Gröbner Tabanları

Tam metin

(1)

T.C

TRAKYA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ

Yusuf ÖZENİR TRAKYA ÜNİVERSİTESİ

FEN FAKÜLTESİ MATEMATİK BÖLÜMÜ

YÜKSEK LİSANS TEZİ CEBİR VE SAYILAR TEORİSİ

ANABİLİM DALI 2011 EDİRNE

(2)

T.C

TRAKYA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ

GRÖBNER TABANLARI

Yusuf ÖZENİR

YÜKSEK LİSANS TEZİ

CEBİR VE SAYILAR TEORİSİ ANABİLİM DALI

Tez Yöneticisi : Yrd. Doç. Dr. Figen ÖKE 2011

(3)
(4)

ÖZET

"Gröbner Tabanları" olarak adlandırılan bu çalışmada izlenen plan aşağıdaki biçimdedir.

I. Bölümde çok değişkenli polinomlar ile ilgili genel bilgiler verilmiştir. II. Bölümde terim sıralamaları ve indirgemeler çalışılmıştır.

III. Bölümde Gröbner tabanının genel tanımı verilerek, S-Polinomları ve Buchberger Algoritması incelenmiştir.

IV. Bölümde katsayıları cisim dışındaki farklı cebirsel yapılarda olan polinom halkalarında Gröbner tabanları çalışılmıştır.

(5)

SUMMARY

The plan followed in this work which is entitled as "Gröbner Basis" may be as below. In Chapter I pertinent background are given.

In Chapter II term orders and reductions are studied.

In Chapter III general definition of Gröbner base is given, S-Polynomials and Buchberger Algorithm are investigated.

In Chapter IV Gröbner bases in polynomial rings which have not coefficent in a field are studied.

(6)

ÖNSÖZ

Çalışmalarımın her aşamasında her türlü yardım ve destekte bulunup matematiksel bakış açısını, bilgisini ve deneyimini benimle paylaşan değerli hocam Yrd. Doç. Dr. Figen ÖKE 'ye en içten teşekkürlerimi sunarım.

Çalışmam boyunca her türlü yardımlarından ve telkinlerinden dolayı değerli hocam Prof. Dr. Hülya İŞCAN 'a en içten teşekkürlerimi sunarım.

Ayrıca tez çalışmam boyunca maddi ve manevi desteklerini esirgemeyen sevgili aileme ve nişanlım Sevsen'e en içten teşekkürlerimi sunarım.

(7)

GÖSTERİMLER

l

p f

 

:

f

polinomunun en büyük kuvvet çarpımı lc

 

f

:

f

polinomunun baş katsayısı

lt f

 

:

f

polinomunun baş terimi

lex : Lexicographical sıralama

deglex : Degree Lexicographical sıralama

degrevlex

: Degree Reverse Lexicographical sıralama

lcm : En küçük ortak kat gcd : En büyük ortak bölen

 

(8)

SUMMARY………...ii

ÖNSÖZ...iii

GÖSTERİMLER...iv

GİRİŞ...1

I. BÖLÜM / ÖN BİLGİLER...3

1.1 Çok Değişkenli Polinomlar...3

1.2 Çok Değişkenli Doğrusal Polinomlar İçin İndirgeme...12

1.3 Tek Değişkenli Polinomlar İçin İndirgeme...15

II. BÖLÜM / TERİM SIRALAMALARI VE İNDİRGEMELER...23

2.1 Terim Sıralamaları...23

2.2 Polinomların İndirgenmesi ve Bölme Algoritması...27

III. BÖLÜM / GRÖBNER TABANLARI...34

3.1 Genel Tanımı...34

3.2 S-Polinomları ve Buchberger Algoritması...……...…………..42

3.3 İndirgenmiş Gröbner Tabanları...………...…....57

IV. BÖLÜM / ESAS İDEAL BÖLGESİ ÜZERİNDE GRÖBNER TABANLARI VE DİNAMİK GRÖBNER TABANLARI...66

4.1 Değerlendirme Bölgesi Üzerinde Gröbner Tabanı...66

4.2 Esas İdeal Bölgesi Üzerinde İdeale Ait Olma Problemi...73

4.3 Esas İdeal Bölgesi Üzerinde Gröbner Tabanı...75

4.4 Dinamik Gröbner Tabanı...78

4.5 Esas İdeal Bölgesi Üzerinde Dinamik Gröbner Tabanı...80

4.6 Buchberger Algoritmasının Dinamik Versiyonu...83

KAYNAKLAR...89

(9)

GĠRĠġ

Gröbner tabanı kavramı 1965 yılında Bruno BUCHBERGER tarafından ortaya atılmıştır. k bir cisim olmak üzere k x x

1, 2,...,x polinom halkasında bir n

I ideali için

tanımlanan Gröbner tabanı, idealin üreteç kümesini daha basit hale getirerek, ideale ait olma probleminin çözülmesini de kolaylaştırmıştır. k x x

1, 2,...,x halkasının bir n

I

idealinin Gröbner tabanını elde edebilmek için k x x

1, 2,...,x üzerinde bir terim n

sıralamasına ve bir bölme algoritmasına ihtiyaç vardır. Terim sıralaması yardımıyla indirgeme işlemi tanımlanmış, çok değişkenli polinom halkalarında bölme algoritması oluşturulmuştur. I , k x x

1, 2,...,x halkasının bir ideali ve n

G

g g1, 2,...,gt

sıfırdan farklı polinomların bir kümesi olmak üzere GI olsun. f 0 sağlayan her fI

için lp g ,

 

i lp f yi bölecek şekilde

 

i

1, 2,...,t

varsa G kümesine I ideali için bir Gröbner tabanı denir. k x x

1, 2,...,x halkasında sıfırdan farklı her idealin bir Gröbner n

tabanına sahip olduğu kanıtlanmıştır. Gröbner tabanı tanımı yardımıyla bir çok teorem elde edilmişse de bu teoremler sadece bir kümenin bir idealin Gröbner tabanı olup olmadığını incelemek için kullanılmış, fakat bu teoremler bir ideal için Gröbner tabanı elde etmek için yeterli olmamıştır.

Amacı, bir cisim üzerindeki bir polinom halkasında herhangi bir ideal için bir Gröbner tabanı oluşturmak olan Bruno BUCHBERGER S-Polinomu kavramını tanımlamış ve Gröbner tabanı elde edebilmek için kendi adıyla anılan Buchberger Algoritmasını oluşturmuştur. S-Polinomu, iki polinom kullanılarak bulunan yeni bir polinomdur. Algoritmaya göre bir ideale Gröbner tabanı bulmak için önce bu idealin üreteç kümesi alınır. Daha sonra bu üreteç kümesi içindeki polinomların ikişer ikişer S-Polinomları bulunur ve bulunan bütün S-S-Polinomları üreteç kümesine göre indirgenir. Sıfıra indirgenemeyen S-Polinomları üreteç kümesine eklenerek istenilen Gröbner tabanı elde edilmiş olur. Bu işlem sonunda bulunan küme içinde birbiri cinsinden yazılabilen polinomlar kümeden atılarak, minimal ve ardından indirgenmiş Gröbner tabanı elde edilmiş olur. İndirgenmiş Gröbner tabanının tek olduğu da kanıtlanmıştır. Bu sayede oluşturulan indirgenmiş Gröbner tabanı verilen ideal için bulunabilecek en uygun üreteç kümesi olarak elde edilmiş olur.

(10)

İlk olarak bir cisim üzerindeki polinom halkalarında çalışılan Gröbner tabanı, daha sonra katsayıları esas ideal bölgelerinde, değerlendirme bölgelerinde olan polinom halkalarında çalışılmıştır. Bu yüzden bu çalışmanın III. Bölümünde k bir cisim olmak üzere k x x

1, 2,...,x polinom halkasındaki bir ideal için Gröbner tabanları çalışılmıştır. n

IV. Bölümde de katsayıları bir esas ideal bölgesinde seçilen polinom halkalarında ve ardından katsayıları bir değerlendirme halkasında seçilen polinom halkalarında Gröbner tabanları çalışılmıştır.

(11)

Ι. BÖLÜM ÖN BĠLGĠLER .

1.1. Çok DeğiĢkenli Polinomlar

k bir cisim ve k x x

1, 2,...,x k cismi üzerindeki n değişkenli polinom halkası olsun. n

Tanım1.1.1: 1 2

1 2 ...

n n

x x  xifadesine kuvvet çarpımı denir.

k bir cisim olsun. f x x

1, 2,...,xn

k x x

1, 2,...,xn

polinomları i1, 2,...,n için i

  ve a k olmak üzere 1 2

1 2 ...

n n

a x  x  x terimlerinin sonlu toplamıdır.

Örneğin; 2 2 1 2 1 fxx  ve 2 1 2 1 3 1 3 2 g x xx x üç değişkenli polinomlardır.

1, 2,..., n

k x x x ile katsayıları k cisminde olan n değişkenli polinomların kümesi gösterilsin. k x x

1, 2,...,x , polinomların toplamı ve çarpımı işlemlerine göre değişmeli n

bir halkadır.

Bütün kuvvet çarpımlarının kümesi

1 2

1 2 ... , 1, 2,...,

n n

n i

Tx x  x   in

olmak üzere k x x

1, 2,...,x halkası tabanı n

T olan bir kn vektör uzayıdır.

n için kn

a a1, 2,...,an

aik i, 1, 2,...,n

şeklindedir. Örneğin; k  ise n n

k  dir.

Tanım1.1.2: fk x x

1, 2,...,xn

polinomu ile

1 2

1 2

 

1 2

: , ,..., , ,..., , ,..., n n n n k k a a a a a a f a a a    

 biçiminde bir fonksiyon

(12)

Tanım1.1.3: fk x x

1, 2,...,xn

için f 0 denkleminin çözümlerinin kümesi

 

1, 2,...,

1, 2,...,

0

n n

n n

V fa a ak f a a a  k şeklindedir. V f kümesine

 

f tarafından tanımlanan variety denir.

Örneğin;

2 2

 

2 2 2

2

1 , 1

V xy   x y  xy   olup, xykoordinat sisteminde

 

0, 0 merkezli ve r1 yarıçaplı bir çember belirtir.

Tanım1.1.4: f1,f2,..., fsk x x

1, 2,...,xn

polinomları verilsin.

1 0 , 2 0 ,..., s 0

fff  (1.1.1) sisteminin bütün çözümleri V f f

1, 2,..., fs

variety kümesi olarak tanımlanır ve

1, 2,...,

 

1, 2,...,

1, 2,...,

0 , 1, 2,...,

n s n i n V f f fa a ak f a a ais şeklindedir. Burada

1 2

 

1 , ,..., s s i i V f f f V f  

şeklindedir. Örneğin;

2 2 2

2 1, 3

V xyxy  variety kümesi x2y2 1 çemberi ile x3y2 parabolünün xykoordinat düzlemindeki kesişimidir.

Bununla beraber genel olarak;

1, 2,..., n

1, 2,..., n

Sf fk x x xk x x x ise,

  

1, 2,...,

1, 2,...,

0

n n n

(13)

Tanım1.1.5:

R,, bir halka I

R, I   olsun. Eğer; (i) Her a b I,  için a b I ve

(ii) Her aI ve her rR için r a I

veya a r I

ise I, R halkasının bir sol (veya sağ) idealidir denir.

R,, değişmeli ise sağ ve sol ideal kavramları çakışır

ve I kümesine ideal adı verilir.

1 2 1 2 1 , ,..., , ,..., , 1, 2,..., s s i i i n i I f f f u f u k x x x i s       

, k x x

1, 2,...,x nin bir n

idealidir. Bu durumda

f1,f2,..., fs

, I idealinin bir üreteç kümesidir. Variety kümesini daha basit yazabilmek için If f1, 2,...,fs ideali göz önüne alınsın.

1, 2,..., s

V f f f variety kümesi için istenilen daha basit gösterim, If f1, 2,..., fs ideali için daha iyi bir üreteç kümesi olacaktır.

Bunun nasıl olacağını görmek için V I variety kümesini göz önüne alalım.

 

fI olmak üzere f 0 şeklinde verilen (1.1.2) denklem sisteminin çözümleri ile

1 0 , 2 0 ,..., s 0

fff

(1.1.3) sisteminin çözümlerini karşılaştıralım.

1, 2,...,

is için fiI olduğundan (1.1.2) sisteminin çözümünün, (1.1.3) sisteminin çözümü olacağı açıktır. Tersine

a a1, 2,...,an

kn, (1.1.3) sisteminin bir çözümüdür ve

f polinomu I idealinin herhangi bir elemanı ise  ui k x x

1, 2,...,xn

için

1 s i i i f u f  

olduğundan f a a

1, 2,...,an

0 bulunur. Buradan

a a1, 2,...,an

kn, (1.1.2) sisteminin bir çözümü ve dolayısıyla V I

 

V f f

1, 2,..., fs

olur. Yani I idealinin variety kümesini bulmak için

f f1, 2,..., fs

üreteç kümesinin variety kümesini bulmak yeterli olacaktır. O halde If f1, 2,..., fsf1,f2,...,ft ise, yani I idealinin birden fazla

(14)

Böylece V f f

1, 2,...,fs

V I

 

V f

1,f2,...,ft

eşitliği yazılır. Bunun anlamı

1 0 , 2 0 ,..., s 0

fff  sistemi ile f10 , f20 ,..., fs0 sisteminin çözümleri aynı demektir. Bu da şöyle bir soruyu akla getirmektedir. I idealinin variety kümesini bulmak için hangi üreteç kümesinin variety kümesini bulmak yerinde olacaktır? Dolayısıyla If f1, 2,...,fs ideali için ‘daha iyi’ bir üreteç kümesi elde edilirse

1, 2,..., s

V f f f variety kümesi için de daha basit bir gösterime sahip olunacaktır. Şimdi probleme farklı bir bakış açısıyla bakalım. n

k nin bir V alt kümesini göz önüne alalım.

 

V k x x

1, 2,...,xn

  kümesi;

 

V

f k x x

1, 2,...,xn

a a1, 2,...,an

V için f a a

1, 2,...,an

0

      şeklinde

tanımlanır. 

 

V kümesi k x x

1, 2,...,x nin bir idealdir. n

Yukarıdaki 

 

V idealinin kuruluşu çok önemlidir.

 

1, 2,..., nin alt kümeleri nin variety kümeleri

n n k x x x k S V S   dönüşümüne ek olarak,

 

1 2

nin alt kümeleri , ,..., nin idealleri

V I V n n kk x x x  dönüşümü vardır.

Özellikle I ideali ve I V I

 

ideali arasındaki ilişkiye bakalım. I I

V I

 

olduğunu görmek kolaydır, fakat eşitlik her zaman sağlanmaz.

(15)

Herhangi bir fI alalım. f I

V I

 

mı?

 

I fV I olduğunu varsayalım.

 

1 2

1 2

  

1 2

I , ,..., n , , ,..., n , ,..., n 0 (*) fV I  f k x x xa a aV I için f a a a

1, 2,..., n

0 (**) f I için f a a a    

(*) ile (**) ifadeleri birbiriyle çelişir. Buradan f I

V I

 

olur. Böylece I I

V I

 

olur.

Örneğin; 2 2

 

, ,

Ix yk x y ise V I

 

V x y

2, 2

 

0, 0

bulunur. Dolayısıyla

 

, I

x yV I olmasına rağmen x y, I olur. Böylece eşitliğin her zaman olmadığı görülür.

Yukarıda bahsettiğimiz ‘daha iyi’ üreteç kümesini bulmak için önce

1, 2,..., n

k x x x deki polinomların sonlu iki kümesinin aynı ideali üretip üretmediğini belirlemek gerekir.

Başka bir ifadeyle f1, f2,..., fsk x x

1, 2,...,xn

ve f1, f2,..., ft k x x

1, 2,...,xn

verildiğinde f1, f2,..., fsf1, f2,..., ft olup olmadığı belirlemek gerekir. Bu

nedenle aşağıdaki adımların gerçeklenmesi gerekir.

Adım1: If f1, 2,..., fs ve fk x x

1, 2,...,xn

verildiğinde f polinomunun I

idealinde olup olmadığının belirlenmesi. Bu probleme ideale ait olma problemi denir. Adım2: f polinomu I idealinde ise fu f1 1u f2 2  ... u fs s olacak şekilde

1, 2 ,..., s 1, 2,..., n

(16)

1, 2,..., n

Ik x x x bir ideal ve fk x x

1, 2,...,xn

olsun. Daha önce

1 2

1 2

 

1 2

: , ,..., , ,..., , ,..., n n n n k k a a a a a a f a a a     

ile tanımlanan bir değer fonksiyonunun f ile belirlendiği söylenmişti.

Şimdi   V I  fonksiyonu her

a a1, 2,...,an

V I

 

için

 

1 2

1 2

1 2

: , ,..., n , ,..., n , ,..., n V I k a a a a a a f a a a      biçiminde tanımlansın.

1 2

, , ,..., n

f gk x x x için f ve g polinomları ile belirlenen V I

 

k değer fonksiyonlarının ne zaman eşit olduğuna bakalım.

 

I

f  g V I ise 

a a1, 2,...,an

V I

 

için

fg



a a1, 2,...,an

0 olur. Buradan f a a

1, 2,...,an

 

g a a1, 2,...,an

0 dır.

Dolayısıyla f a a

1, 2,...,an

g a a

1, 2,...,an

bulunur. Böylece fg dir.

Sonuç olarak f  g I

V I

 

ise f ve g polinomları ile belirlenen :V I

 

k değer fonksiyonları eşittir.

Tanım1.1.6: k x x

1, 2,...,xn

nin bir J ideali ve f g, k x x

1, 2,...,xn

verilsin.

f  g J ise modülo J ye göre f , g ye denktir denir ve fg

modJ

ile gösterilir. Bu biçimde tanımlanan " " , k x x

1, 2,...,xn

üzerinde bir denklik bağıntısıdır.

(17)

Bu bağıntıya göre denklik sınıflarının kümesi

1, 2,..., n

k x x x

J ile gösterilir. Aynı

zamanda k x x

1, 2,...,xn

J , denklik sınıflarının toplama ve çarpma işlemleri ile değişmeli bir halkadır.

Teorem1.1.7 ( Hilbert Taban Teoremi ) :

(i) I , k x x

1, 2,...,xn

halkasının herhangi bir ideali ise If f1, 2,...,fs olacak şekilde

1, 2,..., s 1, 2,..., n

f f fk x x x polinomları vardır.

(ii) Eğer I1I2  I3 ... In ..., k x x

1, 2,...,xn

halkasındaki ideallerin artan bir zinciri ise ININ1IN2 ... olacak şekilde bir N vardır.

Tanım1.1.8: R bir halka I, R halkasının herhangi bir ideali olsun. R nin

1, 2,..., s

Ia a a olacak şekilde a a1, 2,...,as elemanları varsa I idealine sonlu üretilmiĢ ideal denir.

Tanım1.1.9R değişmeli bir halka ve I1I2   I3 ... In ..., R nin ideallerinin artan bir zinciri olsun. ININ1 IN2 ... olacak şekilde bir N varsa R halkasına

Noetherian Halka denir.

Teorem1.1.10: Aşağıdaki koşullar değişmeli bir R halkası için denktir.

(i) I, R nin herhangi bir ideali ise If f1, 2,..., fs olacak şekilde f f1, 2,...,fsR

(18)

(ii) Eğer I1I2   I3 ... In ..., R nin ideallerinin artan bir zinciri ise

1 2 ...

N N N

II I  olacak şekilde N vardır.

Kanıt: (i)(ii):

1 2 3 ... n ...

II   I I, R nin ideallerinin artan bir zinciri olsun. Böylece

1 n n I I   

kümesi R nin idealidir.

Bu durumda i1, 2,...,s için fiI olduğundan

i

i N

fI olacak şekilde Ni vardır.

1 max i i s N N    olsun.

Dolayısıyla her i1, 2,...,n için fiIN dir. I1I2   I3 ... In ... artan bir zincir

ve 1 n n I I   

olduğundan 1 N n n I I I    

olur.  I IN dir. (ii)(i):

(ii) nin sağlandığını fakat (i) nin sağlanmadığını varsayalım. Yani I R, nin elemanlarının sonlu bir kümesi tarafından üretilmesin. Bu durumda

1, 2,..., s, s 1,...

If f f f olur.

1

fIolsun. O zaman f2f1 olacak şekilde bir f2I vardır. Yani f1 f f1, 2

olur. Benzer şekilde f3f f1, 2 olacak şekilde bir f3I vardır. Buradan

1 1, 2 1, 2, 3

f f f f f f

 

  olur. Bu şekilde devam edilirse

1 1, 2 1, 2, 3 .... 1, 2, 3,..., s 1, 2, 3,..., s, s 1 ....

f f f f f f f f f f f f f f f

     

      şeklinde

artan bir zincir bulunur. Bu (ii) ile çelişir. Dolayısıyla (i) sağlanmalıdır.

Bu durumda R nin Noetherian Halka olması için gerekli ve yeterli koşul R

(19)

Teorem1.1.11: R bir Noetherian Halka ise R x bir Noetherian Halkadır.

 

Kanıt: R bir Noetherian Halka ve J, R x in bir ideali olsun. önceki teoremden J

 

idealinin sonlu üretilmiş olduğunu görmek yeterlidir. Her bir n0 için;

, .

 

0

n

I  r R r J deki n dereceden bir polinomun başkatsayısı  kümesini

tanımlayalım.

n

I kümesinin R nin bir ideali olduğu açıktır. 0

n

  için InIn1 dir. Gerçekten;

1 n

rI ise r , 1 J deki n dereceden bir . p x

 

polinomunun başkatsayısıdır. Yani

 

1 1

 

n

p xr xp x olarak yazılır. Buradan x p x

 

r x1 n1 x p x1

 

olur. Böylece

 

 

t x  x p xJ bulunur ve r1, J deki

n1 .

dereceden bir t x polinomunun

 

başkatsayısıdır.

O halde r1In1 ve InIn1 olur.

R bir Noetherian Halka olduğundan  n N için InIN olacak şekilde bir N vardır. Aynı zamanda Teorem1.1.10 den her bir i

1, 2,...,n

için Ii sonlu üretilmiştir.

1, 2,..., i

i i i it

Ir r r diyelim. Şimdi i1, 2,...,N ve j1, 2,...,ti için fi j, J idealindeki

deki i. dereceden ve başkatsayısı ri j olan bir polinom olsun.

*

1 , 1

i j i

Jf  i N  j t , R x

 

halkasında sonlu üretilmiş bir ideal olsun. Teoremi kanıtlamak için JJ* olduğunu görmek yeterlidir. J* J olduğu açıktır.

fJ ve f n dereceden bir polinom olsun. n üzerinden tümevarımla. fJ*olduğu kanıtlanabilir. f 0 veya n0 ise fI0 dir. Buradan fJ* olur.

0

n olsun. Derecesi n den küçük olan tüm polinomların J* da olduğunu varsayalım.

(20)

Eğer n N ise; rIn olacağından  sj Riçin 1 n t j n j j r s r  

 dir. Bu durumda fn j

polinomunun başkatsayısı rn j olduğundan n dereceden .

1 n t j n j j g s f  

 polinomunun başkatsayısı r dir ve *

gJ dır. fg nin derecesi en fazla n1 olacağından

f  g J dir. Varsayımdan f  g J* elde edilir. Buradan fJ* bulunur. Eğer nN ise r In IN olacağından  sj R için

1 N t j N j j r s r  

 dir. O zaman 1 N t n N j N j j g s xf

  polinomunun derecesi n , başkatsayısı r olup gJ* dır. fg

nin derecesi en fazla n1 olacağından f  g J olur. Varsayımdan f  g J* elde edilir. Buradan fJ* bulunur. Sonuç olarak *

JJ olur. 

Yukarıdaki teorem ve n üzerinden tümevarım kullanılırsa k x x

1, 2,...,x nin bir n

Noetherian Halka olduğu görülür. Bu, Teorem1.1.7 in kanıtıdır.

1.2. Çok DeğiĢkenli Doğrusal Polinomlar Ġçin Ġndirgeme

Bu bölümde her bir i

1, 2,...,s

için f doğrusal polinom olmak üzere i

1 0 , 2 0 ,..., s 0

fff  (1.2.1) denklem sistemi göz önüne alınacaktır. Satır eşelon form indirgeme metodu kullanılacaktır.

Örnek1.2.1: f1  x y z , f2 2x3y2z 

x y z, ,

doğrusal polinomlar olsun.

1, 2 If f idealini ve 0 2 3 2 0 x y z x y z          (1.2.2)

(21)

Bu sistemin katsayılar matrisi üzerinde satır indirgeme metodu kulanılırsa 1 1 1 1 1 1 2 3 2 0 1 4           

    olur. (1.2.2) sisteminin çözümleri,

0 4 0 x y z y z         (1.2.3)

sisteminin çözümleri ile aynıdır. Satır indirgeme yöntemi If f1, 2 ideali için üreteç kümesini değiştirme yoludur. Yapılan satır indirgemesi ile f3  y 4z polinomunun f 1 ve f polinomlarının doğrusal bileşimi olarak yazıldığı görülür. 2

3 2 2 1

fff olduğundan f3f f1, 2I dır. Diğer taraftan f2 2f1f3 olduğundan

2 1, 3

ff f olur. Sonuç olarak If f1, 2f f1, 3 elde edilir.

Bu yöntem I idealinin üreteç kümesini sadeleştirir ve (1.2.2) sisteminin bir çözümünün bulunması için kolaylık sağlar. Bunlar birlikte düşünüldüğü zaman V I variety

 

kümesinin belirlenmesi daha kolay olur.

Tanım1.2.2: Yukarıdaki gibi f1 polinomu kullanılarak f polinomu yerine 2 f 3 polinomunun yazılması yöntemi; f nin 2 f tarafından indirgenmesi olarak adlandırılır 1

ve 1

2 3

f

f f ile gösterilir.

Aslında üretilen yeni f polinomu bir bölme işleminin kalanıdır. 3

Örnek1.2.3: f1  y z f, 2  x 2y3 ,z f3 3x4y 2z

x y z, ,

doğrusal polinomlar olsun. If f1, 2,f3 ideali ve

0 2 3 0 3 4 2 0 y z x y z x y z              (1.2.4)

(22)

Bu sistemin katsayılar matrisinin satır indirgemesi yapılırsa 0 1 1 0 1 1 0 1 1 1 2 3 1 2 3 1 2 3 3 4 2 0 10 7 0 0 17                                   

olur. Böylece yapılan satır indirgemesi

ile f4  17z polinomu üretilmiş olur. İndirgemeler; 2 1 3 10 7 17 f f f  yz z (1.2.5) ile gösterilebilir. Bu f ün sırasıyla 3 f ve 2 f ile bölünmesi anlamına gelir. 1

3 10 1 3 2 17

f   ffz

(1.2.6) olarak elde edilir. Dolayısıyla If f1, 2,f3 ideali için yeni üreteç kümesi

f f1, 2,f4

olarak elde edilir.

Yukarıdaki örneğin çözümünde:

Ġlk Olarak; (1.2.4) sisteminin üçüncü denkleminden, önce x değişkeninin sonra da yeni üçüncü denklemden ydeğişkeninin yok edilmesi yolu seçilmiştir.

Polinomlardaki değişkenler farklı sırada yazılarak

1 , 2 3 2 , 3 2 4 3

f   z y fzyx fzyx şeklinde yazılabilir. Yine satır

indirgeme metodu kullanılır, fakat önce zdeğişkeni sonra da y değişkeni yok edilebilir. Dolayısıyla değişkenlerin hangi sırada yazıldığı önemli değildir. Ancak değişkenleri belli bir sırada yazmak zorunludur. Değişkenler polinom içinde ve matriste farklı sıralanmamalıdır. Örneğimizde değişken sırası x , y, z şeklindedir. Ġkinci Olarak; (1.2.5) deki indirgemeler önce f polinomundan 3 f polinomunun bir 2 katı sonrada 10y7zpolinomundan f polinomunun bir katı çıkarılarak elde edildi. 1

3

f ve 10y7z polinomlarındaki bazı terimlerin yok edilmesinde f ve ve1 f 2 polinomlarının baş terimlerinin kullanılmasının etkisi olmuştur. Burada 17z polinomu

1

(23)

Bir fk x y z

, ,

polinomunun I idealinde olup olmadığı problemine geri dönelim. Eğer fI ise f polinomu I idealinin üreteç kümesindeki elemanların bir doğrusal bileşimi şeklinde ifade edilir. Bu durumda f polinomunun baş terimi 1 x ve f 3 polinomunun baş terimi y olduğundan (1.2.5) deki gibi benzer bir yolla hem f hem de 1

3

f ile bölme kullanılarak herhangi bir f polinomu sadece z değişkenine bağlı bir polinoma indirgenebilir. Ancak sadece z ye bağlı herhangi bir polinom bölme kullanılarak f ve 1 f ile indirgenemez. 3

Bölme, f polinomunu (1.2.6) daki gibi f ve 1 f polinomlarının doğrusal 3 bileşimi ve bir kalanın toplamı olarak yazılmasını sağlar. Böylece;

1, 2 1, 3

f  I f ff f olması için gerekli ve yeterli koşul bu kalanın sıfır olmasıdır.

1.3. Tek DeğiĢkenli Polinomlar Ġçin Ġndirgeme

Bu kısımda k x polinom halkasındaki polinomlar göz önüne alınacaktır ve ilk

 

kısımda bahsedilen problemleri çözmek için Euclide Algoritması kullanılacaktır. Bunu yaparken de k x ile ilgili bazı temel tanımlar ve gösterimler verilecektir. Daha sonra

 

bu tanım ve gösterimler çok değişkenli polinomlara genelleştirilecektir.

Tanım1.3.1: 0 f k x

 

için f polinomundaki x değişkeninin en büyük kuvvetine

f polinomunun derecesi denir ve deg f ile gösterilir.

Tanım1.3.2: 0 f k x

 

için f polinomundaki en büyük dereceli terime f

polinomunun baĢ terimi denir ve lt f ile gösterilir.

 

Tanım1.3.3: 0 f k x

 

için f polinomundaki baş terimin katsayısına f

(24)

Dolayısıyla a a0, ,...,1 ank ve an 0 olmak üzere 1 1 ... 1 0 n n n n fa xa x   a xa ise

 

deg fn, lt f

 

a xn n, lc f

 

an olur. Tanım1.3.4: 1 1 ... 1 0 n n n n fa xa x   a xa ve gb xm mbm1xm1 ... b x b10,

 

 

deg deg

nf  m g olmak üzere iki polinom ise f nin g ile bölünmesinde ilk adım n n m m a x g b

çarpımını f polinomundan çıkarmaktır. Verilen gösterim kullanılarak

bu çarpımda g polinomunun çarpanının

 

 

lt f

lt g olduğu söylenebilir. Dolayısıyla

 

 

lt f

h f g

lt g

   nin ilk kalan olduğu görülür. Bu işleme f polinomunun g polinmu tarafından h polinomuna indirgenmesi denir ve g

f h ile gösterilir. Örnek1.3.5: 3 2

2 2 8

fxxx ve g 2x23x 1 

 

x olsun. f polinomunun g

ile bölümünden elde edilen bölüm 1 7 2 4 qx ve kalan 27 39 4 4 rx olarak bulunur. Dolayısıyla 1 7 27 39 2 4 4 4 f  x g x      olur.

Yukarıda yapılan bölme adımlarını inceleyelim. Önce 1

2x ile g polinomu çarpıldı ve elde edilen çarpım f polinomundan çıkarıldı. Böylece f polinomunu baş terimi yok edilmiş oldu. Sonra elde edilen ilk kalan olan 1 7 2 3

8

2 2 2

h f x g   xx

 

polinomunun baş terimi yok edilip 27 39

4 4

rx kalanı elde edildi.

Az önceki indirgeme gösterimi kullanılarak g g

f  hr şeklinde yazılabilir. Yukarıdaki gibi tekrarlanan indirgeme adımlarının kullanımı g

f r ile

(25)

Teorem1.3.6 k değişmeli bir cisim ve 0g f, k x

 

olsun. Bu durumda f   q g r

ve r0 ya da deg

 

r deg

 

g olacak şekilde tek şekilde belirli q r k x, 

 

vardır. (William W. Adams, Philippe Loustaunau 1994)

ALGORĠTMA 1.3.1Tek DeğiĢkenli Polinomlar Ġçin Bölme Algoritması

Algoritmadaki r polinomu r0 veya g polinomunun derecesinden kesinlikle daha küçük bir dereceye sahip oluncaya kadar döngüdeki adımlar tekrarlanır.

Örnek1.3.7: 3 2

2 2 8

fxxx ve g 2x23x 1 

 

x olsun. f polinomunun

g polinomu ile bölümünden oluşan bölüm ve kalan Algoritma1.3.1 ile bulunabilir.

BAġLANGIÇ: 3 2 : 0 , : 2 2 8 qr  f xxx1. ADIM:

 

 

3 2 1 : 0 2 2 lt r x q q x lt g x     

 

 

3 3 2 2 2 2 7 3 : 2 2 8 2 3 1 8 2 2 2 lt r x r r g x x x x x x x lt g x               

GĠRĠġ: olmak üzere f g k x, 

 

alınsın.

ÇIKIġ: q r k x, 

 

, r0 veya deg

 

r deg

 

g BAġLANGIÇ: q: 0 ; r: f

DÖNGÜ: r0 ve deg

 

g deg

 

r olduğu sürece aşağıdaki işlemler yapılır

 

 

: lt r q q lt g   ,

 

 

: lt r r r g lt g    0 gf   q g r

(26)

2.ADIM:

 

 

2 2 7 1 2 1 7 : 2 2 2 4 x lt r q q x x lt g x       

 

 

2 2 2 2 7 7 3 2 27 39 : 8 2 3 1 2 2 2 4 4 x lt r r r g x x x x x lt g x                  

 

 

deg r   1 2 deg g olduğundan algoritma tamamlanır.

Bölüm 1 7

2 4

qx ve kalan 27 39

4 4

rx olarak elde edilir.

 İki polinom tarafından üretilen idealin üreteç elemanlarından birinin diğerine göre indirgenerek üreteç kümesinin nasıl değiştirilebileceğine bakalım.

,

If g olsun. f gh olduğunu varsayalım.Ih g, olacağını görelim.

 

 

g lt f f h h f g lt g      (*)dir. (*) , , dan

ff gfh g ve gf g,  g h g, dir. Böylece f g,  h g, olur.

(*)

, ,

dan

hh ghf g ve gh g,  g f g, dir. Buradan h g,  f g, olur. Sonuç olarak If g,  h g, bulunur.

Dolayısıyla I idealinin üreteç kümesinde f yerine h yazılabilir ve bu sayede I

idealinin üreteç kümesi değiştirilmiş olur.

Teorem1.3.8: k bir cisim olmak üzere k x polinom halkasındaki her ideal tek bir

 

g

elemanı tarafından üretilmiştir. (William W. Adams, Philippe Loustaunau 1994)

Dikkat edilmelidir ki Teorem1.3.8 deki g polinomu sıfırdan farklı sabit bir çarpan yakınlığında tektir. Aynı zamanda burada

 

g kümesi If f1, 2,...,fs ideali için ‘daha iyi’ bir üreteç kümesidir.

(27)

Örneğin; f10, f2 0,...,fs 0 , i1, 2,...,s , fik x

 

, denklem sisteminin çözüm

kümesi, tam olarak g0 denkleminin çözüm kümesi ile aynıdır. Dolayısıyla

1, 2,..., s

f f fg dir.

Teorem1.3.8 deki g polinomunun nasıl bulunacağını araştıralım.

Ġlk olarak; İki polinom tarafından üretilen Ik x

 

idealini göz önüne alalım.

1, 2 If f olsun. gcd

f f1, 2

g ise; 1 2 , g f ve f yi böler

 Eğer hk x

 

f ve f yi bölüyorsa h g dir 1 2

 

1 dir. lc g  

Önerme1.3.9: f f1, 2 0 olmak üzere f f1, 2k x

 

olsun. O zaman gcd

f f1, 2

vardır

ve f f1, 2  gcd

f f1, 2

dir.

Kanıt: Teorem1.3.8 den f f1, 2g olacak şekilde bir gk x

 

vardır. g sıfırdan farklı bir sabit çarpan yakınlığında tek olduğundan lc g

 

1 varsayılabilir.

1, 2

f fg olduğundan gcd

f f1, 2

g olduğunu göstermeliyiz.

1, 2 1, 2 1 2

f ff fgg f ve g f dir. h polinomu f ve 1 f yi bölen başka bir 2

polinom olsun.

1, 2 1 1 2 2

gf f  g u fu f olacak şekilde u u1, 2k x

 

vardır.

1 , 2 1 1 , 2 2 1 1 2 2 h f h fh u f h u fh u fu fh g. Buradan ggcd

f f1, 2

dir.

1, 2 gcd 1, 2 f f g f f    . 

Sonuç olarak eğer en büyük ortak bölenin bulunması için bir algoritmaya sahipsek aslında f f1, 2 ideali için tek elemanlı bir üreteç kümesi bulabiliriz.

(28)

Lemma1.3.10: f f1, 2k x

 

ve f f1, 2 0 olsun. O zaman  q k x

 

için

1 2

1 2 2

gcd f f, gcd f  q f ,f dir. (William W. Adams, Philippe Loustaunau, 1994) İki polinomun en büyük ortak bölenini bulmak için aşağıda bir algoritma verilmiştir.

ALGORĠTMA 1.3.2 Örnek1.3.11: 3 1 3 2 fxx ve f2x2 1 

 

x olsun. gcd

f f1, 2

Algoritma1.3.2 ile bulunabilir. BAġLANGIÇ: 3 : 3 2 fxx , 2 : 1 gx1.ADIM: 2 1 3 3 2 x 2 2 xx  x 2 : 1 fx  , g:  2x 2 2.ADIM: 2 2 2 2 2 1 x 1 x 0 x      x   : 2 2 f   x , g: 0

 

1 1 : 1 2 f f f x lc f      

GĠRĠġ: olmak üzere f1,f2k x

 

alınsın. ÇIKIġ: f gcd

f f1, 2

BAġLANGIÇ: f : f1, g: f2

DÖNGÜ: g0 olduğu sürece aşağıdaki işlemler yapılır g

f r



, burada r f nin ile bölümünden kalandır.

 

1 : , : , : f g g r f f lc f     1, 2 0 f fg

(29)

0

g olduğundan algoritma tamamlanır. Dolayısıyla gcd

f f1, 2

 x 1 dir.

Ġkinci Olarak; f ler i i1, 2,...,s ve s2 için sıfırdan farklı polinomlar olmak üzere

1, 2,..., s

If f f idealini göz önüne alalım. f f1, 2,...,fs polinomlarının

1 2

gcd f f, ,..., f s ile gösterilen en büyük ortak bölenini hatırlayalım.

1 2

gcd f f, ,...,fsg ise; 1, 2,..., i i s için g f    dir

 Eğer hk x

 

ve  i 1, 2,...,s için h fi ise h g dir

 

1 dir. lc g

Önerme1.3.12: f f1, 2,...,fsk x

 

olsun. O zaman (i) f f1, 2,...,fs  gcd

f f1, 2,..., fs

dir.

(ii) Eğer s3 ise gcd

f f1, 2,...,fs

gcd

f1, gcd

f2,f3,...,fs

dir.

Kanıt: (i): Teorem1.3.8 den f f1, 2,...,fsg olacak şekilde bir gk x

 

vardır. g

sabit bir çarpan yakınlığında tek olduğundan lc g

 

1 olduğu varsayılabilir.

1, 2,..., s

f f fg olduğundan gcd

f f1, 2,..., fs

g olduğu gösterilmelidir.

1, 2,..., s 1, 2,..., s 1, 2,..., i

f f ff f f   i s için g f dir. h , i1, 2,...,s için h fi sağlayan başka bir polinom olsun.

1, 2,..., s 1 1 2 2 ... s s

ggf f f  g u fu f  u f olacak şekilde u u1, 2,...,usk x

 

vardır.

(30)

1 1 2 2 1, 2,..., 1, 2,..., ... i i i s s i s için h f i s için h u f h u f u f u f h g           Buradan g gcd

f f1, 2,..., fs

dir.  f f1, 2,..., fsg  gcd

f f1, 2,...,fs

.

(ii): hgcd

f2,f3,...,fs

olsun. O zaman (i) den f2,f3,...,fsh olur. Buradan

1, 2,..., s 1,

f f ff h bulunur.

(i) den gcd

f f1, 2,...,fs

gcd

f h1,

gcd

f1, gcd

f2,f3,..., fs

olur. 

 

1 0, 2 0,..., s 0 , 1, 2,..., , i

fffis fk x denklem sistemini çözmek için ilk önce g gcd

f f1, 2,..., fs

bulunur. Böylece g0 tek denklemini çözmek yeterli olur.

If f1, 2,...,fs idealinde olup olmadığına karar vermek için ilk önce

1 2

gcd , ,..., s

gf f f bulunmalıdır. Sonra Bölme algoritması kullanılarak f polinomu

g polinomuna bölünür. Bu bölmede f polinomunun If f1, 2,...,fsg idealinde olması için gerekli ve yeterli koşul f polinomunun g polinomu ile bölümünden kalanın sıfır olmasıdır. Bu

(31)

ΙΙ.BÖLÜM

TERĠM SIRALAMALARI VE ĠNDĠRGEMELER

2.1. Terim Sıralamaları

Terim sıralaması kuvvet çarpımları üzerinde bir sıralama belirtmek için önemlidir. Sıralama değişebilir. Fakat hangi sıralamanın kullanıldığı belirtilmek zorundadır. Tek değişkenli durumda en büyük dereceli ilk terim kullanılır. Birden fazla değişkende benzer bir sıralamaya ihtiyaç vardır.

1 2

1 2 ... , 1, 2,...,

n n

n i

Tx x  x   in ile gösterilen kuvvet çarpımları kümesini hatırlayalım. X ile 1 2

1 2 ...

n n

x x  x kuvvet çarpımını gösterilecektir ve burada

1, 2,...,

n n

      şeklinde olacaktır.

Bu çalışma boyunca ‘kuvvet çarpımı’ x değişkenlerinin bir çarpımını ifade i edecektir. ‘Terim’ ise kuvvet çarpımının bir katsayı katını ifade edecektir. Aynı zamanda bir polinomda farklı terimlerin farklı kuvvet çarpımlarına sahip olduğu varsayılacaktır. Dolayısıyla 2

3x y olarak asla 2x y2 x y2 yazılmayacaktır. n

T kümesini sıralamak için bazı yollar vardır. Örneğin tek değişkenli ve doğrusal polinom durumunda sıralama; bir bölme (veya indirgeme) algoritması tanımlamak için kullanılır.

XX ise X X dır. Aynı zamanda

1, 2,..., i i

i n için   ise XX

    dır.

Doğrusal durumda ve tek değişkenli durumda tanımlanan bölmelerde polinomların terimleri artan veya azalan sırada düzenlenmişti. Bu durumdan herhangi iki kuvvet çarpımı karşılaştırabilir. Böylece bir tam sıralama olmak zorundadır. Dolayısıyla X, XTn verildiğinde aşağıdakilerden biri gerçeklenmek zorundadır. X  X, X X , X X

(32)

Tanım2.1.1: n

T üzerinde aşağıdaki iki koşulu sağlayan "" tam sıralamasına terim sıralaması denir.

(i) X 1 olan her X Tn için 1X dır.

(ii) X X ise her XTn için XX XX dir. Aşağıda terim sıralamasının üç örneği verilecektir.

Örnek2.1.2: x1x2 x3 ... xn olmak üzere n T üzerinde

1, 2,...,

,

1, 2,...,

n n n            için; . i i i i

ve içinde soldan itibaren farklı ilk

X X ve koordinatlarının sağlamasıdır             

biçiminde tanımlanan terim sıralaması lexicographical sıralama olarak adlandırılır ve lex (lex) ile gösterilir.

Örneğin iki değişkenli durumda x1 x2 olmak üzere

2 3

2 2 2 1 1 2

1lex xlex xlex xlex xlex x x şeklinde sıralanır.

Değişkenler üzerindeki sıralamanın belirtilmesi gerektiği unutulmamalıdır. Örneğin iki değişkenli durumda x2 x1 olmak üzere

2 2

1 2 2 1 2 1 2

1lex xlex xlex x xlex x xlex x şeklinde sıralanır. Bu örnekte değişkenler üzerindeki sıralamanın önemini vurgulamak için x ve 1 x nin sırası değiştirilmiştir. 2

(33)

Örnek2.1.3: x1x2x3  ... xn olmak üzere T üzerinde n

1, 2,...,

,

1, 2,...,

n n n            için; 1 1 1 2 3 1 1 ... . n n i i İ i n n i i n İ i ya da

X X ise x x x x olmak üzere

lex sıralamasına göre X X olmalıdır

                          

biçiminde tanımlanan terim sıralaması degree lexicographical sıralama olarak adlandırılır ve deglex (deg lex) ile gösterilr.

Örneğin iki değişkenli durumda 2 2

deg 2 deg 1 deg 2 deg 1 2 deg 1

1 lex xlex xlex xlex x xlex x

şeklinde sıralananır.

Örnek2.1.4: x1x2x3  ... xn olmak üzere T üzerinde n

1, 2,...,

,

1, 2,...,

n n n            için; 1 1 1 1 . n n i i İ i n n i i İ i i i i i ya da

X X ise ve içinde sağdan itibaren

farklı ilk ve koordinatları için sağlanmalıdır

                          

biçiminde tanımlanan terim sıralaması degree reverse lexicographical sıralama olarak adlandırılır ve degrevlex (deg revlex) ile gösterilir.

Örnek2.1.5: k x y halkasında deglex ve degrevlex sıralamaları aynı sıralamalardır.

 

, Tanım2.1.6: Her teriminin toplam derecesi aynı olan fk x x

1, 2,...,xn

polinomuna homojen polinom denir.

(34)

Örneğin; 2 2 4 5

fx y zxyz polinomunun her bir teriminin toplam derecesi 5 olduğundan f homojen polinomdur.

Önerme2.1.7: X, XTn için XX ise X X olur. (William W. Adams, Philippe Loustaunau, 1994)

Teorem2.1.8: n

T üzerindeki her terim sıralaması bir iyi sıralamadır. Her ATn ve her XA için X X olacak şekilde XAvardır.

Kanıt: Verilen terim sıralamasının iyi sıralama olmadığını varsayalım.

3

1 2 ...

X X  X  olacak şekilde XiTn vardır.

i1, 2,3,...

3

1 1, 2 1, 2, ....

X  XX  XXX  olduğu açıktır. X1  X2 olduğundan ve

Önerme2.1.7 dan X1 X2 dir. Öyleyse X2 X1 X1 X1,X2

  

3 3

1 , 2

X XX X ve Önerme2.1.7 dan X1 X3 ve X2 X3 dir. Bu

durumda X3 X1,X2 X1,X2 X1,X2,X3

   dir.

Bu şekilde devam edilirse k x x

1, 2,...,x n

halkasında

3

1 1, 2 1, 2, ....

XXXXXX

  

   biçiminde ideallerin bir artan zinciri elde edilir. Bu ideal zincirinde eşitlik olmadığı için zincirde belli bir yerden sonra eşit ifadelerin gelmesi mümkün değildir. Bu da Hilbert Taban Teoremi ile çelişir.

Böylece n

(35)

2.2. Polinomların Ġndirgenmesi Ve Bölme Algoritması

Bu kısımda k x x

1, 2,...,x üzerindeki bölme algoritması ile çalışılacaktır. n

1, 2,..., n

k x x x üzerinde bir terim sıralaması seçilsin.

0 ai k, XiTn

i1, 2,...,r

, X1  X2  ... Xr ve f0 olmak üzere

1, 2,..., n

fk x x x polinomu 1 2 1 2 ... r r fa X a X  a X olarak yazılır. Tanım2.2.1: Yukarıdaki f polinomu ifadesinde ;

f polinomunun en büyük kuvvet çarpımı, lp f

 

X1

f polinomunun baĢ katsayısı, lc f

 

a1

f polinomunun baĢ terimi,

 

1

1 lt fa X olarak tanımlanır. Not: f g k x x, 

1, 2,...,xn

için;

 

 

 

   

   

   

0 0 0 0 lp lc lt lp f g lp f lp g lc f g lc f lc g lt f g lt f lt g            

şeklindedir. Aynı zamanda terim sıralaması değiştirilirse lp f

     

,lc f lt f , değişebilir.

Örnek2.2.2: x y z olmak üzere f 2x yz2 3xy32x3 olsun. Lex sıralamasına göre lp f

 

x3 ,lc f

 

 2 , lt f

 

 2x3 dir.

Deglex sıralamasına göre

 

2

 

 

2

, 2 , 2

lp fx yz lc flt fx yz dir. Degrevlex sıralamasına göre lp f

 

xy lc f3,

 

3 ,lt f

 

3xy3 dir.

Şekil

Updating...

Referanslar

Updating...

Benzer konular :