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<!DOCTYPE html PUBLIC "-//W3C//DTD XHTML 1.1 plus MathML 2.0//EN"
   "http://www.w3.org/Math/DTD/mathml2/xhtml-math11-f.dtd">
<html xmlns="http://www.w3.org/1999/xhtml">
<head>
<meta http-equiv="content-type" content="text/html; charset=UTF-8" />
<title>Math 541 Fall 2007 Homework 8</title>
<style type="text/css">
body {
    counter-reset: section 0;
    text-align: justify
}

h2.title {
    text-align:center
}
p.author {
    text-align:center
}
li {
    text-indent: 0em;
}
p.indent {
    text-indent: 2em;
}

h2.section {
    counter-reset: eqn 0 result 0 subsection 0;
}
h2.section:before {
    content: counter(section) ". ";
    counter-increment: section 1;  /* Add 1 to section */
}
h3.subsection:before {
    content: counter(section) "." counter(subsection);
    counter-increment: subsection;  /* Add 1 to subsection */
}

div.theorem:before {
    content: "Theorem " counter(section) "." counter(result) " ";
    counter-increment: result 1;
    font-style: normal;
    font-weight: bold;
}
div.theorem{ font-style:italic }
div.proposition:before {
    content: "Proposition " counter(section) "." counter(result) " ";
        counter-increment: result 1;
    font-style: normal;  
    font-weight: bold;
}
div.proposition{ font-style:italic }
div.lemma:before { 
    content: "Lemma " counter(section) "." counter(result) " ";
    counter-increment: result;
    font-style: normal; 
    font-weight: bold; 
}
div.lemma{ font-style:italic }

table.dispeq {
   width:100%;
   }
td.eq {
   text-align:center;
     }
td.eqno {
    width: 10px;
    text-align:right;
    }
td.eqno:after {
     content: "("counter(section)"."counter(eqn)")";
     counter-increment: eqn;
     font-style: normal;
  }
</style>
</head>

<body>
<table border="0" cellpadding="5" cellspacing="0" width="100%">
  <tbody>
    <tr>
      <td valign="top"><div align="center">
              <img src="http://www.math.wisc.edu/~ram/UW_logo_150.gif" alt="University of Wisconsin-Madison" border="0" height="150" vspace="2" width="150" /><br />
      </div>
          <h5 align="center"><a href="http://www.wisc.edu/">University of Wisconsin-Madison </a><br />
              <a href="http://www.math.wisc.edu/">Mathematics
                Department</a></h5></td>
      <td align="center" valign="middle"><h2> Math 541 <br />
        Modern Algebra <br />
        A first course in Abstract Algebra<br />
        Lecturer: <a href="http://www.math.wisc.edu/%7Eram">Arun Ram </a> </h2></td>
      <td><h3>
        <large>
          <div align="center">Fall 2007</div>
        </large>
      </h3>
          <h3></h3></td>
    </tr>
  </tbody>
</table>
<hr />
<h2 align="center">&nbsp;</h2>
<h2 align="center">Homework 8: Due November 1, 2007 </h2>
<p align="center">&nbsp;</p>

<h3>To grade: 4, 6, 11.</h3>

<ol>
<li><p>Let
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>&Dopf;</mi></math> 
be a division ring.  Show that the ideals of 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>&Dopf;</mi></math> 
are 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mo>{</mo><mn>0</mn><mo>}</mo></math> 
and
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>&Dopf;</mi></math>. 
</p></li>
<li><p>Let
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>&Fopf;</mi></math> 
be a field.  Show that the ideals of 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<msub><mi>M</mi><mi>n</mi></msub>
<mo>(</mo><mi>&Fopf;</mi><mo>)</mo></math> 
are 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mo>{</mo><mn>0</mn><mo>}</mo></math> 
and
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<msub><mi>M</mi><mi>n</mi></msub>
<mo>(</mo><mi>&Fopf;</mi><mo>)</mo></math>.
</p></li>
<li><p>
Show that each ideal of 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>&Zopf;</mi></math> 
is generated by one element.
</p></li>
<li><p>
Show that each ideal of 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>&Ropf;</mi><mo>[</mo><mi>x</mi><mo>]</mo></math> 
is generated by one element.
</p></li>
<li><p>
Give an example of a ring
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>R</mi></math> 
and an ideal
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>I</mi></math> 
such that 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>I</mi></math> 
is not generated by one element (in any possible way).
Be sure to <em>prove</em> that 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>I</mi></math> 
is not generated by one element.
</p></li>
<li><p>
Show that 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mo>(</mo>
<mi>&Zopf;</mi><mi>/</mi><mrow><mn>2</mn><mi>&Zopf;</mi></mrow>
<mo>)</mo>
<mo>&times;</mo>
<mo>(</mo>
<mi>&Zopf;</mi><mi>/</mi><mrow><mn>5</mn><mi>&Zopf;</mi></mrow>
<mo>)</mo>
<mi>&thinsp;</mi>
<mo>&sime;</mo>
<mi>&thinsp;</mi>
<mi>&Zopf;</mi><mi>/</mi><mrow><mn>10</mn><mi>&Zopf;</mi></mrow>
</math>
as groups.
</p></li>
<li><p>
Show that the product of groups
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mo>(</mo>
<mi>&Zopf;</mi><mi>/</mi><mrow><mn>2</mn><mi>&Zopf;</mi></mrow>
<mo>)</mo>
<mo>&times;</mo>
<mo>(</mo>
<mi>&Zopf;</mi><mi>/</mi><mrow><mn>2</mn><mi>&Zopf;</mi></mrow>
<mo>)</mo>
</math>
is <em>not</em> isomorphic to the group
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>&Zopf;</mi><mi>/</mi><mrow><mn>4</mn><mi>&Zopf;</mi></mrow>
</math>.
</p></li>
<li><p>
Show that
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>&Ropf;</mi><mo>[</mo><mi>x</mi><mo>]</mo>
<mi>/</mi>
<mo>&langle;</mo>
<msup><mi>x</mi><mn>2</mn></msup>
<mo>+</mo><mn>1</mn>
<mo>&rangle;</mo>
<mo>&sime;</mo>
<mi>&Copf;</mi>
</math>. 
</p></li>
<li><p> Let 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>H</mi></math>
be a subgroup of a group
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>G</mi></math>.  The <em>canonical injection</em> is the map
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>&iota;</mi><mo>&colon;</mo><mi>H</mi><mo>&rarr;</mo><mi>G</mi>
</math>
given by 
<table class="dispeq">
<tr><td class="eq">
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mtable>
    <mtr>
      <mtd>
        <mi>&iota;</mi>
        <mo>&colon;</mo>
      </mtd>
      <mtd>
        <mi>H</mi>
      </mtd>
      <mtd>
        <mo>&xrarr;</mo>
      </mtd>
      <mtd>
        <mi>G</mi>
      </mtd>
    </mtr>
    <mtr>
      <mtd>
        <mi></mi>
      </mtd>
      <mtd>
        <mi>h</mi>
      </mtd>
      <mtd>
        <mo>&mapsto;</mo>
      </mtd>
      <mtd>
        <mi>h</mi>
      </mtd>
    </mtr>
  </mtable>
 </math></td>
 </tr></table>
 Show that <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>&iota;</mi><mo>&colon;</mo><mi>H</mi><mo>&rarr;</mo><mi>G</mi>
</math>
is a well defined injective group homomorphism.
</p></li>
<li><p> Let 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>N</mi></math>
be a normal subgroup of a group
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>G</mi></math>.  The <em>canonical surjection</em> or <em>canonical
projection </em> is the map
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>&pi;</mi><mo>&colon;</mo><mi>G</mi><mo>&rarr;</mo><mi>G</mi><mo>/</mo><mi>N</mi>
</math>
given by 
<table class="dispeq">
<tr><td class="eq">
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mtable>
    <mtr>
      <mtd>
        <mi>&pi;</mi>
        <mo>&colon;</mo>
      </mtd>
      <mtd>
        <mi>G</mi>
      </mtd>
      <mtd>
        <mo>&xrarr;</mo>
      </mtd>
      <mtd>
        <mi>G</mi><mo>/</mo><mi>N</mi>
      </mtd>
    </mtr>
    <mtr>
      <mtd>
        <mi></mi>
      </mtd>
      <mtd>
        <mi>g</mi>
      </mtd>
      <mtd>
        <mo>&mapsto;</mo>
      </mtd>
      <mtd>
        <mi>g</mi><mi>N</mi>
      </mtd>
    </mtr>
  </mtable>
 </math></td>
 </tr></table>
 Show that <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>&pi;</mi><mo>&colon;</mo><mi>G</mi><mo>&rarr;</mo><mi>G</mi><mo>/</mo><mi>N</mi>
</math>
is a well defined surjective group homomorphism and that
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>im</mi><mo>&thinsp;</mo><mi>&pi;</mi>
<mo>=</mo><mi>G</mi><mo>/</mo><mi>N</mi>
</math>
and
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>ker</mi><mo>&thinsp;</mo><mi>&pi;</mi>
<mo>=</mo><mi>N</mi>
</math>.
</p></li>
<li><p> Using the notations of problem 10, let 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>M</mi></math>
be a subgroup of
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>G</mi></math>. Show that
<ol>
<li> 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>M</mi><mo>/</mo><mi>N</mi>
<mo>=</mo>
<mo>{</mo> <mi>m</mi><mi>N</mi> <mo>&mid;</mo>
<mi>m</mi><mo>&isin;</mo><mi>M</mi>
<mo>}</mo></math>
is a subgroup of 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>G</mi><mo>/</mo><mi>N</mi>
</math>.
</li>
<li>
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>M</mi><mo>/</mo><mi>N</mi>
</math> 
is a normal subgroup of 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>G</mi><mo>/</mo><mi>N</mi>
</math>
if 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>M</mi>
</math>
is a normal subgroup of
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>G</mi>
</math>.
</li>
<li> 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>M</mi><mo>/</mo><mi>N</mi>
<mo>=</mo>
<mi>&pi;</mi><mo>(</mo><mi>M</mi><mo>)</mo>
</math> 
and if 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>M</mi>
</math>
contains
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>N</mi>
</math>
Then
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<msup><mi>&pi;</mi><mrow><mi>–</mi><mn>1</mn></mrow></msup>
<mo>(</mo>
<mi>&pi;</mi><mo>(</mo><mi>M</mi><mo>)</mo>
<mo>)</mo><mo>=</mo>
<mi>M</mi>
</math>.
</li>
<li> Conclude that <em>there is a one-to-one correspondence between subgroups of 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>G</mi>
</math>
containing
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>N</mi>
</math>
and subgroups of 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>G</mi><mo>/</mo><mi>N</mi>
</math>.
</em>
</li>
<li>  Show that <em>this correspondence takes normal subgroups to normal subgroups</em>.
</li>
</ol>
</p></li>

<li><p> Let 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>I</mi></math>
be an ideal of a ring
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>R</mi></math>.  The <em>canonical injection</em> is the map
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>&iota;</mi><mo>&colon;</mo><mi>I</mi><mo>&rarr;</mo><mi>R</mi>
</math>
given by 
<table class="dispeq">
<tr><td class="eq">
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mtable>
    <mtr>
      <mtd>
        <mi>&iota;</mi>
        <mo>&colon;</mo>
      </mtd>
      <mtd>
        <mi>I</mi>
      </mtd>
      <mtd>
        <mo>&xrarr;</mo>
      </mtd>
      <mtd>
        <mi>R</mi>
      </mtd>
    </mtr>
    <mtr>
      <mtd>
        <mi></mi>
      </mtd>
      <mtd>
        <mi>i</mi>
      </mtd>
      <mtd>
        <mo>&mapsto;</mo>
      </mtd>
      <mtd>
        <mi>i</mi>
      </mtd>
    </mtr>
  </mtable>
 </math></td>
 </tr></table>
 Show that <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>&iota;</mi><mo>&colon;</mo><mi>I</mi><mo>&rarr;</mo><mi>R</mi>
</math>
is a well defined injective ring homomorphism.
</p></li>
<li><p> Let 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>I</mi></math>
be an ideal of a ring
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>R</mi></math>.  The <em>canonical surjection</em> or <em>canonical
projection </em> is the map
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>&pi;</mi><mo>&colon;</mo><mi>R</mi><mo>&rarr;</mo><mi>R</mi><mo>/</mo><mi>I</mi>
</math>
given by 
<table class="dispeq">
<tr><td class="eq">
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mtable>
    <mtr>
      <mtd>
        <mi>&pi;</mi>
        <mo>&colon;</mo>
      </mtd>
      <mtd>
        <mi>R</mi>
      </mtd>
      <mtd>
        <mo>&xrarr;</mo>
      </mtd>
      <mtd>
        <mi>R</mi><mo>/</mo><mi>I</mi>
      </mtd>
    </mtr>
    <mtr>
      <mtd>
        <mi></mi>
      </mtd>
      <mtd>
        <mi>r</mi>
      </mtd>
      <mtd>
        <mo>&mapsto;</mo>
      </mtd>
      <mtd>
        <mi>r</mi><mo>+</mo><mi>I</mi>
      </mtd>
    </mtr>
  </mtable>
 </math></td>
 </tr></table>
 Show that <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>&pi;</mi><mo>&colon;</mo><mi>R</mi><mo>&rarr;</mo><mi>R</mi><mo>/</mo><mi>I</mi>
</math>
is a well defined surjective homomorphism and that
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>im</mi><mo>&thinsp;</mo><mi>&pi;</mi>
<mo>=</mo><mi>R</mi><mo>/</mo><mi>I</mi>
</math>
and
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>ker</mi><mo>&thinsp;</mo><mi>&pi;</mi>
<mo>=</mo><mi>I</mi>
</math>.
</p></li>

<li><p> Using the notations of problem 13, let 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>J</mi></math>
be an ideal of
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>R</mi></math>. Show that
<ol>
<li> 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>J</mi><mo>/</mo><mi>I</mi>
<mo>=</mo>
<mo>{</mo> <mi>j</mi><mo>+</mo><mi>I</mi> <mo>&mid;</mo>
<mi>j</mi><mo>&isin;</mo><mi>I</mi>
<mo>}</mo></math>
is an ideal of 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>R</mi><mo>/</mo><mi>I</mi>
</math>.
</li>
<li> 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>J</mi><mo>/</mo><mi>I</mi>
<mo>=</mo>
<mi>&pi;</mi><mo>(</mo><mi>J</mi><mo>)</mo>
</math> 
and if 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>J</mi>
</math>
contains
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>I</mi>
</math>
then
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<msup><mi>&pi;</mi><mrow><mi>–</mi><mn>1</mn></mrow></msup>
<mo>(</mo>
<mi>&pi;</mi><mo>(</mo><mi>J</mi><mo>)</mo>
<mo>)</mo><mo>=</mo>
<mi>J</mi>
</math>.
</li>
<li> Conclude that <em>there is a one-to-one correspondence between ideals of 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>R</mi>
</math>
containing
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>I</mi>
</math>
and ideals of 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>R</mi><mo>/</mo><mi>I</mi>
</math>.
</em>
</li>
</ol>
</p></li>


</ol>

    

<p></p>
</body>
</html>
