x|| + ||y||)2.

Veta 2.4.3.2.

Nech V je unitárny priestor a x1..xn je lineárne nezávislá sústava vektorov V. Potom existuje ortonormálna

sústava sústava y1..yn W D N i ĺ H ∀i∈1..n : [x1..xi] = [y1..yi].

Dôkaz.

Dôkaz rovnaký ako pre euklidovské priestory (veta 2.4.1.4).

Dôsledok 2.4.3.1.

9 N D ĺ G R P N R Q H ţ Q R U R ] P H U Q R P X Q L W i U Q R P S U L H V W R U H V existuje ortonormálna báza.

Dôkaz.

Zrejmé.

Veta 2.4.3.3.

Nech V je unitárny priestor, x1..xn jeho ortonormálna báza a x =

α

m



ž

[

=

∑ Ÿ

,y =

β

w

ˇ

[

=

∑ ˘

V. Potom 〈x, y

=

α β

ŁWŁ

Ł

¤

=

∑ Ą

.

Dôkaz.

x, y〉 = 〈

α

¦m¦

¦

§

[

=

∑ ¨

,

β

©w©

©

Ş

[

=

∑ «

〉 =

α β

¬®­Ż¬°­

¬‰­

±

[ \

˛= =

∑ łł

=

α β

´I´

´

µ

=

∑ ¶

.

Veta 2.4.3.4.

Nech V je unitárny alebo euklidovský prietor a x1..xn jeho ortonormálna báza. Potom
• ∀x =

α

·m·

·

¸

[

=

∑ ą

Vi∈1..n : αi = 〈x, xi

• ∀x,yV : ||x+y||2 + ||x-y||2 = 2(||x||2 + ||y||2)

[

ş

ş

»

=

∑ Ľ =

[

˝

˝

ľ

=

∑ ż .

Ondrej Vršanský

- 15 -

Dôkaz.

• 〈x, xi〉 = 〈

α

Ŕ2Ŕ

Ŕ

Á

[

=

∑ Â

, xi〉 =

α

Ă2ÇÄ

Ă

Ĺ

[ [

=

∑ Ć

=

α

ÇČLJÉ

Ç

Ę

[ [

=

∑ Ë

=

αi.

• ||x+y||2 + ||x-y||2 = 〈x+y, x+y〉 + 〈x-y, x-y〉 = 〈x, x〉 + 〈x, y〉 + 〈y, x〉 〈y, y〉 + 〈x, x〉 - 〈x, y〉 - 〈y, x〉 + 〈y, y〉 =

2(

x, x〉 + 〈y, y〉) = 2(||x||2 + ||y||2).

2

1

=

n

i

i

x

=

=

=

n
k

k

n
i

i

x

x

1

1

,

=

∑ ∑

=

=

n

i

n

k

k

i x

x

1

1

,

=

=

n

k

k

k x

x

1

,

=

=

n

k

k

x

1

.

Veta 2.4.3.5.

Nech V je unitárny alebo euklidovský priestor, x1..xn ortogonálna sústava vektorov z V a xV. Ak ∀i∈1..n

:

αi = 〈x, xi〉, potom

α

Ě

Ě

Í

Î

Ď

=

≤ ||x||2

(

%HVVHORYDQHURYQRV )

• Ak x1..xn je báza vo V, tak

α

Ě

Ě

Í

Î

Ď

=

= ||x||2

(

3DUVHYDORYDURYQRV ).

Dôkaz.

Doplníme x1..xn na bázu x1..xm

3RG DYHW\__x||2 =

α

Ě

Ě

Đ

Î

Ď

=

α

Ń

Ń

Ň

Ó

Ô

=

.

2.5. Grupy.
2.5.1. Pologrupy.

Lema 2.5.1.1.

Nech G je grupa a nech ax = ay (xa = ya). Potom x = y.

Dôkaz.

ax = ay

a-1ax = a-1ayx = y.

Definícia.

Usporiadanú dvojicu (G,

•) nazývame pologrupa, ak G

MH QHSUi]GQD PQRĺLQD D • je

binárna asociatívna operácia na G.

Lema 2.5.1.2.

Nech (G,

•)

MHSRORJUXSDVYODVWQRV DPL

1.

eGxG : ex = x

2.

xGyG : yx = e. Potom G je grupa.

Dôkaz.

Nech y

x = e a zy = e. Potom xy = exy = () = zyxy =z•(yx)•y = zey = zy = e a xe = xyx =

e

x = x.

Lema 2.5.1.3.

Pologrupa (G,

MHJUXSDSUiYHYWHG\NH ∀a,bGx,yG : xa = bay = b.

Dôkaz.

Dopredná implikácia je triviálna. Obrátene nech

a,bGx,yG : xa = bay = b

2]QDţPHeNRUH

rovnice x

a = a. Potom ∀bG : eb = e•(ay) = (ea)•y = ay = be

MH DYiMednotka GDSUHWRSRG DOHP\

2.5.1.2 je G grupa.

Veta 2.5.1.1.

$NYNRQHţQHMSRORJUXSHG platia pravidlá o krátení, tak G je grupa.

Dôkaz.

3RORĺPH∀aG : ϕa : GGWDNpĺH∀aG : ϕa(x) = ax a ψa : GGWDNpĺH∀xG : ψa(x) = xa. Obe

tieto zobrazenia sú injektívne (

ϕa(x) = ϕa(y) ⇒ ax = ayx = y a rovnako ψa(x) = ψa(y) ⇒ xa = yax =

y

DNH ĺHGMHNRQHţQiV~MDVXUMHNWtYQHDWHGDELMHNWtYQH$OHSRWRP∀a,bGx,yG : ϕa(x) = ax = b

ψa(y) = ya = b

DWHGDSRG DOHP\MHG grupa.

Materiál na štátnicu

Algebra

- 16 -

2.5.2. Izomorfizmus na grupách.

Veta 2.5.2.1.

Nech A

MHPQRĺLQD3RWRPXVSRULDGDQiGYRMLFDP(A), ° ) je grupa.

Dôkaz.

Triviálne.

Definícia.

(

P(A), ° ) je

SHUPXWDţQi JUXSD na A (alebo grupa permutácií). Pre A = {1..n} ju

nazývame symetrická grupa rádu n

DR]QDţXMHPe Sn.

Definícia.

Nech (G,

∗) a (H, •) sú grupy. Bijekciu f : GH s predpisom ∀x,yG : f(xy) =

f(x)

f(y) nazývame izomorfizmus

9WDNRPSUtSDGHKRYRUtPHĺHA a Bizomorfné.

Veta 2.5.2.2.

Nech f : A

B je bijekcia. Potom (P(A), ° ) a (P(B), ° ) sú izomorfné.

Dôkaz.

Nech

ϕ,ψ∈P(A

3RORĺPHΦ : P(A)→ P(BWDNpĺHΦ(ϕ) = f°ϕ°f-1. Potom f(ϕ°ψ) = f°ϕ°ψ°f-1 = f°ϕ°f-1°

f°

ψ°f-1 = (f°ϕ°f-1 (f°ψ°f-1) = Φ(ϕ)°Φ(ψ) a Φ je izomorfizmus.

Veta 2.5.2.3.

Nech f : (G,

∗)→(H, •) je izomorfizmus. Potom aj f-1 je izomorfizmus.

Dôkaz.

u,v∈H : f-1(uv) = f-1((f°f-1)(u)• (f°f-1)(v)) = f-1(f(f-1(u))•f(f-1(v))) = f-1(f( f-1(u) ∗ f-1(v) )) = f-1(u) ∗ f-1(v).

2.5.3. Podgrupy.

Definícia.

Nech (G,

∗) a (H, •

V~ JUXS\ +RYRUtPH ĺH H je podgrupa G a píšeme HG, ak H je

SRGPQRĺLQDG a ∀x,yH : xy = xy.

Veta 2.5.3.1.

1HSUi]GQDSRGPQRĺLQDH grupy (G, •MHMHMSRGJUXSDSUiYHYWHG\NH

eH

• ∀xH : x-1H

• ∀x,yH : xyH.

Dôkaz.

Dopredná implikácia je triviálna. Obrátene nech platia uvedené podmienky. Potom (H,

VS D

podmienky grupy a

NH ĺHHG, H je podgrupa G.

Veta 2.5.3.2.

1HSUi]GQDSRGPQRĺLQDH grupy (G, •MHMHMSRGJUXSDSUiYHYWHG\NH ∀x,yH : xy-1H.

Dôkaz.

Dopredná implikácia je triviálna. Obrátene nech

x,yH : xy-1H. Potom ∀xH : xx-1= eH

=iURYH

xH : ex-1 = x-1H,

WDNĺHHMHSRG DYHW\SRGJUXSDG.

Veta 2.5.3.3.

Nech {Hi}i∈1..n je systém podgrúp G. Potom aj

+

Ő

Ő

Ö

=

×

,

je podgrupa G.

Dôkaz.

Triviálne.

Veta 2.5.3.4.

Nech M

MHQHSUi]GQDSRGPQRĺLQDJUXS\G. Potom existuje jediná jej podgrupa [M] takáĺH

1.

[M]

M

2.

H<G : HMH⊇[M].

Ondrej Vršanský

- 17 -

Dôkaz.

Nech {Hi}i∈1..n je systém podgrúp G

WDNęFKĺH∀i∈1..n : HiM. Potom aj [M] =

+

Ő

Ő

Ö

=

×

,

je podgrupa G a

[M]

03ULWRP]YODVWQRVWLY\SOęYDĺHNDĺGpGYHWDNpWRSRGJUXS\V~]KRGQpWDNĺH>M] je jediná.

Definícia.

[M] nazývame minimálna podgrupa G, obsahujúca M.

Veta 2.5.3.5.

[M] =

{ }

{

}

[ [

L

Q [ 0 H

Ř ŮŘ

Ú

Ú

Ű

ÜŢÝ

∀ ∈

∈ ∧ ∈ −

.

Dôkaz.

M

∉∅ ⇒ ∃xMxx-1=e∈[M]

=iURYH ∀x= [ [

ß ŕß á

âäă

, y=

\ \

ĺ ćĺ6ç

čęé

M : xy =

[ [ \ \

ë ěëîí ďí

đ

ń

ň

ň

ó

ó

∈[M] a x-1 =

[

[

ô őô ö

÷ř− −

∈[M]

W D N ĺH>M] je podgrupa G=iURYH >M] ⊇ minimálnej podgrupy G, obashujúcej MD N H ĺHD M

RE UiW HQH N D ĺGp x =

{ }

[ [

L

Q [ 0 H

ů úů

ű

ű

ü

ýäţ

∀ ∈

∈ ∧ ∈ −

∈ do minimálnej podgrupy, [M] je minimálna

podgrupa.

Definícia.

Nech (G,

•) je grupa, aG. n-tou mocninou a rozumieme an =

( )

D

D Q

D Q

H Q

D

Q

˙

˙

− −

• ← >

← =

← =

← <

G.

Lema 2.5.3.1.

Nech (G,

•) je pologrupa, a, b1..bnG

S ULţRP ∀i∈1..n : abi = bia. Potom a•(b1..bn) = (b1..bn)•a.

Dôkaz.

Triviálne.

Veta 2.5.3.6.

Nech a,b

G. Potom ∀m,nZ :

1.

am

an = am+n

2.

(am)n = am.n

3.

a

b = ba ⇒ (ab)n = anbn.

Dôkaz.

1.

Indukciou na n. am

a1 = am+1 z definície. aman+1 = amana = am+na = am+n+1

2.

Indukciou na n. (am)1 = am. (am)n+1 = (am)n

am = am.nam = am.(n+1).

3.

Indukciou na n. (a

b)1 = ab = a1b1. (ab)n+1 = (ab)nab = anbnab = an+1bn+1.

(Dôkaz bol vykonaný pre n > 1; pre záporné n je dôkaz symetrický).

2.5.4. Cyklické grupy.

Definícia.

Grupa G sa nazýva cyklická, ak

aG : G = [a]. Prvok a nazývame generátor grupy G.

Ak

m,nN : aman, tak G

MHQHN RQHţQiLQD N ∃nN : an = a) je G cyklická grupa rádu n.

Veta 2.5.4.1.

.D ĺGiS RGJ UX S D F \ N OLF N HMJ UX S \ MHF \ N OLF N i

Dôkaz.

Nech H je netriviálna podgrupa G = [a] a nech p

= min{nN; anH}

-H]UHMP p ĺH[ap]⊆H. Ale ∀sN

q,rN : as = (ap)qar = ap.q+r, kde rp. Ale asHarH (lebo apqH) ⇒ rpr = 0 ⇒ r = 0 ⇒ as∈[ap] ⇒
[ap]

HH = [ap] ⇒ H je cyklická.

Veta 2.5.4.2.

.D ĺGp GYHF \ N OLF N p J UX S \ URYQD N p K RUiGX V~ L]RP RUIQp

Dôkaz.

Nech [a] a [b]

V~URYQDNpKRUiGX3RWRPK DGDQęPL]RPRUIL]PRPMH]REUazenie anbn.

Materiál na štátnicu

Algebra

- 18 -

2.5.5. Homomorfizmy grúp.

Definícia.

Nech (G,

∗) a (H, •) sú grupy. Zobrazenie f : GH nazývame izomorfizmus, ak ∀x,yG

: f(x

y) = f(x)•f(y).

Veta 2.5.5.1.

Nech f : (G,

•)→(H, ∗) a g : (H, ∗)→(K, ⊕) sú homomorfizmy. Potom aj g°f je homomorfizmus.

Dôkaz.

x,y∈G : g°f(x+y) = g(f(x+y)) = g(f(x) ∗ f(y)) = g(f(x))⊕g(f(y)) = g°f(x) ⊕ g°f(y).

Veta 2.5.5.2.

Nech f : (G,

•)→(H, ∗) je homomorfizmus. Potom

1.

Ak eG je jednotka v G a eH v H, tak f(eG) = eH

2.

xG : f(x-1) = (f(x))-1

3.

xGnZ : f(xn) = (f(x))n.

Dôkaz.

1.

eH f(eG) = f(eG) = f(eGeG) = f(eG) ∗ f(eG) ⇒ f(eG) = eH.

2.

xG : eH = f(eG) = f(xx-1) = f(x) ∗ f(x-1) ⇒ f(x-1) = (f(x))-1.

3.

xGnN : f(x1) = f(x)1 a f(xn+1) = f(xnx) = f(xn) ∗ f(x) = f(x)nf(x) = f(x)n+1. Ak n < 0, f(xn) = f((x-

1)-n) = f(x-1)-n = (f(x)-1)-n = (f(x))n.

Veta 2.5.5.3.

Nech f : (G,

•)→(H, ∗) je homomorfizmus. Potom Ker(f)⊆G a Im(f)⊆H.

Dôkaz.

Ker(f

MHQHS Ui]GQHOHE RS RG D YHW \ RGVHN eGKer(f =iURYH ∀x,yKer(f) : f(xy) = f(x) ∗ f(y)

= eHeH = eH

D S RG D YHW \ RGVHN f(x-1) = f(x)-1 = eH-1 = eHţLĺHKer(f) je podgrupa G. podobne je

neprázdne aj Im(f) (z rovnakého dôvodu ako Ker(f)),

x,yIm(f) ∃u,vG : f(u) = x a f(v) = y. Potom xy-1 =

f(u)

f(v)-1 = f(u)∗f(v-1) = f(uv-1)∈Im(f

ţLĺHIm(f) je podgrupa H.

Veta 2.5.5.4.

Nech f : [a]

→(G, •) je surjektívny homomorfizmus. Potom G je cyklická grupa.

Dôkaz.

f je surjektívne

⇒ ∀xG nN : f(an) = xf(a)n = xG = [f(a)].

Veta 2.5.5.5.

Nech f : (G,

•)→(H, ∗) je homomorfizmus. Potom f

MHLQMHN F LD VX UMHN F LD S UiYHYW HG\ N H Ker(f) = {e}

(Im(f) = H).

Dôkaz.

Dopredné implikácie sú triviálne. Obrátene nech Ker(f) = {e}. Potom

x,yG : f(x) = f(y) ⇒ eH = f(x) ∗

f(y)-1

= f(x) ∗ f(y-1) = f(xy-1) ⇒ xy-1 = eGx = y. Obrátená implikácia pre Im(f) je triviálna.

3HUPXWDţQpJUXS\

Definícia.

Nech (G,

•) je grupa. ∀aG nazývame zobrazenie fa : GG, kde ∀xG : fa(x) = ax

(x

a

D Yá (pravá) translácia a.

Lema 2.5.6.1.

Nech (G,

•) je grupa. Potom ∀aG

MH D YiLS UD YiW UD QVOiF LD a bijektívna.

Dôkaz.

'{N D ]Y\ N RQiP HS UH D Y~ W UD QVOiF LX '{N D ]S UHS UD Y~ W UD QVOiF LX MHV\ P HW ULF N Ś ∀x,yG : fa(x) = fa(y) ⇔

a

x = ayx = yfa je injekcia

=iURYH ∀xG : fa(a-1x) = aa-1x = xfa je surjekcia ⇒ fa je bijekcia.

Dôsledok 2.5.6.1.

Nech (G,

•) je grupa a fa

MH D Yi S UD Yi W UD QVOiF LD S UYN X aG. Potom faP(G).

Ondrej Vršanský

- 19 -

Dôkaz.

Tvrdenie vyplýva priamo z lemy 2.5.6.1 a definície

P(G).

Veta 2.5.6.1 (Cayley).

.X N D ĺGHMJ UX S H G, • H[LVW X MHL]RP RUIQiS RGJ UX S D S HUP X W D ţQHMJ UX S \ P(G).

Dôkaz.

6W D ţt X N i]D ĺHS UHH = {fa; aG, faMH D Yi S UD Yi W UD QVOiF LD a} je (H, °) podgrupa G. Ale ∀a,b,xG :

fa°fb(x) = fa(fb(x)) = fa(bx) = abx = fab(x

W D N ĺHW YUGHQLH platí.

Definícia.

Permutácia

ϕ∈Sn sa nazýva cyklus, ak ∃i1<..<im∈1..nk∈1..m : ϕ(ik) = ik+1 ∧ ϕ(im) =

i1

ýt VORm nazývame G ĺND cyklu ϕ&\ N OX VG ĺN \ VD QD ]Ś YD transpozícia.

Definícia.

ýt VORr = min{nN; ϕn = id} sa nazýva rád cyklu ϕ.

Veta 2.5.6.2.

R

iGN D ĺGp K RF \ N OX MHURYQŚ MHK RG ĺN H

Dôkaz.

Triviálne.

Veta 2.5.6.3.

Nech

ϕ,ψ∈Sn sú disjunktné. Potom ϕ°ψ = ψ°ϕ.

Dôkaz.

Triviálne.

Dôsledok 2.5.6.2.

Ak

ϕ,ψ∈Sn sú disjunktné, tak ∀nN : (ϕ°ψ)n = ϕn ° ψn.

Dôkaz.

Tvrdenie vyplýva priamo z predchádzajúcej vety.

Veta 2.5.6.4.

.D ĺGi S HUP X W iF LD ϕ≠id VD Gi D ĺ QD S RUD GLH ]iW YRULHN MHGLQŚ P VS {VRE RP ]D S t VD Y W YD UH V~ ţLQX

GLVMX QN W QŚ F K F \ N ORYG ĺN \ D VS R

Dôkaz.

Triviálne.

Veta 2.5.6.5.

.D ĺGiϕ∈SnVD GiQD S t VD D N RV~ ţLQW UD QVS R]t F Lt

Dôkaz.

3 RG D YHW \ VD N D ĺGiϕ≠idGiQDStVD DNRV~ţLQGLVMXQNWQęFKF\NORY=iURYH F\NOXVi1, .. , in),

kde n

! VD GiUR]ORĺL QD W UD QVS R]t F LH i1, i2)° .. °(in-1, in). id vyjadrím ako (i1, i2)°(i1, i2).

Veta 2.5.6.6.

Všetky vyjadrenia

ϕ

D N RV~ ţLQW UD QVS R]t F Lt P D M~ URYQD N ~ S D ritu.

Dôkaz.

Triviálne.

Definícia.

ϕ∈Sn je párna

D N MH Y\ MD GULW H Qi D N R V~ ţLQ S iUQHK R S RţW X W UD QVS R]t F Lt ϕ je nepárna,

ak nie je párna.

Dôsledok 2.5.6.3.

1.

6~ ţLQGYRF K S HUP X W t F Lt URYQD N HMS D ULW \ MHS iUQ\

2.

Inverzná permutácia k párnej (nepárnej) je párna (napárna).

3.

Párne permutácie tvoria spolu s operáciou skladania zobrazení podgrupu Sn.

Dôkaz.

1.

Vyplýva priamo z predchádzajúcej vety.

2.

Vyplýva priamo z predchádzajúcej vety.

Materiál na štátnicu

Algebra

- 20 -

3.

Vyplýva z 1. a 2.

Definícia.

Grupu párnych permutácií z Sn nazývame alternujúca podgrupa Sn.

2.5.7. Rozklady na grupách.

Definícia.

Systém {Ai}i1..n

S RGP Rĺt QA je rozklad A, ak ∀ij∈1..n : AiAj=∅.

Definícia.

Nech (H,

∗) je podgrupa (G, ∗). ∀gG

GHILQX MHP H P QRĺLQX Hg = {gh; hH) a Hg =

{h

g; hH}

D OHMR]QD ţP HG|H = {Hg; gG} a G|H = {Hg; gG}.

Veta 2.5.7.1.

Nech (H,

∗) je podgrupa (G, ∗). Potom G|H a G|H sú rozklady grupy G.

Dôkaz.

7YUGHQLHGRN iĺHP HS UHG|H. Dôkaz pre G|H je symetrický. Nech ∃g,g´G : HgHg´≠∅. Potom ∃xG :

x

Hg xHg´ ⇒ ∃h,h´H : x = gh = g´∗g = hHg´ = ghHgHg = Hg´.

Veta 2.5.7.2.

Nech (H,

∗) je podgrupa (G, ∗). Potom ∀gG : Hg = H.

Dôkaz.

f : H

Hg s predpisom f(x) = gx je zjavne bijekcia.

Veta 2.5.7.3 (Lagrange).

Nech (H,

∗) rádu p

MHS RGJ UX S D N RQHţQHM G, ∗) rádu n. Potom nMHGHOLW H Qp p.

Dôkaz.

3 RG D YHW \ ∀ gG : Hg = H ⇒ |Hg| = |H| = p$ N H ĺHG|H je rozklad GVN RQHţQŚ P S RţW RP

komponentov (lebo g

MHN RQHţQi _ G| = nMHGHOLW H Qp _ H| = p.

Dôsledok 2.5.7.1.

Nech G

MHN RQHţQiJ UX S D UiGX n. Potom ∀gG : rád g delí n.

Dôkaz.

Rád g je rádom [g]

W D N ĺHW YUGHQLHY\ S OŚ YD S ULD P R]/D J UD QJ HRYHMYHW \

Dôsledok 2.5.7.2.

.D ĺGiJ UX S D S UYRţt VHOQp K RUiGX MHF \ N OLF N i

Dôkaz.

Nech G je rádu n a n

MHS UYRţt VOR3 RW RP ∀gG : ge ⇒ [g] je rádu n, lebo nQHP iLQŚ F K GHOLW H RY

2.5.8. Invariantné podgrupy.

Definícia.

Podgrupa H grupy G sa nazýva invariantná alebo normálna, ak

gG : Hg = Hg.

Zapisujeme H

<G.

Lema 2.5.8.1.

Podgrupa H grupy G

MHLQYD ULD QW QiS UiYHYW HG\ N H ∀gG : Hgg´ = {ghg-1; hH} ≈ H.

Dôkaz.

H

<G ⇒ ∀gG : Hg = Hg ⇒ ∀gGhHgHg : hg = gh´ ⇒ g = hgh

D N H ĺHS RG D YHW \

2.5.7.2 Hg = Hg = H, Hgg´ = {ghg-1; hH} = H. Obrátene ∀gGvHghH : xh = xhx-1x = (hx-1x =

h´)

= xHgHgHg

2 S D ţQiLQN O~ ]LD S RGRE QH

Dôsledok 2.5.8.1.

Podgrupa H grupy G

MHLQYD ULD QW QiS UiYHYW HG\ N H ∀gG : ∀hH : ghg-1H.

Dôkaz.

Tvrdenie vyplýva priamo z predchádzajúcej vety.

Ondrej Vršanský

- 21 -

Veta 2.5.8.2.

Ak f : G

H je homomorfizmus, tak Ker(f)<G.

Dôkaz.

gG, xKer(f) : f(gxg-1) = f(g) ∗ f(x) ∗ f(g-1) = f(g) ∗ f(g-1) = f(gg-1) = f(e) = e ⇒ g

∗x∗g-1∈Ker(f).

Definícia.

Nech G

MHJ UX S D 0 QRĺLQX Z(G)={gG; ∀xG : xg = gx} nazývame centrum grupy G.

Veta 2.5.8.3.

&HQW UX P N D ĺGHMJ UX S \ MHMHMLQYD ULD QW QRX S RGJ UX S RX

Dôkaz.

gG, xZ(G) ∀hG : gxg-1h = xgg-1h = xeh = xh = hx = hxgg-1 = hgxg-1Z(G)<G.

Definícia.

Nech G

MH J UX S D 0 QRĺLQX K(G) = {ghg-1h-1; g,hG} nazývame komutant grupy G.

Prvok g

hg-1h-1

R]QD ţX MHP H[g, h].

Veta 2.5.8.4.

.RP X W D QW N D ĺGHMJ UX S \ MHMHMLQYD ULD QW QiS RGJ UX S D

Dôkaz.

gG, k=aba-1b-1K(G) : gkg-1 = gaba-1b-1g-1 = gag-1gbg-1ga-1g-1gb-1g-1 =

[g

ag-1, gbg-1]∈K(G).

Definícia.

Nech G je grupa. Homomorfizmus f : G

G nazývame automorfizmus

0 QRĺLQX

všetkých automorfizmov na G

R]QD ţt P HA(G).

Veta 2.5.8.5.

Nech G je grupa. Potom (A(G), °) je grupa.

Dôkaz.

id je jednotka v A(G),

fA(G) : f-1A(G

OHE R N D ĺGŚ automorfizmus je bijekcia, a ∀f,gA(G) :

f°g

A(G), lebo automorfizmus je aj homomorfizmus.
Definícia.

Nech G je grupa. Grupa (A(G), °) sa nazýva alternujúca grupa na G.

Veta 2.5.8.6.

Nech G je grupa. Potom

gG je zobrazenie ϕg : GG s predpisom ϕg(x) = gxg-1 automorfizmus.

Dôkaz.

Triviálne.

Definícia.

Nech G je grupa. Potom

gG automorfizmus ϕg : GG s predpisom ϕg(x) = gxg-1

nazývame vnútorný

D X W RP RUIL]P X V X UţHQŚ S UYN RP g 0 QRĺLQX YQ~ W RUQŚ F K D X W RP RUIL]P RY

X UţHQŚ F K S UYN D P LGR]QD ţX MHP HI(G).

Veta 2.5.8.7.

Nech G je grupa. Potom (I(G), °) je grupa.

Dôkaz.

ϕg°ϕh(x) = ϕgh(x)) = ϕg(hxh-1) = ghxh-1g-1 = ϕg°h(x

2 VW D W Qp YOD VW QRVW L]D UX ţX Me veta 2.5.8.5.

Veta 2.5.8.8.

Nech G je grupa. Potom I(G)

<A(G).

Dôkaz.

fA(G) ∀ϕgI(G) ∀xG : ϕf(g)(x) = f(g) ∗ xf(g)-1 = f(g) ∗ f( f -1(x) ) ∗ f(g)-1 = f(gf-1(x) ∗ g-1) = f(

ϕg(f-1(x))) = f °ϕg°f-1(x)∈I(G).

Materiál na štátnicu

Algebra

- 22 -

2.5.9. Faktorové grupy.

Veta 2.5.9.1.

Nech (H,

•)<(G, •). Potom existuje jediná binárna operácia ∗

W D N iĺH G|H, ∗) je grupa a zobrazenie f :

G

G|H s predpisom f(g) = Hg homomorfizmus.

Dôkaz.

Definujme operáciu

∗ predpisom HgHh = Hgh. Táto operácia je korektná iba ak je nezávislá od výberu

reprezentantov tried Hg a Hh. nech teda Hg = Hg´ a Hh = Hh´. Potom ale Hgh = Hg´

ţLĺH QH]iYLVORV MH

]D UX ţHQi$ VRF LD W t YQRV ∗W LHĺOHE R∀x,y,zG : (HxHy) ∗ Hz = HxyHz = H(xy)•z = Hx•(yz) = HxHyz = Hx

(Hy Hz). Inverzný prvok je zrejmý a takisto f je homomorfizmus, lebo ∀g,hG : f(xy) = Hxy = HxHy = f(x)

f(y).

Definícia.

Nech H

<G, ∗

WDNi ELQiUQD RSHUiFLD ĺH G|H, ∗) je grupa a zobrazenie f : GG|H s

predpisom f(g) = Hg homomorfizmus. Potom (G|H, ∗) je faktorová grupa G

S RG D H.

Veta 2.5.9.2.

Nech f : G

H je surjektívny homomorfizmus. Potom Ker(f)<G a G|Ker(f) ≈ H.

Dôkaz.

Homomorfizmus f vyplýva priamo z vety 2.5.8.2. Definujme g : G|Ker(f)→H predpisom ∀xG : g(Ker(f)x)

= f(x). ∀x,yG : Ker(f)x = Ker(f)yxy-1 Ker(f) ⇒ f(xy) = eHf(x) = f(y) ⇒ g je injektívne lineárne

zobrazenie. Naviac g

MH K RP RP RUIL]P X V S UHW RĺH f MH K RP RP RUIL]P X V $ N H ĺH f je surjekcia, g je

izomorfizmus.

Dôkaz.
Dôsledok 2.5.9.1.

Nech G je grupa. Potom G|Z(G) ≈ I(G).

Dôkaz.

Nedokazujeme.

2.6. Determinanty.
2.6.1. Determinant matice.

Definícia.

Nech A je štvorcová matic

D VW X S D nýt VOR _ A| =

(

)

VJQ

τ

τ

τ

D

=

, kde sgn

τ = 1, ak τ

je párna a -1, ak

τ je nepárna, nazývame determinant matice A.

2.6.2. Vlastnosti determinantov.

Veta 2.6.2.1.

Nech A

MHăW YRUF RYiP D W LF D VW X S D n. Potom |A| = |A⊥|.

Dôkaz.

|A⊥|

=

(

)

VJQ

τ

τ

τ

D

=

=

(

)

VJQ

τ

τ

τ

D

!

=

"

=

(

)

VJQ

#$%

τ

τ

τ

D

&&

&

'

()

=

*

, lebo inverzná permutácia má

rovnakú paritu.

Veta 2.6.2.2.

Nech A

MHăWYRUFRYiPDWLFDVWXS Dn. Nech cF a nech A´ vznikne z A vynásobením niektorého riadku c.

Potom |A´|

= c.|A| .

Dôkaz.

Triviálne.

Veta 2.6.2.3.

Nech A

MHăWYRUFRYiPDWLFDVWXS Dn a nech A´ vznikne z A výmenou dvoch riadkov. Potom |A´| = -|A|.

Ondrej Vršanský

- 23 -

Dôkaz.

9ęPHQRXGYRFKULDGNRYSRUXătPHSDULWXNDĺGHMSHUPXWiFLH

Dôsledok 2.6.2.1.

Nech A

MHăWYRUFRYiPDWLFDVWXS Dn. Ak A má dva rovnaké riadky, tak |A| = 0.

Dôkaz.

Zrejmé z predchádzajúceho tvrdenia.

Definícia.

$NYRY]RUFLSUHYęSRţHWGHWHUPLQDQWXY\EHULHPSUHG]iWYRUNXai,j]RYăHWNęFKţOHQRY

YNWRUęFKVDQDFKiG]DSRWRPţtVORY]iWYRUNHQD]ęYDPHalgebraický doplnok k ai,j.

Lema 2.6.2.1(Laplace).

Nech A

MHăWYRUFRYiPDWLFDVWXS Dn. Potom ∀i∈1..n : |A| =

D $

+-,.+-,

,/ 010

=

2

.

Dôkaz.

Triviálne.

Lema 2.6.2.2.

Nech A

MHăWYRUFRYiPDWLFDVWXS Dn. Potom ∀i,k∈1..n :

=

n

j

j

k

j

i A

a

1

,

,

= 0.

Dôkaz.

Pre* i

k

D $

3547684

49 :;:

=

<

= 0, lebo do i-teho riadku sme dali k-

W\ţLPY]QLNOLGYDURYQDNpULDGN\

2]QDţHQLH

Nech A

MHăWYRUFRYiPDWLFDVWXS Dn, nech i,j∈1..n. Determinant matice, ktorá v znikne

z A odobratím i-teho riadku a j-

WHKRVW SFDR]QDţtPHMi,j.

Lema 2.6.2.3.

Nech A je štvor

FRYiPDWLFDVWXS Dn, nech i,j∈1..n. Potom Ai,j = (-1)i+jMi,j.

Dôkaz.

Zrejme A1,1 = M1,1 = (-1)2M1,1. Ale ai,j presunieme i-1+j-

YęPHQDPLULDGNRYDVW SFRYQDSR]tFLXD

NH ĺHNDĺGiVWęFKWRRSHUiFLtREUDFLD]QDPLHQNRGHWHUPLQDQWXD-1)i-1+j-1 = (-1)i+j, platí Ai,j = (-1)i+jMi,j.

Veta 2.6.2.5.

Nech A

MHăWYRUFRYiPDWLFDVWXS Dn. Nech cF a nech A´ vznikne z ASULSRţtWDQtPc-násobku nejakého

riadku A k inému riadku A. Potom |A´|

= |A|.

Dôkaz.

Nech A

 Y]QLNQH SULSRţtWDQtP c-násobku i-teho riadku ku k-temu. Potom |A´| =

=

n

j

j

k

j

k A

a

1

,

,

=

=

n

j

j

k

j

k A

a

1

,

,

+

=

n

j

j

i

j

k A

a

c

1

,

,

.

=

=

n

j

j

k

j

k A

a

1

,

,

+

=

n

j

j

i

j

k A

a

c

1

,

,

.

=

=

n

j

j

k

j

k A

a

1

,

,

+ c.0

=

=

n

j

j

k

j

k A

a

1

,

,

= |A|.

Definícia.

Nech A

MH ăWYRUFRYi PDWLFD VWXS D n. Maticu Aa =

$

$

$

$

=

=

==

>?>

>

>

@

@

@

@

/

0 2

0

/

Y NWRUHM VW SFRFK V~

algebraické doplnky riadkov matice A, nazývame matica adjungovaná k A.

Veta 2.6.2.6

Nech A

MHăWYRUFRYiPDWLFDVWXS Dn a Aa je jej adjungovaná matica. Potom A×Aa =

$

$

$

.

Dôkaz.

Tvrdenie vyplýva priamo z Laplaceovej vety (veta 2.6.2.4) a jej dôkazu.

Materiál na štátnicu

Algebra

- 24 -

Dôsledok 2.6.2.2.

Nech A

MHăWYRUFRYiPDWLFDVWXS Dn. Ak |A|≠0, tak A je regulárna a A-1= Aa×|A|-1.

Dôkaz.

Tvrdenie vyplýva priamo z predchádzajúcej vety.

2.6.3. Matice elementárnych úprav.

Oz

QDţHQLH

Nech c

F. Maticu , ktorá vznikne z jednotkovej vynásobením i-teho riadku c

R]QDţtP

Ei(c). Maticu , ktorá vznikne z jednotkovej výmeno i-teho a j-

WHKR ULDGNX R]QDţtP Ei,j.

0DWLFX NWRUi Y]QLNQH ] MHGQRWNRYHM SULSRţtWDQtP c-násobku i-teho riadku k j-temu,

R]QDţtPEi,j(c).

Lema 2.6.3.1.

|Ei(c)| = c, |Ei,j| = -1 a |Ei,j(c)| = 1.

Dôkaz.

9ăHWN\WULWYUGHQLHY\SOęYDM~]GHILQtFLHGHWHUPLQDQWXDPRĺQRVLLFK DKNRRYHUL

Veta 2.6.3.1.

Determinant regulárnej matice je nenulový.

Dôkaz.

Ak A je regulárna,

WDNSRG DYHW\MXPRĺQRY\MDGUL YSRGREHV~ţLQXHOHPHQWiUQ\FKPDWtF DKNR

VDPRĺQRSUHVYHGţL ĺHGHWHUPLQDQWV~ţLQXHOHPHQWiUQ\FKPDWtFMHURYQęV~ţLQXLFKGHWHUPLQDQWRYDNH ĺH

determinanty elementárnych matíc sú nenulové, je nenulový aj |A|.

Veta 2.6.3.2.

Nech A a B

V~ăWYRUFRYpPDWLFHVWXS Dn. Potom |A×B| = |A|.|B| .

Dôkaz.

Ak A aj B

V~UHJXOiUQHWDNSRG DYHW\LFKPRĺQRY\MDGUL YSRGREHV~ţLQXHOHPHQWiUQ\FKPDWtF

'HWHUPLQDQWV~ţLQXWęFKWRSRVWXSQRVWtMHSRG DYHW\URYQęV~ţLQXGHWHUPLQDQWRYWęFKWRSRVWXSQRVWt

ţLĺH_A×B| = |A|.|B_$NDVSR MHGQD]PDWtFA, B nie je regulárna, tak |A×B| = |A| = 0.

Veta 2.6.3.3.

Nech A

MHăWYRUFRYiPDWLFDVWXS Dn. Nech cF a nech A´ vznikne z A vynásobením niektorého riadku c.

Potom |A´|

= |Ei(cA| = |Ei(c)|.|A| = c.|A| .

Dôkaz.

3RG DYHW\_A´| = c.|A_3RVOHGQiURYQRV SODWtSRG DOHP\3URVWUHGQiURYQRV Y\SOęYD]

vety 2.6.3.2.

Dôsledok 2.6.3.1.

Ei(c) je elementárna matica, reprezentujúca vynásobenie i-teho riadku matice skalárom c.

Dôkaz.

Tvrdenie vyplýva z prvej rovnosti predchádzajúcej vety.

Veta 2.6.3.4.

Nech A

MHăWYRUFRYiPDWLFDVWXS Dn a nech A´ vznikne z A výmenou i-teho riadku za j-ty. Potom |A´| =

|Ei,j×A| = |Ei,j|.|A| = -|A|.

Dôkaz.

3RG DYHW\_A´| = -|A_3RVOHGQiURYQRV SODWtSRG DOHP\ 3URVWUHGQiURYQRV Y\SOęYD]

vety 2.6.3.2.

Dôsledok 2.6.3.2.

Ei,j je elementárna matica, reprezentujúca výmenu riadkov i a j.

Dôkaz.

Tvrdenie vyplýva z prvej rovnosti predchádzajúcej vety.

Ondrej Vršanský

- 25 -

Veta 2.6.3.5.

Nech A

MHăWYRUFRYiPDWLFDVWXS Dn. Nech cF a nech A´ vznikne z ASULSRţtWDQtPc-násobku i-teho

riadku k j-temu. Potom |A´| = |Ei,j(cA| = |Ei,j(c)|.|A| = |A|.

Dôkaz.

3RG DYHW\_A´| = |A_3RVOHGQiURYQRV SODWtSRG DOHP\3URVWUHGQiURYQRV Y\SOęYD]

vety 2.6.3.2.

Dôsledok 2.6.3.3.

Ei,j

MHHOHPHQWiUQDPDWLFDUHSUH]HQWXM~FDSULSRţtWDQLHc-násobku i-teho riadku k j-temu.

Dôkaz.

Tvrdenie vyplýva z prvej rovnosti predchádzajúcej vety.

2.6.4. Grupa regulárnych matíc.

Veta 2.6.4.1.

Zobrazenie Det :

RnR s predpisom Det(A) = |A| je homomorfizmus.

Dôkaz.

Det(A

×B) = |A×B| =

SRG DYHW\= |A|.|B| = Det(A).Det(B).

Dôsledok 2.6.4.1.

Rn|Ker(Det) ≈ R.

Dôkaz.

Tvrdenie vyplýva z vety 2.5.9.2.

2.6.5. Cramerovo pravidlo.

Veta 2.6.5.1 (Cramerovo pravidlo).

Nech A je regulárna matica, adjungovaná k sústave S

=

D [

D [

E

D [

D [

E

ABA

A

A8ACA

A

D?DED

D

D

DFD

G

G

G

G

/

0

2

0

0

/

=

=

. Potom S

PiMHGLQęNRUH

(y1, .. , yn), kde ∀i∈1..n : yi = |Di|.|A|-1

SULţRPDi vznikne z A nahradením i-WHKRVW SFDSUDYRXVWUDQRXV~VWDY\

Dôkaz.

i∈1..n

:

D '

$

H-IJI

IK L

=

M

=

D

E $

$

NPO

QQO

QR

OR S

S

=

=

T

T

=

U

U

$

D

E $

VPW

XYXW

XZ

WZ [

[

=

=

=

\

\

$

E D $

]_^5`7]`

]a

`a

bcb

=

=

=

d

d

$

E D $

egfPheh

hi

ei

jcj

=

=

=

k

k

$

E

D $

l

m5n7ln

no

lo

pcp

=

=

=

q

$

E $

r

rs

=

= bi.

2.7. Okruhy.
2.7.1. Základné vlastnosti.

Veta 2.7.1.1.

Nech (A,

⊕, ⊗) je okruh. Potom

• ∀xA : x⊗0 = 0⊗x = 0

• ∀x,yA : x⊗(-y) = (-x)⊗y = -(xy).

Dôkaz.

• ∀xA : x⊗0 = x⊗(0⊕0) = x⊗0 ⊕ x⊗0 ⇒ 0 = x⊗0. 0⊕x podobne.

• ∀x,yA : 0 = x⊗0 = x⊗(y-y) = xyx⊗(-y) ⇒ x⊗(-y) = -(xy). (-x)⊗y podobne.

Veta 2.7.1.2.

Nech (A,

⊕, ⊗) je okruh a a1..an, aA. Potom a⊗(a1⊕ .. ⊕an) = aa1 ⊕ .. ⊕ aan.

Dôkaz.

Triviálne.

Materiál na štátnicu

Algebra

- 26 -

2]QDţHQLH

Nech (A,

⊕, ⊗) je okruh, aA a nN. Výraz

D

D

t⊕ ⊕

EXGHPH]DSLVRYD VNUiWHQHn.a.

Veta 2.7.1.3.

Nech (A,

⊕, ⊗) je okruh, x,yA a nN. Potom x⊗(n.y) = n.(xy).

Dôkaz.

Tvrdenie je priamym dôsledkom vety 2.7.1.2.

2.7.2. Obory integrity.

Definícia.

Nech (A,

⊕, ⊗) je okruh. Prvok aA

QD]ęYDPH DYęS UDYęGHOLWH QXO\, ak ∃bA : b≠0

ab = 0 (ba = 0). Ak a≠0, a je netriviálny

GHOLWH QXO\

Poznámka.

2ERULQWHJULW\MHRNUXKVDVSR GYRPDSUYNami, neobsahujúci netriviálne delitele nuly.

Veta 2.7.2.1.

Nech (A,

⊕, ⊗) je obor integrity. Potom v A platia obmedzené pravidlá o krátení (∀a,x,yA : ax = ay

x = y a xa = yax = y).

Dôkaz.

a,x,yA : ax = ayax ⊕ -(ay) = 0 ⇒ axa⊗(-y) = 0 ⇒ a⊗(x ⊕ (-y)) = 0 ⇒ x ⊕ (-y) = 0 ⇒

x

= y. Obrátené pravidlo podobne.

Veta 2.7.2.2.

Nech (A,

⊕, ⊗

MHRNUXKVDVSR GYRPDSUYNDPLYNWRURPSODWLDREPHG]HQpSUDYLGOiRNUiWHQt3RWRPA

je obor integrity.

Dôkaz.

x,yA : xy = 0 ⇒ xy = x⊗0 ⇒ y = 0.

Veta 2.7.2.3.

.DĺGpWHOHVRMHRERULQWHJULW\

Dôkaz.

x,yAA : xy = 0 ⇒ x´⊗xy = ⊗0 ⇒ y = 0.

2.7.3. Podokruhy.

Definícia.

Okruh (B,

⊕, ⊗) je podokruh okruhu (A, +, ∗), ak (B, ⊕) je podgrupa (A, +) a ∀x,yB :

x

y = xy.

Veta 2.7.3.1.

Okruh (B,

⊕, ⊗) je podokruh okruhu (A, +, ∗

SUiYHYWHG\NH ∀x,yB : x⊕(-y)∈BxyB.

Dôkaz.

Obdobne ako pre podgrupy.

Veta 2.7.3.2.

Nech {Bi}i∈1..n je systém podokruhov A. Potom aj

%

u

u

v

=

w

,

je podokruh A.

Dôkaz.

Triviálne.

Veta 2.7.3.3.

Nech A je okruh a M

A. Potom existuje jediný podokruh [[M]] okruhu A

WDNęĺHM⊆[[M]] a ∀BA : B

je podokruh A

B⊆[[M]].

Dôkaz.

[[M]] je prienik všetkých podokruhov A, obsahujúcich M. Z vlastnosti

BA : B je podokruh A

B

⊆[[M]]

Y\SOęYDĺH[[M]] je jediný.

Ondrej Vršanský

- 27 -

Definícia.

Nech A je okruh a M

A. Okruh [[M]]

NWRUpKR H[LVWHQFLX ]DEH]SHţXMH YHWD

nazývame podokruh generovaný

PQRĺLQRXM. Prvky Mgenerátory okruhu [[M]].

Veta 2.7.3.4.

Nech A je okruh a nech M

A obsahuje jednotku. Ak ∃aAxA : ax = xa, tak okruh [[M∪{a}]],

NWRUpKR H[LVWHQFLX ]DEH]SHţXMH YHWD PiWYDU {x0a0⊕ .. ⊕xnan; ∀i∈1..n: xiA} D R]QDţXjeme ho

M[a].

Dôkaz.

M[a]

M, lebo ∀xM : x = xa0 = xe. ∀x=x0a0⊕ .. ⊕xnan, y= y0a0⊕ .. ⊕ynanM[a] : (x - y) =

(x0 - yn)⊗a0⊕ .. ⊕(xn - yn) ⊗ anM[a].

3RGREQHPRĺQRRGYRGL ĺHxy)∈M[a], WDNĺHM[a] je podokruh A. A

napokon aj M[a]

⊆[[M]], lebo minimálny podokruh musí všetky prvky tvaru prvkov z M[a]

REVDKRYD

Definícia.

Nech A je okruh a nech M

A. Okruh M[a]

NWRUpKRH[LVWHQFLX]DEH]SHţXMHYHWD

nazývame okruh polynómov v premennej a pod M.
2.7.4. Homomorfizmy a ideály okruhov.

Definícia.

Nech (A,

⊕, ⊗) je okruh. Zobrazenie f : AA nazveme homomorfizmus okruhov

NUiWHQHKRPRPRUIL]PXVDNMHKRPRPRUIL]PRPY]K DGRPQDREHRSHUiFLH⊕ a ⊗.

Veta 2.7.4.1.

Nech A,B a C sú okruhy a zobrazenia f : A

B a g : BC homomorfizmy. Potom aj g°f : AC je

homomorfizmus.

Dôkaz.

7YUGHQLHY\SOęYDSULDPR]YHW\R]ORĺHQRPKRPRPRUIL]PHJU~S

Definícia.

Nech (A,

⊕, ⊗) je okruh. ∅≠IA je ideál, ak

1.

x,yI : (x - y)∈I

2.

xIrA : xrIrxI.

Veta 2.7.4.2.

Nech A a B sú okruhy a zobrazenie f : A

B homomorfizmus. Potom Ker(f) je ideál A.

Dôkaz.

x,yKer(f) : f(x - y) = f(x) - f(y) = 0 + 0 = 0∈Ker(f

=iURYH ∀rA : f(xr) = f(x)∗f(r) = 0∗f(r) = 0.

Obdobne f(r

x).

Veta 2.7.4.3.

Nech A´ je podokruh A a B´ podokruh B. Ak f : A

B je homomorfizmus, tak f() = {f(x)∈B; x} je

podokruh B a f-1(B´)

= {xA; f(x)∈} je podokruh A.

Dôkaz.

f(x),f(y)∈f() : f(x) ∗ f(y) = f(xy)∈f(), lebo A´ je okruh. Podobne ∀x,yf-1(B´) : f(xy) = f(x) ∗

f(y)

, lebo B´ je okruh.

Veta 2.7.4.4.

Nech A,B sú okruhy a I je ideál B. Ak f : A

B je homomorfizmus, tak f-1(I) = {xA; f(x)∈I} je ideál A.

Dôkaz.

3RG DYHW\MHf-1(I) podokruh A. Navyše ∀xf-1(I) rA : f(rx) = f(r) ∗ f(x)∈I, lebo I je ideál.

Veta 2.7.4.5.

Nech {Ii}i∈1..n je systém ideálov A. Potom aj

,

x

x

y

=

z

,

je ideál A.

Dôkaz.

Triviálne.

Materiál na štátnicu

Algebra

- 28 -

Veta 2.7.4.6.

Nech A je okruh a I

A. Potom existuje jediný ideál (I) okruhu A

WDNęĺHI⊆(I) a ∀JA : J je ideál A

J

⊆(I).

Dôkaz.

Obdobne ako pre okruhy.

Definícia.

Nech A je okruh a I

A. Okruh (I)

NWRUpKR H[LVWHQFLX ]DEH]SHţXMH YHWD

nazývame ideál generovaný

PQRĺLQRXI. Prvky Igenerátory okruhu (I).

Veta 2.7.4.7.

Nech A je komutatívny okruh, a

A. Potom (a) = {ran.a; rA, nZ}. Ak 1∈A, tak (a) ={ra; rA}.

Dôkaz.

x=pam.a, y=ran.a ∈(a) : x-y = (p-r)⊗a ⊕ (m-n).a a ∀sA : rx = r⊗( pam.a) = (ps)⊗a

⊕ (n.s).a ∈(a), tak

ĺHa) je ideál A. Navyše a∈(aDNDĺGęLGHiOA, obsahujúci aPXVtREVDKRYD YăHWN\SUYN\A

tvaru prvkov (a

WDNĺHa) je minimálny.

2.7.5. Faktorové okruhy.

Veta 2.7.5.1.

Nech I je ideál A. Potom existujú jediné operácie

⊕, ⊗

WDNpĺHA|I, ⊕, ⊗) je okruh a zobrazenie f : AA|I

s predpisom f(a)

= a+I komutatívny homomorfizmus.

Dôkaz.

Definujme operáciu

⊕ predpisom ∀x,yA : (x+I)⊕(y+I) = (xy)+I a operáciu ⊗ predpisom ∀x,yA :

(x+I)

⊗(y+I) = (xy)+I (kde +, ∗ sú operácie okruhu A). (A, +) je komutatívna grupa, I je jej invariantná

podgrupa a teda aj (A|I, ⊕) je komutatívna grupa a f homomorfizmus. Navyše ∀x,y,zA : (x+I)⊗((y+I)⊗(z+I)) =

(x+I)

⊗(yz+I) = (xyz+I) = (xy+I)⊗ (z+I) = ((x+I)⊗(y+I))⊗(z+I) a (x+I)⊗((y+I)⊕(z+I)) =

(x+I)

⊗((yz)+I) = (x⊗(yz)+I) = ((xy)⊕(xz)+I) = ((xy)+I) ⊕ ((xz)+I

WDNĺHA|I, ⊕, ⊗) je okruh.

Veta 2.7.5.2.

nech f : A

B je surjektívny homomorfizmus. Potom existuje jediný izomorfizmus g : A|Ker(f)→B

WDNęĺHf

= g°p, kde p

MHSURMHNFLD]DUXţHQiYHWRX

Dôkaz.

Dôkaz podobný ako pre vetu 2.5.9.2.

2.8. Polia.
2.8.1. Podpole.

Veta 2.8.1.1.

Nech F je pole. Potom

∅≠F´⊆F je podpole F

SUiYHYWHG\NH

1.

1

F´

2.

x,yF´: (x-y)∈F´

3.

x,yF´: xy-1F´.

Dôkaz.

'RSUHGQi LPSOLNiFLD MH WULYLiOQD = YODVWQRVWL Y\SOęYD ĺH F´, +) je podgrupa (F, +). Podobne z

YODVWQRVWtDY\SOęYDĺHF´, ∗) je pologrupa. Spolu teda (F´, +, ∗MHRNUXKD]YODVWQRVWLY\SOęYDĺHMH

to aj pole.

Definícia.

Ideál I okruhu A sa nazýva maximálny, ak I

A a ∀ideál J : JIJ=A.

Veta 2.8.1.2.

Nech A je komutatívny okruh s jednotkou, I je ideál A. Potom A|I

MHSROHSUiYHYWHG\NH I je maximálny.

Ondrej Vršanský

- 29 -

Dôkaz.

Nech A|I

MHSROH3RWRPPiDVSR SUYN\I je nula v A|I a 1+I jednotka. 1 = 1 - 0 ∉IIA. Nech teraz

∃ideál JI, JA. Potom ∃xJ : xI

3RORĺPHK = {i + r.x; iI, rA} DKNRPRĺQRRGYRGL ĺHK je ideál v A.

$OHNDĺGęSUYRNWDYUXSUYNRYKPXVtE\ YPLQLPiOQRPLGHiOLJHQHURYDQRPI∪{x}WDNĺHK = (I∪{x}) a

J

K. Ale 1 = 1 + 0. xK

WDNĺHK = A a teda aj J = AţR]QDPHQiĺHI bol maximálny.

Obrátene nech I je maximálny. Potom A|I

PiDVSR SUYN\∀xI : (I∪{x}) = A ⇒ 1∈(I∪{x}.H ĺH

VPHXNi]DOLĺHI∪{x}) = {i + r.x; iI, rA}, ∃iIrA : 1 = i + r. x. Potom ale trieda 1+I = (i + r. x)+I = (i+I)

+ (r. x)+I

= (∀iI : (i+I) = I) = (r+I) ∗ (x+I) ⇒ ∗ má inv

HU]QęSUYRN2VWDWQpYODVWQRVWLSR DV~]DUXţHQp]R

]DGDQLDţLĺHA|I je pole.
2.8.2. Podielové pole.

Veta 2.8.2.1.

Nech A je komutatívny obor integrity. Potom existuje pole Q(A) a injektívny homomorfizmus j : A

Q(A)

WDNĺH

1.

xQ(A) ∃a,bA : b≠0 ∧ x = j(a) ∗ j(b)-1

2.

∀injektívny homomorfizmus f : AF, kde F je pole, existuje jediný homomorfizmus g : Q(A)→F tak,

ĺHf = g°j.

Dôkaz.

3RORĺPHB = A×A*, kde A* = A -{0}. Na B definujme reláciu ∼ predpisom (a, b) ∼ (c, d) ⇔ ad = bc,

kde

∗ je násobenie v okruhu A. ∼ je zjavne symetrická a reflexívna. Navyše (a, b) ∼ (c, d) ∧ (c, d) ∼ (x, y) ⇔

a

d = bccy = dxady = bcybcy = bdxady = bdxay = bx ⇔ (a, b) ∼ (x, y),

WDNĺH∼ je aj tranzitívna a teda je to relácia ekvivalencie. Definujme Q(A) = B|∼. Triedu ekvivalencie, do ktorej
patrí (a, b

R]QDţtP D

E

DOHM GHILQXMPH RSHUiFLH ⊕ a ⊗ predpismi D

E

F

G

= D G E F

E G

∗ + ∗

a D

E

F

G

= D F

E G

.

8NiĺHPHĺHQ(A), ⊕, ⊗) je pole.

I.

1H]iYLVORV R]QDţHQLDWULHGHNYLYDOHQFLHRGYęEHUXUHSUH]HQWDQWRY D

E

∼ ′

D

E

a F

G

∼ ′

F

G

a = b

c

= dad = bdcb = dbad + cb =

bd + dbad + bc = bd + bd ⇔ (ad + bc)∗ =

(

+ )∗bdD G E F

E G

∗ + ∗

= ′∗ ′ + ′∗ ′

′∗ ′

D G E F

E G

D

E

F

G

= ′

D

E

⊕ ′

F

G

. Podobne D

E

∼ ′

D

E

a F

G

∼ ′

F

G

a

= bc = dac = bdac = bdD F

E G

= ′∗ ′

′∗ ′

D F

E G

D

E

F

G

= ′

D

E

⊗ ′

F

G

.

II.

.RPXWDWtYQRV ⊕. D

E

F

G

= D G E F

E G

∗ + ∗

= F E G D

G E

∗ + ∗

= F

G

D

E

.

III.

Neutrálny prvok

⊕ (nula). Nulou v Q(A) je trieda


[

, x

≠0. D

E


[

= ∗ + ∗

E [ D

[ E

= D

E

.

IV.

Inverzný prvok

3RORĺPH − 





D

E

= − D

E

. Potom D

E

⊕ − D

E

= D E E D

E E

∗ − ∗

=

E E

.

V.

.RPXWDWtYQRV ⊗. D

E

F

G

= D F

E G

= F D

G E

= F

G

D

E

.

VI.

Neutrálny prvok

⊗ (jednotka). Jednotkou v Q(A) je trieda [

[

, x

≠0. D

E

[

[

= D [

E [

= D

E

.

VII.

Inverzný prvok

3RORĺPH D

E





{

= E

D

. Potom D

E

D

E





|

= D

E

E

D

= D E

E D

= (ab = x) = [

[

.

Materiál na štátnicu

Algebra

- 30 -

VIII.

'LVWULEXWtYQRV ⊗Y]K DGRPQD⊕.

[

\

D

E

F

G

+





= [

\

D G E F

E G

∗ + ∗

=

(

)

[ D G E F

[ E G

∗ ∗ + ∗

∗ ∗

=

[ D G [ E F

[ E G

∗ ∗ + ∗ ∗

∗ ∗

= [ D G

[ E G

∗ ∗

∗ ∗

[ E F

[ E G

∗ ∗

∗ ∗

= D

E

F

G

.

Tým sme doká

]DOLĺHQ(AMHSROH7HUD]]YR PHSHYQp ≠xA a definujme j : AQ(A) predpisom j(a)

= D [

[

. j(a+b)

=

D E [

[

+ ∗ = D [ E [

[

∗ + ∗ = D [

[

∗ ⊕ E [

[

∗ = j(a)⊕j(b) a rovnako j(ab) =

D E [

[

∗ ∗ = D [ E [

[ [

∗ ∗ ∗

= D [

[

E [

[

∗ = j(a)⊗j(bWDNĺHj je homomorfizmus. Navyše j(a)=j(b) ⇒ D [

[

∗ = E [

[

∗ ⇒

a

xx = bxxa = b

WDNĺHj je injekcia.

Majme teraz pole F a injektívny homomorfizmus f : A

F. Pre f definujme zobrazenie g : Q(A)→F

predpisom g D

E





= f(a).f(b)-1, kde . je násobenie v poli F. D

E

∼ ′

D

E

ab´ = a´∗bf(ab´) = f(a´∗b) ⇒ f(a).f(b´)

= f(a´).f(b) ⇒ f(a). f(b) -1 = f(a´). f(b´)-1 ⇒ g D

E





= g





D

E

WDNĺH g je nezávislé od výberu reprezentantov.

Navyše g D

E

F

G





= g D G E F

E G

∗ + ∗





= f(ad + bc).f(bd)-1 = f(ad).f(bd)-1 + (bc).f(bd)-1 = f(a).f(d).f(b)-1.

f(d)-1 + f(b).f(c).f(b)-1.f(d)-1

= f(a).f(b)-1 + f(c).f(d)-1 = g D

E





+ g F

G





a g D

E

F

G





= g D F

E G





= f(ac).f(bd)-1 =

f(a).f(c).f(b)-1.f(d)-1

= f(a).f(b)-1.f(c).f(d)-1 = g D

E





. g F

G



 WDNĺH

g je homomorfizmus. Pritom g°j(a)

= g(j(a)) =

g D [

[





= f(ax).f(x)-1 = f(a).f(x).f(x)-1 = f(a

WDNĺHg°j = f.

-HGQR]QDţQRV g. Nech g1°j = fg2°j = f. Potom g1 D [

[





= f(a) ∧ g2 D [

[





= f(a) ⇒ g1 D [

[





=

g2 D [

[





a teda g1 = g2.

Veta 2.8.2.2.

Nech A1, A2 sú izomorfné komutatívne obory integrity. Potom aj Q(A1) a Q(A2) sú izomorfné.

Dôkaz.

Majme izomorfizmus f : A1A2 a injektívne homomorfizmy j1 : A1Q(A1) a j1 : A2Q(A2

3RWRPSRG D

vety 2.8.1.1 existuje jediný homomorfizmus g1 : Q(A1)→ Q(A2

WDNęĺHg1°j1 = j2°f, ktorý je navyše injektívny,

lebo aj j1, j2 aj f sú injektívne. Podobne existuje a je injektívny aj homomorfizmus g2°j2 : Q(A2)→ Q(A1) = j1°f-1.

Potom ale g1°g2 aj g2°g1 sú bijektívne automorfi

]P\]ţRKRY\SOęYDĺHQ(A1) a Q(A2) sú izomorfné.

2.9. Okruhy polynómov.
2.9.1. Konštrukcia polynómov.

Definícia.

Nech A

B, xB

0QRĺLQX A[x] = {

D [

} }

}~

=



;

i∈0..n : aiA} nazývame okruh

polynómov v premennej x s koeficientami v A.

Definícia.

Nech A

B, xB

$NNDĺGę SRO\QyP Y x s koeficientami va A MH QXORYę OHQ YWHG\NH

všetky jeho koeficienty sú nulové, tak x nazývame transcendentný prvok nad A. Inak je x

algebraický.

Ondrej Vršanský

- 31 -

Veta 2.9.1.1 (Dosadzovacie pravidlo).

Nech A

B a sú okruhy a nech xB je transcendentný nad A. Ak ∀aA : ax = xa a ∃yB´ ∀v:

by

= yb

SRWRPNXNDĺGpPXKRPRPRUIL]PXf : AA´ existuje jediný homomorfizmus ϕ : A[x]→BWDNęĺH

aA : ϕ(a) = f(a) a ϕ(x) = y.

Dôkaz.

A[x]

= {

D [

€ €

€

=

‚

;

i∈0..n : aiA}. Definujme ϕ predpisom

(

)

ϕ

D [

ƒ ƒ

ƒ„

=

…

=

( )

I D \

† †

†‡

=

ˆ

DKNR

PRĺQRQDKOLDGQX ĺHϕMHSUiYHK DGDQęKRPRPRUIL]PXV

Definícia.

Polynóm

D [

‰ ‰

‰Š

=

‹

je

LQYHUWRYDWH Qę, ak ∃a : aa0 = a0a = 1.

2]QDţHQLH

6WXSH SRO\QyPXfR]QDţtPH∆f.

Veta 2.9.1.2 (O delení so zvyškom).

Nech A je komutatívny okruh s jednotkou, x je transcendentný nad A a nech f(x)

=

D [

Œ Œ

Œ

=

Ž

a g(x)

=

E [

Œ Œ

Œ

=

Ž

A[x]

SULţRP g MH LQYHUWRYDWH Qę 3RWRP H[LVWXMH MHGLQi XVSRULDGDQi GYRMLFD SRO\QyPRY q(x),

r(x)

A[x]

WDNiĺHf(x) = g(x)q(x) + r(x), kde 0 ≤ n < m (∆r(x) = n a ∆g(x) = m).

Dôkaz.

Ak m > n, tak f

= 0.g + f. Nech teraz nm

3RORĺPHf1(x) = f(x) - D

E

[

’‘

“

“

− .g(x

-H]UHMPpĺHf1(x) je

PHQăLHKR VWXS D QHĺ f(x D SUHWR SRG D LQGXNţQpKR SUHSRNODGX ∃q´,r´ : f1 = q´.g + r´. Ale potom f(x) =

+



T [ D

E

[

”’•

–

–

g(x) + r(x), kde r(x)

= r´(x

]Y\ăQpţOHQ\]f1(xMHGQR]QDţQRV MH]MDYQiOHERDNf(x) =

q(x).g(x) + r(x)

= q´(x).g(x) + r´(x), tak r(x) - r´(x) =

(

)

T [ T [

− ′

.g(x

$OH DYiVWUDQDMHVWXS DPHQăLHKRDNR

m

DSUDYiVWXS DDVSR mWDNĺHREHV~QXORYpDWHGD q(x) = q´(x) a r(x) = r´(x).

Definícia.

+RYRUtPH ĺH SRO\QyP f delí polynóm g a zapisujeme f/g, ak existuje polynóm h taký,

ĺHg = f.h .

Lema 2.9.1.1.

Nech f/g a g/h. Potom f/h.

Dôkaz.

Triviálne.

Lema 2.9.1.2.

Nech f/g a f/h. Potom f/(g+h).

Dôkaz.

Triviálne.

Definícia.

+RYRUtPHĺHSRO\QyPh je QDMYlţătVSRORţQęGHOLWH polynómov f a g a zapisujeme h =

(f,g), ak h/f, h/g a ∀h´: h´/fh´/gh/h´. Ak f/g a g/f

KRYRUtPHĺHf a gasociované.

Lema 2.9.1.3.

Nech f

= q.g+r. Potom (f,g) (g,r).

Dôkaz.

Nech h/f

h/g. Potom ale h/r, lebo r = f - q.g. Obrátene nech k/gk/r. Potom k/f, lebo f = q.g+r

7DNĺH

NDĺGęVSRORţQęGHOLWH f a gMHDMVSRORţQęPGHOLWH om g a rDQDRSDN]ţRKRY\SOęYDGRND]RYDQpWYUGHQLH

Veta 2.9.1.3 (Euklidov algoritmus).

Ak F[x] je pole, tak

f,gF[x] ∃(f,g).

Materiál na štátnicu

Algebra

- 32 -

Dôkaz.

Tvrdenie induktívne vyplýva z lemy 2.9.1.3.

Veta 2.9.1.4.

Ak F[x]

MHSROHWDNNDĺGęLGHiOF[x] je hlavný.

Dôkaz.

Nech I je ideál v F[x]. Prípady I

= {0} = (0) a I = F[x] = (1) sú triviálne. Preto nech {0}⊂IF[x]

3RORĺPH

∆ = min{∆f(x); f(x)∈I}. Nech fI

MHVWXS D∆-H]MDYQpĺHI ⊇ (f(x)). Obrátene nech Ik(x) = q(x).g(x) + r(x).

Ale

r

QHP{ĺHE\ QHQXORYiDPHQăLDDNR∆fWDNĺHr(x) = 0 a k(x) = q(x).g(x) ∈ (f(x)).

2.9.2. Okruhy hlavných ideálov.

Definícia.

.RPXWDWtYQ\ RERULQWHJULW\ YNWRURP MHNDĺGę LGHiO KODYQęQD]ęYDPH okruh hlavných

ideálov

DR]QDţXMHPHVNUDWNRXOHI.

Veta 2.9.2.1.

Nech A je OHI a I0 ⊆ .. ⊆ In ⊆ .

MHSRVWXSQRV LGHiORYA. Potom ∃nNm>n : Im = In.

Dôkaz.

6WD ţ tX N i] D ĺHJ =

,

—™˜

8 je ideál v A. Ale ∀a,bJn,mN : aIn bIm. BUNV nech n m. Potom

a,b

Ina-bIna-bJ. Podobne ∀rAaJnN : aInarInarJ

WDNĺHJ je ideál v A ⇒ ∃nN

: In = J a ∀mn : ImInIm = J.

Definícia.

Nech A je okruh, a,b

A

+RYRUtPHĺHa delí b v A a zapisujeme a/b, ak ∃cA : b = c.a.

Lema 2.9.2.1.

Nech A je OHI, a,b,c

A. Potom a/bb/ca/c.

Dôkaz.

Triviálne.

Lema 2.9.2.2.

Nech A je OHI, a,b,c

A. Potom a/ba/ca/bc.

Dôkaz.

b

= d1ac = d2abc = d1ad2a = (d1d2a)a.

Definícia.

Nech A je OHI, a,b

A. Ak a/b a b/a

KRYRUtPHĺHa a basociované a píšeme ab.

Lema 2.9.2.3.

Nech A je OHI, a,b

≠0∈A, ab

3RWRPH[LVWXMHGHOLWH MHGQRWN\c WDNęĺHb = ca.

Dôkaz.

a

= d1b = d1d2ad1d2 = 1 ⇒ d1 aj d2 sú delitele jednotky.

Definícia.

Nech A je OHI, a

A. Ak a

MH GHOLWH Qę LED GHOLWH PL MHGQRWN\ D SUYNDPL V QtP

DVRFLRYDQęPLWDNKRYRUtPHĺHa je ireducibilný.

Veta 2.9.2.2.

Nech A je OHI, a,b

A. Potom ∃(a,b).

Dôkaz.

3RORĺPHI = {pa + qb; p,qA}. I je zjavne ideál v ADNH ĺHA je OHI, ∃cA : I = (a). Ale potom ∃p,qA

: c

= pa + qb a teda c = (a,b).

Lema 2.9.2.4.

Nech A je OHI, a,b,c

A. Ak (a,b) = 1 a a/bc, tak a/c.

Dôkaz.

Triviálne.

Ondrej Vršanský

- 33 -

Dôsledok 2.9.2.1.

Nech A je OHI, a,b,c

A. Ak a je ireducibilný a a/bc, tak a/ba/c.

Dôkaz.

Triviálne.

9HWD5R]NODGQDSUYRţtVOD

Nech A je OHI a 0

aA

QLH MH GHOLWH MHGQRWN\ 3RWRP a PRĺQR Dĺ QD SRUDGLH ţOHQRY MHGQR]QDţQH

Y\MDGUL DNRV~ţLQLUHGXFLELOQęFK p1..pnA.

Dôkaz.

Triviálnou štrukturálnou indukciou dostaneme rozklad a

QDLUHGXFLELOQpSUYN\-HGQR]QDţQRV UR]NODGX

vyplýva z dôsledku 2.9.2.1.

Dôsledok 2.9.2.2.

Nech A je OHI a 0

aA

QLH MH GHOLWH MHGQRWN\ 3RWRP a PRĺQR MHGQR]QDţQH Y\MDGUL DNR

{

}

ireducibil

je

;q

A

q

p

p

p

α

, kde

αp≥0.

Dôkaz.

Triviálne.

Veta 2.9.2.4.

Nech A je OHI, a

=

S

š

›œ

α

,b = S š

›žœ

β

∏ ∈A. Potom (a,b) = c =

{

}

S

ŸBŸ

žˇ

˘8٤1Ą

α β

.

Dôkaz.

c

MH]MDYQHVSRORţQęGHOLWH a a b. Navyše ak d =

S

¦

§ž¨

γ

∏ MHVSRORţQęGHOLWH a a b, tak ∀pA ireducibilné

platí

γp ≥ min{αp, βp}

WDNĺGc/d.

Definícia.

Nech A je OHI, a,b

A

ýtVOR[a,b] nazývame QDMPHQătPVSRORţQęPQiVRENRP a a b, ak

a/[a,b], b/[a,b] a

cA : a/c, b/c ⇒ [a,b]/c.

Veta 2.9.2.5.

Nech A je OHI, a

=

S

©

ޝ«

α

,b = S ©

ޞ«

β

∏ ∈A. Potom [a,b] = c =

{

}

S

¬­¬

®žŻ

°8± ˛1ł

α β

.

Dôkaz.

c

MH ]MDYQH VSRORţQę QiVRERN a a b. Navyše ak d =

S

´

µž¶

γ

∏ MH VSRORţQę QiVRERN a a b, tak ∀pA

ireducibilné platí

γp ≤ max{αp, βp}

WDNĺGd/c.

2.9.3. Korene polynómov.

Definícia.

Nech F je pole, x je transcendentný nad F a f(x)

=

D [

· ·

·¸

=

ą

F[x]. Polynóm Df(x) = f´(x)

=

N D [

ş ş

ş» ×

=

Ľ

˝

nazývame derivácia polynómu f(x).

Veta 2.9.3.1.

Nech F je pole, x je transcendentný nad F a f(x), g(x)

F[x]. Potom (f(x) + g(x))´= (x) + g´(x).

Dôkaz.

Nech f(x)

=

D [

ľ ľ

ľż

=

Ŕ

a g(x)

=

E [

ľ ľ

ľż

=

Ŕ

. (f+g)(x)

=

D E [

Á Á Á

ÁÂ

+

=

Ă

, (f+g)´(x)

=

N D E [

Ä Ä Ä

ÄĹ × +

=

Ć

Ç

=

N D [

N E [

Č Č

Č Č

ČÉ ×

+ ×

=

Ę

Ę

Ë

=

N D [

Ě Ě

ĚÍ ×

=

Î

Ď

+

N E [

Đ Đ

ĐŃ ×

=

Ň

Ó

= (x) + g´(x).

Veta 2.9.3.2.

Nech F je pole, x je transcendentný nad F a f(x), g(x)

F[x]. Potom fg´(x)= (x) g(x) + f(x)g´(x).

Materiál na štátnicu

Algebra

- 34 -

Dôkaz.

Nech f(x)

=

=

n
i

i

i x

a

0

a g(x)

=

=

n

j

j

j x

b

0

. Potom fg(x)

=

∑ ∑

=

=

+

n
i

n

j

j

i

j

i

x

b

a

0

0

a fg´(x)

=

∑ ∑

=

=

+

+

n
i

n

j

j

i

j

i

x

b

a

j

i

0

0

1

)

(

=

(

)

=

=

=

+

n
i

n

j

j

j

i

i

n

j

j

j

i

i

x

b

x

a

x

b

x

a

i

0

0

1

0

1

.

=

(

)

=

=

n
i

n

j

j

j

i

i

x

b

x

a

i

0

0

1

.

+

(

)

=

=

n
i

n

j

j

j

i

i

x

b

x

a

0

0

1

=

=

=

n

j

j

j

n
i

i

i

x

b

x

a

i

0

0

1.

.

+

=

=

n

j

j

j

n
i

i

i

x

b

x

a

0

1

0

.

= (x).g(x) + f(x).g´(x).

Definícia.

Nech F je pole, F´ je nadpole F, x

je transcendentný nad F a f(x)∈F[x]

S UL ţ R P

f

+R Y R Ut PH ĺ H cje NRUH polynómu f(x), ak (x-c)/f(x) v F[x].

Veta 2.9.3.3.

Nech F je pole, F´ je nadpole F, x

je transcendentný nad F a f(x)∈F[x]

S UL ţ R P ∆f≥1. cM H N R UH

f(x

S Ui Y H Y W H G \ N H f(c) = 0.

Dôkaz.

f(x)

= (x-c)q(x) + r(x). Ak c

M H N R UH f(x), tak r(x) = 0 a f(c) = (c-c)q(c) = 0. Obrátene tak isto.

Veta 2.9.3.4.

Ak f(x)

C[x] je ireducibilný, tak ∆f ≤ 1.

Dôkaz.

V C[x]

Pi N D ĺ G Ś S R O \Q yP V W XS D n práve n N R UH R Y

Lema 2.9.3.1.

f(x)

R[x]

Pi S i UQ \ S R ţ H W L PD JL Q i UQ \FK N R UH R Y

Dôkaz.

Nech a + bi

= cC

M H N R UH f(x). Potom f(c) = 0. Ale R(a +bi)k = R(a -bi)k (z binomickej vety) a I(a +bi)k

= -I(a -bi)k

W D N ĺ H D M f(F ) = 0 a f(x) = (x-c)(x- F )q(x).

Veta 2.9.3.5.

Ak f(x)

R[x] je ireducibilný, tak ∆f ≤ 2.

Dôkaz.

Ak f(x

Pi UH i O Q \ N R UH c, tak f(x) = (x-c)q(x $N Q L H S R W R P Pi D V S R G Y D L PD JL Q i UQ H N R UH Q H c a F a

f(x)

= (x-c)(x-

F )q(x) = ((x-a)2 + b2)q(x).

Veta 2.9.3.6.

Nech f(x)

F[x]

M H V W XS D D O H E R 3R W R P f(x M H L UH G XFL E L O Q Ś S Ui Y H Y W H G \ N H Q H Pi UH i O Q \ N R UH

Dôkaz.

Dopredná implikácia je triviálna. Obrátene nech f(x

Q H Pi UH i O Q \ N R UH 3R W R P Pi D V S R G Y D L PD JL Q i UQ H

N R UH Q H 1D Y \ăH D N E \ E R O V W XS D PXV H O E \ S R G D O H P\ E \ M H KR W UH W t N R PS O H [Q Ś N R UH UH i O Q \ ţ R M H

V S R U W D N ĺ H f M H V W XS D G Y D D M H W Y R UH Q Ś S Ui Y H V ~ţ L Q R P M H KR G Y R FK L PD JL Q i UQ \FK N R UH R Y ţ L ĺ H M H L UH G XFL E L O Q Ś

Definícia.

+R Y R Ut PH ĺ H c je viacnásobný (k-Q i V R E Q Ś N R UH f(x), ak (x-c)k/f(x) v F[x].

Definícia.

Pole F sa nazýva úplné (uzavreté), ak

f(x)∈F[x] : ∆f(x) ≥ 1 ⇒ f(x) má v F[x]

N R UH

Veta 2.9.3.7.

Nech F´ je úplné nadpole F. Polynóm f(x)

F[x] má v F

 D V S R G Y R M Q i V R E Q Ś N R UH S Ui Y H Y W H G \ N H

(f(x), Df(x)) ≥ 1.

Dôkaz.

Nech f(x) má v F´ dvojnásobný k

R UH c. Potom f(x) = (x-c)2g(x). Df(x) = (x-c)2Dg(x) + 2(x-c)g(x) ⇒ (x-c)/

(f(x), Df(x)) ⇒ ∆(f(x), Df(x)) ≥ 1. Obrátene nech ∆(f(x), Df(x)) ≥ 1. Potom ∃d(x

V W XS D D V S R N W R UŚ G H O t (f(x),

Df(x)

)

.H ĺ H F´je úplné, d(x Pi N R UH c. Aj (x-c)/ (f(x), Df(x)). Nech f(x) = (x-c)f1(x 3R G D Y H W \ Df(x)

= f1(x) + (x-c)Df1(x) ⇒ (x-c)/f1(x). Nech f1(x) = (x-c)f2(x). Potom ale f(x) = (x-c)2f2(x) a teda f(x) má v F´

G Y R M Q i V R E Q Ś N R UH

Ondrej Vršanský

- 35 -

2.9.4. Algebraické rozšírenia polí.

Definícia.

Nadpole F

 S R D F nazývame rozšírenie S R D F 5R ] ăt UH Q L H S R D F je algebraické, ak

všetky jeho prvky sú algebraické nad F.

Veta 2.9.4.1.

Nech F je pole, x je transcendentný nad F a f(x)

F[x] je ireducibilný. Potom existuje nadpole

S R D F,

v ktorom má f(x

N R UH

Dôkaz.

3R O R ĺ PH I = (f(x)). ∀g(x)∈F[x]-(f(x)) : (f(x), g(x)) = 1 ⇒ ∃u(x), v(x)∈F[x] : u(x).f(x) + v(x).g(x) = 1. Ale

u(x).f(x) aj v(x).g(x)

I

W D N ĺ H ∈II je maximálny ⇒ = F[x]|I je pole. Definujme ϕ : F predpisom

aF : ϕ(a) = a + I

D KN R PR ĺ Q R Q D KO L D G Q X ĺ H ϕ M H L Q M H N W t Y Q \ KR PR PR UIL ] PXV W D N ĺ H F je podpole (F je

izomorfné s

ϕ(F) = {a+ I; aF} a ϕ(F) je podpole ). Navyše f(x + I) =

(

)(

)

=

+

+

n
k

k

k

I

x

I

a

0

=

(

)

(

)

=

+

+

n

k

k

k

I

x

I

a

0

=

(

)

=

+

n

k

k

k

I

x

a

0

=

(

) I

x

a

n

k

k

k

+

=0

= f(x) + I = I (lebo f(x)∈I) =

W D N ĺ H x + I M H N R UH f v

.

Definícia.

.R Q H ţ Q R UR ] PH UQ Ś Y H N W R UR Y Ś S UL H V W R U Q D G S R R P F nazývame NRQHţQp UR]ătUHQLH S R D

F. Jeho dimenziu nazývame

VWXSH UR]ătUHQLD D R ] Q D ţ XM H PH [:F].

Veta 2.9.4.2.

.D ĺ G p N R Q H ţ Q p UR ] ăt UH Q L H S R D F je aj jeho algebraickým rozšírením.

Dôkaz.

Nech

M H N R Q H ţ Q p UR ] ăt UH Q L H F, [:F] = k a c. Vektory 1, c, .. , ck V ~ O L Q H i UQ H ] i Y L V O p W D N ĺ H

∃α0..αkF :

=

n
k

k

k c

= 0. Ale potom polynóm f, definovaný predpisom f(x) =

=

n
k

k

k c

má v

N R UH

2.9.

.RQHţQpSROLD

Definícia.

Charakteristika

S R D F M H ţ t V O R char(F) = min{kN; k.1 = 0}.

Veta 2.9.5.1.

Nech F

M H N R Q H ţ Q p S R O H FKD UD N W H UL V W L N \ p. Potom ∃nN : |F| = pn.

Dôkaz.

0Q R ĺ L Q D ^ek}k=0..p-1 je podpole F izomorfné so Zp. F M H W H G D N R Q H ţ Q p UR ] ăt UH Q L H Zp. Nech [F : Zp] = n a

nech

α1..αn je báza v F. Potom ale zobrazenie f : F Zpn, definované predpisom ∀xF : x =

=

n
k

k

k c

f(x) =

(

α1, .. , αn) je bijekcia a |F| = |Zp|n = pn.

Veta 2.9.5.2.

Ak (F,

⊕, ⊗

M H N R Q H ţ Q p S R O H W D N F*, ⊗) je cyklická grupa.

Dôkaz.

3R G D Y H W \ PR KXW Q R V N D ĺ G H M S R G JUXS \ F* G H O t M H M PR KXW Q R V W D N ĺ H Ui G N D ĺ G pKR S UY N X F* (rovný

rádu podgrupy F* generovanej jej prvkom) delí q

.D ĺ G Ś S UY R N F* M H W H G D N R UH R P UR Y Q L FH xq-1 = 1. Ak sa

Q i P S R G D Ut Q i M V S UY R N c, ktorého rád je práve q – 1, budú mocniny c JH Q H UR Y D FH O ~ F* a F* bude cyklická.
Napíšme q

D N R V ~ţ L Q S UY R ţ t V H O q – 1 =

=

r

k

e

k

k

p

1

.H ĺ H ∀k∈1..r :

1

q

p ke

k

, všetky korene rovnice

k

e

k

p

x

= 1

D M N R UH PL UR Y Q L FH xq-1 = 1 a patria do F =i UR Y H Y ăD N ((xq - 1), (xq - 1)´) = 1 (lebo (xq - 1)´ = q.xq-1 – 1 = -1),
W D N ĺ H Y ăH W N \ N R UH Q H S R O \Q yPX xq-1 = 1 (a teda aj k

e

k

p

x

= 1) je rôznych. Spomedzi nich práve

1

k

e

k

p

M H N R UH R P

rovnice

1

k

e

k

p

x

=

D W H G D H [L V W XM H N R UH ck rovnice k

e

k

p

x

=

N W R UŚ Q L H M H N R UH R P UR Y Q L FH

1

k

e

k

p

x

=

D KN R PR ĺ Q R

Q D KO L D G Q X ĺ H V ~ţ L Q c =

=

r

k

k

c

1

M H K D G D Q Ś P S UY N R P Ui G X q – 1.

Veta 2.9.5.3.

.D ĺ G p G Y H N R Q H ţ Q p S R O L D V UR Y Q D N Ś P S R ţ W R P S UY N R Y V ~ L ] R PR UIQ p

Materiál na štátnicu

Algebra

- 36 -

Dôkaz.

Nech |F|

= q = pn. Nenulové prvky F tvoria multiplikatívnu grupu F* rádu q – 1. V dôkaze vety 2.9.5.2

V PH V L XN i ] D O L ĺ H N D ĺ G Ś S UY R N F* M H N R UH R P UR Y Q L FH xq-1 = D W H G D N D ĺ G Ś S UY R N a1 .. aq S R D F (teda aj nula)

M H N R UH R P UR Y Q L FH xqx = = W R KR Y \S O Ś Y D ĺ H S R O \Q yP xa1)..(xaq M H G H O L W H R P S R O \Q yPX xqx, lebo

∀(xai) sú ireducibilné a delia xqx

$O H R E D W L H W R S R O \Q yP\ V ~ Q R UPR Y D Q p V W XS D q a teda xqx =

(

)

=

q

k

k

a

x

1

.D ĺ G p L Q p S R O H PR KXW Q R V W L q W L H ĺ Y \KR Y XM H W H M W R UR Y Q R V W L D W H G D M H L ] R PR UIQ p ] F.

Veta 2.9.5.4.

Nech

M H N R Q H ţ Q p UR ] ăt UH Q L H F a F´´N R Q H ţ Q p UR ] ăt UH Q L H . Potom F´´M H N R Q H ţ Q p UR ] ăt UH Q L H F a [F´´ :

F]

= [ : F][F´´ : ].
Dôkaz.

Konštrukciou bázy F´´ nad F pomocou báz F´´ nad a nad F

Y \M G H S UH V Q H W R ţ R S R W UH E XM H PH

Veta 2.9.5.5 (Nedelbrunn).

.D ĺ G p N R Q H ţ Q p W H O H V R M H S R O H

Dôkaz.

Nedokazujeme.

2.10. Bilineárne a kvadratické formy.
2.10.1. Bilineárne formy.

Definícia.

Nech U,V,W

V ~ N R Q H ţ Q R UR ] PH UQ p Y H N W R UR Y p S UL H V W R U\ Q D G S R R P F. Zobrazenie f :

U×V

W nazývame bilineárnym, ak

1.

x1..xnUyV ∀α1..αnF :

(

)y

x

f

n
k

k

k

,

1

= α

=

(

)

=

n

k

k

k

y

x

f

1

,

α

2.

xUy1..ynV ∀α1..αnF :

(

)

=

n
k

k

k y

x

f

1

,

α

=

(

)

=

n
k

k

k y

x

f

1

,

α

.

Ak W

= F

KR Y R Ut PH ĺ H f je bilineárna forma.

Definícia.

Nech U a V

V ~ N R Q H ţ Q R UR ] PH UQ p Y H N W R UR Y p S UL H V W R U\ Q D G S R R P F a nech f je bilineárna

forma U×V

F. Nech α1..αnF je báza v U a β1..βmF báza vo V. Maticu An×m, definovanú

predpisom A(i,j)

= fij), nazývame matica bilineárnej formy

Y ] K D G R P Q D G Y R M L FX E i ]

α1..αn a β1..βm.
2.10.2. Charakteristické vektory a hodnoty matíc (bi)lineárnych zobrazení.

Definícia.

Nech V,W

V ~ N R Q H ţ Q R UR ] PH UQ p Y H N W R UR Y p S UL H V W R U\ Q D G S R R P F a f : VW je lineárne

] R E UD ] H Q L H ý t V O R cF nazývame charakteristickou (vlastnou) hodnotou zobrazenia f, ak

∃α≠0∈F : f(α) = c.α. Vektor α nazývame charakteristický (vlastný) vektor zobrazenia f.

Veta 2.10.2.1.

Nech V,W

V ~ N R Q H ţ Q R UR ] PH UQ p Y H N W R UR Y p S UL H V W R U\ Q D G S R R P F a f : VW je lineárne zobrazenie.

0Q R ĺ L Q D Y O astných vektorov zobrazenia f, prislúchajúcich jeho charakteristickej hodnote c, je podpriestor V.

Dôkaz.

Nech M

M H PQ R ĺ L Q D Y O D V W Q Ś FK Y H N W R UR Y f, prislúchajúcich jeho charakteristickej hodnote c. ∀x,yM

∀α,β∈F : fx + βy) = αf(x) + βf(y) = αcx + βcy = cx + βy)∈M.

Definícia.

Nech A

M H ăW Y R UFR Y i PD W L FD Q D G S R R P F. cF je charakteristický prvok matice A, ak

x1..xnF : (AcIn)

n

x

x

0

1

= 0.

Ondrej Vršanský

- 37 -

Lema 2.10.2.1.

Nech A

M H ăW Y R UFR Y i PD W L FD Q D G S R R P F. cF je charakteristický prvok matice A, ak

c

a

c

a

c

a

a

c

a

n

n

n

k

k

n

,

1

,

,

,

1

1

,

1

/

0

0

/

= 0.

Dôkaz.

Tvrdenie vyplýva priamo z definície charakteristického prvku matice.

Dôsledok 2.10.2.1.

Štvorcová matica rádu n má najviac n charakteristických prvkov.

Dôkaz.

&KD UD N W H UL V W L FN Ś FK S UY N R Y Q H P{ĺ H E \ Y L D F Q H ĺ KR G Q R V PD W L FH

2

3RGREQRV PDWtF

Definícia.

+R Y R Ut PH ĺ H ăW Y R UFR Y p PD W L FH A,B rádu npodobné, ak existuje regulárna štvorcová

matica P rádu n

W D N i ĺ H B = P×A×P-1.

Veta 2.10.3.1.

Nech A,B sú regulárne štvorcové matice rádu n. Nech X

M H PQ R ĺ L Q D Y O D V W Q Ś FK KR G Q {W Patice A a Y

PQ R ĺ L Q D Y O D V W Q Ś FK KR G Q {W PD W L FH B. Ak A a B sú podobné, potom X = Y.

Dôkaz.

Nech c je vlastná hodnota matice A. Potom |AcIn| = 0. Nech B je podobná s A. Potom ∃P

UH JXO i UQ D ĺ H

B

= P×A×P-1. Ale |BcIn| = |P×A×P-1 – cIn| = |P×A×P-1 – cP×In×P-1| = (operácia násobenia matíc konštantou je

komutatívna)

= |P×A×P-1 –P×cIn×P-1| = |P×(AcInP-1| = (A aj P sú regulárne) = |P||AcIn||P-1| = 0, lebo |A

cIn| =

W D N ĺ H c M H Y O D V W Q p ţ t V O R B.

2.10.4. Kvadratické formy.

Definícia.

Nech V je vektorový

S UL H V W R U Q D G S R R P F +R Y R Ut PH ĺ H ] R E UD ] H Q L H f : VF je

kvadratická forma, ak existuje bilineárna forma g : V×V

F

W D N i ĺ H ∀xV : f(x) = g(x,x). Ak

x,yV : g(x,y) = g(y,x

KR Y R Ut PH ĺ H E L O L Q H i UQ D IR UPD g je symetrická.

Veta 2.10.4.1.

Nech F je pole, char(F)

≠2, V je vektorový priestor nad F a f je kvadratická forma na V. Potom na V

existuje jediná symetrická bilineárna forma g

W D N i ĺ H ∀xV : f(x) = g(x,x).

Dôkaz.

Nech h je bilineárna forma, ktorej existencia vyplýva definície kvadratickej formy. Definujme g

predpisom g(x,y)

= ˝(h(x,y) + h(y,x)). Zrejme g(x,y) = g(y,x

D N H ĺ H g(x,x) = h(x,x) = f(x), g M H K D G D Q i

bilineárna forma. Navyše g(x,y)

= ˝(g(x+y, x+y) – g(x,x) – g(y,y)) = ˝(f(x+y) – f(x) – f(y

ţ t P M H XUţ H Q i

M H G Q R ] Q D ţ Q R V g.

Definícia.

Nech V je vektorový priestor dimenzie n

Q D G S R R P F. Nech g je kvadratická forma na

V, definovaná bilineárnou formou f a nech

α1..αn je báza vo V. Maticu An×n, definovanú

predpisom A(i,j)

= fij), nazývame matica kvadratickej formy g

Y ] K D G R P Q D E i ] X α1..αn.

A je symetrická, ak je f symetrická.
2.10.5. Kongruencia matíc.

Definícia.

Štvorcové matice A,B rádu nkongruentné, ak

∃ regulárna štvorcová matica P rádu n

W D N i ĺ H B = P×A×PT. Kongruenciu matíc A a B R ] Q D ţ XM H PH AB.

Materiál na štátnicu

Algebra

- 38 -

Veta 2.10.5.1.

Štvorcové matice A,B rádu n

V ~ N R Q JUXH Q W Q p S Ui Y H Y W H G \ N H V ~ PD W L FD PL W H M L V W H M E L O L Q H i UQ H M IR UP\

Y ] K D G R P Q D U{] Q H E i ] \

Dôkaz.

P reprezentuje maticu prechodu medzi bázami.

Veta 2.10.5.2.

Nech A,B sú štvorcové matice rádu n. Ak A je symetrická a A

B, tak aj B je symetrická.

Dôkaz.

Zrejmé.

Veta 2.10.5.3.

Relácia kongruencie je reláciou ekvivalencie.

Dôkaz.

Triviálne.

Veta 2.10.5.4.

.D ĺ G i V \PH W UL FN i PD W L FD M H N R Q JUXH Q W Q i V PD W L FR X W Y D UX





0

0

0

0

0

0

0

0

0

1

/

0

0

2

/

k

d

d

, kde

i∈1..k : di≠0.

Dôkaz.

.H ĺ H Q D PD W L FL PXV t PH Y \N R Q i Y D S D UD O H O Q H UR Y Q D N p UL D G N R Y p D M V W S FR Y p R S H Ui FL H Q H P{ĺ H PH

G R V L D KQ X Q D G L D JR Q i O H Y ĺ G \ M H G Q R W N X

Dôsledok 2.10.5.1.

1.

3UH N D ĺ G ~ E L O L Q H i UQ X IR UPX f existuje báza, pri ktorej má f(x,y) tvar

=

k
i

i

i

i

y

x

d

1

.

2.

3UH N D ĺ G ~ N Y D G UD W L FN ~ IR UPX g existuje báza, pri ktorej má g(x) tvar

=

k
i

i i

x

d

1

2 .

Dôkaz.

Tvrdenia vyplývajú priamo z predchádzajúcej vety.

2.10.6. Reálne kvadratické formy.

Veta 2.10.6.1 (Sylvester).

Nech f je reálne kvadratická forma nad Rn a nech x

= x1..xnRn. Potom existuje báza, pri ktorej má f(x)

tvar

= ±

m
k

k

x

1

, kde m

n.

Dôkaz.

3R G D Y H W \ M H N D ĺ G i N Y D G UD W L FN i IR UPD N R Q JUXH Q W Q i V PD W L FR X W Y D UX





0

0

0

0

0

0

0

0

0

1

/

0

0

2

/

k

d

d

. Pre

reálne di

D Y \ăH H [L V W XM H R G PR FQ L Q D W D N ĺ H S R Y \G H O H Q t N D ĺ G pKR UL D G N X D V W S FD R G PR FQ L Q R X ] _di| dostávame na

diagonále

±1.

Definícia.

Nech f je reálne kvadratická forma nad Rn, nech x

= x1..xnRn a nech A je matica f

Y ] K D G R P Q D E i ] X N W R UH M H [L V W H Q FL X ] D UXţ XM H Y H W D $N A Pi N D ĺ G Ś Q H Q XO R Y Ś UL D G R N

V W S H F Q D G S UH G N D ĺ G Ś P Q XO R Y Ś P D N D ĺ G Ś UL D G R N V W S H F V Y H G ~FL P S UY N R P Q D G S UH G

N D ĺ G Ś P UL D G N R P V W S FR P V Y H G ~FL P S UY N R P – KR Y R Ut PH ĺ H A je v kanonickom tvare.

Ondrej Vršanský

- 39 -

9HWD6\OYHVWURY]iNRQ]RWUYDţQRVWL

Nech f je reálne kvadratická forma nad Rn, nech x

= x1..xnRn a nech A je matica f

Y ] K D G R P Q D E i ] X

N W R UH M H [L V W H Q FL X ] D UXţ XM H Y H W D .6.1. Nech A je v kanonickom tvare s r nenulovými riadkami, z ktorých má k

vedúci prvok 1. Potom k a r

V ~ M H G Q R ] Q D ţ Q H XUţ H Q p IR UPR X f (a teda nezávislé od bázy).

Dôkaz.

3R ţ H W Q H Q XO R Y Ś FK UL D G N R Y M H M H G Q R ] Q D ţ Q H XUţ H Q Ś KR G Q R V R X N Y D G UD W L FN H M IR UP\ Q H FK W H UD ] existujú dve

matice A a B formy f

R E H Y N D Q R Q L FN R P W Y D UH S UL ţ R P Ak riadkov s vedúcim prvkom 1 a B l a k < l.

8Y D ĺ XM PH G Y H PQ R ĺ L Q \ Y H N W R UR Y S1 nech sú vektory s nulovými súradnicami k+1..n a S2 vektory s nulovými

súradnicami 1..l. S1 aj S2 sú podpriestory Rn

D N H ĺ H k < l, dim(S1) + dim(S2) > nS1∩S2≠∅. Tento prienik sú

práve vektory s nenulovými súradnicami k..l

$O H S R G D PD W L FH A je hodnota kvadratickej formy v týchto

Y H N W R UR FK N O D G Q i D S R G D B ] i S R UQ i ţ R M H V S R U

Definícia.

Nech f je reálne kvadratická forma nad Rn a nech A je jej matica v kanonickom tvare.

+R Y R Ut PH ĺ H A je kladne(záporne) (semi)definitná D N V ~ Q D M H M G L D JR Q i O H L E D S UY N \ Y lţ ăL H

PH Q ăL H Y lţ ăL H UR Y Q p PH Q ăL H UR Y Q p Q XO H

Veta 2.10.6.3.

Nech V je euklidovský priestor dimenzie n a f je kvadratická forma na V. Potom na V existuje

R UW R Q R UPi O Q D E i ] D W D N i ĺ H ∀x = x1..xnV : f(x) =

=

n
k

k k

x

d

1

2 , kde dk

V ~ Y O D V W Q p ţ t V O D IR UP\ f.

Dôkaz.

Nech

α1..αn je ortonormálna báza vo V a A je symetrická matica formy f

Y ] K D G R P Q D E i ] X α1..αn. Z vety

Y \S O Ś Y D ĺ H H [L V W XM H R UW R JR Q i O Q D PD W L FD P W D N i ĺ H P×A×PT M H G L D JR Q i O Q D $O H N H ĺ H P je ortogonálna,

tak P

×A×PT = P×A×P-1 a ak maticu P chápeme ako maticu prechodu od α1..αn k nejakej báze β1..βn, tak aj

β1..βn je ortonormálna. Na diagonále matice P×A×P-1

V ~ S Ui Y H Y O D V W Q p ţ t V O D IR UP\ f.

Dôsledok 2.10.6.1.

Všetky charakteristické vektory reálnej symetrickej matice sú reálne.

Dôkaz.

Tvrdenie vyplýva priamo z predchádzajúcej vety.

Automaticky vygenerovaný textový náhľad. Pre plné formátovanie si stiahnite súbor.