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Exercícios 21.4 Exercícios

1.

Mostre que cada um dos seguintes números é algébrico sobre \({\mathbb Q}\) encontrando seu polinômio minimal sobre \({\mathbb Q}\text{.}\)

  1. \(\displaystyle \sqrt{ 1/3 + \sqrt{7} }\)

  2. \(\displaystyle \sqrt{ 3} + \sqrt[3]{5}\)

  3. \(\displaystyle \sqrt{3} + \sqrt{2}\, i\)

  4. \(\cos \theta + i \sin \theta\) para \(\theta = 2 \pi /n\) com \(n \in {\mathbb N}\)

  5. \(\displaystyle \sqrt{ \sqrt[3]{2} - i }\)

Dica.

(a) \(x^4 - (2/3) x^2 - 62/9\text{;}\) (c) \(x^4 - 2 x^2 + 25\text{.}\)

2.

Encontre uma base para cada uma das seguintes extensões de corpos. Qual é o grau desta extensão?

  1. \({\mathbb Q}( \sqrt{3}, \sqrt{6}\, )\) sobre \({\mathbb Q}\)

  2. \({\mathbb Q}( \sqrt[3]{2}, \sqrt[3]{3}\, )\) sobre \({\mathbb Q}\)

  3. \({\mathbb Q}( \sqrt{2}, i)\) sobre \({\mathbb Q}\)

  4. \({\mathbb Q}( \sqrt{3}, \sqrt{5}, \sqrt{7}\, )\) sobre \({\mathbb Q}\)

  5. \({\mathbb Q}( \sqrt{2}, \root 3 \of{2}\, )\) sobre \({\mathbb Q}\)

  6. \({\mathbb Q}( \sqrt{8}\, )\) sobre \({\mathbb Q}(\sqrt{2}\, )\)

  7. \({\mathbb Q}(i, \sqrt{2} +i, \sqrt{3} + i )\) sobre \({\mathbb Q}\)

  8. \({\mathbb Q}( \sqrt{2} + \sqrt{5}\, )\) sobre \({\mathbb Q} ( \sqrt{5}\, )\)

  9. \({\mathbb Q}( \sqrt{2}, \sqrt{6} + \sqrt{10}\, )\) sobre \({\mathbb Q} ( \sqrt{3} + \sqrt{5}\, )\)

Dica.

(a) \(\{ 1, \sqrt{2}, \sqrt{3}, \sqrt{6}\, \}\text{;}\) (c) \(\{ 1, i, \sqrt{2}, \sqrt{2}\, i \}\text{;}\) (e) \(\{1, 2^{1/6}, 2^{1/3}, 2^{1/2}, 2^{2/3}, 2^{5/6} \}\text{.}\)

3.

Encontre o corpo de decomposição de cada um dos seguintes polinômios.

  1. \(x^4 - 10 x^2 + 21\) sobre \({\mathbb Q}\)

  2. \(x^4 + 1\) sobre \({\mathbb Q}\)

  3. \(x^3 + 2x + 2\) sobre \({\mathbb Z}_3\)

  4. \(x^3 - 3\) sobre \({\mathbb Q}\)

Dica.

(a) \({\mathbb Q}(\sqrt{3}, \sqrt{7}\, )\text{.}\)

4.

Considere o corpo de extensão \({\mathbb Q}( \sqrt[4]{3}, i )\) sobre \(\mathbb Q\text{.}\)

  1. Encontre uma base para o corpo de extensão \({\mathbb Q}( \sqrt[4]{3}, i )\) sobre \(\mathbb Q\text{.}\) Concluya que \([{\mathbb Q}( \sqrt[4]{3}, i ): \mathbb Q] = 8\text{.}\)

  2. Encontre todos os subcorpos \(F\) de \({\mathbb Q}( \sqrt[4]{3}, i )\) tal que \([F:\mathbb Q] = 2\text{.}\)

  3. Encontre todos os subcorpos \(F\) de \({\mathbb Q}( \sqrt[4]{3}, i )\) tal que \([F:\mathbb Q] = 4\text{.}\)

5.

Demonstre que \({\mathbb Z}_2[x] / \langle x^3 + x + 1 \rangle\) é um corpo com 8 elementos. Construa uma tabela de multiplicação para o grupo multiplicativo do corpo.

Dica.

Use o fato de que os elementos de \({\mathbb Z}_2[x]/ \langle x^3 + x + 1 \rangle\) são 0, 1, \(\alpha\text{,}\) \(1 + \alpha\text{,}\) \(\alpha^2\text{,}\) \(1 + \alpha^2\text{,}\) \(\alpha + \alpha^2\text{,}\) \(1 + \alpha + \alpha^2\) e o fato de que \(\alpha^3 + \alpha + 1 = 0\text{.}\)

6.

Demonstre que o polígono regular de 9 lados não é construtível com régua e compasso, mas o de 20 lados é construtível.

7.

Demonstre que o cosseno de um grau (\(\cos 1^\circ\)) é algébrico sobre \({\mathbb Q}\) mas não é construtível.

8.

Podemos construir um cubo com três vezes o volume de um cubo dado?

Dica.

Falso.

9.

Demuestre que \({\mathbb Q}(\sqrt{3}, \sqrt[4]{3}, \sqrt[8]{3}, \ldots )\) es una extensión algebraica de \({\mathbb Q}\) pero no es una extensión finita.

10.

Demonstre ou dê um contraexemplo: \(\pi\) é algébrico sobre \({\mathbb Q}(\pi^3)\text{.}\)

11.

Seja \(p(x)\) um polinômio não constante de grau \(n\) en \(F[x]\text{.}\) Demonstre que existe um corpo de decomposição \(E\) para \(p(x)\) tal que \([E : F] \leq n!\text{.}\)

12.

Demonstre ou dê um contraexemplo: \({\mathbb Q}( \sqrt{2}\, ) \cong {\mathbb Q}( \sqrt{3}\, )\text{.}\)

13.

Demonstre que os corpos \({\mathbb Q}(\sqrt[4]{3}\, )\) e \({\mathbb Q}(\sqrt[4]{3}\, i)\) são isomorfos mas não são iguais.

14.

Seja \(K\) uma extensão algébrica de \(E\) e \(E\) uma extensão algébrica de \(F\text{.}\) Demonstre que \(K\) é algébrico sobre \(F\text{.}\) [Cuidado: Não suponha que as extensões são finitas.]

Dica.

Suponha que \(E\) é algébrico sobre \(F\) e \(K\) é algébrico sobre \(E\text{.}\) Seja \(\alpha \in K\text{.}\) Basta demonstrar que \(\alpha\) é algébrico sobre alguma extensão finita de \(F\text{.}\) Como \(\alpha\) é algébrico sobre \(E\text{,}\) deve ser zero de algum polinômio \(p(x) = \beta_0 + \beta_1 x + \cdots + \beta_n x^n\) em \(E[x]\text{.}\) Portanto \(\alpha\) é algébrico sobre \(F(\beta_0, \ldots, \beta_n)\text{.}\)

15.

Demonstre ou dê um contraexemplo: \({\mathbb Z}[x] / \langle x^3 -2 \rangle\) é um corpo.

16.

Seja \(F\) um corpo de característica \(p\text{.}\) Demonstre que \(p(x) = x^p - a\) É irredutível ou se decompõe completamente em \(F\text{.}\)

17.

Seja \(E\) o fechamento algébrica de um corpo \(F\text{.}\) Demonstre que todo polinômio \(p(x)\) em \(F[x]\) se decompõe completamente em \(E\text{.}\)

18.

Se todo polinômio irredutível \(p(x)\) em \(F[x]\) é linear, demonstre que \(F\) é um corpo algebricamente fechado.

19.

Demuestre que si \(\alpha\) y \(\beta\) son números constructibles tales que \(\beta \neq 0\text{,}\) entonces también lo es \(\alpha / \beta\text{.}\)

20.

Demonstre que o conjunto de todos os elementos em \({\mathbb R}\) que são algébricos sobre \({\mathbb Q}\) formam uma extensão de corpos de \({\mathbb Q}\) que não é finita.

21.

Seja \(E\) uma extensão algébrica de um corpo \(F\) e seja \(\sigma\) um automorfismo de \(E\) que fixe \(F\text{.}\) Seja \(\alpha \in E\text{.}\) Demonstre que \(\sigma\) induz uma permutação do conjunto de zeros do polinômio minimal de \(\alpha\) que estão em \(E\text{.}\)

22.

Mostre que \({\mathbb Q}( \sqrt{3}, \sqrt{7}\, ) = {\mathbb Q}( \sqrt{3} + \sqrt{7}\, )\text{.}\) Estenda sua demonstração para demonstrar que \({\mathbb Q}( \sqrt{a}, \sqrt{b}\, ) = {\mathbb Q}( \sqrt{a} + \sqrt{b}\, )\text{,}\) donde \(\gcd(a, b) = 1\text{.}\)

Dica.

Como \(\{ 1, \sqrt{3}, \sqrt{7}, \sqrt{21}\, \}\) é uma base para \({\mathbb Q}( \sqrt{3}, \sqrt{7}\, )\) sobre \({\mathbb Q}\text{,}\) \({\mathbb Q}( \sqrt{3}, \sqrt{7}\, ) \supset {\mathbb Q}( \sqrt{3} +\sqrt{7}\, )\text{.}\) Como \([{\mathbb Q}( \sqrt{3}, \sqrt{7}\, ) : {\mathbb Q}] = 4\text{,}\) \([{\mathbb Q}( \sqrt{3} + \sqrt{7}\, ) : {\mathbb Q}] = 2\) ou 4. Como o grau do polinômio minimal de \(\sqrt{3} +\sqrt{7}\) é 4, \({\mathbb Q}( \sqrt{3}, \sqrt{7}\, ) = {\mathbb Q}( \sqrt{3} +\sqrt{7}\, )\text{.}\)

23.

Seja \(E\) uma extensão finita de um corpo \(F\text{.}\) Si \([E:F] = 2\text{,}\) demonstre que \(E\) é um corpo de decomposição sobre \(F\) para algum polinômio \(f(x) \in F[x]\text{.}\)

24.

Demonstre ou dê um contraexemplo: Dado um polinômio \(p(x)\) em \({\mathbb Z}_6[x]\text{,}\) é possível construir um anel \(R\) tal que \(p(x)\) tem uma raiz en \(R\text{.}\)

25.

Seja \(E\) uma extensão de \(F\) e \(\alpha \in E\text{.}\) Determine \([F(\alpha): F(\alpha^3)]\text{.}\)

26.

Sejam \(\alpha, \beta\) trascendente sobre \({\mathbb Q}\text{.}\) Prove que ao menos um \(\alpha \beta\) , \(\alpha + \beta\) é trascendental.

27.

Seja \(E\) uma extensão de corpos de \(F\) e seja \(\alpha \in E\) trascendente sobre \(F\text{.}\) Demonstre que cada elemento em \(F(\alpha)\) que não está em \(F\) também é trascendente sobre \(F\text{.}\)

Dica.

Seja \(\beta \in F(\alpha)\text{,}\) mas não em \(F\text{.}\) Então \(\beta = p(\alpha)/q(\alpha)\text{,}\) donde \(p\) e \(q\) são polinômios em \(\alpha\) com \(q(\alpha) \neq 0\) e coeficientes em \(F\text{.}\) Se \(\beta\) é algébrico sobre \(F\text{,}\) então existe um polinômio \(f(x) \in F[x]\) tal que \(f(\beta) = 0\text{.}\) Seja \(f(x) = a_0 + a_1 x + \cdots + a_n x^n\text{.}\) Então

\begin{equation*} 0 = f(\beta) = f\left( \frac{p(\alpha)}{q(\alpha)} \right) = a_0 + a_1 \left( \frac{p(\alpha)}{q(\alpha)} \right) + \cdots + a_n \left( \frac{p(\alpha)}{q(\alpha)} \right)^n. \end{equation*}

Agora multiplique ambos os lados por \(q(\alpha)^n\) para demonstrar que existe um polinômio em \(F[x]\) que se anula em \(\alpha\text{.}\)

28.

Seja \(\alpha\) uma raiz de um polinômio irredutível \(p(x) \in F[x]\text{,}\) com \(\deg p = n\text{.}\) Demonstre que \([F(\alpha) : F] = n\text{.}\)

Dica.

Veja o comentário que segue o Teorema 21.1.13.