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Universidade de Bras´ılia Departamento de Matema´tica – IE A´lgebra 1 - Turma C Semana 15 – Lista de exerc´ıcios Temas abordados: Ane´is de polinoˆmios A[X] em uma indeterminada, forma e func¸a˜o polinomial, algoritmo de Euclides para polinoˆmios sobre um corpo. 1) Determine q(X) e r(X) tais que f(X) = q(X) · g(X) + r(X), onde r(X) = 0 ou ∂r(X) < ∂g(X), f(X), g(X) ∈ R[X]. (a) f(X) = X3 +X − 1, g(X) = X2 + 1; (b) f(X) = X3 + 1, g(X) = X + 1; (c) f(X) = X5 − 1, g(X) = X − 1; (d) f(X) = X4 − 2, g(X) = X2 − 2; (e) f(X) = X3 − 2, g(X) = X − 3√2. 2) Seja K um corpo. Dizemos que K e´ um corpo algebricamente fechado se ∀f(X) ∈ K[X]∃ α ∈ K tal que f(α) = 0. O conjunto dos nu´meros complexos, C, e´ um exemplo de corpo algebricamente fechado. Prove que R na˜o e´ um corpo algebricamente fechado. 3) Prove que se K e´ algebricamente fechado, enta˜o todo polinoˆmio f(X) ∈ K[X] de grau n ≥ 1 pode ser fatorado do seguinte modo: f(X) = c · (X − α1)(X − α2) · · · (X − αn) onde c ∈ K e α1, · · · , αn ∈ K sa˜o ra´ızes de f(X). 4) Calcule a soma e o produto dos polinoˆmios f(X) = 2 ·X3 + 4 ·X2 + 3 ·X + 3 e g(X) = 3 ·X4 +2 ·X+4 sobre o corpo Z/5Z = {0, 1, 2, 3, 4}. E sobre o corpo Z/7Z? 5) Calcule todas as ra´ızes em K = Z/5Z do polinoˆmio f(X) = X5+3X3+X2+2X ∈ K[X]. 6) Calcule f(X) · g(X), f(X), g(X) ∈ K[X] nos seguintes casos: (a) f(X) = 5X3 + 3X − 4; g(X) = 2X2 −X + 3, onde K = Z/7Z; (b) f(X) = 7X4 − 2X2 + 3; g(X) = 3X2 + 4, onde K = Z/11Z. 7) Calcular uma outra func¸a˜o polinomial f sobre o corpo K = Z/5Z que coincida com a func¸a˜o polinomial X2 −X + 1 sobre Z/5Z. 8) Mostre que a equac¸a˜o X2 = 1 possui 4 soluc¸o˜es no anel Z/15Z. Por queˆ? 9) Escrever sob a forma usual, ou seja, a0+a1X+· · ·+anXn, os seguintes polinoˆmios de A[X]: (a) (2 + 3X +X2) + (2 + 2X + 3X2), A = Z/4Z; (b) (2 + 3X + 2X2) · (1 + 2X2), A = Z/4Z; (c) X(X − 1)(X − 2), A = Z/3Z; (d) (1 +X +X2)2, A = Z/2Z; (e) (1 + 2X2)9, A = Z/3Z. 10) Se f = (1, 2) + (2, 0)X, g = (1,−1)X + (1, 1)X2 e h = (−4,−1) + (−2, 1)X, calcule f + g + h, fg − h2, e fg + h. Todos os polinoˆmios esta˜o em (Z× Z)[X]. 1 2 11) Determinar os graus dos seguintes polinoˆmios de A[X]: (a) (1 +X2)3(1−X2)2, A = Q; (b) (1 +X2)3(1−X2)3 +X2, A = Z/3Z; (c) (1 +X +X2 +X3 +X4)7, A = Z/7Z; (d) (1 + 2X2)4, A = Z/8Z. 12) Se f e g sa˜o polinoˆmios do anel A[X] tais que ∂f2 = 8 e ∂(fg) = 7, determine ∂(f +g), ∂(f −g), ∂f3, ∂g2, ∂(f3 + 3f2g+ 3fg2 +g3), sabendo que A e´ um domı´nio de integridade. 13) Determinar o quociente e o resto da divisa˜o euclidiana de f por g, polinoˆmios pertencentes a A[X], nos seguintes casos: (a) f(X) = 0, g(X) = 5X2 − 1, A = Q; (b) f(X) = X2 − 1, g(X) = X3 +X2 − 1, A = Z; (c) f(X) = 4X4 − 6X + 2, g(X) = X2 − 1, A = R; (d) f(X) = 4X4 − 6X + 2, g(X) = 3X3 − 3X + 2, A = Z/7Z; (e) f(X) = X10 −X, g(X) = X4 +X3 + 4X2 +X,A = Z/17Z. 14) Determinar a de modo que a divisa˜o euclidiana de f(X) = 4X3 − 6X + a por g(X) = X + 3 seja exata, supondo que f e g pertenc¸am a (Z/7Z)[X]. 15) Determinar a, b e c de forma que f(X) = 3X4 + aX3 + 6X2 + bX + c seja divis´ıvel por g(X) = X3 − 5X2 + 6X, supondo f, g ∈ Q[X]. 16) Ache a, b ∈ R de modo que o polinoˆmio f = 1 + 10X + bX2 + bX3 + aX4 +X5 seja divis´ıvel por (X − 1)2. 17) Ache os geradores dos seguintes ideais em Z[X]: (a) I = {a0 + a1X + · · · ∈ Z[X] | a0 = 0}; (b) J = {a0 + a1X + · · · ∈ Z[X] | a0 ∈ 2Z}. 18) Mostre que e´ um homomorfismo de Z[X] em (Z/mZ)[X], ∀m > 1, a aplicac¸a˜o F : Z[X]→ (Z/mZ)[X] dada por F (a0 + a1X + · · ·+ arXr) = a0 + a1X + · · · arXr, ∀ a0 + a1X + · · ·+ arXr ∈ Z[X]. 19) Mostrar que Z[X] e´ um subanel de Q[X]; Z[X] e´ um ideal de Q[X]? 20) Verifique se sa˜o subane´is de Z[X] ou ideais em Z[X]: (a) {a0 + a1X + · · · ∈ Z[X] | a0 ∈ 2Z}; (b) {a0 + a1X + · · · ∈ Z[X] | a0 = 0}; (c) {a0 + a1X + · · · ∈ Z[X] | a0 + a1 = 0}. Universidade de Bras´ılia Departamento de Matema´tica– IE A´lgebra 1 - Turma C Semana 15 – Soluc¸o˜es Temas abordados: Anel dos polinoˆmios A[X] em uma indeterminada, forma e func¸a˜o polinomial, divisa˜o euclidiana para polinoˆmios sobre um corpo. Exerc´ıcios 1) Vamos determinar nos casos considerados, usando a divisa˜o euclidiana em R[X], polinoˆmios q(X), r(X) tais que f(X) = q(X)g(X) + r(X) onde r(X) = 0 ou ∂r(X) < ∂g(X). (a) Se f(X) = X3 +X − 1 e g(X) = X2 + 1 temos que q(X) = X e r(X) = −1. (b) Se f(X) = X3 + 1 e g(X) = X + 1 temos que q(X) = X2 −X + 1 e r(X) = 0. (c) Se f(X) = X5 − 1 e g(X) = X − 1 temos que q(X) = X4 +X3 +X2 +X + 1 e r(X) = 0. (d) Se f(X) = X4 − 2 e g(X) = X2 − 2 temos que q(X) = X2 + 2 e r(X) = 2. (e) Se f(X) = X3 − 2 e g(X) = X − 3√2 temos que q(X) = X2 + 3 √ 2X + 3 √ 22 e r(X) = 0. 2) Note que R na˜o e´ um corpo algebricamente fechado ja´ que, por exemplo, o polinoˆmio f(X) = X2 + 1 na˜o possui ra´ızes em R. De fato, se por absurdo existisse um α ∈ R tal que f(α) = 0 enta˜o ter´ıamos que α2 = −1, mas isso e´ uma contradic¸a˜o ja´ que α e´ um nu´mero real. 3) Deixado ao leitor. Ideia: por induc¸a˜o (segunda forma) sobre o grau n do po- linoˆmio f(X). Se ∂f = 1, enta˜o e´ obvio que o resultado vale, ja´ que f(X) = aX + b com a, b ∈ K e a 6= 0 ja´ que o grau de f(X) e´ 1. Como K e´ um corpo e a 6= 0, enta˜o existe a−1 ∈ K e assim podemos escrever f(X) = a(X + ba−1) = a(X −α1) e obviamente α1 = −ba−1 e´ raiz de f(X). Seja agora n ≥ 2 e suponha que o resultado valha para todo polinoˆmio g(X) ∈ K[X] com grau r < n. Temos que g(X) = c(X − β1)(X − β2) · · · (X − βr), (∗∗) onde c, β1, . . . , βr ∈ K e β1, . . . , βr sa˜o ra´ızes de g(X). Vamos provar que o resultado vale para qualquer polinoˆmio f(X) ∈ K[X] de grau n. Como K e´ algebricamente fechado, enta˜o existe pelo menos uma raiz de f(X), digamos α1 ∈ K tal que f(α1) = 0, enta˜o usando a divisa˜o euclidiana temos que f(X) = (X − α1)h(X), (†) para algum polinoˆmio h(X) ∈ K[X] com n − 1 = ∂h(X) < n. Note que o resto desta divisa˜o e´ nulo ja´ que α1 e´ raiz de f(X). Enta˜o o polinoˆmio (X − α1) divide f(X). (Verifique isso supondo por absurdo que o resto dessa divisa˜o na˜o seja 0 e ache a contradic¸a˜o). 1 2 Agora como n − 1 = ∂h(X) < n podemos usar a hipo´tese indutiva, e de (∗∗) segue que existem c, β1, . . . , βn−1 ∈ K tais que h(X) = c(X − β1)(X − β2) · · · (X − βn−1), e β1, . . . , βn−1 sa˜o ra´ızes de h(X). Substituindo esse resultado em (†) obtemos que f(X) = (X − α1)h(X) = c(X − α1)(X − β1)(X − β2) · · · (X − βn−1). Terminamos observando que β1, . . . , βn−1, sendo ra´ızes de h(X), sa˜o obviamente tambe´m ra´ızes de f(X) ja´ que h(X) divide a f(X). 4) Considere o corpo K = Z/5Z e os seguintes polinoˆmios em K[X]: f(X) = 2¯X3 + 4¯X2 + 3¯X + 3¯ g(X) = 3¯X4 + 2¯X + 4¯. Temos que: f(X) + g(X) = 3¯X4 + 2¯X3 + 4¯X2 + 2¯ e f(X)g(X) = X7 + 2¯X6 + 4¯X5 + 3¯X4 +X3 + 2¯X2 + 3¯X + 2¯. Seja agora K = Z/7Z e considere os seguintes polinoˆmios em K[X]: f(X) = 2¯X3 + 4¯X2 + 3¯X + 3¯ g(X) = 3¯X4 + 2¯X + 4¯. Temos que f(X) + g(X) = 3¯X4 + 2¯X3 + 4¯X2 + 5¯X e f(X)g(X) = 6¯X7 + 5¯X6 + 2¯X5 + 6¯X4 + 2¯X3 +X2 + 5¯X + 5¯. 5) Considere o corpo K = Z/5Z = {0¯, 1¯, 2¯, 3¯, 4¯} e o seguinte polinoˆmio em K[X] : f(X) = X5 + 3¯X3 +X2 + 2¯X. Notamos que f(0¯) = 0¯ f(1¯) = 2¯ f(2¯) = 4¯ f(3¯) = 4¯ f(4¯) = 0¯; assim, as ra´ızes de f(X) em K sa˜o {0¯, 4¯}. 6) Considere o corpo K = Z/7Z e os seguintes polinoˆmios em K[X]: f(X) = 5¯X3 + 3¯X − 4¯ e g(X) = 2¯X2 −X + 3¯. Temos que f(X)g(X) = 3¯X5 + 2¯X4 + 3¯X2 + 6¯X + 2¯. Considere agora o corpo K = Z/11Z e os seguintes polinoˆmios em K[X]: f(X) = 7¯X4 − 2¯X2 + 3¯ e g(X) = 3¯X2 + 4¯. Temos que f(X)g(X) = 1¯0X6 +X2 + 1¯. 7) Seja p(X) = X2 − 1¯X + 1¯ em Z/5Z[X]. Considere a func¸a˜o polinomial definida por p(X) sobre Z/5Z: Fp(X) : Z/5Z→ Z/5Z 0¯ 7→ p(0¯) = 1¯ 1¯ 7→ p(1¯) = 1¯ 2¯ 7→ p(2¯) = 3¯ 3¯ 7→ p(3¯) = 2¯ 4¯ 7→ p(4¯) = 3¯ 3 Considere agora o polinoˆmio f(X) = 1¯ + 4¯X+X2. Confira que o polinoˆmio dadoinduz a mesma func¸a˜o polinomial de p(X) sobre o corpo Z/5Z. Observe que: Ff(X) : Z/5Z→ Z/5Z 0¯ 7→ f(0¯) = 1¯ 1¯ 7→ f(1¯) = 1¯ 2¯ 7→ f(2¯) = 3¯ 3¯ 7→ f(3¯) = 2¯ 4¯ 7→ f(4¯) = 3¯ Ideia geral para achar outro polinoˆmio que induz a mesma func¸a˜o polinomial: o polinoˆmio na˜o pode ser constante, veja como esta´ definida a func¸a˜o polinomial. Enta˜o suponha que o polinoˆmio e´ da forma l(X) = a¯+ b¯X, com b¯ 6= 0¯, mas queremos que l(0¯) = a¯ = 1¯ e que l(1¯) = a¯ + b¯ = 1¯ e isso na˜o e´ poss´ıvel. Enta˜o suponha l(X) = a¯ + b¯X + c¯X2 com c¯ 6= 0¯. Como l(0¯) = a¯ = 1¯ e l(1¯) = a¯ + b¯ + c¯ = 1¯, enta˜o temos que a¯ = 1 e b¯ + c¯ = 0¯. Existem va´rias escolhas de b¯ e c¯ que satisfazem isso em Z/5Z, considere todas as possibilidades e teste os va´rios polinoˆmios que se pode obter, um dos poss´ıveis e´ o polinoˆmio f(X) indicado acima. 8) Considere a equac¸a˜o X2 = 1¯ em (Z/15Z)[X]. Como em Z/15Z temos que 1¯2 = 1¯, 4¯2 = 1¯, 11 2 = 1¯, 14 2 = 1¯, enta˜o a equac¸a˜o possui quatro soluc¸o˜es em Z/15Z. Notamos que isso e´ poss´ıvel ja´ que Z/15Z na˜o e´ um corpo. De fato, se K fosse um corpo qualquer, enta˜o o polinoˆmio X2 − 1K teria no ma´ximo duas ra´ızes em K. 9) (a) Em (Z/4Z)[X] temos que (2¯ + 3¯X +X2) + (2¯ + 2¯X + 3¯X2) = X. (b) Em (Z/4Z)[X] temos que (2¯ + 3¯X + 2¯X2)(1¯ + 2¯X2) = 2¯ + 3¯X + 2¯X2 + 2¯X3. (c) Em (Z/3Z)[X] temos que X(X − 1¯X)(X − 2¯) = X(X2 + 2¯) = X3 + 2¯X. (d) Em (Z/2Z)[X] temos que (1¯ +X +X2)2 = (1¯ +X +X2)(1¯ +X +X2) = 1¯ +X2 +X4. (e) Em (Z/3Z)[X] temos que (1¯ + 2¯X2)9 = (1¯ + 2¯X2)(1¯ +X2 +X4 +X6 +X8 +X10 +X12 +X14 +X16) = 1¯ + 2¯X18 10) Considere o anel (Z× Z)[X] e os seguintes polinoˆmios: f(X) = (1, 2)+(2, 0)X, g(X) = (1,−1)X+(1, 1)X2 eh(x) = (−4,−1)+(−2, 1)X. Temos que f(X) + g(X) + h(X) = (1, 2) + (−4,−1) + ((2, 0) + (1,−1) + (−2, 1))X + (1, 1)X2 = (−3, 1) + (1, 0)X + (1, 1)X2, 4 f(X)g(X)− (h(X))2 = ((1, 2) + (2, 0)X)((1,−1)X + (1, 1)X2)− ((−4,−1) + (−2, 1)X)2 = ((1,−2)X + (3, 2)X2 + (2, 0)X3)− ((16, 1) + (16,−2)X + (4, 1)X2) = (−16,−1) + (−15, 0)X + (−1, 1)X2 + (2, 0)X3 f(X)h(X) + g(X) = ((1, 2) + (2, 0)X)((−4,−1) + (−2, 1)X) + (1,−1)X + (1, 1)X2 = (−4,−2) + (−10, 2)X + (−4, 0)X2 + (1,−1)X + (1, 1)X2 = (−4,−2) + (−9, 1)X + (−3, 1)X2 11) As contas sa˜o deixadas ao leitor. Temos que: (a) 10 (b) 12 (c) 28 (d) 0 (Observe que (1¯ + 2¯X2)4 = 1¯ e que Z/8Z na˜o e´ dominio de integridade) 12) Considere A[X] com A domı´nio de integridade. Sabendo que ∂(f(X)2) = 8 e ∂(f(X)g(X)) = 7 temos que ∂(f(X)) + ∂(g(X)) = 7 e ∂(f(X)) + ∂(f(X)) = 8. Isso implica que ∂(g(X)) = 3 e ∂(f(X)) = 7− 3 = 4. Assim segue que ∂(f(X) + g(X)) =max{∂(f(X)), ∂(g(X))} = 4 ∂(f(X)− g(X)) = 4 ∂(f(X)3) =12 ∂(g(X)2) = 6 e ∂(f(X)3 + 3f(X)2g(X) + 3f(X)g(X)2 + g(X)3) = = max{∂(f(X)3), ∂(3f(X)2g(X)), ∂(3f(X)g(X)2), ∂(g(X)3)} = 12. 13) Vamos determinar nos casos considerados, usando o algoritmo de Euclides em A[X], polinoˆmios q(X), r(X) tais que f(X) = q(X)g(X) + r(X) onde r(X) = 0A ou ∂r(X) < ∂g(X). (a) A = Q. Se f(X) = 0 e g(X) = 5X2 − 1 temos que q(X) = r(X) = 0. (b) A = Z. Se f(X) = X2 − 1 e g(X) = X3 +X2 − 1 temos que q(X) = 0, r(X) = X2 − 1. (c) A = R. Se f(X) = 4X4 − 6X + 2 e g(X) = X2 − 1 temos que q(X) = 4X2 + 4, r(X) = −6X + 6. (d) A = Z/7Z. Se f(X) = 4¯X4 − 6¯X + 2¯ e g(X) = 3¯X3 − 3¯X + 2¯ temos que q(X) = 6¯X, r(X) = 4¯X2 + 3¯X + 2¯. (e) A = Z/17Z. Se f(X) = X10 −X e g(X) = X4 +X3 + 4¯X2 +X temos que q(X) = X6 + 1¯6X5 + 1¯4X4 + 6¯X3 + 7¯X2 + 6¯X + 1¯1, r(X) = 9¯X3 + 5¯X + 6¯. 5 14 Seja A = Z/7Z e considere os seguintes polinoˆmios em A[X] : f(X) = 4¯X3 − 6¯X + a¯, g(X) = X + 3¯. Fazendo a divisa˜o euclidiana em (Z/7Z)[X] temos o seguinte: f(X) = (4¯X2 + 2¯X + 2¯)g(X) + (a¯− 6¯). Como queremos o valor de a¯ tal que f(X) seja divis´ıvel por g(X) (divisa˜o exata) precisamos que o resto da divisa˜o seja 0¯ e portanto temos que a¯ = 6¯. 15) Contas deixadas ao leitor. Temos que c = 0, b = 72 5 , a = −63 5 . 16) Contas deixadas ao leitor. Depois da divisa˜o euclidiana achamos que a e b precisam satisfazer as seguintes condic¸o˜es{ 5b+ 4a+ 15 = 0 −3b− 3a− 3 = 0, e isso implica que a = 10 e b = −11. 17) Deixado ao leitor (vamos ver em aula). 18) Seja m > 1 e considere a seguinte aplicac¸a˜o F : Z[X] −→ (Z/mZ)[X] a0 + a1X + · · ·+ arXr 7−→ F (a0 + a1X + · · ·+ arXr) = a0 + a1X + · · ·+ arXr (Exemplo: seja m = 3 e considere o polinoˆmio 3 + 7X − 5X2 + 3X4, enta˜o temos que F (3 + 7X − 5X2 + 3X4) = 3¯ + 7¯X − 5¯X2 + 3¯X4 = X + X2 ja´ que estamos pensando em (Z/3Z)[X].) Vamos provar que a aplicac¸a˜o definida acima e´ um homomorfismo de aneis para qualquer m > 1. Dados quaisquer f(X), g(X) ∈ Z[X], temos que provar que F (f(X) + g(X)) = F (f(X)) + F (g(X)) e que F (f(X)g(X)) = F (f(X))F (g(X)). Sejam, por simplicidade, f(X) = ∑∂f i=0 aiX i e g(X) = ∑∂g j=0 bjX j , enta˜o temos que F (f(X)) = ∑∂f i=0 aiX i e F (g(X)) = ∑∂g j=0 bjX j , assim F (f(X))+F (g(X)) = ∂f∑ i=0 aiX i+ ∂g∑ j=0 bjX j = max(∂f,∂g)∑ k=0 (ak+bk)X k = max(∂f,∂g)∑ k=0 (ak + bk)X k. Note que aqui temos que usar a convenc¸a˜o de que ak = 0 se k > ∂f e bk = 0 se k > ∂g. Por outro lado temos que F (f(X) + g(X)) = F max(∂f,∂g)∑ k=0 (ak + bk)X k = max(∂f,∂g)∑ k=0 (ak + bk)X k, usando a mesma convenc¸a˜o, e assim veˆ-se que as duas expressso˜es coincidem. Olharemos o produto agora. Temos que F (f(X))F (g(X)) = ( ∂f∑ i=0 aiX i ) ∂g∑ j=0 bjX j = ∂f+∂g∑ s=0 ∑ i+j=s aibj Xs = ∂f+∂g∑ s=0 ∑ i+j=s aibj Xs, 6 e por outro lado temos F (f(X)g(X)) = F ∂f+∂g∑ s=0 ∑ i+j=s aibj Xs = ∂f+∂g∑ s=0 ∑ i+j=s aibj Xs = ∂f+∂g∑ s=0 ∑ i+j=s aibj Xs e as duas expresso˜es coincidem, como quer´ıamos provar. 19) Vamos provar que Z[X] e´ subanel de Q[X]. Obviamente temos que Z[X] ⊆ Q[X], ja´ que Z ⊆ Q e como Z ⊆ Z[X] (todos os polinoˆmios constantes) enta˜o Z[X] e´ obviamente na˜o vazio. Sejam agora f(X), g(X) ∈ Z[X], enta˜o por exemplo temos que f(X) = ∂f∑ i=0 aiX i g(X) = ∂g∑ j=0 bjX j , com ai, bj ∈ Z. Assim temos que f(X)− g(X) = ∂f∑ i=0 aiX i − ∂g∑ j=0 bjX j = m∑ k=0 (ak − bk)Xk ∈ Z[X], onde m ≤ max(∂f, ∂g) e com a convenc¸a˜o que ak = 0 se k > ∂f e bk = 0 se k > ∂g. Alem disso temos que f(X)g(X) = ∂f+∂g∑ k=0 ∑ i+j=k aibj Xk ∈ Z[X], ja´ que ∑ i+j=k aibj ∈ Z para todo k. Notamos que Z[X] na˜o e´ ideal de Q[X] ja´ que por exemplo( 1 3 X ) (X − 2) /∈ Z[X]. 20) Deixado ao leitor (a) e´ ideal; (b) e´ ideal; (c) na˜o e´ subanel, por exemplo temos que f(X) = −2 + 2X, f2(X) = −3 + 3X esta˜o no conjunto definido no item c) mas f1(X)f2(X) = 6 − 12X + 6X2 na˜o satisfaz a definic¸a˜o do conjunto, ja´ que 6 + (−12) 6= 0.
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