Exceptional polynomials and monodromy groups in positive characteristic [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Florian Möller
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Exceptional polynomialsand monodromy groupsin positive characteristicDissertation zur Erlangung desnaturwissenschaftlichen Doktorgradesder Julius-Maximilians-Universit¨at Wurzburg¨vorgelegt vonFlorian M¨ollerInstitut fur¨ Mathematik der Universitat¨ Wurzburg¨Wurzburg¨ , M¨arz 2009iiDanksagungIch m¨ochte mich herzlich bei Professor Peter Muller¨ fu¨r seine Unterstu¨tzung in allen Phasenmeiner Promotion bedanken.Als Betreuer meiner Dissertation lastete auf Herrn Mu¨ller die Aufgabe, mir einerseits zuzeigen wie sch¨on freie und eigenst¨andige Forschungst¨atigkeit sein kann, mir andererseits aberauch Probleme vorzulegen, die mich in meiner Promotion voranbrachten. Dies ist HerrnMu¨ller ausgezeichnet gelungen.Besonders erw¨ahnen m¨ochte ich noch, dass Professor Mul¨ ler mehrere komplizierte math-ematische Situationen, mit denen ich mich konfrontiert sah, stark vereinfachte. Erst durchseine Hilfe sind mir einige Beweise gelungen oder in ihre jetzige lesbare(re) Form gebrachtworden.Weiterhin danke ich Professor Theo Grundh¨ofer, der fu¨r meine Fragen immer ein offenes Ohrhatte und mir an mancher Stelle mit wertvollen Literaturhinweisen half. Weiter habe ichihm eine zus¨atzliche Anstellung am Lehrstuhl fur¨ Mathematik III zu verdanken. Ohne dieUnterstutzun¨ g vonHerrnGrundh¨oferw¨are mirmeine Promotionerheblichschwerergefallen.

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Publié le 01 janvier 2009
Nombre de lectures 46
Langue Deutsch

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Exceptional polynomials and monodromy groups in positive characteristic
Dissertation zur Erlangung des naturwissenschaftlichen Doktorgrades derJulius-Maximilians-Universit¨atWu¨rzburg
vorgelegt von
FlorianM¨oller
Institutf¨urMathematikderUniversita¨tWu¨rzburg
Wu¨rzburg,Ma¨rz2009
ii
Danksagung Ichm¨ochtemichherzlichbeiProfessorPeterM¨ullerf¨urseineUnterstu¨tzunginallenPhasen meiner Promotion bedanken. AlsBetreuermeinerDissertationlasteteaufHerrnMu¨llerdieAufgabe,mireinerseitszu zeigenwiesch¨onfreieundeigensta¨ndigeForschungsta¨tigkeitseinkann,mirandererseitsaber auch Probleme vorzulegen, die mich in meiner Promotion voranbrachten. Dies ist Herrn M¨ullerausgezeichnetgelungen. Besonderserwa¨hnenm¨ochteichnoch,dassProfessorMu¨llermehrerekompliziertemath-ematische Situationen, mit denen ich mich konfrontiert sah, stark vereinfachte. Erst durch seine Hilfe sind mir einige Beweise gelungen oder in ihre jetzige lesbare(re) Form gebracht worden.
WeiterhindankeichProfessorTheoGrundho¨fer,derfu¨rmeineFragenimmereinoenesOhr hatte und mir an mancher Stelle mit wertvollen Literaturhinweisen half. Weiter habe ich ihmeinezusa¨tzlicheAnstellungamLehrstuhlf¨urMathematikIIIzuverdanken.Ohnedie Unterst¨utzungvonHerrnGrundho¨ferw¨aremirmeinePromotionerheblichschwerergefallen.
MeinbesondererDankgiltmeinerFamilie,diemichinmeinemVorhabenstetsbest¨arkteund mireinenAusgleichzurmathematischenBescha¨ftigungbot.
iii
iv
Contents
1. Introduction
1
I. General Results 5 2. Monodromy groups and affine polynomials 7 2.1. Polynomials and monodromy groups . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2.2. Affine groups and affine polynomials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 2.3. Generic polynomials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 3. Calculation of differents and the genus-0 condition 13 3.1. The general case . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 3.2. Applications to the case of affine Galois groups . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 3.2.1. Consequences of Hasse-Arf and Herbrand . . . . . . . . . . . . . . . . 18 3.2.2. Bounds for the number of fixed points for elements ofG 20. . . . . . .. 3.2.3. Bounds for ind(. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20) . . . . . . 3.2.4. Bounds for ind(p) withpa finite place. . . . . . . . . . . . . . . . . .  21
II. Application to specific problems 23 4. Affine polynomials withg225 4.1.g= 0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 4.1.1. Case (A):H=Cm .is cyclic 26. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.2. Case (B):His an elementary abelianp-group . . . . . . . . . . . . . . 28 4.1.3. Case (C):H= (Cp× ∙ ∙ ∙ ×Cp)oCm 28 . . . . .is a semidirect product 4.1.4. Case (D):H. . . . . . . . . 28is dihedral in even characteristic . . . . . 4.1.5. Case (E):H. . . . . . . . . . . 28 . . . is dihedral in odd characteristic 4.1.6. Case (F):H=A5in characteristic 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 4.1.7. Case (G):H=PSL(2 q) withp6. . . . . . . . . . . . . . . 29 . . . . = 2 4.1.8. Case (H):H= PGL(2 q) withp6 37= 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.9. Case (I):H=PGL(22m 40. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .) . . . 4.2.g= 1 . 41. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.1. Ramification inE|K(t . . . . . ) . 41. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.2. Cases in odd characteristicp >2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 4.2.3. Cases in even characteristicp 43. . . . . . . . . . . . . . . .= 2 . . . . . 4.3.g 47. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . = 2 . 4.3.1. Cases in odd characteristicp >2 . 47 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.2. Cases in even characteristicp . . . . = 2 . 51. . . . . . . . . . . . . . . . 5.AGLas a monodromy group 53
v
Contents
6.
7.
8.
vi
Affine polynomials of degreep2 6.1. Cases in odd characteristicp6 . . . . . . . . . .= 2 6.2. Cases in even characteristicp .= 2. . . . . . . . .
Exceptional polynomials of degreep3 7.1. The cases in characteristicp >3 . . . . . . . . . . 7.2. The cases in characteristicp∈ {23}. . . . . . . .
Exceptional polynomials of degreepr,ran odd prime,
. . . . . .
. . . . . .
with
. . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . .
2-transitive
. . . . . . . . . .
. . . . . . . . . .
groupA
61 62 63
65 65 68
69
1. Introduction
In 1923 Schur [43] requested a description of all polynomialsfZ[X] that induce a bijection onZ/pZfor infinitely many primesp. He proved that iffis of prime degree, then it is – up to linear changes over the algebraic closure ofQ– either a cyclic polynomialXqor a Chebychev polynomialTq(X) (defined implicitly byTq(X+ 1/X) =Xq+X1q). He conjectured that in the general casef  Thiswas proved by Fried [13] inis a composition of such polynomials. 1970. Schur’s original question has been generalized in several ways: Turnwald [48] discusses theproblemoverintegraldomains,Guralnick,Mu¨ller,andSaxl[19]characterizerational functionsrover number fieldsKso thatrinduces a bijection on the residue fieldKpfor infinitely many placesp∈ P(K). There is a different generalization of interest to us: we assume the base field to be of positive characteristic and search forexceptional polynomials, i.e. polynomials that fulfill the following Definition (Exceptionality)Assumek Letis a finite field.fk[X]be a polynomial with coefficients ink. IfKis an extension field ofk, thenfis called apermutation polynomial overKiffinduces a bijection onK. fk[X]is calledexceptional overkif it is a permutation polynomial over infinitely many finite extensions ofk. The classification of permutation polynomials has a long tradition and goes back to Her-mite [24] who noticed that any functionkkwithka finite field can be represented by a polynomial. A broad survey of permutation polynomials can be found in Lidl and Niederreiter [35]. An important step forward concerning the theory of exceptional polynomials was the refor-mulation of the original definition in terms of Galois theory and covering theory in positive characteristic. A first consequence was the proof of the following Exceptionality Lemma (cf. [14])Letkbe a finite field of characteristicpandta tran-scendental overk. Letfk[X]be a polynomial. Denote the set of zeros off(X)tbyZ. Fix a zeroxZ. Then: (1) Supposefis not ap-th power ink[X]. Thenfis exceptional overkif and only if the xof the arithmetic monodromy group of-stabilizer ffixes no orbit of thex-stabilizer of the geometric monodromy group offonZ\ {x} definition of monodromy groups. (A is given on page 7.) (2) Supposefis a compositionf=f1f2withf1 f2k[X]. Thenfis exceptional over kif and only if bothf1andf2are exceptional overk. In 1993 Fried, Guralnick, and Saxl [14] realized that this result reduces the classification of exceptional polynomials essentially to a question about primitive groups. They used the
1
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