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Anéis Zm, Notas de estudo de Matemática

Ajuda para entender anéis zm

Tipologia: Notas de estudo

Antes de 2010

Compartilhado em 28/11/2009

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diana-rocha-2 🇧🇷

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Cap´ıtulo 1
Notas sobre os an´eis Zm
Estas notas complementam o texto principal, no que diz respeito ao estudo
que a´ı se faz dos grupos e an´eis Zm. Referem algumas propriedades mais
espec´ıficas dos suban´eis de Zm, e estabelecem resultados preliminares sobre
homomorfismos e isomorfismos definidos nestas estruturas.
1.1 Subgrupos e Suban´eis de Zm
No contexto de um dado anel A, ´e em geral indispens´avel distinguir cuida-
dosamente os seus subgrupos, os seus suban´eis, e os seus ideais.
Exemplo 1.1.1.
No anel Z[i] dos inteiros de Gauss, note-se que
os imagin´arios puros formam um subgrupo que ao ´e subanel, e
os inteiros usuais formam um subanel que ao ´e um ideal.
Tal ao ´e o caso nos an´eis Zme em Z, onde qualquer subgrupo ´e um subanel,
e qualquer subanel ´e um ideal. No que se segue, e quando no contexto de
um destes an´eis (Zmou Z), usaremos sobretudo o termo subanel, mas esta
op¸ao ´e essencialmente arbitr´aria. Recordamos que Zmtem precisamente
um subanel com nelementos, para cada um dos divisores nde m. Em
particular, o umero de suban´eis de Zm´e o umero de divisores naturais
de m, que ´e muito acil de calcular sabendo a factoriza¸ao prima de m. O
subanel de Zmcom nelementos ´e gerado pela classe d, onde d=m/n, e
portanto ´e formado pelas classes da forma dk, e designado por < d >.
Exemplo 1.1.2.
Z40 tem 8 suban´eis (subgrupos, ideais), porque 40 = 2351tem (3 + 1)(1 + 1)
divisores naturais. O seu ´unico subanel com 4 elementos ´e gerado por 10,
porque 10 = 40/4. Temos neste caso <10 >={10,20,30,0}.
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Cap´ıtulo 1

Notas sobre os an´eis Zm

Estas notas complementam o texto principal, no que diz respeito ao estudo

que a´ı se faz dos grupos e an´eis Zm. Referem algumas propriedades mais

espec´ıficas dos suban´eis de Zm, e estabelecem resultados preliminares sobre

homomorfismos e isomorfismos definidos nestas estruturas.

1.1 Subgrupos e Suban´eis de Zm

No contexto de um dado anel A, ´e em geral indispens´avel distinguir cuida-

dosamente os seus subgrupos, os seus suban´eis, e os seus ideais.

Exemplo 1.1.1.

No anel Z[i] dos inteiros de Gauss, note-se que

  • os imagin´arios puros formam um subgrupo que n˜ao ´e subanel, e
  • os inteiros usuais formam um subanel que n˜ao ´e um ideal.

Tal n˜ao ´e o caso nos an´eis Zm e em Z, onde qualquer subgrupo ´e um subanel,

e qualquer subanel ´e um ideal. No que se segue, e quando no contexto de

um destes an´eis (Zm ou Z), usaremos sobretudo o termo subanel, mas esta

op¸c˜ao ´e essencialmente arbitr´aria. Recordamos que Zm tem precisamente

um subanel com n elementos, para cada um dos divisores n de m. Em

particular, o n´umero de suban´eis de Zm ´e o n´umero de divisores naturais

de m, que ´e muito f´acil de calcular sabendo a factoriza¸c˜ao prima de m. O

subanel de Zm com n elementos ´e gerado pela classe d, onde d = m/n, e

portanto ´e formado pelas classes da forma dk, e designado por < d >.

Exemplo 1.1.2.

Z 40 tem 8 suban´eis (subgrupos, ideais), porque 40 = 2^351 tem (3 + 1)(1 + 1) divisores naturais. O seu ´unico subanel com 4 elementos ´e gerado por 10, porque 10 = 40/4. Temos neste caso < 10 >= { 10 , 20 , 30 , 0 }.

2 CAP´ITULO 1. NOTAS SOBRE OS AN EIS´ ZM

Quando m ´e claro do contexto, designamos por Bn o subanel de Zm com

n elementos. Algumas das quest˜oes sobre Bn que desejamos esclarecer s˜ao:

  • Quais s˜ao os geradores de Bn?
  • Quando ´e que Bn ´e unit´ario?
  • Sendo Bn unit´ario, qual ´e a sua identidade?

Exemplo 1.1.3.

E f´^ ´ acil ver que em Z 36 temos B 3 =< 12 >=< 24 >, e portanto 24 ´e igualmente gerador de B 3. O subanel B 3 n˜ao ´e unit´ario, e na verdade o produto de quaisquer dois dos seus elementos ´e sempre nulo (12x × 12 y = 144xy = 0).

1.1.1 Geradores dos Suban´eis de Zm

Recorde-se do texto principal que no anel Zm, onde m = nd,

< a >=< d >= Bn se e s´o se d = mdc(a, m), i.e.,

Teorema 1.1.4. Os geradores de Bn ⊆ Zm, onde m = nd, s˜ao as classes

dos inteiros a que satisfazem mdc(a, m) = d.

Como a = dx e mdc(a, m) = mdc(dx, dn) = d, temos mdc(x, n) = 1. A

contagem e c´alculo dos geradores a reduz-se assim `a contagem e c´alculo dos

naturais 0 < x < n primos relativamente a n, que s˜ao em n´umero de ϕ(n),

onde ϕ ´e a cl´assica fun¸c˜ao de Euler. Notamos que Bn tem tantos geradores

quantos os geradores de Zn, e ´e igualmente f´acil de verificar que os restantes

elementos n˜ao-nulos de Bn s˜ao divisores de zero.

Exemplos 1.1.5.

  1. Consideramos primeiro o caso de B 12 em Z 36 :
    • B 12 =< 3 >, porque 36 = 3 × 12.
    • Os geradores de B 12 s˜ao da forma a = 3x, com mdc(3x, 36) = 3, donde mdc(x, 12) = 1.
    • Os valores relevantes para x s˜ao 1, 5, 7 e 11, e portanto os geradores de B 12 s˜ao as classes 3, 15, 21 e 33.
  2. No caso do subanel B 9 do mesmo anel Z 36 temos:
    • B 9 =< 4 >, porque 36 = 4 × 9.
    • Os geradores de B 9 s˜ao da forma a = 4x, com mdc(x, 9) = 1.
    • Os valores poss´ıveis para x s˜ao 1, 2, 4, 5, 7 e 8, e portanto os geradores de B 9 s˜ao as classes 4, 8, 16, 20, 28 e 32.

4 CAP´ITULO 1. NOTAS SOBRE OS AN EIS´ ZM

  • Supomos agora que mdc(n, d) = 1, e recordamos que o Teorema Chinˆes

do Resto garante a existˆencia de uma solu¸c˜ao i para o sistema (1.1.7.1),

que ´e ali´as ´unica (mod m). Para mostrar que i ´e a identidade de Bn,

notamos que

(1) i satisfaz a equa¸c˜ao i^2 = i, porque, como d|i e n|(i − 1), ´e claro

que m|i(i − 1) = i^2 − i, ou seja, i^2 ≡ i (mod m).

(2) i ´e um gerador de Bn, porque como i ≡ 1 (mod n) ent˜ao mdc(x, n) =

1, donde mdc(i, m) = mdc(dx, dn) = d.

(3) De acordo com (2) qualquer elemento b ∈ Bn ´e da forma b = ik, e

de acordo com (1) temos b×i = ik×i = i^2 k = ik = b. Conclu´ımos

assim que i ´e efectivamente a identidade de Bn.

Corol´ario 1.1.8. As identidades dos suban´eis unit´arios de Zm s˜ao as solu¸c˜oes

da equa¸c˜ao x^2 = x em Zm.

Demonstra¸c˜ao. Vimos na demonstra¸c˜ao do teorema anterior que a identi-

dade de Bn ´e solu¸c˜ao da equa¸c˜ao x^2 = x em Zm. Resta-nos por isso mostrar

que qualquer solu¸c˜ao da equa¸c˜ao x^2 = x em Zm ´e identidade de algum

subanel de Zm. Supomos para isso que i^2 = i em Zm, ou seja,

i(i − 1) = 0, ou ainda, i(i − 1) ≡ 0 (mod m).

Sendo d = mdc(i, m), ´e ´obvio que i ≡ 0 (mod d). Escrevemos m = dn e

i = dx, e notamos que

i(i − 1) ≡ 0 (mod m) ⇔ x(i − 1) ≡ 0 (mod n).

Como mdc(x, n) = 1, segue-se que i− 1 ≡ 0 (mod n), e conclu´ımos que i ≡ 0

(mod d) e i ≡ 1 (mod n). Em particular, e de acordo com a demonstra¸c˜ao

anterior, temos mdc(n, d) = 1 e Bn ´e um anel unit´ario com identidade i.

Exemplos 1.1.9.

  1. Os suban´eis triviais de Zm, ou seja, { 0 } e Zm, s˜ao unit´arios, e correspondem `as decomposi¸c˜oes d = m, n = 1, e d = 1, n = m.
  2. O anel Zm tem suban´eis n˜ao-triviais unit´arios se e s´o se m tem mais do que um divisor primo. E f´´ acil ver que se m tem n divisores primos distintos ent˜ao Zm tem 2n^ suban´eis unit´arios, incluindo os suban´eis triviais.
  3. 4 dos 9 suban´eis de Z 36 s˜ao unit´arios. Os suban´eis unit´arios n˜ao triviais s˜ao B 4 e B 9.

1.2. HOMOMORFISMOS DEFINIDOS EM ZM 5

  • A identidade de B 9 calcula-se resolvendo o sistema { i ≡ 0 (mod 4) i ≡ 1 (mod 9)

1 + 9x ≡ 0 (mod 4) i = 1 + 9x

x ≡ 3 (mod 4) i = 1 + 9x

x = 3 + 4y i = 1 + 9(3 + 4y) ⇔ i ≡ 28 (mod 36)

  • A A identidade de B 4 calcula-se resolvendo o sistema { i ≡ 0 (mod 9) i ≡ 1 (mod 4)

i = 9x 9 x ≡ 1 (mod 4)

i = 9x x ≡ 1 (mod 4)

i = 9(1 + 4y) x = 1 + 4y ⇔ i ≡ 9 (mod 36)

  1. Se m = nd e mdc(n, d) = 1 ent˜ao as identidades in de Bn e id de Bd satisfazem in + id = 1 e in × id = 0 (porquˆe?). Em particular, x^2 − x = (x − in)(x − id) no anel Zm[x]. Continuando o exemplo anterior, temos em Z 36 que x^2 − x = (x − 9)(x − 28).

1.2 Homomorfismos definidos em Zm

Supomos aqui que A ´e um qualquer grupo (resp., anel). Propomo-nos deter-

minar os homomorfismos de grupo (resp., de anel) φ : Zm → A. Come¸camos

por estudar o problema mais simples dos

1.2.1 Homomorfismos definidos em Z

Supondo que G ´e um grupo, ´e muito f´acil verificar que

Teorema 1.2.1. Para qualquer elemento a ∈ G existe um ´unico homomor-

fismo ψ : Z → G tal que ψ(1) = a ∈ G.(^1 ).

Demonstra¸c˜ao. Usando nota¸c˜ao multiplicativa para o grupo G, temos que

se ψ ´e um homomorfismo e ψ(1) = a ∈ G ent˜ao

  • ψ(n) = an^ para qualquer n ∈ N (por indu¸c˜ao)
  • ψ(0) = 1 = a^0 , e
  • ψ(−n) = ψ(n)−^1 = a−n^ para qualquer n ∈ N.

Conclu´ımos assim que ψ(n) = an^ para qualquer n ∈ Z. Como esta fun¸c˜ao

´e um homomorfismo de grupos, existe um ´unico homomorfismo que satisfaz

a condi¸c˜ao ψ(1) = a.

(^1) ´E por esta raz˜ao que Z ´e o chamado grupo livre no conjunto X com um elemento.

1.2. HOMOMORFISMOS DEFINIDOS EM ZM 7

  • Contrariamente ao que observ´amos no caso de Z, o valor a ∈ G n˜ao ´e

arbitr´ario, porque quando n = m ´e indispens´avel que mψ(1) = am^ =

ψ(m) = ψ(0) = 1, ou seja, a tem que satisfazer a equa¸c˜ao am^ = 1.(^2 )

  • Se am^ = 1 ent˜ao podemos definir ψ(r) = ar^ para 0 ≤ r < m, e notamos

que a equa¸c˜ao ψ(n) = an^ ´e v´alida para qualquer n = mq+r ∈ Z, donde

se segue que ψ ´e um homomorfismo de grupos. Conclu´ımos que

Teorema 1.2.3. Dado a ∈ G com am^ = 1 existe um ´unico homomorfismo

ψ : Zm → G tal que ψ(1) = a, dado por ψ(n) = an, para qualquer n ∈ Z.

E claro que em nota¸^ ´ c˜ao aditiva escrevemos ψ(n) = na, e devemos ter

ma = 0. Notamos ainda que

  • O homomorfismo ψ ´e sobrejectivo se G ´e gerado por a, i.e., se e s´o se

G ´e c´ıclico, e a ´e um dos seus geradores.

  • ψ ´e injectivo quando m ´e o menor natural tal que am^ = 1. Isto ocorre

exactamente quando o subgrupo < a > gerado por a tem m elementos,

e neste caso ψ : Zm →< a > ´e um isomorfismo.

  • Registamos em particular que se G ´e um grupo c´ıclico de m elementos

gerado por a ent˜ao ψ(n) = an^ ´e um isomorfismo entre Zm e G, ou seja,

qualquer grupo c´ıclico com m elementos ´e isomorfo a Zm. (^3 )

  • Continuando a observa¸c˜ao anterior, podemos concluir que os grupos

Rn (das ra´ızes-n da unidade), Bn e Zn s˜ao isomorfos.

  • Se G = A ´e um anel, o homomorfismo de grupo ψ : Zm → G ´e de anel

se e s´o se a^2 = a, e neste caso a ´e a identidade do anel gerado por a.

Exemplos 1.2.4.

  1. Para determinar os homomorfismos φ : Z 8 → S 3 , notamos que s˜ao da forma φ(n) = πn, onde π ∈ S 3 , e π^8 = 1. Notamos que π^8 = 1 s´o ocorre quando π ´e a identidade de S 3 , ou quando π ´e uma das 3 transposi¸c˜oes α, β e γ. Existem por isso 4 homomorfismos φi : Z 8 → S 3 , dados por

φ 1 (n) = 1, φα(n) = αn, φβ (n) = βn, φγ (n) = γn.

  1. Para determinar os homomorfismos φ : Z 8 → Z 20 , notamos que s˜ao da forma ψ(n) = na, onde a ∈ Z 20 , e 8a = 0. Temos

8 a = 0 ⇔ 20 | 8 a ⇔ 5 | 2 a ⇔ 5 |a, (^2) Note que estas observa¸c˜oes s˜ao aplic´aveis a qualquer grupo c´ıclico. Se H ´e c´ıclico, e

β ´e um seu gerador, ent˜ao H = {βn^ : n ∈ Z}, e qualquer homomorfismo ψ : H → G fica determinado por a = ψ(β), porque ψ(βn) = an. E claro que se´ βm^ = 1 ent˜ao devemos ter igualmente am^ = 1. (^3) Vimos j´a que qualquer grupo c´ıclico infinito ´e isomorfo a Z (ou Z 0 ). Podemos por isso

dizer que os grupos c´ıclicos s˜ao (a menos de isomorfismos) os grupos Zm, com m ≥ 0.

8 CAP´ITULO 1. NOTAS SOBRE OS AN EIS´ ZM

e conclu´ımos que a = 5k = 5, 10 , 15, ou 20 = 0. Existem portanto 4 homomor- fismos, dados por f 1 (n) = 5n, f 2 (n) = 10n, f 3 (n) = 15n, e f 4 (n) = 0. Destes, apenas f 1 e f 4 s˜ao homomorfismos de an´eis.

  1. As imagens e n´ucleos dos homomorfismos acima referidos s˜ao
    • f 1 (Z 8 ) =< 5 >, com 4 elementos, N (f 1 ) =< 4 >, com 2 elementos,
    • f 2 (Z 8 ) =< 10 >, com 2 elementos, N (f 2 ) =< 2 >, com 4 elementos,
    • f 3 (Z 8 ) =< 3 >=< 5 >, N (f 3 ) =< 4 >, e
    • f 4 (Z 8 ) =< 0 >= { 0 }, N (f 4 ) = Z 8.
  2. Podemos generalizar estas observa¸c˜oes como se segue: Sendo d = mdc(n, m) e m = dk, os homomorfismos φ : Zn → Zm s˜ao da forma φ(x) = ax, onde a ´e um qualquer m´ultiplo de k. Basta notar que m|na ⇔ k|a.
  3. Se d ´e um divisor comum de n e de m, existem homomorfismos φ : Zn → Zm tais que φ(Zn) = Bd ⊆ Zm.Por exemplo, para determinar φ : Z 30 → Z 45 com φ(Z 30 ) = B 5 , podemos tomar φ(x) = 9x. Existem na realidade 4 homomorfismos poss´ıveis, j´a que B 5 tem 4 geradores, sendo que um deles ´e um homomorfismo de anel, porque B 5 ´e um anel unit´ario.
  4. Continuando a observa¸c˜ao anterior, suponha-se que Zm tem um subanel Bn e m = nd. A fun¸c˜ao φ : Zn → Zm dada por φ(x) = dx ´e um homomorfismo injectivo de grupos e φ(Zn) =< d >= Bn. E portanto evidente que os grupos´ (Bn, +) e (Zn, +) s˜ao isomorfos, como ali´as j´a observ´amos anteriormente. N˜ao se segue deste resultado que os an´eis Bn e Zn sejam isomorfos, mas ´e f´acil adaptar este argumento para mostrar que estes an´eis s˜ao isomorfos desde que Bn seja unit´ario, para o que basta redefinir φ(x) = ix, sendo i a identidade de Bn.
  5. A fun¸c˜ao φ : Zn → Zm dada por φ(x) = x ´e um homomorfismo (ali´as, sempre um homomorfismo sobrejectivo de an´eis) se e s´o n1 = 0 em Zm, i.e., se e s´o se m|n.
  6. Suponha-se que G = A ´e um anel unit´ario, com identidade I e caracter´ıstica m, e ψ : Zm → A ´e dado por ψ(k) = kI. ´E f´acil concluir que Zm ' ψ(Zm), e em particular deduzir que qualquer anel com m elementos e caracter´ıstica m ´e isomorfo a Zm.
  7. Analogamente, podemos mostrar que se A ´e um anel unit´ario com m ele- mentos e (A, +) ´e um grupo c´ıclico ent˜ao os an´eis A e Zm s˜ao isomorfos, o que generaliza a observa¸c˜ao sobre o isomorfismo entre Bn e Zn quando Bn ´e unit´ario.
  8. E f´´ acil obter propriedades de uma qualquer grupo c´ıclico a partir das corres- pondentes propriedades do grupo Zm apropriado. Por exemplo, conhecendo os subgrupos de Z 8 , e um isomorfismo ψ 8 : Z 8 → R 8 , ´e f´acil descrever todos os subgrupos de R 8 :
    • Z 8 tem 4 subgrupos, que s˜ao < 1 >, < 2 >, < 4 >, e < 0 >.
    • A fun¸c˜ao ψ 8 : Z 8 → R 8 dada por ψ 8 (n) = αn^ ´e um isomorfismo, desde que α seja um gerador de R 8 , e podemos tomar α = eiπ/^4.

10 CAP´ITULO 1. NOTAS SOBRE OS AN EIS´ ZM

Teorema 1.2.5. Os homomorfismos de grupo (resp., de anel) φ : Zm → A

s˜ao da forma φ(x) = ψ(x), onde ψ : Z → A ´e um homomorfismo de grupo

(resp., de anel) tal que N (πm) ⊆ N (ψ), i.e., tal que m ∈ N (ψ).

Z

ψ (^) //

πm

A

Zm

φ

w^ ;^ ; ww w w w w w ww w w w w w

Esta vers˜ao ´e facilmente generaliz´avel, como veremos, a quaisquer grupos e

an´eis quociente.