Polynomials*and*Gröbner*Bases* · ETHZürich$–StudentSeminar$in$Combinatorics:$Mathemacal$So

22
ETH Zürich – Student Seminar in Combinatorics: Mathema:cal So<ware Polynomials and Gröbner Bases Alice Feldmann – 16.12.2014 Polynomials and Gröbner Bases Alice Feldmann 16th December 2014 ETH Zürich Student Seminar in Combinatorics: Mathema:cal So<ware Prof. K. Fukuda Autumn Semester 2014

Transcript of Polynomials*and*Gröbner*Bases* · ETHZürich$–StudentSeminar$in$Combinatorics:$Mathemacal$So

Page 1: Polynomials*and*Gröbner*Bases* · ETHZürich$–StudentSeminar$in$Combinatorics:$Mathemacal$So

ETH  Zürich  –  Student  Seminar  in  Combinatorics:  Mathema:cal  So<ware   Polynomials  and  Gröbner  Bases  -­‐  Alice  Feldmann  –  16.12.2014  

Polynomials  and  Gröbner  Bases  

Alice  Feldmann  16th  December  2014  

ETH  Zürich  Student  Seminar  in  Combinatorics:  

Mathema:cal  So<ware  Prof.  K.  Fukuda  

Autumn  Semester  2014  

Page 2: Polynomials*and*Gröbner*Bases* · ETHZürich$–StudentSeminar$in$Combinatorics:$Mathemacal$So

ETH  Zürich  –  Student  Seminar  in  Combinatorics:  Mathema:cal  So<ware   Polynomials  and  Gröbner  Bases  -­‐  Alice  Feldmann  –  16.12.2014  

Talk  Outline  

I.  Introduc:on:  Computa:onal  Algebra  II.  Polynomials  and  Gröbner  Bases  

a.  Algebraic  Background  b.  Gröbner  Bases  c.  Buchberger‘s  Algorithm  

III.  Mathema:cal  So<ware  for  Problems  in  Computa:onal  Algebra  a.  Singular  b.  CoCoA  c.  Gfan  

IV.  Implementa:on:  Buchberger‘s  Algorithm  in  Singular  V.  References  

Page 3: Polynomials*and*Gröbner*Bases* · ETHZürich$–StudentSeminar$in$Combinatorics:$Mathemacal$So

ETH  Zürich  –  Student  Seminar  in  Combinatorics:  Mathema:cal  So<ware   Polynomials  and  Gröbner  Bases  -­‐  Alice  Feldmann  –  16.12.2014  

Introduc9on:  Computa9onal  Algebra  

Tackling  problems  with  algebraic  methods  using  the  computer...  For  example...  

I.   Solving  inhomogeneous  Systems  of  Linear  Equa9ons  Everybody  knows  the  Gauss  algorithm  for  solving  systems  of  linear  equa:ons!  Use  matrices  as  algebraic  tool  and  an  appropriate  so<ware  (for  example  MATLAB)    to  analyse  whether  there  exists  a  unique  solu:on  for  an  inhomogeneous  system  (which  happens  if  and  only  if  det(M)≠0).    

II.   Gröbner  Bases    ...  provide  solu:ons  to  basic  problems  in  ring  theory,  for  example:    “Let  R  be  a  ring  and  I    be  an  ideal  in  R  .  Given  r ∊ R  ,  is  r ∊    I  ?“        Membership  Problem    ...  provide  an  approach  for  solving  systems  of  non-­‐linear  equa:ons    (reduc:on  of  number  of  variables)          

Introduc:on:  Computa:onal  Algebra  Polynomials  and  Gröbner  Bases  Mathema:cal  So<ware  for  Problems  in  Computa:onal  Algebra  Implementa:on:  Buchberger‘s  Algorithm  in  Singular  

Page 4: Polynomials*and*Gröbner*Bases* · ETHZürich$–StudentSeminar$in$Combinatorics:$Mathemacal$So

ETH  Zürich  –  Student  Seminar  in  Combinatorics:  Mathema:cal  So<ware   Polynomials  and  Gröbner  Bases  -­‐  Alice  Feldmann  –  16.12.2014  

Polynomials  and  Gröbner  Bases  Algebraic  Background  

Let‘s  remember  some  basic  algebraic  defini:ons  and  concepts...  

I.       Monomial  over  a  collec:on  of  variables    

II.   Total  degree  of  a  monomial  

III.   Term:  product  of  nonzero  element  c  of  a  field  F  and  a  monomial.  IV.   Polynomial  p in  n  variables:  sum  of  a  finite  number  of  terms  with  coefficients  in  F

         for  

Introduc:on:  Computa:onal  Algebra  Polynomials  and  Gröbner  Bases  Mathema:cal  So<ware  for  Problems  in  Computa:onal  Algebra  Implementa:on:  Buchberger‘s  Algorithm  in  Singular  

Algebraic  Background  Gröbner  Bases  Buchberger‘s  Algorithm  

Page 5: Polynomials*and*Gröbner*Bases* · ETHZürich$–StudentSeminar$in$Combinatorics:$Mathemacal$So

ETH  Zürich  –  Student  Seminar  in  Combinatorics:  Mathema:cal  So<ware   Polynomials  and  Gröbner  Bases  -­‐  Alice  Feldmann  –  16.12.2014  

V.      Polynomial  Ring:  set  of  all  polynomials  in  n  variables  with  coefficients  in  F

VI.      Field  of  Ra9onal  Func9ons:  

VII.      Ideal:                    non-­‐empty  subset  of  field  F,  such  that  a.      for    and      b.  For            for  an  arbitrary  polynomial          

VIII.    Ideal  generated  by  polynomials                    Remark:      is  the  smallest  ideal,  which  contains    

Introduc:on:  Computa:onal  Algebra  Polynomials  and  Gröbner  Bases  Mathema:cal  So<ware  for  Problems  in  Computa:onal  Algebra  Implementa:on:  Buchberger‘s  Algorithm  in  Singular  

Algebraic  Background  Gröbner  Bases  Buchberger‘s  Algorithm  

Page 6: Polynomials*and*Gröbner*Bases* · ETHZürich$–StudentSeminar$in$Combinatorics:$Mathemacal$So

ETH  Zürich  –  Student  Seminar  in  Combinatorics:  Mathema:cal  So<ware   Polynomials  and  Gröbner  Bases  -­‐  Alice  Feldmann  –  16.12.2014  

Example  

Consider  the  polynomials:    

Observe:  

Conclude:      

Introduc:on:  Computa:onal  Algebra  Polynomials  and  Gröbner  Bases  Mathema:cal  So<ware  for  Problems  in  Computa:onal  Algebra  Implementa:on:  Buchberger‘s  Algorithm  in  Singular  

Algebraic  Background  Gröbner  Bases  Buchberger‘s  Algorithm  

Page 7: Polynomials*and*Gröbner*Bases* · ETHZürich$–StudentSeminar$in$Combinatorics:$Mathemacal$So

ETH  Zürich  –  Student  Seminar  in  Combinatorics:  Mathema:cal  So<ware   Polynomials  and  Gröbner  Bases  -­‐  Alice  Feldmann  –  16.12.2014  

Remarks  

I.   Hilbert  Basis  Theorem      Every  ideal  I    in                        has  a  finite  genera:ng  set.      This  means,  for  any  given  ideal  I  ,  there  exists  a  finite  set  of  polynomials                                              such  that                    .    

II.   Division  Algorithm  in        Given  two  polynomials                    ,  we  can  divide  f    by  g,  producing  a  unique      quo:ent  q  and  remainder  r  such  that  

   and  it  is  either  r = 0  ,  or  r  has  degree  strictly  smaller  than  the  degree  of  g.

If  there  exists  a  division  algorithm  for  polynomials  in  just  one  variable,  is        there  one  for  polynomials  in  many  variables?  

Introduc:on:  Computa:onal  Algebra  Polynomials  and  Gröbner  Bases  Mathema:cal  So<ware  for  Problems  in  Computa:onal  Algebra  Implementa:on:  Buchberger‘s  Algorithm  in  Singular  

Algebraic  Background  Gröbner  Bases  Buchberger‘s  Algorithm  

Page 8: Polynomials*and*Gröbner*Bases* · ETHZürich$–StudentSeminar$in$Combinatorics:$Mathemacal$So

ETH  Zürich  –  Student  Seminar  in  Combinatorics:  Mathema:cal  So<ware   Polynomials  and  Gröbner  Bases  -­‐  Alice  Feldmann  –  16.12.2014  

Monomial  Orders  

Formal  defini9on:  A  monomial  order  on                is  any  rela:on  >  on  the  set  of  monomials    in                    sa:sfying:  I.  >  is  a  total  (linear)  ordering  rela:on.  II.  >  is  compa4ble  with  mul4plica4on  in                  .    III.  >  is  a  well-­‐ordering,  i.e.  every  non-­‐empty  collec:on  of  monomials  has  a  smallest  

element  under  >.    

Examples:  I.   Lexicographic  Order  II.   Graded  Reverse  Lexicographic  Order  

Introduc:on:  Computa:onal  Algebra  Polynomials  and  Gröbner  Bases  Mathema:cal  So<ware  for  Problems  in  Computa:onal  Algebra  Implementa:on:  Buchberger‘s  Algorithm  in  Singular  

Algebraic  Background  Gröbner  Bases  Buchberger‘s  Algorithm  

Page 9: Polynomials*and*Gröbner*Bases* · ETHZürich$–StudentSeminar$in$Combinatorics:$Mathemacal$So

ETH  Zürich  –  Student  Seminar  in  Combinatorics:  Mathema:cal  So<ware   Polynomials  and  Gröbner  Bases  -­‐  Alice  Feldmann  –  16.12.2014  

Examples  

I.   Lexicographic  Order      Let                and                be  monomials  in                        .  We  say                ,      if  in  the  difference                                                  the  le<-­‐most  nonzero  entry  is  posi:ve.  

 Example  I:  For            ,  we  have            ,  because  the  le<-­‐most  entry  of  the  difference  vector  must  be  posi:ve:                            .    

 Example  II:  We  have            ,  because                    .      

II.   Graded  Reverse  Lexicographic  Order      Let                and                be  monomials  in                        .  We  say            ,      if  either                ,  or  in  case  the  sums  are  equal,  the  right-­‐most  entry  is    

   nega:ve  in  the  difference            .    

 Example  I:  We  have                  ,  because  the  of  the  total  degrees.        Example  II:  We  have          ,  because  the  right-­‐most  entry  of  the  difference  vector  must  be  nega:ve:                  .      

Introduc:on:  Computa:onal  Algebra  Polynomials  and  Gröbner  Bases  Mathema:cal  So<ware  for  Problems  in  Computa:onal  Algebra  Implementa:on:  Buchberger‘s  Algorithm  in  Singular  

Algebraic  Background  Gröbner  Bases  Buchberger‘s  Algorithm  

Page 10: Polynomials*and*Gröbner*Bases* · ETHZürich$–StudentSeminar$in$Combinatorics:$Mathemacal$So

ETH  Zürich  –  Student  Seminar  in  Combinatorics:  Mathema:cal  So<ware   Polynomials  and  Gröbner  Bases  -­‐  Alice  Feldmann  –  16.12.2014  

Leading  Term  of  a  Polynomial  

Let                                                      be  a  polynomial  in                  .  Fix  any  monomial  order  >.    

The  leading  term  of  f  with  respect  to  >  is  the  product                        ,  where                  is  the  largest  monomial  appearing  in  in  the  ordering  >.  Denote  the  leading  term  by    .          

 Example:  Consider          .  

   For  the  lexicographic  order,  we  have:              .  

   However,  for  the  Graded  Reverse  Lexicographic  Order,  we  have:                    .        

Introduc:on:  Computa:onal  Algebra  Polynomials  and  Gröbner  Bases  Mathema:cal  So<ware  for  Problems  in  Computa:onal  Algebra  Implementa:on:  Buchberger‘s  Algorithm  in  Singular  

Algebraic  Background  Gröbner  Bases  Buchberger‘s  Algorithm  

Page 11: Polynomials*and*Gröbner*Bases* · ETHZürich$–StudentSeminar$in$Combinatorics:$Mathemacal$So

ETH  Zürich  –  Student  Seminar  in  Combinatorics:  Mathema:cal  So<ware   Polynomials  and  Gröbner  Bases  -­‐  Alice  Feldmann  –  16.12.2014  

Division  Algorithm  in    

Fix  any  monomial  order  >  in                      and  let                      be  an  ordered  s-­‐tuple  of  polynomials  in          .  Then  every                    can  be  wriien  as  

where                        ,  and  either  r = 0  ,  or  r  is  a  linear  combina:on  of  monomials,  of  which  none  is  divisible  by  any  of                .  

Remarks:  

I.   r    is  called  the  remainder  of  f    on  division  by  F  and  is  some:mes  denoted  by                                .  II.  The  division  algorithm  allows  to  divide  f    by  an  s-­‐tuple  of  polynomials.  III.  The  outcome  of  the  division  depends  on  the  choice  of  the  monomial  order.    

Introduc:on:  Computa:onal  Algebra  Polynomials  and  Gröbner  Bases  Mathema:cal  So<ware  for  Problems  in  Computa:onal  Algebra  Implementa:on:  Buchberger‘s  Algorithm  in  Singular  

Algebraic  Background  Gröbner  Bases  Buchberger‘s  Algorithm  

Page 12: Polynomials*and*Gröbner*Bases* · ETHZürich$–StudentSeminar$in$Combinatorics:$Mathemacal$So

ETH  Zürich  –  Student  Seminar  in  Combinatorics:  Mathema:cal  So<ware   Polynomials  and  Gröbner  Bases  -­‐  Alice  Feldmann  –  16.12.2014  

Introduc:on:  Computa:onal  Algebra  Polynomials  and  Gröbner  Bases  Mathema:cal  So<ware  for  Problems  in  Computa:onal  Algebra  Implementa:on:  Buchberger‘s  Algorithm  in  Singular  

Algebraic  Background  Gröbner  Bases  Buchberger‘s  Algorithm  

Gröbner  Bases  

Mo9va9on  By  applying  the  division  algorithm,  one  can  decide  whether  a  given  is  a  member  of  a  given  ideal                .    

If  the  remainder            of    f    on  division  by  F  is  zero,  then  we  have                      ,  and  by  defini:on            .  

Recall  on  of  our  previous  examples,  where  we  defined                  .    We  have  already  showed,  that    

                                     ,  

but  if  we  divide    p  by          using  our  division  algorithm,  we  obtain  a  nonzero  remainder:                  .  The  reason  is  that  none  of  the  leading  terms  of  or          divides  the              leading  term  of    p.        

Page 13: Polynomials*and*Gröbner*Bases* · ETHZürich$–StudentSeminar$in$Combinatorics:$Mathemacal$So

ETH  Zürich  –  Student  Seminar  in  Combinatorics:  Mathema:cal  So<ware   Polynomials  and  Gröbner  Bases  -­‐  Alice  Feldmann  –  16.12.2014  

Introduc:on:  Computa:onal  Algebra  Polynomials  and  Gröbner  Bases  Mathema:cal  So<ware  for  Problems  in  Computa:onal  Algebra  Implementa:on:  Buchberger‘s  Algorithm  in  Singular  

Algebraic  Background  Gröbner  Bases  Buchberger‘s  Algorithm  

Defini9on  

Fix  a  monomial  order  >  on                    and  let                  be  an  ideal.    A  Gröbner  Basis  for  I    (with  respect  to  >)  is  a  finite  collec:on  of  polynomials  

                     with  the  property  that  for  every  nonzero  polynomial                      is  divisible  by                                      for  some  i.

A  Gröbner  Basis  G  for  an  ideal  I    is  called    •   reduced,  if  for  all  dis:nct              ,  no  monomial  appearing  in  is  a  mul:ple  of      .      •   monic,  if  it  is  reduced  and  if  the  leading  coefficient  of  all  polynomials  is  1.  

Remarks  I.  A  Gröbner  Basis  G  is  indeed  a  basis  for  I ,  i.e.    II.  Let    G  be  a  Gröbner  Basis  for  I    and                  then  the  remainder  of    f  divided  by    G is  

zero,  i.e.    III.  The  remainder  obtained  through  division  by  polynomials  of  a  Gröbner  Basis  for  an  

ideal  is  unique.    

Page 14: Polynomials*and*Gröbner*Bases* · ETHZürich$–StudentSeminar$in$Combinatorics:$Mathemacal$So

ETH  Zürich  –  Student  Seminar  in  Combinatorics:  Mathema:cal  So<ware   Polynomials  and  Gröbner  Bases  -­‐  Alice  Feldmann  –  16.12.2014  

Introduc:on:  Computa:onal  Algebra  Polynomials  and  Gröbner  Bases  Mathema:cal  So<ware  for  Problems  in  Computa:onal  Algebra  Implementa:on:  Buchberger‘s  Algorithm  in  Singular  

Algebraic  Background  Gröbner  Bases  Buchberger‘s  Algorithm  

Buchberger‘s  Algorithm  

Mo9va9on  Takes  an  arbitrary  genera:ng  set                for  an  ideal  I    and  produces  a  Gröbner  Basis  G    for  I    from  it.      

How  does  it  work?  Let                be  nonzero  polynomials  .  Fix  a  monomial  order  and  let    

       and        ,  where                  Furthermore,  define          as  the  least  common  mul:ple  of  the  leading  terms.  

Now  define  the  S-­‐polynomial  of  f    and  g    as:    

                         (Observe:              )  

Apply  Buchberger‘s  Criterion:  A  finite  set            is  a  Gröbner  Basis  of  I  if  and  only  if    for  all  pairs          .              

Page 15: Polynomials*and*Gröbner*Bases* · ETHZürich$–StudentSeminar$in$Combinatorics:$Mathemacal$So

ETH  Zürich  –  Student  Seminar  in  Combinatorics:  Mathema:cal  So<ware   Polynomials  and  Gröbner  Bases  -­‐  Alice  Feldmann  –  16.12.2014  

Introduc:on:  Computa:onal  Algebra  Polynomials  and  Gröbner  Bases  Mathema:cal  So<ware  for  Problems  in  Computa:onal  Algebra  Implementa:on:  Buchberger‘s  Algorithm  in  Singular  

Algebraic  Background  Gröbner  Bases  Buchberger‘s  Algorithm  

Buchberger‘s  Algorithm  

Input:      Output:    a  Gröbner  Basis          for                  with        

REPEAT  

 FOR  each  pair                        in  G‘  DO        

   IF              THEN  UNTIL        

Page 16: Polynomials*and*Gröbner*Bases* · ETHZürich$–StudentSeminar$in$Combinatorics:$Mathemacal$So

ETH  Zürich  –  Student  Seminar  in  Combinatorics:  Mathema:cal  So<ware   Polynomials  and  Gröbner  Bases  -­‐  Alice  Feldmann  –  16.12.2014  

Introduc:on:  Computa:onal  Algebra  Polynomials  and  Gröbner  Bases  Mathema:cal  So<ware  for  Problems  in  Computa:onal  Algebra  Implementa:on:  Buchberger‘s  Algorithm  in  Singular  

Algebraic  Background  Gröbner  Bases  Buchberger‘s  Algorithm  

Example  

Consider  the  polynomials                        and        .  Fix  the  monomial  ordering  to  be  the  lexicographic  ordering            .  We  have  that                            ,  which  yields    

                         .                                  

Let‘s  divide  the  S-­‐polynomial  by          :  we  obtain  the  remainder  

       .  

Note  that  the  leading  term              is  not  divisible  by  the  leading  terms  of    f    and  g  .    Hence,  adjoin        to  our  set  of  polynomials  F    and  consider  the  two  new    S-­‐polynomials        and      .  Con:nue  with  this  procedure  and  adjoin  the  remainders  of  further  divisions  if  there  are  nonzero.    

Page 17: Polynomials*and*Gröbner*Bases* · ETHZürich$–StudentSeminar$in$Combinatorics:$Mathemacal$So

ETH  Zürich  –  Student  Seminar  in  Combinatorics:  Mathema:cal  So<ware   Polynomials  and  Gröbner  Bases  -­‐  Alice  Feldmann  –  16.12.2014  

Mathema9cal  SoRware  for  Computa9onal  Algebra  

Introduc9on  •   there  exist  a  lot  of  possibili:es  for  execu:ng  computa:onal  algebra        see  list  on  wikipedia:  hip://en.wikipedia.org/wiki/List_of_computer_algebra_systems                                      

                     (not  complete...)  

                     Examples:                        Singular                        CoCoA                        Gfan  

Introduc:on:  Computa:onal  Algebra  Polynomials  and  Gröbner  Bases  Mathema:cal  So<ware  for  Problems  in  Computa:onal  Algebra  Implementa:on:  Buchberger‘s  Algorithm  in  Singular  

Singular  CoCoA  Gfan  

Page 18: Polynomials*and*Gröbner*Bases* · ETHZürich$–StudentSeminar$in$Combinatorics:$Mathemacal$So

ETH  Zürich  –  Student  Seminar  in  Combinatorics:  Mathema:cal  So<ware   Polynomials  and  Gröbner  Bases  -­‐  Alice  Feldmann  –  16.12.2014  

SINGULAR  

•   computer  algebra  system  for  polynomial  computa:ons  •   emphasis  on  commuta4ve  algebra,  algebraic  geometry  and  singularity  theory  •   started  in  1984  (Berlin),  now:  seiled  at  the  University  of  Kaiserslautern  •   free  and  open-­‐source  so<ware  under  the  GNU  General  Public  Licence  •   main  objects:  ideals  and  modules  in  polynomial  rings  over  fields  or  quo:ent  rings  •   features:  computa:on  of  Gröbner  bases  (Buchberger‘s  and  Mora‘s  Algorithm),        polynomial  factoriza:on,  resultants,  characteris:c  sets  and  gcd  opera:ons,        classifica:on  of  singulari:es  •   wriien  in  C  

Introduc:on:  Computa:onal  Algebra  Polynomials  and  Gröbner  Bases  Mathema:cal  So<ware  for  Problems  in  Computa:onal  Algebra  Implementa:on:  Buchberger‘s  Algorithm  in  Singular  

Singular  CoCoA  Gfan  

Page 19: Polynomials*and*Gröbner*Bases* · ETHZürich$–StudentSeminar$in$Combinatorics:$Mathemacal$So

ETH  Zürich  –  Student  Seminar  in  Combinatorics:  Mathema:cal  So<ware   Polynomials  and  Gröbner  Bases  -­‐  Alice  Feldmann  –  16.12.2014  

CoCoA  

•   Computa:ons  in  Commuta:ve  Algebra  •   emphasis  on  computa:ons  in  mul4variate  polynomial  rings  over  ra:onal  integers  and          on  their  ideals  and  modules  •   ini:ated  in  1987  to  perform  calcula:ons  using  Buchberger‘s  algorithm  (Genova)  •   free  so<ware  –  features  CoCoALib  (open-­‐source  C++  GPL  library)  •   libraries  available  for  applica:ons  in  various  areas  (sta:s:cs,  integer  programming,  ...)  •   kernel  is  wriien  in  C,  user  writes  in  Pascal-­‐like  syntax  •   features  efficient  calcula:ons  with  very  big  integers  and  ra:onal  numbers  and          implementa:ons  of  Buchberger‘s  algorithm  using  different  orderings  

Introduc:on:  Computa:onal  Algebra  Polynomials  and  Gröbner  Bases  Mathema:cal  So<ware  for  Problems  in  Computa:onal  Algebra  Implementa:on:  Buchberger‘s  Algorithm  in  Singular  

Singular  CoCoA  Gfan  

Page 20: Polynomials*and*Gröbner*Bases* · ETHZürich$–StudentSeminar$in$Combinatorics:$Mathemacal$So

ETH  Zürich  –  Student  Seminar  in  Combinatorics:  Mathema:cal  So<ware   Polynomials  and  Gröbner  Bases  -­‐  Alice  Feldmann  –  16.12.2014  

Gfan  

•   so<ware  package  for  compu:ng  Gröbner  fans  of  polynomial  ideals  in          and  tropical  varie4es  based  on  Buchberger‘s  algorithm  •   emphasis  on  tropical  and  polyhedral  geometry  using  algebraic  methods  •   started  in  2003,  wriien  by  A.  N.  Jensen  (University  of  Aarhus,  Denmark),  supported        by  Prof.  Fukuda  •     wriien  in  C++  •   high  performance  (calcula:ng  3000  reduced  Gröbner  bases  in  12s)  •   various  subprograms  enable  fast  computa:ons  and  easy  handling  

Introduc:on:  Computa:onal  Algebra  Polynomials  and  Gröbner  Bases  Mathema:cal  So<ware  for  Problems  in  Computa:onal  Algebra  Implementa:on:  Buchberger‘s  Algorithm  in  Singular  

Singular  CoCoA  Gfan  

Page 21: Polynomials*and*Gröbner*Bases* · ETHZürich$–StudentSeminar$in$Combinatorics:$Mathemacal$So

ETH  Zürich  –  Student  Seminar  in  Combinatorics:  Mathema:cal  So<ware   Polynomials  and  Gröbner  Bases  -­‐  Alice  Feldmann  –  16.12.2014  

Implementa9on:  Buchberger‘s  Algorithm  in  Singular  

Programming  Basics  •   language  very  similar  to  C/C++  (all  inputs  must  be  terminated  by  ;  ,  types  for          variables,  loops,  func:ons  etc.)  •   non-­‐trivial  algorithms  always  require  the  defini:on  of  a  ring  at  the  beginning!        ring  syntax:    ring name  =  (coefficients),  (name  of  ring  variables),  (ordering)  ;  •   implemented  algorithms  for  opera:ons  on  ideals,  polynomials,  etc.        for  example:  factoriza:on  of  polynomials  into  irreducible  factors  (Cantor-­‐Zassenhaus        Algorithm),  compu:ng  the  determinant  of  a  square  matrix,  calcula:ng  the  greatest        common  divisor  of  polynomials  •   most  interes:ng  feature:  computa:on  of  Gröbner  bases  •   standard  features  like  characteriza:on-­‐func:on  (typeof),  type  conversion,  ...    •   include  libraries  with  LIB “library  name“;  •   various  orderings:  grevlex  ordering  dp,  lex  ordering  lp,  block  ordering  •   possibility  of  execu:ng  the  division  algorithm,  returns  quo:ent  and  remainder  

Introduc:on:  Computa:onal  Algebra  Polynomials  and  Gröbner  Bases  Mathema:cal  So<ware  for  Problems  in  Computa:onal  Algebra  Implementa:on:  Buchberger‘s  Algorithm  in  Singular  

Page 22: Polynomials*and*Gröbner*Bases* · ETHZürich$–StudentSeminar$in$Combinatorics:$Mathemacal$So

ETH  Zürich  –  Student  Seminar  in  Combinatorics:  Mathema:cal  So<ware   Polynomials  and  Gröbner  Bases  -­‐  Alice  Feldmann  –  16.12.2014  

References  

Computa9onal  Algebra  K.  G.  Fischer,  P.  Loustaunau,  J.  Shapiro,  E.  L.  Green,  D.  Farkas:  Lecture  Notes  in  Pure  and  Applied  Mathema:cs  –  Computa:onal  Algebra  (1994)  

Algebraic  Background:  David  A.  Cox,  John  Liile,  Donal  O‘Shea:  Graduate  Texts  in  Mathema:cs  -­‐  Using  Algebraic  Geometry  (2005)  Ralf  Fröberg:  An  Introduc:on  to  Gröbner  Bases  (1997)  

SoRware:  hip://www.singular.uni-­‐kl.de  hip://cocoa.dima.unige.it/flyer4.html  hip://home.math.au.dk/jensen/so<ware/gfan/gfan.html  hip://en.wikipedia.org/wiki/List_of_computer_algebra_systems  

Implementa9on:  Groebner  Bases  –  Sta:s:cs  and  So<ware  Systems.  Takayuki  Hibi,  Springer  Japan,  2013  Singular  Manual  (online)