Caderno de exercícios
de
Álgebra II
Curso: Matemática
Ano Lectivo 2003/2004
25 de Fevereiro de 2004
(versão 1.0)
Índice
Notas Prévias
ii
Notações e terminologia
iii
1 Noções sobre conjuntos e aplicações
1.1 Conjuntos e relações . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2 Aplicações . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2 Anéis
2.1 Anéis e Subanéis . . . . . . . . . . . . .
2.2 Homomorfismos de anéis . . . . . . . . .
2.3 Ideais . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.4 Relações de congruência. Anéis quociente
2.5 Divisores de zero. Domínios . . . . . . .
2.6 Anéis de divisão. Corpos . . . . . . . . .
2.7 Divisibilidade . . . . . . . . . . . . . . .
1
1
3
.
.
.
.
.
.
.
6
6
11
13
16
18
21
22
3 Anéis de polinómios
3.1 Polinómios numa indeterminada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2 Divisibilidade de polinómios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.3 Irredutibilidade de polinómios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
23
23
24
26
4 Módulos
4.1 Módulos e submódulos . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2 Submódulo gerado por um conjunto. Módulos livres
4.3 Morfismos de módulos . . . . . . . . . . . . . . . .
4.4 Módulos quociente. Teoremas de Isomorfismo . . .
30
30
33
34
36
Bibliografia
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37
i
Notas Prévias
Este caderno de exercícios juntamente com a matéria leccionada nas aulas teóricas formam um todo, i.e., são uma parte integrante do programa da disciplina e não meramente
um conjunto de exercícios soltos.
Em relação à resolução dos exercícios que constam neste caderno, chama-se a atenção de
que, só tem sentido tentar resolvê-los, após um estudo, cuidadoso, da matéria leccionada nas
aulas teóricas, tudo o resto, será uma mera tentativa de resolução mecânica dos exercícios,
sem qualquer fundamentação.
O material contido neste caderno de exercícios, foi elaborado com base nas referências
[1, 2, 3, 4, 5] e de um conjunto de exercícios elaborados pelo próprio. De salientar, que
alguns destes exercícios, foram revistos por alguns dos meus colegas do Departamento de
Matemática com quem tenho trabalhado ao longo dos anos. A todos eles, os meus sinceros
e profundos agradecimentos.
N.B.: Na elaboração deste caderno, e dentro do possível, houve o cuidado de se usar uma
escrita matemática rigorosa e uma simbologia o mais actualizada possível, no entanto, este
caderno pode não estar isento de - apesar de involuntárias - omissões e incorrecções1 .
1
apesar de se encontrar em permanente actualização, aceitam-se e agradecem-se sugestões, comentários
e correcções, de preferência, enviados para [email protected].
ii
Notações e terminologia
Faremos uso dos seguintes símbolos para representar os conjuntos usuais:
;
N = f0, 1, 2, 3, ¢ ¢ ¢g
Z = f¢ ¢ ¢ , ¡2, ¡1, 0, 1, 2, ¢ ¢ ¢g
n
o
Q = xy 2 R : x 2 Z ^ y 2 Z n f0g
R
C
o conjunto vazio
o conjunto dos números naturais
o conjunto dos números inteiros
o conjunto dos números racionais
o conjunto dos números reais
o conjunto dos números complexos
Sendo X 2 fN, Z, Q, Rg, representaremos por X>0 , X≥0 e X6=0 , respectivamente, os
seguintes conjuntos:
X>0 := fx 2 X : x > 0g
X≥0 := fx 2 X : x ¸ 0g
X6=0 := fx 2 X : x =
6 0g .
Como exemplos, o conjunto
R≥0 := fx 2 R : x ¸ 0g = [0, +1[,
representa o conjunto dos números reais não negativos, enquanto que o conjunto
R6=0 := fx 2 R : x 6= 0g = R n f0g ,
representa o conjunto de todos os números reais, excepto o zero.
Faremos também uso do símbolo C6=0 , para representar o conjunto C n f0g.
De um modo geral, o símbolo K representa um corpo qualquer e o símbolo ‘:=’ quer
designar a igualdade de duas entidades por definição.
Iremos representar por card(A) o cardinal do conjunto A. O símbolo ‘v’ representa uma
subestrutura de uma dada estrutura algébrica. Por exemplo, sendo R um anel e A um
subconjunto de R, para abreviar a expressão ‘A é um subanel de R’, usamos o simbolismo
A v R.
iii
Tabela de Símbolos
YX
Inj(X, Y )
Surj(X, Y )
Bij(X, Y )
Mor(R, S) (= Hom(R, S))
End(R)
Mono(R, S)
Epi(R, S)
Bim(R, S)
Sect(R, S)
Retr(R, S)
Iso(R, S)
Aut(R)
Emb(R, S)
Ul (R) (resp., Ur (R), U (R))
Il (R) (resp., Ir (R), I(R))
R (A) (resp., (A)R , (A))
P (R)
hAi (resp., R hAi)
o conjunto de todas as aplicações de X em Y
o conjunto de todas as aplicações injectivas de X em Y
o conjunto de todas as aplicações sobrejectivas de X em Y
o conjunto de todas as aplicações bijectivas de X em Y
o conjunto de todos os morfismos de R em S
o conjunto de todos os endomorfismos em R
o conjunto de todos os monomorfismos de R em S
o conjunto de todos os epimorfismos de R em S
o conjunto de todos os bimorfismos de R em S
o conjunto de todas as secções de R em S
o conjunto de todas as retracções de R em S
o conjunto de todos os isomorfismos de R em S
o conjunto de todos os automorfismos em R
o conjunto de todos os mergulhos de R em S
o conjunto de todos as unidades (esq., direitas, bilaterais) de R
o conjunto de todos os ideais (esq., direitos, bilaterais) de R
ideal esquerdo (resp., direito, bilateral) gerado por A
o conjunto de todos os elementos primos de R
o subanel (resp., R-submódulo) gerado por A
iv
1. Noções sobre conjuntos e aplicações
1.1. Conjuntos e relações
1.1.1) Seja < uma relação de equivalência definida num conjunto A. Mostre que a definição
de relação de equivalência é equivalente a ser formulada, pelas seguintes condições:
i) IA µ <.
ii) < µ <−1 .
iii) < ± < µ <.
a) Mostre ainda que se tem < = <−1 , ou seja, i), ii) e iii) são equivalentes a i), ii’)
< = <−1 e iii).
1.1.2) Sejam A um conjunto qualquer e < uma relação de equivalência definida em A.
a) Mostre que:
1) 8a 2 A, a 2 [a].
2) 8a, b 2 A : a<b , [a] = [b].
b) Mostre que as classes de equivalência de elementos de A formam uma partição de
A, ou seja,
i) 8a 2 A, [a] 6= ;.
ii) 8a, b 2 A :S
[a] 6= [b] =) [a] \ [b] = ;.
iii) 8a 2 A :
[a] = A.
a∈A
1.1.3) Sejam A um conjunto qualquer e C := fAi µ A : i 2 Ig µ P(A) uma partição de A.
Então existe uma relação de equivalência em A tal que os elementos de C são as classes
de equivalência dos elementos de A.
Sugestão : Considere a seguinte relação, para todo o a, b 2 A
a<b () 9i 2 I : (a 2 Ai ^ b 2 Ai ).
1.1.4) Seja n 2 N. Mostre que a relação ´ definida para todo o a, b 2 Z por:
a ´ b (mod n) () 9k 2 Z : a + (¡b) = k ¢ n
é uma relação de equivalência. Esta relação é a relação usual de congruência dos
números inteiros.
1.1.5) Sejam A, B µ X. Mostre que a relação < definida para todo o A, B 2 P(X) por:
A<B () A µ B _ B µ A
é uma relação reflexiva, simétrica mas não transitiva.
1
1.1.6) Considere-se a relação » definida para todo o elemento de N2 por:
(a, b) » (c, d) () a + d = b + c.
Mostre que é uma relação de equivalência e diga o que é [(a, b)]. Com esta relação
2
define-se Z := N∼ e à classe de equivalência [(a, b)] chama-se número inteiro.
1.1.7) Seja A := fa, b, c, d, eg e consideremos as relações ρi , i = 1, . . . , 8 definidas em A.
a) Das relações seguintes, quais são reflexivas, simétricas, transitivas e equivalências:
1)
2)
3)
4)
5)
6)
7)
8)
ρ1
ρ2
ρ3
ρ4
ρ5
ρ6
ρ7
ρ8
:= f(a, b), (b, a), (c, d), (d, c)g.
:= f(a, b), (b, c), (a, c)g.
:= f(a, a), (b, b), (c, c), (d, d), (e, e), (a, b), (b, c)g.
:= f(a, a), (b, b), (c, c), (d, d), (e, e)g (relação identidade).
:= f(a, b), (c, e), (d, a), (d, b)g.
:= f(a, a), (b, b), (c, c), (d, d), (e, e), (c, d), (d, c)g.
:= ; (relação vazia).
:= A £ A (relação universal).
b) Determine os seguintes conjuntos quociente A/ρ4 , A/ρ6 e A/ρ8 .
1.1.8) Considere os conjuntos A := fa, b, cg, B := fd, e, fg e C := fg, hg e as relações:
R := f(a, d), (b, e), (c, d)g
e
S := f(d, g), (e, h), (f, h)g
definidas, respectivamente, em A £ B e B £ C. Determine S ± R.
1.1.9) Sejam S := Z £ Z6=0 e < := f((r, s), (t, u)) 2 S 2 : r ¢ u = s ¢ tg. Mostre que < é uma
relação de equivalência em S.
2
1.2. Aplicações
1.2.1) Sejam A e B conjuntos quaisquer e f : A ! B uma aplicação e considere a relação
para todo x, y 2 A
xρf y () f (x) = f (y).
Mostre que ρf é uma relação de equivalência.
1.2.2) Considere uma relação de equivalência qualquer, <, definida em A.
a) Mostre que existe uma aplicação h : A ! A/< sobrejectiva.
b) Considere uma aplicação f : A ! B qualquer, tal que f é compatível com <, ou
seja,
8x, y 2 A : x<y =) f (x) = f (y).
Defina g ,i.e., a sua lei de transformação, de modo que o diagrama
A
h-
¡
¡
g
f
¡
¡
?¡
ª
A
<
B
seja comutativo, ou seja, g ± h = f .
c) Mostra ainda que, nestas condições, g é sobrejectiva se, e só se, f é sobrejectiva.
d) Mostre também que, f é bicompatível com < se, e só se, g é injectiva.
1.2.3) Seja f : A ! B uma aplicação que preserva as relações, ou seja,
8a, b 2 A : a<b =) f (a)<0 f (b).
a) Mostre que existe uma única aplicação f ∗ : A/< ! B/<0 tal que o seguinte
diagrama
νA - A
A
<
f∗
f
?
B
νB
-
?
B
<0
é comutativo. Diz-se que f ∗ é a aplicação induzida por f . Reciprocamente, se para
duas quaisquer aplicações f e f ∗ o diagrama é comutativo, então f é a aplicação
que preserva a relação e, f ∗ é a aplicação induzida por f .
b) Sejam A = B := Z,
©
ª
©
ª
< := (a, a0 ) 2 Z2 : a ´ a0 (mod 4) , <0 := (b, b0 ) 2 Z2 : a ´ a0 (mod 2)
e f : A ! B uma aplicação que preserva a relação, definida por f (n) := n.
Sendo f ∗ : A/< ! B/<0 mostre que:
1) f ∗ ([0]4 ) = f ∗ ([2]4 ) = [0]2 .
2) f ∗ ([1]4 ) = f ∗ ([3]4 ) = [1]2 .
1.2.4) Mostre que se f : X ! Y é uma aplicação qualquer, então f induz as seguintes
aplicações:
3
a) f → : P(X) ! P(Y ).
b) f ← : P(Y ) ! P(X).
1.2.5) Sejam f : X ! Y uma aplicação, (Ai )i∈I uma família de subconjuntos de X e (Bi )i∈I
uma família de subconjuntos de Y . Mostre que:
a) f (
S
Ai ) =
i∈I
b) f (
T
i∈I
c) f −1 (
S
Ai ) µ
S
T
i∈I
Bi ) =
i∈I
d) f
−1
(
f(Ai ).
i∈I
T
i∈I
f (Ai ).
S
f −1 (Bi ).
i∈I
Bi ) =
T
f −1 (Bi ).
i∈I
1.2.6) Seja f : A ! B uma aplicação qualquer.
a) f é injectiva se, e só se, existe uma aplicação g : B ! A tal que g ± f = idA .
(A g chama-se a inversa esquerda de f e diz-se que f é uma secção).
b) f é sobrejectiva se, e só se, existe g : B ! A tal que f ± g = idB .
(A g chama-se a inversa direita de f e diz-se que f é uma retracção).
c) f é bijectiva se, e só se, existe g : B ! A tal que g ± f = idA ^ f ± g = idB .
(A g chama-se função inversa de f e diz-se que f é um isomorfismo).
d) Mostre que a aplicação inversa de f é única e, portanto, faz sentido representá-la
por f −1 (f −1 : B ! A).
1.2.7) Seja f : A ! B uma aplicação qualquer. Mostre que:
a) f é injectiva se, e só se, para toda a aplicação g, g 0 : C ! A as composições f ± g
e f ± g 0 estão definidas então tem-se que:
f ± g = f ± g 0 =) g = g 0 .
(Uma aplicação que verifique esta condição diz-se um monomorfismo).
b) f é sobrejectiva se, e só se, para toda a aplicação g, g 0 : B ! C as composições
g ± f e g 0 ± f estão definidas então tem-se que:
g ± f = g 0 ± f =) g = g 0 .
(Uma aplicação que verifique esta condição diz-se um epimorfismo).
1.2.8) Sejam f : A ! B e g : B ! C aplicações quaisquer:
a) Mostre que a composição de aplicações, g ± f, é uma aplicação.
b) Mostre que a composição de aplicações injectivas, g ± f , é uma aplicação injectiva.
c) Mostre que a composição de aplicações sobrejectivas, g ± f, é uma aplicação sobrejectiva.
d) Mostre que a composição de aplicações bijectivas, g ± f , é uma aplicação bijectiva.
e) Se g ± f é uma aplicação sobrejectiva, então g é uma aplicação sobrejectiva.
f) Se g ± f é uma aplicação injectiva, então f é uma aplicação injectiva.
4
1.2.9) Considere A e B dois conjuntos quaisquer. O conjunto A diz-se equivalente ou equipotente a B e representa-se por A » B se, e só se, existe uma aplicação bijectiva de A
em B. Mostre que a seguinte relação:
A » B () 9f : A ! B tal que f é bijectiva
é uma relação de equivalência.
Diz-se que os conjuntos A, B tem a mesma cardinalidade se
card(A) = card(B) () A » B.
1.2.10) Sejam A e B conjuntos quaisquer. Mostre que a relação ∙ definida por:
card(A) ∙ card(B) () 9f : A ! B tal que f é injectiva
é uma relação de ordem parcial.
(Sugestão: Use o teorema de Schröder-Bernstein para conjuntos infinitos. Se tivermos
aplicações injectivas de A em B e de B em A, então card(A) = card(B)).
5
2. Anéis
2.1. Anéis e Subanéis
2.1.1) Mostre que num anel com elemento identidade (R; +, ¢, 0R ) tem-se que 0R = 1R se, e
só se, o conjunto suporte de (R; +, ¢, 0R ) tem um único elemento.
2.1.2) Mostre que se num conjunto singular definirmos duas operações binárias, então ele é
uma anel multiplicativo e comutativo.
2.1.3) Verifique se os seguintes conjuntos com as operações indicadas são anéis e, indique os
que são comutativos e os que tem identidade:
a) (Mn×n (R); +, ¢, On×n ), onde R é um anel.
Em particular, com R := Z, obtemos o anel Mn×n (Z).
¡
¢
b) Zn ; +, ¢, 0n , 1n , onde n 2 N.
¢
£p ¤
©
ª
¡ £p ¤
p
c) Q p ; +, ¢, 0 , onde Q p := x + y p 2 R : x, y 2 Q ^ p 2 P (N≥2 ) e as
operações binárias são definidas por:
p
p
p
(a + b p) + (c + d p) := (a + c) + (b + d) p
p
p
p
(a + b p) ¢ (c + d p) := (ac + pbd) + (ad + bc) p.
Em particular, conclua que Z
£p ¤
p é um anel.
d) (2Z; +, ¤), onde + é a soma usual e a operação binária ¤ é definida por:
1
m ¤ n := mn.
2
e) R com as operações binárias θ e θ0 definidas por:
xθy := x + y
e
xθ0 y := 2xy.
f) A := f(x, 1) 2 R2 : x 2 Rg e as operações θ e θ0 definidas por:
(x, 1)θ(x0 , 1) := (x + y, 1)
e
(x, 1)θ0 (x0 , 1) := (xy, 1).
g) fa, bg com as operações binárias “+” e “¢” definidas através das seguintes tabelas:
+
a
b
a b
a b
b a
e
¢
a
b
a b
a a .
a b
2.1.4) Seja (R; +, 0R ) um grupo abeliano no qual se introduz a operação binária “¢” definida
para todo o a, b 2 R por a ¢ b = 0R . Mostre que (R; +, ¢, 0R ) é um anel e verifique se
este anel tem identidade.
6
2.1.5) Sejam R um anel (resp., anel unitário) e A um conjunto qualquer.
a) Mostre que RA é um anel (resp., anel unitário) para as operações usuais de adição
e multiplicação de funções, onde para todo o x 2 A:
(f + g)(x) := f (x) + g(x)
e
(f ¢ g)(x) := f (x) ¢ g(x).
b) Indique condições para que RA seja um anel comutativo.
c) Mostre que se A := R, então RR é um anel (resp., anel unitário).
d) Mostre que, em particular, o conjunto de todas as funções reais de variável real,
i.e., RR é um anel unitário comutativo. Estude ainda como caso particular o
conjunto R[a,b] .
2.1.6) Seja R um anel (resp., anel unitário). Mostre que (RR ; +, ±, c0R ) é um anel (resp.,
(RR ; +, ±, c0R , c1R ) anel unitário). Em particular, (End(R); +, ±, c0R ) é um anel (resp.,
(End(R); +, ±, c0R , c1R ) anel unitário).
2.1.7) Sejam (R; +R , ¢R , 0R ) e (S; +S , ¢S , 0S ) (resp., (R; +R , ¢R , 0R , 1R ) e (S; +S , ¢S , 0S , 1S ) anéis
unitários) e R £ S o produto cartesiano de R e S.
a) Mostre que R £ S é um anel (resp., anel unitário) se definirmos as seguintes
operações binárias:
8a1 , a2 2 R, 8b1 , b2 2 S,
(a1 , b1 ) + (a2 , b2 ) := (a1 +R a2 , b1 +S b2 ) e (a1 , b1 ) ¢ (a2 , b2 ) := (a1 ¢R a2 , b1 ¢S b2 ).
Este anel (resp., anel unitário) é o produto cartesiano dos anéis R e S e, também
é conhecido por produto directo (externo) dos anéis R e S.
b) Generalize para o produto cartesiano de n anéis (resp., anéis unitários) distintos.
n
z
}|
{
Conclua que, em particular, Rn :=R £ R £ ¢ ¢ ¢ £ R é um anel (resp., anel unitário).
2.1.8) Seja R um anel. Mostre que para todo o a, a1 , ..., an , b1 , b2 , ..., bn 2 R tem-se que:
a) a(b1 + b2 + ¢ ¢ ¢ + bn ) = ab1 + ab2 + ¢ ¢ ¢ + abn .
b) (b1 + b2 + ¢ ¢ ¢ + bn )a = b1 a + b2 a + ¢ ¢ ¢ + bn a.
µ n ¶Ã m !
m
n P
P
P
P
c)
ai
bj =
ai bj .
i=1
j=1
i=1 j=1
2.1.9) Sejam R um anel e a, b, c 2 R.
a) Mostre que para o grupo aditivo do anel tem-se que:
1)
2)
3)
4)
5)
6)
O elemento neutro aditivo do anel, 0R , é único.
Cada elemento de R tem um único simétrico.
¡(¡a) = a.
¡(a + b) = (¡a) + (¡b).
Se a + b = a + c, então b = c (analogamente, b + a = c + a, então b = c).
Cada uma das equações a + x = b e x + a = b tem uma única solução.
b) Mostre que para o semigrupo multiplicativo do anel tem-se que:
7
1)
2)
3)
4)
0R a = a0R = 0R .
(¡a)(¡b) = ab.
a(¡b) = (¡a)b = ¡(ab).
a(b ¡ c) = ab ¡ ac e (b ¡ c)a = ba ¡ ca.
2.1.10) Seja R um anel e a, b 2 R elementos permutáveis. Mostre que se tem:
a) a(¡b) = (¡b)a.
b) (¡a)(¡b) = (¡b)(¡a).
¡ ¢
¡ ¢
¡ n ¢ n−1
¡ ¢
c) (a + b)n = an + n1 an−1 b + n2 an−2 b2 + ¢ ¢ ¢ + n−1
ab
+ bn , onde nk :=
n!
.
k!(n−k)!
2.1.11) Prove que num anel R são válidas as seguintes regras usuais da aritmética, para todo
o m, n 2 Z e a, b 2 R:
a) (m + n)a = ma + na.
b) (mn)a = m(na).
c) m(a + b) = ma + mb.
d) n(ab) = (na)b = a(nb).
2.1.12) Prove que num anel R são válidas as seguintes regras usuais da aritmética, para todo
o m, n 2 N e a, b 2 R:
a) an am = an+m .
b) (an )m = anm .
c) Se R é comutativo, então (ab)n = an bn .
2.1.13) Mostre que para todo o a, b 2 R, a2 ¡ b2 = (a + b)(a ¡ b) se, e só se, R é um anel
comutativo.
2.1.14) Sejam R um anel (resp., anel unitário) e A µ R. Mostre que A é um subanel (resp.,
subanel unitário) de R se, e só se, verifica o seguinte:
i) 0R 2 A (resp., 1R 2 A);
ii) 8x, y 2 R : x, y 2 A ) x + (¡y) 2 A;
iii) 8x, y 2 R : x, y 2 A ) xy 2 A.
2.1.15) Verifique nas alíneas seguintes se os subconjuntos são subanéis do respectivo anel e,
indique, os que são comutativos e os que tem identidade:
©
ª
a) Considere o anel R[a,b] e o subconjunto A := f 2 R[a,b] : f(1) = 0 .
b) Considere o anel RR e o subconjunto C(R, R) de todas as funções contínuas reais
de variável real.
c) Considere
½∙
a
1)
c
½∙
a
2)
c
o anel (M2×2 (Z); +, ¢, O2×2 ) e os seguintes subconjuntos dele:
¸
¾
b
2 M2×2 (Z) : c = d = 0 .
d
¸
¾
b
2 M2×2 (Z) : c = 0 .
d
8
½∙
a
3)
c
½∙
a
4)
c
½∙
a
5)
c
¸
¾
b
2 M2×2 (Z) : b = c = 0 .
d
¾
¸
b
2 M2×2 (Z) : b = d = 0 .
d
¸
¾
b
2 M2×2 (Z) : b = c = 0 ^ d = 1 .
d
2.1.16) Sejam R uma anel (resp., anel unitário), A, B v R e X, Y µ R. Mostre que:
a) A \ B v R, i.e, a intersecção de dois subanéis de R ainda é um subanel (resp.,
subanel unitário) de R.
Generalize para uma família infinita (Ai )i∈I de ideais de R.
b) A [ B v R , A µ B _ B µ A, i.e., a união de dois subanéis (resp., subanéis
unitários) de R ainda é um subanel (resp., subanel unitário) de R se, e só se, um
deles está contido no outro.
c) Se A ¢ B µ A ^ B ¢ A µ B ) A + B v R, i.e., a soma de dois subanéis
(resp., subanéis unitários) de R é um subanel (resp., subanel unitário) de R se
eles comutam.
d) Se B ¢ A µ A ¢ B ) A ¢ B v R, i.e., o produto de subanéis (resp., subanéis
unitários) de R é um subanel (resp., subanel unitário) de R se B ¢ A µ A ¢ B.
Mostre que se tem a recíproca só no caso de R ser anel unitário.
2.1.17) Sejam R um anel R e X µ R. Mostre que hXi é um subanel de R.
2.1.18) Sejam R um anel e A µ R. O centralizador de A em R é definido como sendo o
conjunto
CR (A) := fx 2 R : 8a 2 R, ax = xag .
a) Mostre que o centralizador é um subanel de R.
No caso particular de A := R, chama-se centro do anel R e representa-se por:
Z(R) := fx 2 R : 8r 2 R, xr = rxg .
b) Indique qual é o centro se o anel for comutativo.
2.1.19) Sejam (R; +, ¢, 0R , 1R ) um anel unitário e Rop := (R; +, ¢op , 0R , 1R ) onde para todo o
x, y 2 R,
x ¢op y := y ¢ x.
Mostre que Rop é um anel unitário.
Ao anel unitário Rop chama-se anel oposto do anel R.
2.1.20) Diga, justificando, se é verdadeira ou falsa cada uma das seguintes afirmações:
a) Se A é subanel de um anel R que contém uma unidade b, então A contém b−1 .
b) Num anel de característica 2, qualquer elemento é simétrico de si próprio.
c) Um anel finito pode ter característica zero.
d) A característica de um anel é sempre um número primo.
e) A característica de um corpo é sempre um número primo.
2.1.21) Seja R um anel unitário. Mostre que:
9
a) Se a, b 2 U(R) ) ab 2 U(R).
b) Se an 2 U (R) ) a 2 U (R).
c) Se a, b 2 U(R), então não necessariamente se tem que a + b 2 U (R).
2.1.22) Determine:
a) U (Z8 ).
b) U (M2×2 (Z)) (anel definido no exercício 2.1.3 com R := Z e n := 2).
¡ £p ¤¢
c) U Z 2 (anel definido no exercício 2.1.3 com p := 2).
2.1.23) Mostre que no anel Zn , tem-se que para todo o n 2 Nn f0, 1g, n ¡ 1 2 U(Zn ).
2.1.24) Seja K um corpo. Mostre que:
a) O conjunto U(Mn×n (K)), que se representa por:
GLn (K) := fA 2 Mn×n (K) : A é invertívelg
é um subgrupo do monóide multiplicativo do anel unitário Mn×n (K).
b) O conjunto de todas as matrizes diagonais invertíveis, Diag(GLn (K)), é um subgrupo de GLn (K).
10
2.2. Homomorfismos de anéis
2.2.1) Indique, quais das seguintes aplicações são morfismos de anéis e, em cada caso afirmativo, determine o respectivo núcleo e classifique o respectivo morfismo:
a) f : Z ! Z definida por f (a) := 3a.
b) f : Z ! Z definida por f (a) := a2 .
c) f : Z6 ! Z3 definida por f ([a]6 ) := [a]3 .
d) f : C ! R definida por f (z) := jzj.
e) f : C ! R definida por f (z) := Re (z).
f) f : C ! C definida por f (z) := iz.
g) f : C ! C definida por f (z) := z.
h) f : Mn×n (R) ! Mn×n (R) definida por f (A) := AT .
i) f : Mn×n (R) ! R definida por f (A) := det(A).
2.2.2) Sejam R, S anéis (resp., anéis unitários) e f : R ! S um morfismo de anéis (resp.,
anéis unitários). Mostre que:
a) f é injectiva se, e só se, f é um monomorfismo.
b) f é sobrejectiva, então f é epimorfismo. Será que a recíproca é verdadeira?
2.2.3) Sejam (R; +R , ¢R , 0R ), (S; +S , ¢S , 0S ) anéis e f : R ! S um morfismo de anéis. Mostre
que:
a) f (0R ) = 0S .
b) 8n 2 Z, 8a 2 A, f (na) = nf (a).
Em particular, f (¡a) = ¡f (a).
c) Se A v R, então f (A) v S.
d) Se B v S, então f −1 (B) v R.
e) Se J E S, então f −1 (J) E R.
f) Se f 2 Surj(R, S) e I E R, então f (I) E S.
g) f 2 Mono(R, S) se, e só se, Ker(f) = f0R g.
2.2.4) Sejam R e S anéis (resp., anéis unitários). Mostre que o conjunto Hom(R, S), para as
operações de “+” e “¢” de funções é um anel (resp., anel unitário).
Em particular, quando S := R, então End(R) é um anel (resp., anel unitário).
2.2.5) Mostre que as seguintes aplicações são morfismos e classifique-os:
p
p
£p ¤
£p ¤
a) f : Z 2 ! Z 2 definida por a + b 2 7! a ¡ b 2.
¡
¢
b) fn : (Z; +, ¢, 0) ! Zn ; +n , ¢n , 0n , onde n 2 N um elemento arbitrário mas fixo e
definida por x 7! xn .
∙
¸
a b
c) f : C ! M2×2 (R) definida por f (a + bi) 7!
.
¡b a
d) f : Mn×n (R) ! Mn×n (R) definida por f (A) 7! P −1 AP , onde P 2 U (Mn×n (R)).
2.2.6) Sejam (R; +R , ¢R , 0R ), (S; +S , ¢S , 0S ) e (T ; +T , ¢T , 0T ) anéis. Mostre que:
11
a) R »
= R.
b) Se R »
= S, então S »
= R.
c) Se R »
=S eS»
= T , então R »
= T.
2.2.7) Sejam R e S anéis. Mostre que se R »
= S, então char(R) = char(S).
2.2.8) Mostre que para qualquer morfismo f : R ! R0 tem-se que:
0
a) 8b := f (b) 2 f (R), f −1 (fb0 g) = fbg + Ker(f )
b) Se A v R, então
Ker(f ) µ A + Ker(f ) = f −1 (f(A)).
2.2.9) Considere o grupo comutativo (M ; +, 0M ). Mostre que:
a) (End(M ); +, ±, c0M ) é um anel, a que se chama o anel dos endomorfismos de M .
b) A relação ρ : R ! End(M ) definida por ρ(x) := fx é um morfismo de anéis. Se
A v End(M ), então diz-se que ρ : R ! A é uma representação do anel R.
2.2.10) Sejam (R; +, ¢, 0R ), (S; +, ¢, 0S ) anéis e f : R ! S um isomorfismo de anéis. Prove que:
a) Se R é comutativo, então S é comutativo.
b) Se R tem identidade 1R , então S tem identidade f (1R ).
c) Se a 2 U (R), então f (a) 2 U(S).
d) Se R é corpo, então S é corpo.
2.2.11) Mostre que não existe nenhum isomorfismo (de anéis) entre os anéis (Z; +, ¢, 0) e
(2Z; +, ¢, 0).
12
2.3. Ideais
2.3.1) Seja R um anel.
a) Mostre que f0g e o próprio anel R são ideais de R.
b) Mostre que se X := fx1 , x2 , ..., xn g, então X µ (X).
2.3.2) Sejam R um anel unitário e I E R. Mostre que as seguintes condições são equivalentes:
(i) 1R 2 I.
(ii) I contém uma unidade.
(iii) I = R.
2.3.3) Prove que no anel dos inteiros (Z; +, ¢, 0) todo o ideal é principal.
2.3.4) Sejam R um anel, B v R e I, J E R. Mostre que:
a) B + I v R.
b) I + J E R.
c) I ¢ J E R.
d) I \ J E R.
Generalize para uma família (finita ou infinita) de ideais de R.
e) I \ B E B.
f) Se I µ B µ A, então I E B.
1) R (B ¢ I) E R (resp., (I ¢ B)R E R).
2) Se R é um anel comutativo, então I ¢ B E R (resp., B ¢ I E R).
g) Se I, J µ B, então I + J µ B.
2.3.5) Sejam R uma anel e I, J, K E R. Mostre que se tem:
a) I + (0R ) = (0R ) + I = I.
b) I + (J + K) = (I + J) + K.
c) I ¢ (J ¢ K) = (I ¢ J) ¢ K.
d) I ¢ (J + K) = (I ¢ J) + (I ¢ K) e (I + J) ¢ K = (I ¢ K) + (J ¢ K).
e) I ¢ (J \ K) µ (I ¢ J) \ (I ¢ K).
f) Se J µ I, então I \ (J + K) = J + (I \ K).
2.3.6) Seja I (R) o conjunto de todos os ideais do anel (R; +, ¢, 0R ). Classifique I (R) como
estrutura algébrica, relativamente às operações de soma e produto de ideais de R.
2.3.7) Sejam R um anel e A 2 P6=∅ (R). Os conjuntos
Annl (A) := fr 2 R : 8a 2 A, ra = 0R g e Annr (A) := fr 2 R : 8a 2 A, ar = 0R g
chamam-se o anulador esquerdo (direito) de A em R. Mostre que:
a)
R
Annl (A) E R.
b) Annr (A)R E R.
c) Se A E R, então
R
Annl (A) e Annr (A)R são ambos ideais de R.
d) Se R é um anel unitário, então
R
Annl (A) = Annr (A)R = f0R g.
13
2.3.8) Seja R um anel. Mostre que (fa, bg) = (a) + (b).
Generalize para (fx1 , x2 , . . . , xn g) = (x1 ) + (x2 ) + ¢ ¢ ¢ + (xn ).
2.3.9) Sejam R um anel e a 2 R.
a) Prove que (a)R E R (resp., R (a) E R).
b) Mostre que é o menor (no sentido de contido) ideal direito (resp., esquerdo) que
contém o elemento a.
c) Se a é um elemento idempotente, então a 2 (a)R .
d) Se R tem identidade, então a 2 (a)R .
e) Se I E R tal que a 2 I, então R (a) µ I.
2.3.10) Seja R um anel. Mostre que para qualquer elemento a 2 R tem-se que:
a) (a) =
½
na + at + pa +
k
P
i=1
¾
ri asi 2 R : n 2 Z, t, p, ri , si 2 R, k 2 N6=0 .
b) Dê um aspecto mais simplificado no caso de R ser um anel unitário.
2.3.11) Mostre que para qualquer anel R e a 2 R tem-se que:
)
( k
X
(a) =
ri asi 2 R : si , ri 2 R, k 2 N6=0 = RaR.
i=1
2.3.12) Seja R um anel comutativo. Mostre que:
a) 8a 2 R, (a) = (a)R = R (a).
b) se I, I E R tais que I + I = R, então I \ I = I ¢ I .
0
0
0
0
c) Z(R) = R. O que conclui quanto à recíproca, i.e., se Z(R) = R, então R é um
anel comutativo?
2.3.13) Seja R um anel unitário comutativo. Determine:
a) (1R ) e (0R ).
b) (u), onde u 2 U(R).
2.3.14) Considere o anel unitário (M2×2 (Z) ; +¢, O2×2 , I2×2 ).
a) Determine Z (M2×2 (Z)).
b) Será que Z (M2×2 (Z)) E M2×2 (Z)?
2.3.15) Mostre que para todo o n 2 N, o conjunto nZ := fnk 2 Z : k 2 Zg é ideal de (Z; +, ¢, 0).
2.3.16) Em Z, determine os seguintes ideais indicando qual o seu gerador:
(b) (2) + (6) .
(c) (2) \ ((5) + (6)) .
(e) (8) \ (12) .
(f) (8) ¢ (12) .
¡
¢
2.3.17) Determine os ideais do anel Zn ; +, ¢, 0 no seguintes casos:
(a) (2) + (5) .
(d) (2) ¢ ((5) \ (6)) .
a) n = 4.
14
b) n = 11.
c) n = 12.
¡ ¢ ¡ ¢
d) n = 6, mas somente para 46 e 36 .
2.3.18) Considere os seguintes subconjuntos de matrizes em (M2×2 (Z); +, ¢, O2×2 , I2×2 ):
½∙
¸
¾
½∙
¸
¾
a b
a b
C :=
2 M2×2 (Z) : c = d = 0 . B :=
2 M2×2 (Z) : a = b = 0 .
c d
c d
D :=
½∙
a b
c d
¸
¾
½∙
¸
¾
a b
2 M2×2 (Z) : a = c = 0 . E :=
2 M2×2 (Z) : b = d = 0 .
c d
a) Mostre que E e D são ideais esquerdos mas não direitos de M2×2 (Z).
b) Mostre que C e B são ideais direitos mas não esquerdos de M2×2 (Z).
c) Dê exemplos de matrizes que não sejam nem ideais esquerdos nem direitos de
M2×2 (Z).
d) Determine em M2×2 (Z),∙os elementos
do ideal esquerdo do exercício 2.3.7.a, con¸
0 1
siderando para tal a :=
.
0 0
2.3.19) Sejam R um anel e I E R. Mostre que:
a) O centralizador de I em R,
CR (I) := fx 2 R : 8i 2 I, xi = ixg
é um ideal de R. Averigúe, o que acontece, se I é apenas um subconjunto de R.
b) Z(R) E R.
2.3.20) Sejam R, S anéis, I, I 0 E R, J E S e f : R ! S um morfismo de anéis. Mostre que:
a) Ker(f) E R.
b) Se f 2 Surj(R, S), então Im(f ) E S.
c) f (I) E Im(f ).
d) Se f 2 Surj(R, S) e I E R, então f (I) E S.
e) f −1 (J) E R.
f) Se (a)R é um ideal direito de R, então f ((a)R ) = (f (a))S .
g) f (I + I 0 ) = f (I) + f (I 0 ).
h) Se R é anel comutativo, então f (I ¢ I 0 ) = f (I) ¢ f (I 0 ).
•
i) f (I \ I 0 ) µ f(I) \ f(I 0 ), com a igualdade se Ker(f) µ I _ Ker(f) µ I 0 .
15
2.4. Relações de congruência. Anéis quociente
2.4.1) Sejam R um anel e ρ uma relação de congruência definida em R. Sendo [0] a classe do
zero, mostre que [0] E R.
2.4.2) Sejam R um anel e I E R. Mostre que R/I é um anel.
2.4.3) Sejam R um anel, ρ uma relação de congruência definida em R, I E R e X µ R.
Mostre que:
a) X/ρ = X + I.
b) Se A v R, então A/ρ = A + I.
c) Se J E R, então J/ρ E R.
d) Se A v R, então A = A + I se, e só se, I µ A.
2.4.4) Sejam R um anel e I E R. Mostre que R/I é um anel.
2.4.5) Sejam R, R0 anéis e I E R. Mostre que:
a) A relação ν : R ! R/I é um morfismo sobrejectivo.
b) Se I µ Ker(f), então para todo o morfismo f : R ! R0 , existe um morfismo de
anéis g : R/I ! R0 tal que o seguinte diagrama
ν - R/I
R
f
¡
¡
¡
ª
?¡
¡
¡
¡
g
R0
é comutativo.
Mostre ainda que, nestas condições:
1) I = Ker(f ) se, e só se, g 2 Mono(R/I, R0 ).
2) g 2 Surj(R/I, R0 ) se, e só se, f 2 Surj(R, R0 ).
3) Coim(f ) »
= Im(f ).
2.4.6) Mostre que as únicas imagens epimórficas de Z são os anéis Zn := Z/(n).
2.4.7) Sejam R um anel e I E R. Mostre que:
a) se R é comutativo, então R/I comutativo.
b) se R tem identidade, então R/I tem identidade.
c) se R é domínio, então R/I não é necessariamente um domínio.
2.4.8) Sejam R um anel e I E R. Mostre que R/I é comutativo se, e só se, para todo o
a, b 2 R, ab ¡ ba 2 I.
2.4.9) Considere a relação f : Z12 ! Z4 , definida por f (a12 ) := a4 .
a) Mostre que f assim definida é uma aplicação.
b) Verifique que f é um morfismo de anéis.
16
¡ ¢
c) Verifique que Z12 / 412 »
= Z4 .
¡ ¢
d) Construa a tabela de Cayley para o anel Z12 / 412 .
2.4.10) Sejam R um anel e I, J E R tais que I µ J. Mostre que:
a) I E J.
b) J/I E A/I.
c) Será que todos os ideais de A/I são da forma J/I nas condições do enunciado?
2.4.11) (2.o teorema do isomorfismo) Sejam R um anel e I, J E R tais que I µ J. Seja
f : R/I ¡! R/J a relação definida por f (a + I) = a + J. Mostre que:
a) f é uma aplicação.
b) f é um morfismo de anéis.
c) Ker(f) = J/I.
d) f é sobrejectiva.
e) Conclua, usando o teorema do homomorfismo, que
17
R/I
J/I
»
= R/J.
2.5. Divisores de zero. Domínios
2.5.1) Considere o anel unitário½∙
(M2×2 (Z3¸) ; +, ¢, O2×2 , I2×2 ), com¾a soma e o produto usuais
a3 b3
de matrizes e, seja A :=
2 M2×2 (Z3 ) : c3 = 03 .
c3 d3
a) Verifique se M2×2 (Z3 ) é um domínio.
b) Mostre que A é um subanel de M2×2 (Z3 ) e verifique se A E M2×2 (Z3 ).
c) Determine a característica de M2×2 (Z3 ).
2.5.2) Verifique se as seguintes estruturas algébricas são domínios de integridade.
¢
¡
a) RR ; +, ¢, c0R .
Será que o subanel (C (R, R) ; +, ¢, c0R ) é um domínio de integridade?
b) R[a,b] .
³ £p ¤
´
c) Z 2 ; +, ¢, c0Z[√2] .
2.5.3) Considere o anel R2 onde estão definidas as operações binárias θ e θ0 definidas por:
(x, y)θ(z, t) := (x + z, y + t)
e
(x, y)θ 0 (z, t) := (xz + 4yt, xt + yz).
Averigúe se o anel tem divisores de zero.
2.5.4) Sejam R um anel e b 2 R6=0 um elemento idempotente. Mostre que b é um divisor de
zero esquerdo ou direito.
2.5.5) Indique um anel R e elementos a, b, c 2 R6=0 para os quais se tem ab = ac mas, não
obrigatoriamente, b = c.
2.5.6) Determine os divisores de zero dos seguintes conjuntos:
a) Z4 .
b) Z10 .
c) Z £ Z.
2.5.7) Mostre que um anel R 6= f0R g no qual se tem 8a 2 R6=0 , aR = R é um domínio.
2.5.8) Prove que um anel R 6= f0R g é um domínio se, e só se, qualquer um dos seus elementos
diferentes de zero é simplificável.
2.5.9) Prove que um anel R 6= f0R g é um domínio se, e só se, (R6=0 ; ¢) é um semigrupo.
2.5.10) Prove que se R 6= f0R g é um domínio, então é válida a lei do corte para o produto no
monóide multiplicativo (R6=0 ; ¢, 1R ).
2.5.11) Mostre que um anel R 6= f0R g é um domínio se, e só se, qualquer equação do tipo
ax = b ou xa = b, com a 6= 0R , admite quando muito uma solução.
½∙
¸
¾
a ¡ di c + bi
2.5.12) Considere o conjunto H :=
2 M2×2 (C) : a, b, c, d 2 R e as seguintes
¡c + bi a + di
matrizes:
∙
¸
∙
¸
∙
¸
∙
¸
1 0
0 i
0 1
¡i 0
I :=
J :=
K :=
L :=
0 1
i 0
¡1 0
0 i
e verifique que:
18
a) §I, §J, §K, §L 2 H.
b) J 2 = K 2 = L2 = ¡I.
c) JK = L.
d) KL = J.
e) LJ = K.
f) KJ = ¡L.
g) LK = ¡J.
h) JL = ¡K.
i) H = faI + bJ + cK + dL 2 M2×2 (C) : a, b, c, d 2 Rg.
j) H é fechado para a adição e multiplicação de matrizes.
Conclua que (H; +, ¢, O2×2 , I2×2 ) é um anel unitário.
k) 8A 2 H, det(A) 6= 0 () A 6= O2×2 .
l) H é um anel de divisão.
2.5.13) Sejam R um anel unitário comutativo e S um submonóide do seu monóide multiplicativo. Considere a seguinte relação » em R £ S definida por:
(a, s) » (b, s0 ) () 9t 2 S : t(s0 a ¡ sb) = 0R .
a) Mostre que » é uma relação de equivalência em R £ S.
b) Ao conjunto das classes de equivalência representa-se por:
R£S
:= RS := f[(a, s)] µ R £ S : (a, s) 2 R £ Sg .
»
Defina-se em RS as seguintes relações, onde cada classe [(a, s)] := as ,
a
b
(s0 a + sb)
+ 0 :=
s s
ss0
e
a b
ab
¢ 0 := 0 .
s s
ss
1) Mostre que estas relações são operações binárias em RS .
2) Mostre que RS é um anel unitário.
No caso particular de o anel unitário R ser um domínio de integridade, mais
propriamente, R := Z e S := R6=0 (ou seja, Rn f0R g é o monóide multiplicaZ×Z
tivo) define-se Q := ∼ 6=0 e neste caso a relação reveste um aspecto mais
simples, s0 a = sb.
3) Mostre que a relação ν S : R ! RS definida por ν S (a) := [(a, 1R )] é um
morfismo entre anéis unitários tal que para todo o s 2 S, ν S (s) é invertível.
4) Mostre que ν S é um monomorfismo se, e só se, nenhum elemento de S é
divisor de zero em R.
5) Mostre que se f : R ! R0 é um morfismo de anéis unitários tal que todo o
f (s) é elemento invertível então, existe um e um só morfismo g : RS ! R0 tal
que o seguinte diagrama
νS R
RS
¡
¡
¡
g
f
¡
¡
¡
ª
?¡
R0
19
é comutativo.
Ao par (RS , ν S ) chama-se localização de R em S.
2.5.14) Seja R um domínio.
a) Mostre que os únicos ideais de R são (0R ) e R.
b) Se R é um domínio de integridade e só tem os ideais (0R ) e R, então R é corpo.
c) Conclua que, R é um domínio de integridade se, e só se, R é corpo.
2.5.15) Seja (R; +, ¢, 0R , 1R ) um anel unitário comutativo. Prove que:
a) Se u 2 U(R), então u não é divisor de zero.
b) O produto de um divisor de zero por qualquer outro elemento de R ou é nulo ou
é um divisor de zero.
c) Se o produto de dois elementos de R é um divisor de zero, então algum dos factores
o é.
¡
¢
2.5.16) Mostre que se n 2 Nn f0, 1g não é primo, então Zn ; +, ¢, 0n não é domínio.
20
2.6. Anéis de divisão. Corpos
2.6.1) Mostre que um anel R é um anel de divisão se, e só se, para todo o a 2 R6=0 as equações
ax = b e ya = b são solúveis.
2.6.2) Mostre que todo o domínio finito (resp., domínio de integridade finito) é um anel de
divisão finito (resp., corpo finito).
2.6.3) Seja R um anel. Mostre que se para todo o a 2 R6=0 , aR = fag, então R é um anel de
divisão.
2.6.4) Mostre que um subconjunto A de um anel de divisão R é um subanel de divisão se, e
só se, tem-se que:
i) 0R 2 A;
ii) 8a, b 2 R : a, b 2 A ) a + (¡b) 2 A;
iii) 8a, b 2 R6=0 : a, b 2 A ) ab−1 2 A.
2.6.5) Sejam R um anel de divisão e a 2 U (R). Verifique se a relação f : R ! R definida por
f (x) := axa−1 é um automorfismo de anéis de divisão.
2.6.6) Mostre que se K é corpo, R é anel e f : K ! R é um morfismo de anéis, então ou f é
injectiva ou f = c0R .
2.6.7) Mostre que se p é primo, então Zp é um corpo.
21
2.7. Divisibilidade
2.7.1) Considere o anel (Z; +, ¢, 0). Prove que:
a) O único ideal que contém 2 e 3 é Z.
b) Prove, mais geralmente, que se m, n 2 Z e gcd (m, n) = 1, então o único ideal que
contém m e n é Z.
2.7.2) Considere o anel (Z; +, ¢) e a, b 2 Z. Mostre que:
(a) (a) + (b) = (gcd (a, b)) .
(b) (a) \ (b) = (lcm (a, b)) .
2.7.3) Sejam R um anel unitário comutativo e a, b 2 R. Mostre que:
a) (a) ¢ (b) = (a ¢ b).
b) (a) µ (b) se, e só se, existe um elemento r 2 R tal que a = rb.
c) Se R é domínio de integridade, (a) = (b) se, e só se, existe u 2 U (R) tal que
a = ub.
2.7.4) Sejam R um anel e I E R. Mostre que se n 2 N, então (n) é ideal primo de Z se, e só
se, n é um número primo.
2.7.5) Sejam R um anel unitário comutativo e I E R, onde I 6= R. Mostre que R/I é um
domínio de integridade se, e só se, I é um ideal primo.
2.7.6) Sejam R um anel e I E R. O ideal I diz-se um ideal maximal em R se I 6= R e não
existe nenhum ideal J, tal que I 6= J, I 6= R e I µ J µ R. Mostre que se R é um anel
unitário comutativo, R/I é um corpo se, e só se, I é um ideal maximal de R.
2.7.7) Sejam R um anel unitário comutativo e I um ideal maximal de A. Mostre que I é um
ideal primo.
2.7.8) Sejam R um anel, D um domínio de integridade e f : A ! D um morfismo de anéis
não nulo. Prove que Ker(f) é um ideal primo de R.
22
3. Anéis de polinómios
3.1. Polinómios numa indeterminada
3.1.1) Mostre que os polinómios constantes em Z[x] formam um subanel dele que não é ideal.
3.1.2) Mostre que:
a) Se R é um anel (resp., anel unitário), então R [x] é um anel (resp., anel unitário).
b) Se R é um anel comutativo, então R [x] é um anel comutativo.
3.1.3) Efectue cada uma das seguintes operações, em cada um dos anéis 1,2,3,4.
a)
b)
c)
d)
e)
(1 + 2x) + (2 ¡ x + 2x2 ).
(2x + x3 ) + (x + 2x4 ).
(1 + 2x) (2 ¡ x + 2x2 ).
(2x + x3 ) (x + 2x4 ).
3
(2x + x2 ) .
1) Z [x].
2) Z2 [x].
3) Z3 [x].
4) Z4 [x].
3.1.4) Determine todos os polinómios de grau 2 em:
a) Z2 [x].
b) Z3 [x].
3.1.5) Em Zn [x], e considerando m 2 N, determine:
a) Quantos polinómios existem de grau ∙ m?
b) Quantos polinómios existem de grau m?
c) Quantos polinómios mónicos existem de grau m?
3.1.6) Sejam R e S anéis. Mostre que:
a)
b)
c)
d)
Se I E R, então I[x] E R[x].
Se R »
= S, então R[x] »
= S[x].
char(R [x]) = char(R).
R é um domínio de integridade se, e só se, R [x] é um domínio de integridade.
3.1.7) Seja (R; +, ¢, 0R ) um anel unitário comutativo. Mostre que:
a) Se R é um domínio de integridade, então U (R) = U (R [x]).
b) Se R não é domínio de integridade, a igualdade anterior não se verifica necessariamente.
23
3.2. Divisibilidade de polinómios
3.2.1) Sejam p := ¡x4 + 3x2 + 2x + 1 e q := 2x2 + 3x + 2. Efectue, se possível, a divisão de
p por q, em cada um dos seguintes anéis:
(a) Z4 [x] .
(d) Z [x] .
(b) Z3 [x] .
(e) Q [x] .
(c) Z2 [x] .
(f) R [x] .
3.2.2) Determine as raízes de p := x4 ¡ 1 em cada um dos seguintes anéis:
(a) Z2 [x] .
(d) Z [x] .
(b) Z3 [x] .
(e) R [x] .
(c) Z8 [x] .
(f) C [x] .
3.2.1) Determine as raízes e respectivas multiplicidades dos polinómios p := x4 ¡ 16 e q :=
x8 ¡ 256 em cada um dos seguintes anéis:
(a) Z [x] .
(b) R [x] .
(c) C [x] .
3.2.2) Em Z [x], mostre que é possível efectuar a divisão do polinómio p := 4x2 + 2x ¡ 1 pelo
polinómio q := 2x + 1. Este facto contradiz o teorema demonstrado sobre a divisão de
polinómios?
3.2.3) Em Z9 [x] considere os polinómios p1 := 3x + 5 e p2 := 6x + 3.
a) Determine, caso exista, um polinómio q 2 Z9 [x], tal que deg(q) = 1 e p1 q = 1.
b) Determine, caso exista, um polinómio q 2 Z9 [x], tal que deg(q) = 1 e p2 q = 0.
3.2.4) Em Z8 [x] considere os polinómios p := x2 + 2x e q := x2 + 6x + 5. Determine as raízes
de p, q e q2 .
3.2.5) Mostre que p é divisível por x ¡ 1 em Z2 [x] se, e só se, p tem um número par de
coeficientes não nulos.
3.2.6) Determine qual a multiplicidade de ¡1, 1 e 0 como raízes do polinómio p := x6 ¡ x2
em:
(b) Z3 [x] .
(c) Z5 [x] .
(a) Z2 [x] .
(d) Z [x] .
(e) R [x] .
(f) C [x] .
3.2.7) Determine o número de raízes reais dos seguintes polinómios:
a) x3 ¡ 3x + 5.
b) x3 ¡ 3x2 + 2x ¡ 1.
c) x3 + 9x2 ¡ 1.
3.2.8) Determine, se existirem, as raízes racionais de:
a) 2x3 ¡ 3x + 4.
b) 2x4 ¡ 4x + 3.
c) 2x3 + 4x2 + 5x + 1.
d)
3 3
x
2
¡ 2x2 + x + 12 .
3.2.9) Determine para que elementos primos o polinómio x4 + x3 + x2 + x 2 Zp [x], com p
primo, admite a raiz 2.
24
3.2.10) Seja R um anel finito com k elementos. Determine, justificando, quantos polinómios
de grau menor ou igual a n em R [x] admitem a raiz zero.
3.2.11) Sejam R um domínio de integridade e p := x2 + bx + c 2 R [x].
a) Mostre que, se p tem raízes x1 e x2 , então ¡ (x1 + x2 ) = b e x1 x2 = c.
b) Encontre um resultado análogo ao da alínea anterior mas para um polinómio
mónico de grau 3.
3.2.12) Seja p := an xn + an−1 xn−1 + ¢ ¢ ¢ + a1 x + a0. 2 Z [x]. Mostre que p admite a raiz
com gcd (r, s) = 1 se, e só se, sx ¡ r divide p em Z [x].
r
s
2 Q,
3.2.13) Se R é um corpo e p, q 2 R [x], mostre que existe um único máximo divisor mónico
entre p e q.
3.2.14) Em R [x], considere os seguintes polinómios:
p = x4 ¡ 2x3 + 2x2 ¡ 2x + 1 e q (x) = x6 + 2x5 ¡ 2x4 ¡ 6x3 ¡ 7x2 ¡ 8x ¡ 4.
Determine um máximo divisor comum de p e q e escreva-o na forma ap + bq, onde
a, b 2 R [x].
3.2.15) Em Z2 [x], considere os polinómios p1 := x5 + 1 e p2 := x2 + 1. Determine o máximo
divisor comum de p1 e p2 e escreva-o na forma ap1 + bp2 , onde a, b 2 Z2 [x].
3.2.16) Em Z3 [x], considere os polinómios p1 := x2 ¡ x + 1 e p2 := x3 + 2x2 + 2. Determine
todos os máximos divisores comuns de p1 e p2 .
25
3.3. Irredutibilidade de polinómios
3.3.1) Sejam R e S anéis tais que R µ S e p 2 R [x]. Diga, justificando, se é verdadeira ou
falsa cada uma das afirmações:
a) Se deg (p) > 1 e p admite uma raiz em R, então p é factorizável em R.
b) Se p é factorizável em R, então p admite uma raiz em R.
c) Se deg (p) = 1, então p admite uma raiz em R.
d) Se R é um corpo e deg (p) = 1, então p admite uma raiz em R.
e) Se p é irredutível em R também é irredutível em S.
f) Se p é factorizável em R também é factorizável em S.
g) Se p é factorizável em S também é factorizável em R.
3.3.2) Prove que se deg (p) > 1 e p é irredutível em Z2 [x], então p tem termo independente
1 e um número ímpar de coeficientes não nulos.
3.3.3) Dê exemplos, se possível, de:
a) Um polinómio de grau 3, não factorizável, em R [x].
b) Um polinómio de grau 1, factorizável, em Z [x].
c) Um polinómio em R [x], não mónico, de grau 5, que admita como raízes reais
p
20
apenas os números 5, ¡17 e .
3
d) Um polinómio de grau 2, irredutível, em R [x].
e) Um polinómio de grau 2, irredutível, em C [x].
f) Um polinómio irredutível em R [x], mas redutível em C [x].
g) Um polinómio redutível em R [x], mas irredutível em C [x].
h) Um polinómio de grau 2 irredutível em Q [x], mas redutível em R [x].
3.3.4) Seja R um corpo e seja p 2 R [x] . Mostre que:
a) Se deg (p) = 2, p é factorizável se, e só se, p tem uma raiz em R.
b) Se deg (p) = 3, p é factorizável se, e só se, p tem uma raiz em R.
c) Verifique que se R não é corpo os resultados anteriores não são válidos.
3.3.5) Em Z2 [x], determine:
a) Todos os polinómios irredutíveis de grau 1.
b) Todos os polinómios irredutíveis de grau 2.
c) Todos os polinómios irredutíveis de grau 3.
d) Todos os polinómios irredutíveis de grau 4.
3.3.6) Em Z3 [x], determine:
a) Todos os polinómios irredutíveis de grau 1.
b) Todos os polinómios irredutíveis de grau 2.
26
3.3.7) Para p primo, quantos polinómios mónicos de grau 2, redutíveis, existem em Zp [x]?
3.3.8) Para p primo, quantos polinómios mónicos de grau 2, irredutíveis, existem em Zp [x]?
3.3.9) Determine em R [x] um polinómio p que satisfaça simultaneamente as seguintes condições
e apresente-o, justificando, na forma do produto de factores irredutíveis em R [x]:
a) O coeficiente director de p é 4.
b) deg (p) = 7.
p
c) 2 ¡ i 3 é raiz de p.
d) A equação p = 0 admite as raízes 0 e ¡π.
e) p é divisível por x3 ¡ 2x2 + 3x ¡ 6.
3.3.10) Em R [x], considere o polinómio p := x7 + 2x5 ¡ 8x3 . Decomponha-o em factores
irredutíveis em R, e indique as suas raízes reais e as respectivas multiplicidades.
3.3.11) Considere o polinómio p := x8 ¡ 256. Decomponha-o, justificando, em factores irredutíveis em:
a) C [x].
b) R [x].
3.3.12) Diga, justificando, se é verdadeira ou falsa cada uma das seguintes afirmações:
a) A divisão de polinómios é sempre possível em Z23 [x] .
b) O polinómio x2 + x + 1 divide x6 ¡ 1.
c) (x2 + 1) (x2 + 2) é irredutível em R.
d) O produto dos polinómios x4 e x6 em Z7 [x] é x3 .
e) x3 ¡ 12x ¡ 6 tem apenas uma raiz real.
3.3.13) Se possível, dê exemplos de:
a) Um polinómio sem raízes em R, factorizável em Z.
b) Dois polinómios p e q em R [x] distintos, irredutíveis, tais que pjq.
c) Um elemento m 2 N para o qual o polinómio x4 + x3 + x2 + x 2 Zm [x] admita
como divisores x ¡ 2 e x ¡ 1.
d) Um polinómio mónico associado de 2x5 ¡ 3x2 + 1 em Z7 [x].
e) Dois polinómios distintos, associados em Z8 [x].
3.3.14) Diga quais dos seguintes polinómios são primitivos:
a) p1 := x5 ¡ 10x4 + 40x3 ¡ 80x2 + 80x ¡ 32.
b) p2 := 14x24 ¡ 10x23 + 40x21 ¡ 80x18 + 80x16 ¡ 32x10 + 40x8 ¡ 80x7 + 80x ¡ 32.
c) p3 :=
14 24
x ¡ 10
x23
23
7
10
8
+
32 21
x
5
6
¡ 80x18 + 80x16 ¡ 32x10 + 40x8 ¡ 80x7 + 80x ¡ 32.
d) p4 := 48x ¡ 45x + 81x ¡ 63x4 + 213x2 ¡ 51.
3.3.15) Em Z [x], se possível dê exemplos de:
27
a) Um polinómio primitivo e redutível.
1
e 0.
3
c) Um polinómio de grau 6 que admita a raiz ¡1 com multiplicidade 3, a raiz 4 com
multiplicidade 2 e que seja múltiplo de x2 + 3x + 2.
b) de um polinómio mónico, que admita como raízes os números 2, ¡
3.3.16) Em Q [x], se possível dê exemplos de:
a) Um polinómio de grau 5, irredutível e com coeficiente director 7.
b) (meter mais uma).
3.3.17) Em R [x], se possível dê exemplos de:
a) Um polinómio de grau 5 redutível, que admita só duas raízes reais.
b) (meter mais uma).
3.3.18) Seja p := 72 x3 + 73 x2 +
14
x
3
+ 7 2 Q [x].
a) Determine um polinómio primitivo q em Z [x] associado a p.
b) Mostre que q é irredutível em Z [x] e em Q [x].
3.3.19) Considere o polinómio p := 4x3 + 4x ¡ x ¡ 2.
a) Diga, justificando, se é verdadeira ou falsa cada uma das seguintes afirmações:
(i) p é primitivo. (ii) p é redutível em Q. (iii) p é irredutível em Z.
b) Decomponha p em factores irredutíveis em R.
3.3.20) Mostre que são irredutíveis em Z [x]:
a) x4 + x + 1.
b) x4 + 3x + 5.
c) 3x4 + 2x3 + 4x2 + 5x + 1.
d) x5 + 5x2 + 4x + 7.
e) 15x5 ¡ 2x4 + 15x2 ¡ 2x + 15.
3.3.21) Diga, justificando, se é verdadeira ou falsa cada uma das afirmações:
a) Um polinómio primitivo em Z [x] é irredutível em Q [x].
b) Qualquer polinómio em Z [x] de grau positivo, que seja irredutível, é primitivo.
c) Um polinómio em Z [x] que não admita raízes racionais é irredutível em Q [x].
d) Um polinómio em Z [x] que admita raízes racionais é redutível em Q [x].
e) Um polinómio em Z [x] que admita raízes complexas é redutível em Q [x].
f) Um polinómio em Z [x] que admita uma raiz complexa a + bi 2 Q [i] é redutível
em Q [x].
3.3.22) Diga, justificando, se é verdadeira ou falsa cada uma das afirmações:
a) Seja R um anel unitário comutativo. Então:
28
i) Se p é um polinómio irredutível em R [x], então para todo o q 2 R [x], pq
também é irredutível em R [x].
ii) Se p é um polinómio redutível em R [x], então para todo o q 2 R [x], pq
também é redutível em R [x].
iii) Se p é um polinómio irredutível em R [x], então existe um polinómio q 2 R [x]
tal que pq ainda é irredutível em R [x].
b) Seja q := an xn + an−1 xn−1 + ¢ ¢ ¢ + a1 x + a0 2 Z [x] e p um primo que não divide
an . Então:
i) Se q é redutível em Q [x], então f(p) é redutível em Zp [x].
ii) Se q(p) é redutível em Zp [x], então q é redutível em Q [x].
iii) Se q é irredutível em Q [x], então q(p) é irredutível em Zp [x].
c) Um polinómio p 2 Z [x], no qual o coeficiente director é ímpar e para o qual, em
Z2 [x], p(2) = x2 + x + 1, é irredutível em Q.
3.3.23) Em Q [x], verifique se os seguintes polinómios são irredutíveis:
(a) 3x5 ¡ 4x4 + 2x3 + x2 + 18x + 31.
(c) x3 + 2x + 10.
(e) x5 ¡ 21x3 + 49x2 + 7x ¡ 14.
(g) 43 x4 ¡ 10x3 + 59 x2 + 15
x + 12 .
2
(b) x5 + 4x4 + 2x3 + 3x2 ¡ x + 5.
(d) x3 ¡ 2x2 + x + 15.
(f) 16 x3 ¡ 23 x2 + x + 12 .
(h) x4 + 2x3 ¡ 6x + 2.
3.3.24) Considere, em Z [x] o polinómio p := x7 + 2x5 ¡ 8x3 .
a) Decomponha-o em factores irredutíveis em R, e indique as suas raízes reais e as
respectivas multiplicidades.
b) Determine, em Z [x], gcd (p, x5 + 4x3 ).
3.3.25) Se possível, dê exemplos de:
a) Um polinómio redutível, em Z2 [x], que seja máximo divisor comum de dois
polinómios de graus 4 e 5.
b) Um polinómio p, de grau 5, mónico, irredutível em Z [x] e tal que p(3) que redutível
em Z3 [x].
c) Um inteiro m para o qual o polinómio x4 + x3 + x2 + x 2 Zm [x] admita como
divisores x ¡ 2 e x ¡ 1.
1
d) Em Z [x], um polinómio mónico que admita como raízes os números ¡1, e 3.
5
e) Dois polinómios distintos, de grau 2 e irredutíveis em Z2 [x].
3.3.26) Seja p := x7 + 2x6 ¡ 2x5 ¡ 4x4 + 6x3 ¡ 9x2 + 9x ¡ 3.
a) Mostre que p é divisível por x ¡ 1 em Q [x] e por x ¡ i em C [x].
b) Decomponha, justificando, p em factores irredutíveis em Q [x] e diga se essa decomposição em factores irredutíveis é também válida em R [x].
3.3.27) Considere o polinómio p := (x8 ¡ 9) (x4 ¡ 8x2 + 16).
a) Decomponha-o, justificando, em factores irredutíveis em:
1) (i) Z [x].
(ii) R [x].
b) Indique as suas raízes racionais, indicando as respectivas multiplicidades.
c) Determine, em Z [x], o conjunto gcd (p, x ¡ 7).
29
4. Módulos
4.1. Módulos e submódulos
4.1.1) Mostre que R é um anel unitário se, e só se, tem-se que:
a)
RR
é um R-módulo.
b) RR é um módulo-R.
c)
R RR
é um R-módulo-R.
4.1.2) Mostre que se R é um anel unitário comutativo, então todo o R-módulo (resp., móduloR) é um módulo-R (resp., R-módulo).
4.1.3) Sejam R, S anéis unitários, S v R e R M um R-módulo. Mostre que S M um S-módulo.
4.1.4) Sejam K um corpo (fixo) e V um espaço vectorial sobre K. Mostre que:
a) Todo o espaço vectorial V sobre o corpo K é um K-módulo.
Conclua que é um K-módulo-K.
b) Qualquer corpo K é um K-módulo.
Conclua que Q, R e C são módulos sobre, respectivamente, Q, R e C.
4.1.5) Sejam R M um R-módulo e A um conjunto qualquer. Mostre que:
a) M A é um R-módulo para a operação de adição de funções e operação binária
externa definidas, para todo o x 2 A e α 2 R, por:
(f + g)(x) := f(x) + g(x)
e
(αf )(x) := α(f (x)).
b) Se A := M , então M M é um R-módulo.
c) End(M ) é um R-submódulo do módulo M M .
d) Em particular, o conjunto de todas as funções reais de variável real, i.e., RR é um
R-módulo. Estude ainda como caso particular o conjunto R[a,b] .
4.1.6) Sejam M1 , M2 , . . . , Mn , R-módulos. Considere o produto cartesiano M1 £M2 £¢ ¢ ¢£Mn
munido das seguintes operações para todo o (x1 , x2 , . . . , xn ), (y1 , y2 , . . . , yn ) elementos
de M1 £ M2 £ ¢ ¢ ¢ £ Mn e α 2 R:
(x1 , x2 , . . . , xn ) + (y1 , y2 , . . . , yn ) := (x1 + y1 , x2 + y2 , . . . , xn + yn )
α(x1 , x2 , . . . , xn ) := (αx1 , αx2 , . . . , αxn).
a) Prove que estas operações conferem ao conjunto M1 £M2 £¢ ¢ ¢£Mn uma estrutura
de R-módulo.
n
z
}|
{
n
b) Utilize a alínea anterior, para provar que M :=M £ M £ ¢ ¢ ¢ £ M é um Rmódulo.
30
4.1.7) Verifique se cada um dos seguintes conjuntos de polinómios numa indeterminada e
com coeficientes reais é um R-módulo em relação às operações ordinárias de adição de
polinómios e multiplicação de um polinómio por um elemento de R:
a) Conjunto dos polinómios de grau menor ou igual a n, i.e., Rn [x].
b) Conjunto dos polinómios de grau n (n fixo).
4.1.8) Seja R um anel unitário. Mostre que:
a) Mm×n (R) é um R-módulo, se considerarmos a soma e a operação binária externa
definidas por:
[aij ] + [bij ] := [aij + bij ]
e
α [aij ] := [αaij ] .
b) Mm×n (R) é um módulo-R, se considerarmos a soma e a operação binária externa
definidas por:
[aij ] + [bij ] := [aij + bij ]
e
[aij ] α := [aij α] .
Conclua que, Mm×n (R) é um R-módulo-R, para as operações acima introduzidas.
c) Mm×n (Rop ) é um R-módulo, onde Rop é o anel oposto do anel R.
4.1.9) Em Rn , defina-se as operações:
a + b := a ¡ b e α ¢ a := ¡αa
com a, b 2 Rn e α 2 R.
Quais dos axiomas da definição de R-módulo são satisfeitos por R Rn para a operação
binária + e a operação binária externa ¢ sobre Rn ?
4.1.10) Considere o conjunto R>0 dos números reais positivos e as operações:
¢ : R>0 £ R>0 ! R>0 e ¡ : R £ R>0 ! R>0
definidas, respectivamente, por:
(a, b) 7! a ¢ b := a ¢ b (produto usual) e (α, a) 7! α ¡ a := aα (potência usual).
a) Mostre que R>0 para as operações ¢ e ¡ é um R-módulo.
b) Verifique se R com as operações ¢0 e ¡0 (operações análogas às anteriores mas de
domínio R £ R e codomínio R), é R-módulo? Justifique.
4.1.11) Considere os R-módulos R M , R M 0 e as operações binária e binária externa definidas
em M £ M 0 por:
(a, b) + (c, d) := (a + c, b + d)
e α (a, b) := (αa, 0M 0 ) .
Verifique quais dos axiomas da definição de R-módulo são satisfeitos.
4.1.12) Sejam R M um R-módulo, x, y, z 2 R M e α, β 2 R. Prove que:
a) 0R x = 0M .
c) (¡α)x = α(¡x) = ¡αx.
e) α(x ¡ y) = αx ¡ αy.
g) se α 2 U(R) e αx = 0M ) x = 0M .
31
b) α0M = 0M .
d) (α ¡ β)x = αx ¡ βx.
f) ¡(¡x) = x.
h) x + y = z + y ) x = z.
4.1.13) Sejam R M um R-módulo e A µ M . Mostre que R A é um R-submódulo se, e só se,
verifica o seguinte:
i) 0M 2 A;
ii) 8x, y 2 M : x, y 2 A ) x + y 2 A;
iii) 8α 2 R 8x 2 M : x 2 A ) αx 2 A.
4.1.14) Sejam R M um R-módulo e A µ M . Mostre que R A é um R-submódulo se, e só se,
verifica o seguinte:
i) 0M 2 A;
ii) 8α, β 2 R 8x, y 2 M : x, y 2 A ) αx + βy 2 A.
4.1.15) Dos seguintes subconjuntos, determine quais são submódulos do respectivo módulo:
©
ª
a) A := f 2 R[a,b] : f(x) = c, c 2 R (fixo) .
©
ª
b) B := p 2 R[a,b] : p(x) = a0 + a1 x + ¢ ¢ ¢ + an xn , com ai 2 R (fixos) .
©
ª
c) C := f 2 R[0,1] : f (x) = f(1 ¡ x) .
©
ª
d) D := f 2 R[0,1] : f (0) = f(1) = 0 .
ª
©
e) E := f 2 R[0,1] : f (0) + f (1) = 0 .
ª
©
f) F := f 2 RR : f(¡x) = ¡f (x) .
ª
©
g) G := f 2 RR : f (¡x) = f(x) .
ª
©
h) H := f 2 RR : f (x) ¸ 0 .
ª
©
i) I := f 2 RR : f é limitada em R .
ª
©
j) J := f 2 R[a,b] : f é integrável à Riemann em [a, b] .
©
ª
k) K := f 2 R[a,b] : f é contínua em [a, b] .
4.1.16) Sejam R M um R-módulo e A, B, C v M . Se C µ A, então tem-se que:
A \ (B + C) = (A \ B) + C.
Obteria o mesmo resultado se C " A?
32
4.2. Submódulo gerado por um conjunto. Módulos livres
4.2.1) Sejam R M um R-módulo, A, B µ R M, F, G v R M e α 2 R. Então, tem-se que:
a) F \ G v R M .
b) F [ G v R M , F µ G _ G µ F .
c) F + G v R M .
d) αF v R M .
e)
R
hAi + R hBi = R hA [ Bi.
4.2.2) Sejam R M um R-módulo e A µ M . Mostre que:
( n
)
X
αi xi 2 M : αi 2 R ^ xi 2 M ^ n 2 N6=0 .
R hAi =
i=1
4.2.3) Sejam R M um R-módulo e A, B µ M. Mostre que:
a) Se A µ B, então hAi µ hBi.
b) hhAii = hAi.
4.2.4) Seja M um R-módulo. Mostre que se (xi )i∈J é uma subfamília de (xi )i∈I , então
hfxi 2 M : i 2 Jgi µ hfxi 2 M : i 2 Igi .
4.2.5) Mostre que todo o anel unitário R é um módulo R R com base.
4.2.6) Mostre que IR é um IR-módulo com base.
4.2.7) Sejam R e R0 anéis unitários. Mostre que:
a) R £ R0 é um
R×R0 R
b) R £ f0R0 g é um
£ R0 módulo com base.
R×R0 R
£ f0R0 g submódulo do módulo
c) o submódulo R £ f0R0 g não tem base.
33
R×R0 R
£ R0 .
4.3. Morfismos de módulos
4.3.1) Sejam R M e R M 0 R-módulos.
a) Indique qual(is) dos axiomas da definição de R-módulo não é (são) satisfeito(s)
de modo que Hom(R M, R M 0 ) seja um R-módulo.
b) Indique condições que o anel unitário R deve satisfazer, para que Hom(R M, R M 0 )
seja um R-módulo.
4.3.2) Sejam R, S e T anéis unitários (fixos). Mostre que:
a) Hom(MS , R NS )S é um R-módulo.
b) HomR (R M, R NS ) é um módulo-S.
c) HomR (R MS , R N) é um S-módulo, se definirmos (βf )(x) := f(xβ).
d) Hom(R MS , NS )S é um módulo-R, se definirmos (fα)(x) := f(αx).
e) HomR (R MS , R NT ) é um S-módulo-T .
f) Hom(R MS , T NS )S é um T -módulo-R.
4.3.3) Sejam R M , R N e R P R-módulos. Mostre que:
a) se f 2 Hom(M, N ) e g 2 Hom(N, P ), então g ± f 2 Hom(M, P ).
b) para todo f, g 2 Hom(M, N ), todo o h, k 2 Hom(N, P ) e todo o α 2 R tem-se
que:
1) h ± (f + g) = (h ± f) + (h ± g).
2) (h + k) ± f = (h ± f ) + (k ± f ).
3) α(h ± f) = (αh) ± f = h ± (αf ).
4.3.4) Seja MR é um módulo-R. Mostre que:
a) Se f é um anti-automorfismo, então MR é um R-módulo, se para todo o α 2 R,
αx := xf (α).
b) Se f 2 Aut(R) será que se pode concluir que MR é um R-módulo? Indique
condições que R deva satisfazer para que MR seja um R-módulo.
4.3.5) Seja R um anel unitário (fixo). Mostre que:
a) o dual de um módulo-R, i.e., MR∗ := Hom(MR , R RR )R é um R-módulo.
b) o dual de um R-módulo, i.e., R M ∗ := HomR (R M, R RR ) é um módulo-R.
c) Conclua que, se R é um anel unitário comutativo, então MR∗ e R M ∗ são R-módulosR.
4.3.6) Seja MR um módulo-R, então mostre que
End(M) M
é um End(M )-módulo.
4.3.7) Sejam R um anel unitário e M um grupo comutativo. Mostre que o morfismo
ρ : R ! End(M ) define uma estrutura de R-módulo em M se definirmos αx := ρα (x)
e vice-versa, ou seja, se R M é um R-módulo, então ρ : R ! End(R M ) é uma representação, i.e., um morfismo de anéis.
4.3.8) Seja R M um R-módulo, então mostre que Hom(R R,R M) »
=Z- Mod R M através da aplicação f : Hom(R R,R M ) ! R M definida por f (g) := g(1R ).
34
4.3.9) Sejam R um anel unitário comutativo, R M um R-módulo e A µ End(R M ) um subanel
(unitário). Mostre que M é um A-módulo, se definirmos a operação binária externa
por (f, x) 7! f (x).
4.3.10) Sejam R um anel unitário, R M um R-módulo e f 2 End(M ). Mostre que:
a) g : R[t] ! End(M ) é um morfismo de anéis, dado por t 7! f e para todo o
polinómio constante a 2 R[x], a 7! a idM .
b) R[f] é um subanel (unitário) de End(M ), admitindo que se p := a0 + a1 t + ¢ ¢ ¢ +
an tn 2 R[t], então pf := a0 idM +a1 f + ¢ ¢ ¢ + an f n .
c) g : R[t] ! R[f ], definido por pt 7! pf é um morfismo.
d) M é um R[f]-módulo, se definirmos a operação binária externa por:
(pf , x) 7! pf x := pf (x).
e) M é um R[t]-módulo se definirmos a operação binária externa para todo o x 2 M ,
por pt x 7! pf x.
35
4.4. Módulos quociente. Teoremas de Isomorfismo
4.4.1) Sejam R um anel unitário, R M um módulo cíclico gerado por x (i.e., R M = R hxi = Rx)
e a relação ρx : R ! Rx definida por ρx (α) := αx. Mostre que:
a) ρx é um epimorfismo de módulos.
b) s : R !
c)
R
Ker(ρx )
R
Ker(ρx )
é um epimorfismo de módulos.
»
= Rx.
d) Define-se o anulador do elemento x de R M por Ann(x) := Ker(ρx ) e tem-se o
R
isomorfismo Rx »
. Mais geralmente, define-se
= Ann(x)
Ann(R M ) := Ker(ρ) = fα 2 R : αM = OM g ,
sendo ρ : R ! R M definido por ρ(x) := αx.
e) Se F é um corpo e M um F-módulo cíclico não-nulo, então F M »
= F.
4.4.2) Sejam R M,R M 0 ,R N,R N 0 R-módulos, f : R M !
0
0
R M £ R N ! R M £ R N morfismos. Mostre que:
RM
0
, g :
RN
!
a) f £ g é um morfismo.
b) Ker(f £ g) = Ker(f) £ Ker(g).
c) Im(f £ g) = Im(f ) £ Im(g).
d) f £ g é um monomorfismo se, e só se, f e g são monomorfismos.
e) f £ g é um epimorfismo se, e só se, f e g são epimorfismos.
f) f £ g é um bimorfismo se, e só se, f e g são bimorfismos.
g) f £ g é um isomorfismos se, e só se, f e g são isomorfismos.
h) R M×R N »
= RM £ RN .
Ker(f ×g)
Ker(f )
Ker(g)
4.4.3) Sejam R um domínio e x 2 R6=0 . Mostre que:
a) existe uma cadeia descendente
¢ ¢ ¢ µ Rxn+1 µ Rxn µ ¢ ¢ ¢ µ Rx2 µ Rx µ R
de submódulos do módulo R R.
b) para cada n 2 N se tem
R » Rxn
.
=
Rx
Rxn+1
36
RN
0
e f £g :
Bibliografia
[1] A. Monteiro e I. Matos. Álgebra - Um primeiro curso. Livraria Escolar Editora, 1995.
[2] J. Durbin. Modern Algebra, An Introduction. John Wiley, 1992.
[3] W. Adkins and S. Weintraub. Algebra, An Approach via Module Theory. SpringerVerlag, 1992.
[4] S. Lang. Undergraduate Algebra. Springer-Verlag, 1990.
[5] N. Jacobson. Basic Algebra I. W. H. Freeman, 1985.
[6] M. Sobral. Álgebra. Universidade Aberta, 1996.
[7] P. Cameron. Introduction to Algebra. Oxford University Press, 1998.
[8] T. Hungerford. Algebra. Springer-Verlag, 1974.
[9] C. Gardiner. Algebraic Structures. Ellis Horwood, 1986.
[10] A. Kostrikin. Exercises in Algebra: A collection of exercises in Algebra, Linear Algebra
and Geometry. Gordon and Breach Publishers, 1996.
[11] F. Ayres. Álgebra Moderna (Colecção Schaum). McGraw-Hill, 1965.
37