A Systematic Study of Groebner Basis Methods
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A Systematic Study of Gr¨obner Basis Methods Vom Fachbereich Informatik der Technischen Universit¨at Kaiserslautern genehmigte Habilitationsschrift von Dr. Birgit Reinert Datum der Einreichung: 6. Januar 2003 Datum des wissenschaftlichen Vortrags: 9. Februar 2004 arXiv:0903.2462v2 [math.RA] 29 Mar 2009 Dekan: Prof. Dr. Hans Hagen Habilitationskommission: Vorsitzender: Prof. Dr. Otto Mayer Berichterstatter: Prof. Dr. Klaus E. Madlener Prof. Dr. Teo Mora Prof. Dr. Volker Weispfenning Vorwort Die vorliegende Arbeit ist die Quintessenz meiner Ideen und Erfahrungen, die ich in den letzten Jahren bei meiner Forschung auf dem Gebiet der Gr¨obnerbasen gemacht habe. Meine geistige Heimat war dabei die Arbeitsgruppe von Profes- sor Klaus Madlener an der Technischen Universit¨at Kaiserslautern. Hier habe ich bereits im Studium Bekanntschaft mit der Theorie der Gr¨obnerbasen gemacht und mich w¨ahrend meiner Promotion mit dem Spezialfall dieser Theorie f¨ur Monoid- und Gruppenringe besch¨aftigt. Nach der Promotion konnte ich im Rahmen eines DFG-Forschungsstipendiums zus¨atzlich Problemstellungen und Denkweisen an- derer Arbeitsgruppen kennenlernen - die Arbeitsgruppe von Professor Joachim Neub¨user in Aachen und die Arbeitsgruppe von Professor Theo Mora in Genua. Meine Aufenthalte in diesen Arbeitsgruppen haben meinen Blickwinkel f¨ur weit- ergehende Fragestellungen erweitert. An dieser Stelle m¨ochte ich mich bei allen jenen bedanken, die mich in dieser Zeit begleitet haben und so zum Entstehen und Gelingen dieser Arbeit beigetragen haben. Mein besonderer Dank gilt meinem akademischen Lehrer Professor Klaus Madlener, der meine akademische Ausbildung schon seit dem Grundstudium be- gleitet und meine Denk- und Arbeitsweise wesentlich gepr¨agt hat. Durch ihn habe ich gelernt, mich intensiv mit diesem Thema zu besch¨aftigen und mich dabei nie auf nur einen Blickwinkel zu beschr¨anken. Insbesondere sein weitre- ichenden Literaturkenntnisse und die dadurch immer neu ausgel¨osten Fragen aus verschiedenen Themengebieten bewahrten meine Untersuchungen vor einer gewis- sen Einseitigkeit. Er hat mich gelehrt, selbst¨andig zu arbeiten, Ideen und Papiere zu hinterfragen, mir meine eigene Meinung zu bilden, diese zu verifizieren und auch zu vertreten. Professor Teo Mora und Professor Volker Weispfenning danke ich f¨ur die Ubernahme¨ der weiteren Begutachtungen dieser Arbeit. Professor Teo Mora danke ich insbesondere auch f¨ur die fruchtbare Zeit in seiner Arbeitsgruppe in Genua. Seine Arbeiten und seine Fragen haben meine Untersuchungen zum Zusammenhang zwischen Gr¨obnerbasen in Gruppenringen und dem Todd- Coxeter Ansatz f¨ur Gruppen und die Fragestellungen dieser Arbeit wesentlich gepr¨agt. Meinen Kollegen aus unserer Arbeitsgruppe danke ich f¨ur ihre Diskussionsbe- reitschaft und ihre geduldige Anteilnahme an meinen Gedanken. Insbesondere Andrea Sattler-Klein, Thomas Deiß, Claus-Peter Wirth und Bernd L¨ochner haben immer an mich geglaubt und mich ermutigt, meinen Weg weiter zu gehen. Mit ihnen durfte ich nicht nur Fachliches sondern das Leben teilen. Um eine solche Arbeit fertigzustellen braucht man jedoch nicht nur eine fach- liche Heimat. Mein Mann Joachim hat nie an mir gezweifelt und mich immer unterst¨utzt. Auch nach unserem Umzug nach Rechberghausen hat er mein Pen- deln nach Kaiserslautern und das Brachliegen unseres Haushalts mitgetragen. Ohne meine Eltern Irma und Helmut Weber und meine Patentante Anita Sch¨afer w¨are insbesondere nach der Geburt unserer Tochter Hannah diese Arbeit nie fertiggestellt worden. Sie haben Hannah liebevoll beh¨utet, so dass ich lesen, schreiben und arbeiten konnte, ohne ein schlechtes Gewissen zu haben. Hannah hat von Anfang an gelernt, dass Forschung ein Leben bereichern kann und die Zeit mit ihrer erweiterten Familie und die vielen Reisen nach Kaiserslautern genossen. Gewidmet ist diese Arbeit meiner Mutter, die leider die Fertigstellung nicht mehr erleben durfte, und Hannah, die auch heute noch Geduld aufbringt, wenn ihre Mutter am Computer f¨ur ihre “Schule” arbeitet. Rechberghausen, im August 2004 Birgit Reinert F¨ur meine Mutter und Hannah Contents 1 Introduction 1 1.1 TheHistoryofGr¨obnerBases . 1 1.2 TwoDefinitionsofGr¨obnerBases . 2 1.3 ApplicationsofGr¨obnerBases . 2 1.4 GeneralizationsofGr¨obnerBases . 3 1.5 Gr¨obner Bases in Function Rings – A Guide for Introducing Re- ductionRelationstoAlgebraicStructures. 7 1.6 Applications of Gr¨obner Bases Generalized to Function Rings . 7 1.7 OrganizationoftheContents. 8 2 Basic Definitions 11 2.1 Algebra ................................ 11 2.2 TheNotionofReduction....................... 17 2.3 Gr¨obnerBasesinPolynomialRings . 21 3 Reduction Rings 31 3.1 ReductionRings ........................... 32 3.2 QuotientsofReductionRings . 39 3.3 SumsofReductionRings....................... 42 3.4 ModulesoverReductionRings. 44 3.5 Polynomial Rings over Reduction Rings . 51 4 Function Rings 61 4.1 TheGeneralSetting ......................... 62 4.2 Right Ideals and Right Standard Representations . 66 4.2.1 The Special Case of Function Rings over Fields . 70 4.2.2 Function Rings over Reduction Rings . 99 4.2.3 FunctionRingsovertheIntegers . 117 4.3 Right -Modules ........................... 126 F 4.4 IdealsandStandardRepresentations . 131 4.4.1 The Special Case of Function Rings over Fields . 132 4.4.2 Function Rings over Reduction Rings . 149 4.4.3 FunctionRingsovertheIntegers . 156 4.5 Two-sidedModules .......................... 164 5 Applications of Gr¨obner Bases 167 5.1 NaturalApplications . .. .. 168 5.2 QuotientRings ............................ 174 5.3 Elimination Theory . 179 5.4 PolynomialMappings. .. .. 186 5.5 Systems of One-sided Linear Equations in Function Rings over the Integers ................................ 189 6 Conclusions 195 Chapter 1 Introduction One of the amazing features of computers is the ability to do extensive computa- tions impossible to be done by hand. This enables to overcome the boundaries of constructive algebra as proposed by mathematicians as Kronecker. He demanded that definitions of mathematical objects should be given in such a way that it is possible to decide in a finite number of steps whether a definition applies to an object. While in the beginning computers were used to do incredible numerical calculations, a new dimension was added when they were used to do symboli- cal mathematical manipulations substantial to many fields in mathematics and physics. These new possibilities led to open up whole new areas of mathematics and computer science. In the wake of these developments has come a new access to abstract algebra in a computational fashion – computer algebra. One impor- tant contribution to this field which is the subject of this work is the theory of Gr¨obner bases – the result of Buchberger’s algorithm for manipulating systems of polynomials. 1.1 The History of Gr¨obner Bases In 1965 Buchberger introduced the theory of Gr¨obner bases1 for polynomial ideals in commutative polynomial rings over fields [Buc65, Buc70]. Let K[X1,...,Xn] be a polynomial ring over a computable field K and i an ideal in K[X1,...,Xn]. Then the quotient K[X1,...,Xn]/i is a K-algebra. If this quotient is zero-dimensional i1 in the algebra has a finite basis consisting of power products X1 ...Xn . This was the starting point for Buchberger’s PhD thesis. His advisor Wolfgang Gr¨obner wanted to compute the multiplication table and had suggested a procedure for zero-dimensional ideals, for which termination conditions were lacking. The result of Buchberger’s studies then was a terminating algorithm which turned a basis of an ideal into a special basis which allowed to solve Gr¨obner’s question of writing 1Note that similar concepts appear in a paper of Hironaka where the notion of a complete set of polynomials is called a standard basis [Hir64]. 2 Chapter 1 - Introduction down an explicit multiplication for the multiplication table of the quotient in the zero-dimensional case and was even applicable to arbitrary polynomial ideals. Buchberger called these special bases of ideals Gr¨obner bases. 1.2 Two Definitions of Gr¨obner Bases In literature there are two main ways to define Gr¨obner bases in polynomial rings over fields. They both require an admissible2 ordering on the set of terms. With respect to such an ordering, given a polynomial f the maximal term occurring in f is called the head term denoted by HT(f). One way to characterize Gr¨obner bases in an algebraic fashion is to use the con- i1 in j1 jn cept of term division: A term X1 ...Xn is said to divide another term X1 ...Xn if and only if il jl for all 1 l n. Then a set G of polynomials is called a Gr¨obner basis of≤ the ideal i it generates≤ ≤ if and only if for every f in i there exists a polynomial g G such that HT(g) divides HT(f). ∈ Another way to define Gr¨obner bases in polynomial rings is to establish a rewriting approach to the theory of polynomial ideals. Polynomials can be used as rules by using the largest monomial according to the admissible ordering as a left hand side of a rule. Then a term is reducible by a polynomial as a rule if the head term of the polynomial divides the term. A Gr¨obner basis G then is a set of polynomials such that every polynomial in the polynomial ring has a unique normal form with respect to this reduction relation using the polynomials in G as rules (especially the polynomials in the ideal generated by G reduce to zero using G). Of course both definitions coincide for polynomial rings since the reduction rela- tion defined by Buchberger can be compared to division of one polynomial by a set of finitely many polynomials. 1.3 Applications of Gr¨obner Bases The method of Gr¨obner bases allows to solve many problems related to poly- nomial ideals in a computational fashion. It was shown by Hilbert (compare Hilbert’s basis theorem) that every ideal in a polynomial ring has a finite gen- erating set. However, an arbitrary finite generating set need not provide much 2 2 insight into the nature of the ideal. Let f1 = X1 + X2 and f2 = X1 + X3 be two 3 polynomials in the polynomial ring Q[X1,X2,X3].