Mathematik lernen · Studium
Galois-Theorie: Körpererweiterungen und Auflösbarkeit
Warum gibt es Lösungsformeln bis Grad 4, aber nicht für Grad 5? Die Galois-Theorie ordnet jeder Gleichung eine Gruppe zu und liest an ihr ab, ob sich die Lösungen aus Wurzeln aufbauen lassen. Du lernst Körpererweiterungen, den Hauptsatz und die klassischen Anwendungen.
Die Gleichung löst man mit der Mitternachtsformel, kubische und biquadratische Gleichungen mit den Formeln von Cardano und Ferrari. Für Gleichungen fünften Grades gibt es keine solche Formel, die nur Grundrechenarten und Wurzeln benutzt. Warum die Grenze genau bei Grad 5 liegt, erklärt die Galois-Theorie: Sie ordnet jedem Polynom eine Gruppe von Vertauschungen seiner Nullstellen zu und übersetzt die Frage nach Wurzelformeln in eine Frage über diese Gruppe.
Du brauchst dafür die Gruppentheorie bis zu Normalteilern und Faktorgruppen (Homomorphismen und Normalteiler), die Ringe und Körper und die Vektorräume. Alle Körper auf dieser Seite haben die Charakteristik und liegen in .
Körpererweiterungen und der Grad
Ist ein Teilkörper, dann ist ein Vektorraum über , und seine Dimension heißt der Grad . Zum Beispiel ist über zweidimensional mit der Basis , also .
Eine Zahl heißt algebraisch über , wenn sie Nullstelle eines Polynoms mit Koeffizienten in ist. Unter diesen Polynomen gibt es ein normiertes von kleinstem Grad, das Minimalpolynom . Es ist irreduzibel über . Der kleinste Körper, der und enthält, ist , und es gilt . Denn mit ist eine Basis: Jede höhere Potenz lässt sich mit auf niedrigere zurückführen, und eine Linearkombination dieser Potenzen mit Wert wäre ein Polynom kleineren Grades mit Nullstelle .
| Erweiterung | Minimalpolynom | Grad | Basis |
|---|---|---|---|
| für |
Beweis. Ist eine Basis von über und eine Basis von über , dann sind die Produkte eine Basis von über . Jedes ist mit , und jedes mit . Die lineare Unabhängigkeit folgt ebenso in zwei Schritten.
Daraus ergibt sich : Die Zahl liegt nicht in , denn aus mit rationalen folgt , also , und dann wäre oder , beides unmöglich für rationale Zahlen. Also ist und der gesamte Grad .
Zerfällungskörper
Der Zerfällungskörper eines Polynoms über ist der kleinste Körper , in dem in Linearfaktoren zerfällt, also der von und allen Nullstellen erzeugte Körper. Für sind die Nullstellen , und mit . Der Zerfällungskörper ist . Weil nicht reell ist, liegt nicht in , und als Nullstelle von hat es über diesem Körper den Grad . Die Turmformel gibt .
Die Galoisgruppe
Der Schlüssel ist diese Beobachtung: Ist eine Nullstelle von , dann ist auch eine Nullstelle, denn , weil die Koeffizienten von festgehalten werden. Ein Automorphismus kann die Nullstellen also nur vertauschen, und er ist durch diese Vertauschung festgelegt. Die Galoisgruppe ist daher eine Untergruppe der Gruppe aller Permutationen der Nullstellen, und es gilt für Zerfällungskörper in Charakteristik .
- : Es gibt genau zwei Automorphismen, die Identität und . Die Galoisgruppe ist .
- : Die Vorzeichen von und können unabhängig vertauscht werden, das sind Automorphismen. Die Galoisgruppe ist die Kleinsche Vierergruppe .
- : Ein Automorphismus schickt auf eine der drei Nullstellen und auf oder . Das sind Möglichkeiten, alle kommen vor. Die Gruppe hat die Ordnung und permutiert die drei Nullstellen treu, sie ist also die ganze .
Der Hauptsatz der Galois-Theorie
Der Beweis des Hauptsatzes füllt in den Lehrbüchern mehrere Seiten, er benutzt das Lemma von Artin über Fixkörper und Dedekinds Unabhängigkeit von Automorphismen. Seine Wirkung siehst du am Beispiel: Die Untergruppen der sind , die drei Untergruppen der Ordnung (je eine Transposition), der Ordnung und selbst. Daher hat genau sechs Zwischenkörper:
Der Körper gehört zu , und ist ein Normalteiler. Deshalb ist selbst der Zerfällungskörper von , und seine Galoisgruppe ist . Dagegen ist kein Normalteiler. Das erklärt, warum nicht alle Nullstellen von enthält: Es ist kein Zerfällungskörper, und jeder Automorphismus von schickt es auf einen der beiden anderen Körper oder .
Auflösbarkeit durch Wurzeln
Eine Gleichung heißt durch Wurzeln lösbar, wenn sich ihre Nullstellen aus den Koeffizienten durch endlich viele Anwendungen von und Wurzelziehen ausdrücken lassen. Wurzelziehen entspricht dem Anfügen einer Nullstelle von . Mit dem Hauptsatz übersetzt man das in eine Aussage über Gruppen.
Beweisidee. Das Anfügen einer -ten Wurzel zu einem Körper, der die -ten Einheitswurzeln enthält, liefert eine Erweiterung mit zyklischer Galoisgruppe, denn ein Automorphismus ist durch die Multiplikation von mit einer Einheitswurzel festgelegt. Und das Anfügen der Einheitswurzeln selbst gibt eine abelsche Galoisgruppe. Ein Turm solcher Erweiterungen entspricht nach dem Hauptsatz einer Kette von Normalteilern mit abelschen Faktorgruppen. Die Umkehrung nutzt, dass jede zyklische Erweiterung (mit Einheitswurzeln im Grundkörper) durch Anfügen einer Wurzel entsteht.
Die Gruppen und sind auflösbar: mit Faktorgruppen und , und mit der Kleinschen Vierergruppe und Faktorgruppen , , . Das ist der Grund für die Formeln von Cardano und Ferrari. Dagegen ist einfach: Sie hat außer und sich selbst keinen Normalteiler, und sie ist nicht abelsch. In jeder Kette folgt auf die Gruppe (der einzige Normalteiler mit abelscher Faktorgruppe), und weil einfach und nicht abelsch ist, kommt die Kette nie bei an. Dasselbe gilt für alle mit : Sie sind nicht auflösbar.
Noch fehlt ein Polynom mit Galoisgruppe . Ein Beispiel ist . Es ist nach dem Eisenstein-Kriterium mit irreduzibel, die Galoisgruppe operiert also auf den fünf Nullstellen transitiv. Ihre Ordnung ist durch teilbar, und nach dem Satz von Cauchy enthält sie ein Element der Ordnung , in also einen Zyklus der Länge . Eine kurze Kurvendiskussion zeigt, dass genau drei reelle Nullstellen hat, die übrigen zwei sind komplex konjugiert. Die komplexe Konjugation vertauscht diese beiden und lässt die drei anderen fest, sie ist also eine Transposition in der Galoisgruppe. Ein 5-Zyklus und eine Transposition erzeugen die ganze . Die Gleichung ist demnach nicht durch Wurzeln lösbar, auch wenn jede einzelne Nullstelle (numerisch) leicht zu finden ist.
Anwendung: Konstruktionen mit Zirkel und Lineal
Alle Punkte, die man mit Zirkel und Lineal aus der Einheitsstrecke konstruiert, haben Koordinaten, die durch Körpererweiterungen vom Grad entstehen: Schnittpunkte von Geraden und Kreisen führen auf lineare und quadratische Gleichungen. Eine konstruierbare Zahl liegt daher in einem Körper mit , und ihr Grad über ist eine Zweierpotenz.
- Würfelverdopplung: Verlangt wird die Kante . Ihr Minimalpolynom hat den Grad , keine Zweierpotenz. Also unmöglich.
- Winkeldreiteilung: Für müsste konstruiert werden. Aus folgt, dass die Gleichung erfüllt, die keine rationale Nullstelle hat, also irreduzibel ist. Der Grad ist keine Zweierpotenz.
- Regelmäßiges -Eck: Es ist genau dann konstruierbar, wenn mit verschiedenen Fermat-Primzahlen () gilt. Carl Friedrich Gauß konstruierte 1796 das regelmäßige Siebzehneck, Pierre Wantzel bewies 1837 die Notwendigkeit.
- Quadratur des Kreises: Gefordert ist die Seite . Weil nicht algebraisch ist (Lindemann, 1882), ist es auch nicht konstruierbar.
Übungen
Geschichte: von Ruffini zu Galois
Die Gleichungen dritten und vierten Grades wurden im 16. Jahrhundert in Italien gelöst, siehe Tartaglia, Cardano und Ferrari. Danach suchte man 250 Jahre vergeblich nach einer Formel für Grad 5. Paolo Ruffini veröffentlichte 1799 einen ersten, lückenhaften Beweis der Unmöglichkeit. Niels Henrik Abel gab 1824 einen vollständigen Beweis, der 1826 in Crelles Journal erschien. Wantzel vereinfachte ihn 1845.
Évariste Galois (1811 bis 1832) gab 1830 bis 1832 die vollständige Antwort mit dem Gruppenkriterium. Seine Arbeit reichte er 1830 bei der Pariser Académie des Sciences ein. Sie ging verloren, nachdem Joseph Fourier gestorben war. Eine zweite Fassung von 1831 beurteilte Siméon Denis Poisson als unverständlich. Am 30. Mai 1832 wurde Galois in einem Duell durch einen Bauchschuss verletzt und starb am nächsten Tag im Alter von 20 Jahren. Am Tag vor dem Duell, dem 29. Mai, hatte er in einem Brief an Auguste Chevalier seine Ergebnisse zusammengefasst. Joseph Liouville studierte die Papiere ab 1842 und veröffentlichte sie 1846 im „Journal de Mathématiques Pures et Appliquées“.
Die heutige Fassung, in der man die Galoisgruppe als Gruppe der Automorphismen eines Körpers definiert, stammt aus den 1920er-Jahren und baut auf Dedekinds Körperbegriff auf. Die Konstruierbarkeitsfragen löste Wantzel 1837.
Häufige Fragen
Gibt es Formeln für Gleichungen vom Grad 5, wenn man mehr als Wurzeln benutzt?
Ja. Mit elliptischen Funktionen, also Funktionen, die über Wurzelausdrücke hinausgehen, lässt sich jede Gleichung fünften Grades lösen. Gezeigt wird nur, dass Wurzelausdrücke nicht ausreichen.
Warum nennt man die Gruppe nach Galois, wenn Lagrange und Abel früher waren?
Lagrange (1770) und Abel erkannten die Rolle der Vertauschungen und bewiesen die Unmöglichkeit der allgemeinen Formel. Galois erkannte, dass die Struktur der Gruppe jede einzelne Gleichung entscheidet, und dass dabei die Normalteiler die entscheidende Rolle spielen.
Muss ich Galois-Theorie im Studium können?
Sie gehört in Mathematik und Lehramt meist in die Vorlesung „Algebra“ im zweiten oder dritten Jahr. Für andere Fächer ist sie nicht nötig, ihre Ideen (Symmetrie und Gruppen) kehren aber in Physik und Chemie wieder.
Quellen und weiterführende Literatur
- Wikipedia: Galoistheorie
- Wikipedia: Konstruierbare Zahl
- Wikipedia: Satz von Abel-Ruffini
- Wikipedia (englisch): Évariste Galois
- Siegfried Bosch: Algebra, Springer, Berlin.
- Ian Stewart: Galois Theory, Chapman and Hall, London.
Fehler entdeckt oder einen Wunsch? Schreib uns eine kurze Nachricht, wir kümmern uns darum.



