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<!-- LOS DOMINIOS EUCLÍDEOS, DIPS, DFUS -->
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{{navegar|libro=Álgebra Abstracta
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}}
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== Introducción ==
El anillo de los Enteros es un dominio (de integridad)  con algunas propiedades muy interesantes tales como la división euclídea, la factorización de manera única en primos y que  sus ideales son todos principales.

Analizaremos dichas propiedades y sus relaciones. Para hacer lo anterior, estudiaremos tres categorías de dominios: dominios euclídeos (que tienen algo parecido al resultado de algoritmo de la división de Euclides), dominios de ideales principales (DIPs) y dominios de factorización única (DFUs).

Tal estudio estará fundamentado principalmente en las relaciones de divisibilidad y las propiedades de primos e irreducibles.

Veremos que, en general, se cumple que dominios euclídeos son DIPS y que los DIPs son DFUs, lo que se ilustra en la figura siguiente. En la última sección,  mostraremos que las relaciones de inclusión entre esas clases son estrictas, es decir hay DIPs que no son euclídeos y DFU que no son DIPs.

<center>
[[Archivo:TiposDeDominios.jpg|250px]]
</center>

Nuestros principales ejemplos  serán los Enteros, los anillos de polinomios sobre un cuerpo y los subanillos de los Complejos de la forma
<center><math>\Z[m] = \{ a + b\sqrt{m}:  a, b \in \Z,  m \text{ un entero que no es un cuadrado}\}.</math></center>
Resultará muy interesante ver que la aritmética en esos últimos dominios es dependiente del entero <math>m.</math>  En algunos casos, por ejemplo tendremos que irreducibles siempre será primos, pero en otros no.

Hay una sección completa dedicada a  los Enteros Gaussianos,   <math>\Z[i],</math>. Además de proveernos  con una serie de interesantes y bellos resultados, es una muestra del genio de Gauss.

En este capítulo, para indicar que <math>a</math> y <math>b</math> son asociados, escribiremos <math>a \sim b.</math>

== Los Dominios de Factorización Única, DFUs ==

Recordemos que llamamos <i>dominio de factorización única</i> a un dominio donde cada elemento no nulo que no es una unidad puede escribirse como un producto de irreducibles, donde los irreducibles y las veces que aparecen son únicas, excepto por asociados. Decimos que ese producto es una <i>descomposición</i> del elemento en producto de irreducibles. Esto quiere decir que, <math>D</math> es un DFU, ssi,
<ol type="i">
<li>   cada elemento de <math>D</math> que no es ni nulo ni unidad,  es un producto de elementos irreducibles, y
<li>  si <math>a_1a_2 \dots a_m = b_1 \cdots b_n</math> donde los <math>a_i</math>'s y los <math>b_j</math>'s son irreducibles, se cumple que <math>m=n,</math> y que, eventualmente después de una reenumeración de los <math>b_j</math>'s, se cumplirá que <math>a_i \sim b_i.</math>
</ol>

Nuestro ejemplo primero son los Enteros, <math>\Z,</math> donde el Teorema Fundamental de la Aritmética establece precisamente que se trata de un DFU.

<b>Observación. </b> Supongamos que el conjunto de elementos irreducibles de <math>D</math> se haya particionado de acuerdo a las clases de equivalencia de la relación "es asociado con".  En algunos casos, hay una manera natural de seleccionar un representante de cada clase. En tales casos, se puede utilizar dichos representantes para eliminar la referencia a asociados en el enunciado de la descomposición en producto de irreducibles.

<ol>
<li>El anillo <math>\Z</math> es un DFU. Sigue, de la definición general de irreducible, que si <math>p</math> es irreducible también lo es <math>-p</math> y no hay otro asociado con él. Podemos seleccionar como representante de la clase al  número positivo de la clase. <br />

<li>  El anillo <math>k[X]</math> de los polinomios con coeficientes en un cuerpo es un DFU (ver el Teorema A del capítulo [[../Factorización de Polinomios|La Factorización de Polinomios]]). En cada clase de equivalencia, siempre hay un polinomio  mónico, al que podemos usar como representante predilecto de la clase.
</ol>
<hr>
{{Res|<b>Irreducibles en un DFU son primos </b>}}
Sabemos que en un dominio cualquiera los elementos primos son irreducibles. Hemos visto ejemplos de dominios donde hay elementos irreducibles que no son primos, ver también en el ejemplo  A de la sección de [[Álgebra/Álgebra Abstracta (Primer Curso)/Contenidos#Contraejemplos|Contraejemplos]]. Sin embargo, cuando el dominio es DFU, se cumple que todos los irreducibles son primos como vimos en la proposición 2 del capítulo  [[../Factorización de Polinomios|La Factorización de Polinomios]].

El siguiente lema será usado más adelante.

<b>Lema A. </b> <i>
Sea <math>p</math> un irreducible tal que <math>p^r,</math> <math>r >0,</math> divide a un elemento <math>a</math> de un DFU <math>D.</math> Entonces, <math>p^r</math> (o un asociado) aparece en cualquier descomposición en irreducibles de <math>a.</math>
</i>
<ul> <i>
Demostración </i>  La hipótesis implica que hay un elemento <math>c</math> de <math>D</math> tal que <math>p^rc =a.</math> Descomponiendo <math>c,</math>  por la unicidad de la descomposición, tenemos que <math>p^r</math> (o un asociado) aparece en la descomposición de <math>a.</math>
{{QED}} </ul> <hr>

<b>Proposición 1. (Existencia de <i>mcd</i> y <i>mcm</i>)  </b>   <i> 
<!-- {propExMCDMCM} -->
Sea <math>D</math> un DFU. Dos elementos no nulos siempre tienen mcd y mcm.
</i>
<ul> <i> Demostración </i>
(La demostración es el proceso usual para calcular el mcd  y el mcm de dos números enteros cuando se conoce sus factorizaciones en números primos.) Sean <math>a</math> y <math>b</math> dos elementos no nulos de <math>D.</math>  Sean <math>p_1, p_2, \ldots, p_m</math> la reunión de los irreducibles que aparecen en la descomposición de <math>a</math> con los irreducibles que aparecen en la descomposición de <math>b.</math> Entonces, podemos poner que
<center><math>a= p_1^{r_1} p_2^{r_2} \cdots p_m^{r_m}  \text{ y que }
b= p_1^{s_1} p_2^{s_2} \cdots p_m^{s_m}. </math></center>
donde los <math>r_i</math>'s y <math>s_i</math>'s pueden ser positivos o cero (cero cuando el irreducible no aparecía en la descomposición en irreducibles del elemento).  Sea <math>t_i = \min\{r_i, s_i\},</math> <math>1 \le i \le m.</math>  Entonces,
<math>c =  p_1^{t_1} p_2^{t_2} \cdots p_m^{t_m}</math> es un mcd de <math>a</math> y <math>b.</math>

Análogamente, pero usando el mayor exponente en cada descomposición, obtenemos el mcm; dejaremos al cuidado de lector la verificación de lo anterior.
{{QED}} </ul> <hr>

En el ejemplo B de la sección de [[Álgebra/Álgebra Abstracta (Primer Curso)/Contenidos#Contraejemplos|Contraejemplos]],  se muestra que <math>\Z[\sqrt{-5}]</math> es un dominio donde hay mcd de dos elementos, pero no mcm, por lo que ese dominio no puede ser un DFU,

=== Caracterización de los DFU ===
El objetivo de esta sección es obtener una caracterización de los DFU usando que irreducibles son primos y que se cumple la llamada <i>condición de cadenas finitas de divisores propios</i> que veremos a continuación

<b>Cadenas Finitas de Divisores Propios</b>

¿Cuántos divisores o factores propios tiene un elemento cualquiera?
(Un <i>divisor propio</i> de un elemento es un divisor del elemento que no es una unidad o un asociado del elemento.)

Veamos la situación en un DFU.
Sea <math>a</math> un elemento que no es una unidad y sea <math>b</math> un divisor propio de <math>a.</math> Entonces, hay un <math>c</math> tal que   <math>a=bc.</math> Sean <math>a=p_1\cdots p_r,</math> <math>b=p_1' \dots p_s' </math> y <math>c=p_1''\dots p_''</math> las descomposiciones de <math>a,</math> <math>b</math> y <math>c,</math> respectivamente.
Entonces,
<center><math>p_1\cdots p_r = p_1' \dots p_s'p_1''\dots p_t''</math></center>.
Sigue de la unicidad que cada uno de los <math>p_j'</math> debe aparecer en el lado izquierdo, es decir que hay un <math>p_{i_j} \sim p_j',</math> por lo que
<math>b \sim p_{i_1} \dots p_{i_s}.</math>
Es decir que cada factor propio está formado por un producto finito de los factores irreducibles de <math>a.</math>  Por lo tanto, la cantidad total de factores de un elemento cualquiera es finita.  Por lo que se cumple la siguiente proposición.

<b>Proposición  2.</b> <i> En un DFU no hay una sucesión infinita de elementos <math>a_i</math> tales que cada <math>a_{i+1}</math> sea un factor propio de <math>a_i.</math>
</i>

{{Marco|Llamamos<b><i> condición de cadenas finitas de divisores propios</i></b> a la propiedad de la proposición.}}
El siguiente enunciado es una forma equivalente para la condición.
{{Marco|(CFD)  En cualquier sucesión <math>(a_i)</math> de elementos de <math>D</math> tal que <math>a_{i+1}|a_i,</math> hay un <math>k</math> tal que <math>n >k</math> implica que <math>a_n \sim a_k.</math>
}}

Usando esa noción, tenemos   la siguiente proposición  caracterizando a los  DFUs. La demostración será una simple abstracción de una de las pruebas clásicas del Teorema Fundamental de la Aritmética.

<b>Proposición 3.</b><i> <!-- {propCar1UFD} --> Sea <math>D</math> un dominio cualquiera. Entonces, <math>D</math> es un DFU, ssi, <ol type = "a">
<li>cada irreducible es primo y
<li>  se cumple la condición de cadenas finitas de divisores propios.
</ol>
</i>
<ul> <i>
Demostración </i> La necesidad de las condiciones ha sido probada con anterioridad,  por lo tanto, solamente tenemos que probar que son suficientes.

Primeramente, probaremos que para cada elemento  <math>a</math>  no nulo y que no sea una unidad, tiene un factor irreducible, usando la condición de cadenas finitas. Si <math>a</math> es irreducible, no tenemos nada que probar. Si <math>a</math> no es irreducible, <math>a=a_1a_1'</math> donde ni <math>a_1</math> ni <math>a_1'</math> son unidades. Si alguno de ellos es irreducible, hemos hallado el factor irreducible. En caso contrario, <math>a_1=a_2a_2',</math> donde ninguno de los factores es una unidad. Si uno de ellos es irreducible, hemos hallado el factor irreducible. Continuando de esta manera generamos una sucesión <math>a,a_1, a_2, \dots, </math> tal que cada elemento es un divisor propio del anterior, excepto por <math>a.</math>  Por la condición de cadenas, el proceso se acaba, lo que muestra que el término donde la sucesión se estabiliza debe ser irreducible (ya que no tiene divisores propios).<br/>

Veamos la existencia de la descomposición en irreducibles. Sea <math>a</math> un  elemento no nulo que no es una unidad.  Por lo probado anteriormente, <math>a</math> tiene un factor irreducible digamos <math>p_1,</math> por lo que <math>a=p_1a_1</math> para un cierto elemento <math>a_1.</math> Si <math>a_1</math> fuera una unidad, habríamos hallado nuestra descomposición. En caso contrario, <math>a_1</math> no es una unidad, por lo que tiene un factor <math>p_2</math> irreducible tal que <math>a_1=p_2a_2.</math> Si  <math>a_2</math> fuera unidad, habríamos hallado la descomposición. En caso contrario, buscaríamos un factor irreducible <math>p_3</math> de <math>a_2.</math>  Este proceso acaba en un número finito de pasos, ya que la sucesión <math>p_1, p_2, \ldots, p_s</math> genera una cadena de divisores propios
<center><math>p_s\,|\,p_sp_{s-1}| \cdots|  p_s \cdots p_2|p_s \dots p_2 p_1 =a,</math></center>
la que no puede ser infinita por la hipótesis (ii).

(Unicidad) Aquí usaremos que irreducibles son primos. Supongamos que tenemos dos descomposiciones que producen el mismo elemento. Digamos que
{{Eqn|<math>a p_1 p_2 \ldots p_s =  b q_1 q_2 \cdots q_t,</math>|*}}
donde los <math>p_i</math>'s  y los <math>q_j</math>'s son irreducibles, y <math>a</math> y <math>b</math> son unidades.
Como  irreducibles son primos, <math>p_1</math> es un primo que divide al producto de la derecha y, por lo tanto, divide a uno de ellos, digamos a <math>q_{j_1}.</math> Como ambos, <math>p_1</math> y <math>q_{j_1}</math> son irreducibles, deben ser asociados. Por reenumeración de los <math>q_j,</math> podemos suponer que <math>q_1= q_{j_1}.</math> Por ser <math>q_1 \sim p_1,</math>  <math>q_{1} = u_1p_1,</math> donde <math>u_1</math> es una unidad. Cancelando el factor común <math>p_1</math> en ambos lados de (*), obtenemos que
{{Eqn|<math>ap_2\ldots p_s = bu_1q_2 \cdots q_t.</math>|**}}
Repitiendo el proceso anterior cancelamos, <math>p_2</math> con <math>q_2,</math> posiblemente después de otra reenumeración.  Así, cancelaremos todos los irreducibles de la izquierda, ya que un irreducible no puede dividir a una unidad. Esto prueba que <math>s \le t.</math> Pero, por la misma razón, no puede haber irreducibles a la derecha. Luego, <math>s=t,</math> y cada irreducible de un lado es asociado de uno en el otro lado.
 {{QED}} </ul> <hr>

<b>Otra caracterización de los UFD</b>

Veremos, a continuación, otra caracterización de los UFD  usando la existencia de mcds en lugar de que los irreducibles sean primos.

Necesitaremos algunas propiedades de los MCD que revisaremos a continuación.

Sea <math>D</math> un dominio tal que dos elementos no nulos siempre tienen MCD.

<b>Lema B. </b> <i>
Cualquier cantidad  finita de elementos no nulos, tiene un MCD.
</i>
<ul> <i>
Demostración </i> Sea <math>A = \{a_1, \ldots, a_m\}</math> un conjunto finito de elementos de <math>D.</math>  Si <math>m=2,</math> por la hipótesis hay un mcd de los elementos de <math>A.</math>  Supongamos el resultado válido para conjuntos con <math>k</math> elementos. Consideremos ahora el caso en que <math>m=k+1.</math>  Por hipótesis hay un <math>e = \text{mcd}\{a_1, \ldots, a_k\}</math> y un <math>f= \text{mcd}\{e, a_{k+1}\}.</math> Claramente, <math>f</math> es un divisor común de todos los <math>a_i</math>'s.  Sea <math>g</math>  un divisor común de todos los <math>a_i,</math>. tenemos, entonces que <math>g</math> divide a <math>e</math> y, en consecuencia, a <math>f</math>. Luego, <math>f</math> es un mcd buscado.
{{QED}} </ul> <hr>

<b>Lema C. (Asociatividad del MCD) </b> <i>
<math>\text{mcd}\{a,\text{mcd}\{b,c\}\} \sim \text{mcd}\{\text{mcd}\{a,b\}c\}.</math>
</i>
<ul> <i>
Demostración </i> Basta notar que ambos elementos son  mcd de los elementos del conjunto  <math>\{a,b,c\}.</math>
{{QED}} </ul> <hr>

<b>Lema D. </b> <i> <math>\text{mcd}\{ca,cb\} \sim c\,\text{mcd}\{a,b\}</math> </i>
<ul> <i>
Demostración </i> Sea <math>d = \text{mcd}\{a,b\}</math> y <math>e=  \text{mcd}\{ca,cb\}.</math>
Entonces, <math>cd|ca, cb,</math> por lo que <math>cd|e.</math>  Luego <math>e=cdu,</math> para algún <math>u</math> de <math>D.</math>  Hay un <math>x</math> tal que <math>ca =ex= cdux.</math> Luego, <math>a=dux,</math> por lo que <math>du|a</math>; análogamente, <math>du|b.</math> Luego <math>du | d,</math> lo que implica que <math>u</math> es una unidad. Es decir que <math>e \sim cd,</math>
{{QED}} </ul> <hr>

<b>Lema E. </b> <i> <!-- {lema12-4} -->
Si <math>\text{mcd}\{a,b\} \sim 1</math> y <math>\text{mcd}\{a,c\} \sim 1,</math> entonces, <math>\text{mcd}\{a,bc\} \sim 1.</math>
</i>
<ul> <i>
Demostración </i> Si <math>\text{mcd}\{a,b\} \sim 1,</math> el lema anterior, implica que <math>\text{mcd}\{ca, bc\} \sim c.</math> Además,  <math>\text{mcd}\{a, ac\} \sim a.</math> Luego,
<center><math>
\text{mcd}\{a,bc\} \sim \text{mcd}\{\text{mcd}\{a,ac\}, bc\} \sim \text{mcd}\{a, \text{mcd}\{ac,bc\}\}\sim \text{mcd}\{a,c\} \sim 1.
</math></center>
{{QED}} </ul> <hr>

La siguiente proposición muestra que la condición de que los irreducibles sean primos es equivalente a que haya mcd de elementos.

<b>Proposición 4.</b>   <i>  Sea <math>D</math> un dominio cualquiera donde  dos elementos no nulos cualesquiera tienen un mcd. Entonces, cada irreducible es primo.
</i>
<ul> <i>
Demostración </i> Sea <math>q</math> un elemento irreducible de <math>D</math> tal que <math>q|ab.</math> Supongamos que <math>q \nmid a</math> y que <math>q \nmid b.</math> Como <math>q</math> es irreducible, lo anterior implica que  <math>\text{mcd}\{q,a\} \sim 1</math> y <math>\text{mcd}\{q,b\} \sim 1.</math> Por el lema E, <math>\text{mcd}\{q,ab\} =1,</math> lo que implica que <math>q \nmid ab.</math> Lo que contradice la hipótesis sobre <math>q</math>. Luego, <math>q</math> debe dividir a <math>a</math> o a <math>b.</math>, o sea que es un elemento primo.
{{QED}} </ul> <hr>

Tenemos, en forma inmediata, el siguiente resultado.

<b>Corolario 4.1.  (Segunda caracterización de los UFD) </b><i>
Un dominio es DFU, ssi,
:(i). cada par de elementos tiene MCD y
:(ii)  se cumple la condición de cadenas finitas de divisores propios.
</i>

{{Res| <math>D[X]</math> es UFD, cuando <math>D</math> lo es.}}
Este resultado fue probado  en el teorema A del
capítulo [[../Factorización de Polinomios|20]]. Tiene importantes consecuencias como que <math>\Z[X]</math> y <math>k[X],</math> <math>k</math> cuerpo, son DFUs.  Por inducción, sigue entonces que <math>\Z[X_1, X_2, X_3, \dots]</math> y <math>k[X_1,X_2,X_3, \dots]</math>  (polinomios en varias indeterminadas) son DFUs.

=== Ejercicios  ===
<ol>
<li>  Probar que la relación "ser asociado con" es una relación de equivalencia.

<li>  Sea <math>D</math> un DFU. Probar que si <math>d \sim \text{mcd}\{a_1, a_2, \ldots, a_n\}</math>  entonces  <math>\text{mcd}\{a_1/d, a_2/d,  \ldots, a_n/d\},</math> donde <math>x/y</math> es el elemento <math>z</math> tal que <math>yz=x,</math> cuando <math>y|x.</math>

<li>  Sea <math>D</math> un DFU. Sean <math>a,b,c</math> elementos de <math>D.</math> Probar que si <math>\text{mcd}{a,b} \sim 1</math> y que <math>a|bc,</math> entonces <math>a|c.</math>

<li>   Escribir la prueba de que cuando <math>D</math> es un DFU, entonces también lo es el anillo de polinomios sobre <math>D</math>  en <math>n</math> indeterminadas, <math>D[X_1,X_2, \dots,X_n].</math>

</ol>

==  Los Dominios de Ideales Principales  ==

Recordemos que llamamos <i>dominio de ideales principales, DIP</i> a un dominio tal que  cada ideal propio está generado por un elemento. Notemos que los cuerpos son trivialmente DIPS. También sabemos que <math>\Z</math> y
<math>k[X]</math> son DIPS (ver la proposición 19.2).

<b>Proposición 5.</b>   <i>  <!-- {propIrrePrimo} --> Sea <math>D</math> un DIP. Sea <math>x</math> un elemento no nulo  de <math>D.</math> Las siguientes propiedades son equivalentes:
<ol type = "i">
<li>  <math>x</math> es primo;
<li>  <math>x</math> es irreducible;
<li>  El ideal <math>\langle x \rangle</math> es maximal, por lo que <math>D/\langle x \rangle</math> es un cuerpo.
</ol>
</i>
<ul> <i>
Demostración </i>  La implicación (i) <math>\implies</math> (ii) es general, ver la proposición 17.4.

((ii) <math>\implies</math> (iii))  Supongamos que <math>x</math> es un elemento irreducible de <math>D</math> y sea <math>y</math> tal que <math>\langle x \rangle \subset \langle y \rangle.</math> Si <math>x=yz</math> entonces <math>y</math> o <math>z</math> es un unidad.  Si <math>z</math> es un unidad, <math>x</math> y <math>y</math> son asociados, por lo que <math>\langle y \rangle = \langle x \rangle.</math> En caso contrario, <math>y</math> es una unidad, por lo que <math>\langle y \rangle = D.</math> Lo que prueba que el ideal <math>\langle x \rangle</math> es maximal.

((iii) <math>\implies</math> (i))
Suponer que <math>I=\langle x \rangle</math> es un ideal maximal del dominio <math>D.</math> Entonces, <math>D/I</math> es un cuerpo, por la proposición 17.6  Como cuerpos son dominios, el ideal <math>I</math> es primo (proposición 17.7). Sigue, entonces, de la proposición 17.8 que <math>x</math> es primo.
{{QED}} </ul> <hr>

Sea <math>a</math> un divisor propio de <math>b,</math> entonces <math>b=ac,</math> lo que implica que <math>b</math> está en <math>\langle a \rangle.</math>  Si <math>a</math> estuviera en <math>\langle b \rangle,</math> <math>b</math> dividiría a <math>a,</math> por lo que <math>a</math> y <math>b</math> serían asociados.  Luego, cuando <math>a</math> es un divisor propio de <math>b,</math> <math>\langle b \rangle</math> es un subconjunto propio de <math>\langle a \rangle.</math>

Sigue de la discusión anterior, que la condición de cadenas finitas de divisores propios es equivalente, en un DIP, a la siguiente condición:

{{Marco|<center><b>Condición Noetheriana</b></center>
Un dominio satisface la condición noetheriana <ref>Emmy Amalie Noether, (1982-1935)</ref>, ssi, no hay una cadena infinita de ideales.
<center><math>I_1 \varsubsetneq I_2\varsubsetneq \dots  \varsubsetneq I_n \varsubsetneq \dots</math></center>
Equivalente, toda cadena de ideales ascendentes es finita.}}

<b>Proposición 6.</b>  <i>  <!-- {propDIPSNoether} -->
DIPS satisfacen la condición noetheriana.
</i>
<ul> <i>
Demostración </i> Sea <math>I_1 \subset I_2 \subset \dots  \subset I_n \subset</math> una cadena ascendente de ideales tales que <math>I_j = \langle a_j \rangle.</math>
Sea <math>I</math> la reunión de todos los <math>I_k,</math> <math>k=1,2,\dots,</math> es decir que
<center><math>I = \{x \in D : x \in I_j, \quad\text{ para algún } j\}.</math></center>
Veamos que <math>I</math> es un ideal. Sean <math>x,</math> <math>y</math> en <math>I.</math> Por definición de reunion, hay <math>j,</math> <math>k</math> tales que <math>x</math> está en un <math>I_j</math> y <math>y</math> está en <math>I_k.</math> Sea <math>s=\max\{j,k\},</math> entonces como <math>I_j</math> e <math>I_k</math> son subconjuntos de <math>I_s</math> tenemos que <math>x,y</math> están ambos en <math>I_s.</math> Como <math>I_s</math> es ideal, tenemos que <math>x-y</math> está en <math>I_s</math> y que <math>zx</math> está en <math>I_s</math> para todo <math>z</math> en <math>D.</math> Por lo tanto, esos elementos están en <math>I,</math> por lo que <math>I</math> es un ideal. Como <math>D</math> es DIP, hay un <math>d</math> tal que <math>I = \langle d \rangle.</math> Supongamos que <math>d</math> esté en <math>I_m.</math> Entonces, <math>I = \langle d \rangle \subset I_m,</math> pero como <math>I</math> es la reunión de los <math>I_j,</math> <math>I_m \subset I.</math> Luego, <math>I=I_m.</math> Por lo tanto, para todo <math>n > m</math> se tiene que <math>I= I_m \subset I_n \subset I,</math> por lo que <math>I_n=I_m.</math>
 {{QED}} </ul> <hr>

Como lo anterior implica que se cumple la condición de cadena finita de divisores y que los irreducibles son primos, concluimos que

<b>Proposición 7.</b>   <i>
Los DIPs son DFUs.
</i>

La siguiente proposición es la generalización del teorema de Bezout para los Enteros--- dados dos enteros no nulos, podemos expresar el mcd de ellos  como una combinación lineal de dicho enteros.

<b>Proposición 10. (Teorema de Bezout)</b>   <i> <!-- {teoBezout}  -->
Sea <math>D</math> un DIP y sean <math>a</math> y <math>b</math> elementos no nulos de <math>D.</math> Entonces, hay un elemento <math>d</math> que es un mcd de <math>a</math> y <math>b.</math> Además, hay elementos <math>x,</math> <math>y</math> tales que
<center><math>d = ax + by.</math></center>
</i>
<ul> <i>
Demostración: </i>  Sean <math>a</math> y <math>b</math> elementos no nulos de un DIP <math>D.</math> Sea <math>I</math> el ideal generado por dichos elementos, o sea <math>I = \langle a,b\rangle.</math>  Como todos los ideales de <math>D</math> son principales hay un generador <math>d</math> del ideal, o sea <math>I= \langle d\rangle.</math> Por estar <math>a</math> y <math>b</math> en <math>I,</math> tenemos que <math>d</math> es un divisor común de ambos. Por estar <math>d</math> en <math>D</math> hay elementos <math>x,</math> <math>y</math> del anillo tales que
{{Eqn|<math>ax + by = d. </math>|*}}
Si <math>e</math> es cualquier divisor común de <math>a</math> y <math>b,</math> la relación (*) implica que <math>e</math> divide a <math>d.</math> Luego, <math>d</math> es un máximo  común divisor de <math>a</math> y <math>b.</math>
{{QED}} </ul> <hr>

=== Ejercicios ===

<ol>
<li> <!-- {exMCM} --> Sean <math>a</math> y <math>b</math> elementos de un DIP. Probar que el generador <math>m</math> del ideal <math>\langle a \rangle \cap \langle b \rangle</math> es un mcm de <math>a</math> y <math>b.</math>

<li>     Sea <math>p</math> un entero primo. Sea
<math>D_p = \{a/b \in \Q: \text{mcd}(a,b)=1,b=p^k \text{ para algún } k \ge 0. \}.</math>  Probar que <math>D_p</math> es un DIP.

<li>  Sea <math>D= \Z[\sqrt{2}] = \{ a + b \sqrt{2}; A, b \in \Z \}.</math> Sea <math>J = \langle 2 \rangle.</math> Describir la estructura de <math>D/J</math> (Escribir su tabla de multiplicación).  Hallar un ideal maximal de <math>D/J.</math>

<li>   Sea <math>A =\{ \begin{bmatrix} a & 0 \\ 0 & b \end{bmatrix} : a , b \in \Z\}.</math>  Probar que cada ideal de <math>A</math> es principal. Hallar los ideales primos y maximales y verificar que no todos los ideales primos son maximales.

<li>   Sea <math>D</math> un DIP. Probar que un ideal primo es o <math>\{0\}</math> o <math>D</math> o un ideal maximal.


</ol>

== Los Dominios Euclídeos ==

Dijimos en la introducción que los dominios euclídeos representan la abstracción de la división euclídea en los Enteros. A continuación, tendremos la definición formal.

<div style="background: rgb(240,240,240); border: 1px solid navy; width:80%; margin:10pt 80pt 10pt 50pt; padding: 1.5ex; font-family: Arial; font-style: italic;" class="theorem">
<span style="font-family: Arial; font-weight:bold; font-style: normal;">Definición. ({Dominio Euclídeo)</span>
Sea <math>D</math> un dominio. Decimos que <math>D</math> es un <b><i>dominio euclídeo</i></b>, ssi, hay una función <math>\phi: D \setminus \{0\}  \longrightarrow \Z</math> (llamada el <b>tamaño</b>  o  la <b>norma euclídea</b>) tal que
<ol type="i">
<li>    Si  <math>a|b,</math> <math>b \neq 0,</math> entonces <math>\phi(a) \leq  \phi(b),</math> y
<li> Para todo a,b en <math>D,</math> <math>b \neq 0,</math> hay  elementos <math>q</math> y <math>r</math> tales que     <center><math>a = qb + r</math></center>
con <math>r</math> tal que <math>\phi(r) < \phi(b)</math> o <math>r = 0.</math>
</ol>
</div>

Supongamos que <math>D</math> es un dominio euclídeo con  "tamaño" <math>\phi.</math>
Como las unidades son divisores de cualquier elemento del dominio, tenemos que para todo unidad <math>u</math> y  <math>a</math> no nulo,  se cumple, por (i), que <math>\phi(u) \leq \phi(a).</math> En particular, lo anterior es válido para  <math>a= 1</math>; pero  como 1 es una unidad, para cualquier unidad <math>u,</math> <math>\phi(1) \le \phi(u).</math> Luego, <math>\phi(1)= \phi(u)</math> para toda unidad <math>u.</math> Además, <math>\phi(1)</math> es el menor valor asumido por <math>\phi.</math>  Es decir que el conjunto de los <math>\phi(a),</math> <math>a</math> no nulo es un conjunto de números enteros acotado inferiormente por <math>\phi(1).</math>

==== Ejemplos de Dominios Euclídeos ====
{{Ejmpl|Ejemplo}}
El ejemplo prototipo es el dominio de los números enteros con <math>\phi(z)=|z|.</math>  En efecto, si <math>a|b,</math> <math>b \neq 0,</math> hay un entero <math>c</math> tal  que <math>ac = b</math>; de donde <math>|a|\, |c| = |ac| = |b|,</math> por lo que <math>|a| \le |b,</math> ya que <math>|c| \ge 1.</math> Recordemos el teorema de la división euclídea que establece que para todo <math>a</math> y <math>b</math> enteros, <math>b > 0</math> podemos hallar únicos enteros <math>q</math> y <math>r,</math> tales que <math>a = qb + r</math> con <math>0 \le r < b.</math>  Claramente, de allí, sigue la segunda condición de la definición de dominio Euclídeo.
<hr>

{{Ejmpl|Ejemplo}}
Sea <math>D=k[X]</math> el anillo de polinomios con coeficientes en un cuerpo <math>k.</math> Veremos que se trata de un dominio euclídeo con tamaño o estructura euclídea dada por el \text{gr}ado de los polinomios.

Cuando <math>f</math> y <math>g</math> son polinomios tales que ninguno de ellos es nulo y <math>f|g</math> entonces <math>\text{gr}(f) \le \text{gr}(g).</math>

Para los polinomios, se tiene, también, un teorema de la división análogo al de la división euclídea de los Enteros. Es decir, dados polinomios <math>f</math> y <math>g,</math> <math>g</math> no nulo, hay polinomios <math>q</math> y <math>r</math> tales que
<math>f = qg + r,</math> donde <math>r=0</math> o <math>\text{gr}(r) < \text{gr}(g).</math> Es decir   que el anillo de polinomios es un dominio euclídeo, con tamaño definido por el \text{gr}ado de un polinomio.
<hr>

Probaremos, a continuación, que todos los dominios euclídeos  comparten con los Enteros, la propiedad de que  cada ideal es principal.

<b>Proposición 11.</b>   <i>  <!-- {propEuclDIP}  -->
Sea <math>D</math> un dominio euclídeo con norma euclídea <math>\phi.</math> Entonces, <math>D</math> es un DIP (cada ideal es principal). Cuando el ideal no es nulo, su generador, tiene el menor tamaño entre los elementos del ideal.
</i>
<ul> <i>
Demostración </i> Sea <math>I</math> un ideal no nulo.
Sea <math>S= \{ \phi(a): a \in I \setminus\{0\} \},</math> entonces <math>S</math> es un subconjunto de los enteros acotado inferiormente, por lo que tiene elemento minimal.  Sea <math>b</math> cualquier elemento de <math>I</math> tal que  <math>\phi(b)</math> es igual al elemento minimal de <math>S.</math> Entonces, para cualquier <math>a</math> en <math>I</math> se tiene que <math>a = qb + r</math> con <math>\phi(r) < \phi(a)</math> o <math>r=0.</math> Como, <math>a=qb+r</math> implica que <math>r = a - qb,</math> concluimos que <math>r</math> es un elemento de <math>I.</math> Luego, <math>r = 0,</math> ya que   <math>\phi(r) < \phi(b).</math> Concluimos
que <math>a</math> es un múltiplo de <math>b,</math> es decir que <math>I= \langle b \rangle.</math>
 {{QED}} </ul> <hr>
<b>Corolario 11.1. </b> Los dominios euclídeos son DFUs.
</i>

=== Ejercicios ===

<ol>
<li>   Sea <math>\phi</math> una estructura euclídea en un dominio <math>D.</math> Definamos <math>\phi'</math> por <math>\phi'(x) := \phi(x) - m,</math> donde <math>m</math> es un entero fijo.  Probar que <math>\phi'</math> también es una estructura euclídea en <math>D.</math> Es decir que, sin perdida de generalidad, siempre se puede suponer que la estructura es tal que para todo elemento no nulo <math>x,</math> <math>\phi(x) \ge 0.</math>

<li>  Sean <math>\alpha =  4+5i</math> y <math>b=7 + 8i</math> elementos de <math>\Z[i].</math> Hallar <math>\gamma</math> un máximo común divisor de <math>\alpha</math> y <math>\beta,</math> junto con enteros gaussianos <math>z,</math> <math>w</math> tales que <math>z\alpha + w\beta = \gamma.</math>


<li> (Primos en <math>\Z[i]</math>)  Sea <math>\pi</math> un elemento primo de <math>\Z[i]</math> tal que <math>\pi \not\in \Z, i\Z.</math> Probar que <math>N(\pi) =2</math> o <math>N(\pi) = p</math> es un entero primo de la forma <math>4k +1.</math>  En caso contrario, probar que <math>N(\pi) = p^2</math> donde <math>p</math> es un entero primo de la forma <math>4k+3.</math>
¿Cuáles enteros primos <math>p</math> son primos Gaussianos?

<li>  Sea <math>\omega = \cos(2\pi/3) + i\sen(2\pi/3)</math> un raíz cúbica de la unidad. <math>\Z[\omega] = \{ a + b \omega: a, b \in \Z\}</math> es un dominio de integridad.  Sea <math>N(z) = z \, \overline{z}.</math>
<ol type = "a">
<li>  Sea <math>\alpha = a + b \omega.</math> Probar que <math>N(\alpha)= a^2 -ab + b^2</math>  y que <math>N(\alpha \beta )= N(\alpha)N(\beta).</math>

<li>  Probar que   <math>z</math> en <math>\Z[\omega]</math> es una unidad, ssi, <math>N(z) = 1.</math>

<li>  Probar que si <math>N(z)</math> es un entero primo, entonces <math>z</math> es irreducible en <math>\Z[\omega].</math>

<li>   Probar que <math>1-\omega</math> es irreducible.

<li>   Probar que <math>\Z[\omega]</math> es un dominio euclídeo.
</ol>

<li>  Sea <math>D</math> un dominio euclídeo. Probar que podemos computar el mcd de dos elementos usando un algoritmo análogo al existente por los enteros.

</ol>

== Los Enteros de Gauss ==
Recordemos que llamamos <i>enteros de Gauss</i> o <i>enteros gaussianos</i> a los elementos del dominio
<center><math>\Z[i] = \{ a + bi : a, b \in \Z, \quad i^2=-1\}.</math></center>

En esta sección estudiaremos detalladamente  el dominio de los enteros gaussianos.  Además de su importancia como uno de los primeros dominios de números no tradicional, nos servirá para ilustrar diversas técnicas al trabajar con dominios euclídeos (ya que probaremos que <math>\Z[i]</math> lo es).  Llamamos la atención, también, a  observar las relaciones que hay entre la aritmética de este dominio y la teoría de los números enteros ordinarios.

Recordemos que llamamos <i>norma</i> del entero gaussiano <math>z</math> al número entero denotado <math>N(z)</math> y definido como <math>N(z) := z \, \bar{z}.</math>
Se verifica que <math>N</math> es multiplicativa, o sea que <math>N(zw) = N(z)N(w).</math>  Cuando <math>z=a+bi,</math> se cumple que <math>N(z)= a^2+b^2</math> (lo que gráficamente es el cuadrado de la distancia del punto <math>(a,b)</math> al origen en el plano cartesiano). Notemos que si <math>z\neq 0,</math> entonces <math>N(z) > 0.</math>

Empezaremos nuestro estudio con la siguiente proposición.

<b>Proposición 12. </b>   <i> Los enteros de Gauss son un dominio euclídeo con estructura euclídea dada por la norma.
</i>
La demostración seguirá después de algunos lemas.

<b>Lema F.   </b> <i>
Para todo complejo <math>z,</math> hay al menos  un entero de Gauss  <math>\tau</math> tal que <math>N(z-\tau) \le 1/2.</math>
</i>
<ul> <i>
Demostración </i> (Gráficamente) Cualquier complejo se halla en un cuadrado cuyos vértices son enteros de Gauss. El punto más alejado de los vértices es el centro del cuadrado, cuya distancia  a los vértices es <math>\sqrt{2}/{2}.</math> Como la norma es el cuadrado de la distancia, se tiene el resultado.

(Algebraicamente.) Sea <math>z=a+bi.</math> Sean <math>u_1</math> el entero más cercano a <math>a</math> y <math>u_2</math> el entero más cercano a <math>b.</math> Luego, <math>|a-u_1| \le 1/2</math> y <math>|b -u_2| \le 1/2,</math> Sea <math>\tau = u_1 + iu_2 \in \Z[i].</math> Entonces,
<center><math>N(z- \tau) = (a-u_1)^2 + (b-u_2)^2 \le \frac{1}{4} + \frac{1}{4} = \frac{1}{2}. </math></center>
{{QED}} </ul> <hr>

<b>Lema G.   </b> <i>
Sean <math>\alpha</math> y <math>\beta</math> enteros de Gauss, <math>\alpha \neq 0.</math> Entonces, hay enteros de Gauss <math>\tau</math> y <math>\rho</math> tales que
<center><math>\beta = \tau \alpha + \rho, \quad\text{ con } N(\rho) < N(\alpha).</math></center>
</i>
<ul> <i>
Demostración </i> Usar el lema anterior para hallar un <math>\tau</math> tal que <math>N(\beta/\alpha - \tau) \le 1/2.</math> Escribamos <math>\beta</math> como
<math>\beta = \tau \alpha + (\beta - \tau\alpha).</math>
Sea <math>\rho = \beta - \tau \alpha.</math> Entonces, <math>\rho = \alpha (\frac{\beta}{\alpha} - \tau).</math>
Por lo que, <math>N(\rho) = N(\alpha)N(\frac{\beta}{\alpha} - \tau) \le N(\alpha)\cdot \frac{1}{2} < N(\alpha).</math>
{{QED}} </ul> <hr>

<ul> <i> Demostración  de la proposición. </i>
Solamente falta probar la condición (i) de la definición de dominio euclídeo.  Sean <math>\alpha</math> y <math>\beta</math> enteros de Gauss no nulos. Se tiene que <math>N(\beta) \ge 1.</math> Luego,
<center><math>
N(\alpha\beta) = N(\alpha)N( \beta) \ge N(\alpha).</math></center>
Lo que junto con el lema anterior, prueba lo afirmado.
{{QED}} </ul> <hr>

Sigue de los trabajos generales anteriores que <math>\Z[i]</math> es un DIP y, en consecuencia, un DFU.

A continuación, nos preocuparemos de la divisibilidad en <math>\Z[I].</math> Como se trata de un DFU,  elementos irreducibles son primos y viceversa.
Mucho del trabajo relacionara primos en <math>\Z[I]</math> con primos en <math>\Z</math>; para distinguirlos hablaremos de primos gaussianos (en <math>\Z[I]</math>) y de primos enteros (en <math>\Z</math>),

=== Unidades de <b>Z[i]</b> ===

Sea <math>z= a + bi</math> un entero gaussiano cuya norma es igual a 1. Entonces, se tiene que <math>a^2+b^2=1,</math> lo que implica que  <math>a=\pm1, b = 0</math> o <math>a =0, b = \pm 1.</math> Es decir <math>z</math> está en <math>\{1, -1, i , -i\}.</math>  Notemos que cada uno de esos enteros gaussianos es un unidad en <math>\Z[I],</math> (</math>i(-i)=1</math>).

Supongamos, ahora, que  <math>u</math> fuera una unidad de <math>\Z[I].</math>  Entonces hay un <math>v</math> tal que <math>uv=1.</math> Luego, tomando norma y usando que es multiplicativa, tenemos que
<center><math>uv=1 \implies  N(uv)=N(1) \implies N(u)N(v)=1.</math></center>
Luego, <math>N(u)=N(v)=1.</math> Por lo que,
<center><math>z \in \Z[I] \text{ es una unidad } \iff N(z)=1 \iff z \in \{1,-1,i,-i\}.</math></center>


{{Res|<b> 2 no es primo en <math>\Z[I]</math>. </b>}}
Observando que <math>(1+i)(1-i) = 2,</math> tenemos que el primo entero 2 no es irreducible en <math>\Z[I]</math> (ramifica) ya que ni <math>(1+i)</math> ni <math>(1-i)</math> son unidades.  De hecho se trata de irreducibles.

Si <math>1+i=uv,</math> tomando normas tenemos que <math>2=N(1+i)=N(u) N(v),</math> de donde o <math>N(u)=1</math> o <math>N(v)=1,</math> por lo que <math>u</math> o <math>v</math> es una unidad. Luego, <math>(1+i)</math> es irreducible en <math>\Z[I].</math> Análogamente, se verifica que <math>1-i</math> es irreducible, u observando que <math>1-i</math> es un asociado de <math>1+i</math> ya que <math>1-i=(-i)(1+i).</math>

{{Res|<b>Primos Enteros iguales a una suma de cuadrados.</b>}}

Sea <math>p</math> un entero primo tal que <math>p=a^2+b^2,</math> con <math>a, b</math> enteros.
Como <math>a^2+b^2=(a+bi)(a-bi),</math> si <math>a,b \neq 0</math> se tiene que <math>p</math> no es un primo gaussiano.
Por ejemplo, <math>2=1^2+1^2,</math> <math>5 = 2^2 + 1^2,</math> <math>13 = 3^2 + 1^2,</math> etc.

{{Res|<b>3 es un primo gaussiano.</b>}}
Supongamos que <math>3=zw.</math> Tomando normas tenemos que <math>9=N(z)N(w)</math> por lo que <math>N(z)= 1, 3</math> o <math>9.</math>  Si <math>z= a+ bi,</math> se ve claramente que <math>a^2+b^2=3</math> es imposible. Si <math>N(z)=1,</math> entonces <math>z</math> es una unidad. Si <math>N(z)=9,</math> entonces <math>N(w)=1</math> y <math>w</math> es una unidad. Luego, <math>3</math>  es un irreducible, por lo tanto, un primo gaussiano.

=== Primos de <b>Z[i]</b> ===

Para el estudio de los primos gaussianos, necesitaremos algunos resultados sobre los primos enteros que veremos a continuación.

En primer lugar, notemos que si <math>p</math> es un primo entero impar entonces <math>p</math> es de la forma <math>4k+1</math> o <math>4k+3.</math>  Veremos que la pertenencia a una de esas clases implica conductas diferentes en <math>\Z[I].</math>

El siguiente resultado será básico para nuestras consideraciones.

<b>Lema H. (Estructura de <math>\Z_p^*</math>) </b> <i><br>
<!-- {estrucZp} -->
Sea <math>p</math> un primo entero impar.
<ol type = "a">
<li> <math>\Z_p^*</math> tiene un único elemento de orden 2.
<li>   Si <math>p = 4k+3</math> entonces <math>\Z_p^*</math> no contiene elemento de orden 4
<li>   Si <math>p= 4k+1</math> entonces <math>\Z_p^*</math> tiene dos elementos de orden 4, que son soluciones de la congruencia <math>y^2 \equiv -1 \pmod{p}.</math>
</ol>
</i>
<ul> <i>
Demostración </i> Usaremos que sabemos que <math>\Z_p^*</math> es un grupo cíclico de orden <math>p-1</math> y propiedades de los grupos cíclicos. Ver las proposiciones 20.11 y 11.2.
<ol type = "a">
<li>  Como <math>2|p-1</math> hay un único subgrupo de orden 2, que será <math>\{1,-1\}.</math> Es decir que <math>-1 \equiv p-1 \pmod{p}</math> es el elemento buscado.
<li>  Como <math>4 \nmid p-1=4k+2,</math> no puede haber elemento de orden 4.
<li>  Como <math>4|p-1=4k</math> hay un subgrupo de orden 4, que tiene dos generadores, que son elementos de orden 4..
</ol>
{{QED}} </ul> <hr>

<b>Corolario H.1. </b>
Si <math>p=4k+1</math> entonces <math>-1</math> es un cuadrado en <math>\Z_p.</math>
</i>
<ul> <i>
Demostración </i> Si <math>a</math> es un elemento de orden 4 en <math>\Z_p^*</math> entonces <math>a^2</math> tiene orden 2, por lo que se debe tener que <math>a^2 \equiv -1 \pmod{p}.</math>
{{QED}} </ul> <hr>

<b>Lema I.   (Fermat)</b> <i>
Un entero primo positivo <math>p</math> puede representarse como la suma de los cuadrados de dos enteros, ssi, <math>p=2</math> o <math>p=4k+1.</math>
</i>
<ul> <i>
Demostración </i> <math>2 = 1^2 + 1^2.</math>  Supongamos que <math>p</math> es impar.
Supongamos que <math>p=4k+3</math> y que
{{Eqn|<math>p=a^2+b^2,</math>}}
Entonces, <math>a^2  \equiv -b^2 \pmod(p),</math> por lo que <math>(a/b)^2 \equiv -1,</math> es decir que <math>(a/b)</math> tiene orden multiplicativo 4, lo que es imposible.

Supongamos ahora que <math>p = 4k +1.</math> Por el lema anterior, hay un <math>y</math> tal que <math>y^2 + 1 \equiv 0 \pmod{p}.</math> Es decir que <math>p|y^2 + 1.</math>

Considerando a <math>p</math> como elemento de <math>\Z[I],</math> se tendría que
<center><math> p | y^2+1 = (y+i)(y-i).</math></center>
Si <math>p</math> fuera un primo gaussiano <math>p|y+i</math> o <math>p|y-1.</math> Como <math>p</math> es entero, lo anterior significaría que <math>p</math> dividiría la parte imaginaria de esos factores o sea a 1. Luego, <math>p</math> no es un primo gaussiano.
Luego, <math>p= \pi\rho</math> donde ni <math>\pi</math> ni <math>rho</math> son unidades.
Computando normas, tendríamos que
<center><math>p^2 = N(\pi)N(\rho).</math></center>
Luego, <math>N(\pi)= N(\rho) =p</math> o uno de ellos tiene norma 1 y es, por lo tanto, una unidad, lo que no puede ser.
Si <math>\pi=a + bi,</math> <math>p =N(\pi) = a^2 + b^2.</math>
{{QED}} </ul> <hr>

=== Los Primos Gaussianos ===

<b>Lema J.   </b> <i>
Si <math>\pi</math> es un entero gaussiano tal que <math>N(z)</math> es un entero primo, entonces <math>\pi</math> es un primo gaussiano.
</i>
<ul> <i>
Demostración </i> Sea <math>\pi = xy.</math> Tomando normas tenemos que <math>N(\pi)= N(x)N(y).</math> Como <math>N(\pi)</math> es un primo entero, o <math>N(x)=1</math> o <math>N(y)=1</math>; es decir que <math>x</math> o <math>y</math> es una unidad,. En consecuencia, <math>\pi</math> es irreducible, por o que se trata de un primo gaussiano.
{{QED}} </ul> <hr>

<b><Lema K. </b> <i>
Si <math>\pi</math> es un primo gaussiano entonces <math>N(\pi)=p</math> o <math>p^2,</math> donde <math>p</math> es un  primo entero.

Si <math>N(\pi) = p</math> entonces <math>p=2</math> o <math>p=4k+1.</math>

Si <math>N(\pi)=p^2</math> entonces <math>p</math> es de la forma <math>4k+3</math>  y es un asociado de <math>\pi.</math>
</i>
<ul> <i> Demostración </i> Supongamos que <math>\pi</math> fuera un primo gaussiano. Consideremos la factorización en primos de <math>N(z).</math> Como <math>\pi|N(z)=\pi\overline{\pi}</math> en <math>\Z[i],</math> <math>\pi</math> debe dividir a uno de los primos de dicha factorización. Luego, hay un <math>\alpha</math> en <math>\Z[i]</math> tal que
<center><math>p=\pi\alpha.</math></center>
Computando las normas se tiene que
<center><math>p^2 = \pi \overline{\pi} \alpha \overline{\alpha}.</math></center>
Por lo que (1) <math>N(\pi) = p</math> o (2) <math>N(\pi) = p^2.</math>
En el caso (1), <math>p= N(\pi)</math> es la suma de dos cuadrados, por lo que es 2 o un primo de la forma <math>4k+1.</math>

En el caso (2), se tiene que <math>N(\alpha)=1,</math> por lo que <math>\alpha</math> es una unidad y <math>\pi</math> y <math>p</math> son asociados.

Se tiene que <math>p \neq 2,</math> ya que 2 no es primo en <math>\Z[i].</math> Igualmente, si <math>p</math> es de la forma <math>4k+1,</math> por el teorema de Fermat, <math>p=a^2+b^2=(a+bi)(a-bi),</math> o sea que no es primo. Luego, <math>p</math> debe ser de la forma <math>4k+3.</math>
{{QED}} </ul> <hr>

<b>Proposición 13.  (Los Primos de <math>\mathbf{\Z[i]}</math>)</b>   <i><br>
Los primos gaussianos o primos en <math>\Z[i]</math> son:
<ol type = "a">
<li>  Los primos enteros de la forma <math>4k+3</math> y sus asociados en <math>\Z[i].</math>
<li>  Enteros gaussianos cuya norma es un primo entero, ya sea 2 o de la forma  <math>4k+1.</math>
</ol>
</i>
<ul> <i>
Demostración </i> La parte b) sigue del lema anterior.

a) Si <math>\pi</math> es primo de la forma <math>4k+3</math>  que es compuesto en <math>\Z[i],</math> los trabajos anteriores muestran que debiera ser igual a la suma de dos cuadrados, por lo que no puede ser de la forma indicada.
{{QED}} </ul> <hr>

=== Ejercicios ===

<ol type = "a">
<li>   Probar que <math>1+2i|3 + 4i</math> en <math>\Z[i].</math>

<li>  Hallar todos los primos gaussianos cuya norma es igual a 2.

<li>  Probar que  <math>z|w</math> en <math>\Z[i]</math> implica que <math>N(z)|N(w).</math>
Dar un ejemplo de que el converso no es válido.

<li>   Probar usando solamente análisis de normas que <math>85i</math> no es un primo gaussiano.

<li>  Si <math>p</math> es un primo entero que no es un primo gaussiano, entonces <math>p = N(z)</math> para algún <math>z</math> en <math>\Z[i].</math>

<li>  Si <math>p</math> es un entero primo tal que <math>p \equiv 1 \pmod{4},</math> entonces <math>p</math> no es un primo gaussiano.

<li>  Sea <math>p</math> un primo entero, probar que si <math>p=a^2+b^2</math> entonces <math>p</math> es de la forma <math>4k+1.</math>

<li>   Probar que le grupo de las unidades de <math>\Z[i]</math> es isomorfo a <math>\Z_4.</math>

<li>  Hallar un mcd de <math>11-3i</math> y <math>2+8i.</math>
<li>  Probar que para todo <math>n,</math> se cumple que el polinomio <math>x^n = 2</math> es irreducible sobre <math>\Z[i].</math>

<li>  (Prueba Alternativa del lema H),  Sea <math>p</math> un entero primo impar.
<ol type = "a">
<li>  (Existencia de elemento de orden 2) Verificar que <math>-1 \not\equiv 1 \pmod{p}</math> para concluir que <math>-1</math>  tiene orden 2 en <math>\Z_p^*.</math>  Considerar cualquier <math>x</math> con orden 2, y verificar que <math>p|(x^2-1),</math> por lo que <math>p|x+1</math> o <math>p|x-1.</math> Usar lo anterior para concluir que <math>x \equiv -1 \pmod{p}</math>  <li> (Ausencia de elementos de orden 4, si <math>p=4k+3</math>) Usar teorema de Lagrange.
 <li> (Existencia de elementos de orden 4, cuando <math>p=4k+1</math>).
 Sea <math>A = \Z_p*/\langle -1 \rangle</math> cuyo orden en <math>(p-1)/2=2k.</math> Por teorema de Cauchy. hay un elemento <math>\bar{y}</math> de orden 2 en <math>A.</math> Luego, <math>y^2 \equiv -1 \pmod{4},</math> por lo que <math>y</math> tiene orden 4 en <math>\Z_p^*.</math>
 </ol>
 </ol>

== Contraejemplos ==
En esta sección, daremos algunos ejemplos que prueban la inclusión estricta de los dominios euclídeos en los dominios de ideales principales, y la de estos en los dominios de factorización única. Así, como otras excepciones.

Nuestro primer ejemplo, mostrara que hay dominios que no son DFU.

{{Ejmpl|Ejemplo A}}  <!-- {cejem01}   -->
Un dominio que no es DFU.

Sea <math>D= Z[\sqrt{-5}].</math>  Vimos en un ejemplo del capítulo [[../Divisibilidad|La Divisibilidad]]   <math>3</math> es un irreducible de <math>D</math> que no es primo, por lo que <math>D</math> no puede ser un DFU. En consecuencia, tampoco puede ser  <math>DIP</math> o euclídeo.
<hr>




{{Ejmpl|Ejemplo B}} <!-- {cejem02}   -->
Un dominio donde dos elementos tienen mcd, pero no mcm.

Sea <math>D = Z[\sqrt{-5}]</math> (ver el ejemplo anterior) y sea <math>\alpha = 1 +  2 \sqrt{-5}.</math> Entonces,  3 es un elemento irreducible que no divide a <math>\alpha,</math> por lo que <math>\text{mcd}(3,\alpha) = 1.</math>

Supongamos ahora que  <math>\gamma=\text{mcm}(\alpha,3).</math> Entonces, excepto por  un factor que fuera una unidad, tendríamos que <math>\gamma = 3\alpha.</math>
Sin embargo, este valor para <math>\gamma</math> produce una contradicción, ya que  (por el ejemplo anterior) 21 es un múltiplo común de  3 y <math>\gamma,</math> pero no es un múltiplo de <math>3\alpha.</math>
Sin embargo,  <math>3\alpha</math> es la única posibilidad lógica. En efecto,
sea <math>\delta</math> igual a <math>\text{mcm}(3, \alpha).</math> Entonces,
<math>3|\delta,</math> digamos que, <math>3\lambda = \delta.</math> Ya que <math>3\alpha</math> es un múltiplo común, se debe tener que  <math>\delta |3\alpha,</math>
digamos que <math>\delta \mu = 3 \alpha.</math>  Tomando conjugados y multiplicando, tendremos que
<center><math>9 \alpha \bar{\alpha} = \lambda \bar{\lambda} \mu
\bar{\mu}.</math></center>

Pero, <math>9 \alpha \bar{\alpha} = 9 * 21,</math> por lo que <math>\lambda
\bar{\lambda} \mu \bar{\mu} = 21.</math> Luego, <math>\lambda
\bar{\lambda}</math> y <math>\mu\bar{\mu}</math> son enteros divisores de 21.
Por lo que son iguales a 1, 3, 7, o 21.
<ul>
<li>   Si cualesquiera de esos números fuera 1, tendríamos
que  <math>\lambda</math> o <math>\mu</math> serían unidades.

<li>   Si <math>\lambda</math> fuera un unidad, entonces <math>3=\text{mcm}(3, \alpha,</math>
una contradicción.

<li>   Si <math>\mu</math> fuera una unidad, entonces <math>3\alpha</math> debe ser <math>\text{mcm}(3,\alpha),</math> que es lo que queríamos probar.

<li>   Las alternativas 3 o 7 son imposibles porque no hay
elementos con ese tamaño en <math>D.</math>

<li>   Finalmente, si uno de ellos fuera 21, el otro sería 1,
y estaríamos    al comienzo de nuestro análisis.
</ul>
<hr>

{{Ejmpl|Ejemplo C}} <!-- {cejem05}   -->
Un DFU que no es DIP: <math>\Z[X].</math>

Sea <math>\Z[X]</math> el anillo de los polinomios con coeficientes enteros.  Vimos que <math>\Z[X]</math> es un DFU, ver corolario A.1 del capítulo [[,,/Factorización de Polinomios|La Factorización de Polinomios]].  Pero, mostraremos a continuación que no es un DIP.

Consideremos al ideal <math>I = \langle 2,X\rangle</math> en <math>\Z[X]</math> y supongamos que <math>\Z[X]</math> fuera un DIP. Entonces, tendríamos un polinomio, digamos <math>d,</math> que generaría el ideal. Como 2 está en <math>I,</math> se debe cumplir que <math>d|2</math> lo que implica  que el grado de <math>d</math> es cero y, por lo tanto, que es un elemento de  <math>\Z.</math> Luego, <math>d</math> debe ser una unidad, o sea 1 o <math>-1,</math> o un   asociado de <math>2,</math> o sea 2 o <math>-2.</math>

Como <math>2 \nmid X</math> (Si <math>2|f,</math> <math>f</math> debe tener todos sus coeficientes pares, mientras que <math>X</math> es mónico). Luego, como <math>d|X,</math> <math>d</math> no puede ser un asociado de 2, por lo que debe ser igual a <math>\pm  1</math>. Sin embargo, como <math>d</math> está en <math>\langle 2,X\rangle,</math> debe  haber polinomios <math>f,</math> <math>g</math> tales que
            <center><math> 1 = 2f + Xg.</math></center>
Lo que es imposible, ya que <math>Xg</math> no tiene términos constantes y todos los coeficientes de <math>2f</math> son pares.
<hr>

{{Ejmpl|Ejemplo D}}  <!-- {cejem06}   -->
Se puede verificar, pero no es trivial, que
<math>\Z[(1+\sqrt{-19})/2]</math> es un DIP que no tiene estructura euclídea posible.
<hr>

== Ejercicios del Capítulo ==

<ol>
<li>  Sean <math>a,</math> <math>b</math> elementos de un dominio. Probar que <math>\langle a\rangle = \langle b\rangle,</math> ssi, <math>a</math> y <math>b</math> son asociados.

<li>  Probar que la relación de "ser asociado con" es una relación de equivalencia.

<li>  Sea <math>\Z[\omega] = \{a+b\omega: a,b \in \Z, \omega=(-1+i\sqrt{3})/2\}.</math> Definir <math>N(z) = z \overline{z}</math> (conjugado como complejo)
    <ol type = "a">
    <li>  Verificar que <math>\omega^3=1</math> y que <math>1+\omega+ \omega^2=1.</math>
    <li>  Probar que <math>\Z[\omega]</math> es un dominio.
    <li>  Probar que <math>N(a+b\omega) = a^2-ab + b^2.</math>
    <li>  Probar que <math>N(z z') = N(z) N(z').</math>
    <li>  Probar que <math>z</math> es una unidad, ssi, <math>N(z)-1.</math> Hallar las unidades de <math>\Z[\omega].</math>
    <li>  Probar que para todo número complejo <math>\zeta</math> hay un elemento <math>q</math> de <math>\Z[\omega]</math> tal que <math>N(\zeta-q) <1.</math>
    <li>  Probar que <math>\Z[\omega]</math> es un dominio euclídeo.
    <li>  Probar que <math>1-\omega</math> es primo en <math>\Z[\omega].</math>
    </ol>

<li>  Sea <math>D = \Z\sqrt{2}= \{a + b \sqrt{2}: a, b \in \Z\}.</math>
    <ol type = "a">
    <li>   Probar que <math>D</math> es un dominio contenido en <math>\R</math> .
    <li>  Probar que <math>1 + \sqrt{2}</math> es una unidad.
    <li>  Probar que hay infinitas unidades en <math>D.</math>
    </ol>
</ol>

== Notas ==
{{Listaref}}
<!-- abc -->
<!-- 06-02-2015 -->
[[Categoría:Álgebra Abstracta]]
[[Categoría:Dominios de Integridad]]