Licence 2Algèbre

Anneaux et idéaux

55 min15 exercicesSéquence 2.2Licence 2

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Durée : 55 min

Anneaux et idéaux

1. Définition d'un anneau

Un anneau est un triplet (A,+,×)(A, +, \times)++ et ×\times sont deux lois de composition interne sur AA telles que :

1. (A,+)(A, +) est un groupe abélien (de neutre noté 00) ;
2. ×\times est associative ;
3. ×\times est distributive par rapport à ++ : pour tout x,y,zAx,y,z \in A,

x×(y+z)=x×y+x×zet(x+y)×z=x×z+y×z.x \times (y+z) = x\times y + x \times z \qquad \text{et} \qquad (x+y) \times z = x \times z + y \times z.

Si de plus ×\times admet un élément neutre (noté 11), on dit que l'anneau est unitaire. Si ×\times est commutative, on dit que l'anneau est commutatif. Dans ce cours, « anneau » désignera presque toujours un anneau commutatif unitaire (sauf mention contraire, comme pour les matrices).

Exemples : (Z,+,×)(\mathbb{Z}, +, \times), (Q,+,×)(\mathbb{Q}, +, \times), (R,+,×)(\mathbb{R}, +, \times), (C,+,×)(\mathbb{C}, +, \times) sont des anneaux commutatifs unitaires. (Z/nZ,+,×)(\mathbb{Z}/n\mathbb{Z}, +, \times) également. L'ensemble Mn(R)\mathcal{M}_n(\mathbb{R}) des matrices carrées, muni de ++ et ×\times matricielles, est un anneau unitaire non commutatif dès que n2n \geq 2.

2. Diviseurs de zéro et anneaux intègres

Un élément aAa \in A, a0a \neq 0, est un diviseur de zéro s'il existe bAb \in A, b0b \neq 0, tel que a×b=0a \times b = 0.

Un anneau commutatif unitaire AA (avec 101 \neq 0) est intègre s'il n'a aucun diviseur de zéro, c'est-à-dire :

a,bA,a×b=0    a=0 ou b=0.\forall a,b \in A, \quad a\times b = 0 \implies a=0 \text{ ou } b = 0.

Exemples : Z\mathbb{Z}, Q\mathbb{Q}, R\mathbb{R}, C\mathbb{C} sont intègres. En revanche, Z/6Z\mathbb{Z}/6\mathbb{Z} n'est pas intègre : 2×3=6=0\overline{2} \times \overline{3} = \overline{6} = \overline{0}, alors que 20\overline{2} \neq \overline{0} et 30\overline{3} \neq \overline{0}. Plus généralement, Z/nZ\mathbb{Z}/n\mathbb{Z} est intègre si et seulement si nn est premier (on verra dans la leçon suivante que c'est alors même un corps).

3. Idéaux

Soit AA un anneau commutatif. Une partie IAI \subset A est un idéal de AA si :

1. II est un sous-groupe de (A,+)(A,+) (en particulier 0I0 \in I) ;
2. II est absorbant : pour tout aAa \in A et xIx \in I, a×xIa \times x \in I.

La condition d'absorption est plus forte que la simple stabilité par ×\times : on multiplie par n'importe quel élément de l'anneau, pas seulement par des éléments de II. C'est ce qui distingue un idéal d'un simple « sous-anneau ».

Idéal principal. Pour aAa \in A, l'ensemble aA={a×x:xA}aA = \{a \times x : x \in A\} (souvent noté (a)(a)) est un idéal, appelé idéal principal engendré par aa. Dans Z\mathbb{Z}, on retrouve exactement les sous-groupes nZn\mathbb{Z} : les idéaux de Z\mathbb{Z} sont donc exactement les nZn\mathbb{Z}, nNn \in \mathbb{N} — on dit que Z\mathbb{Z} est un anneau principal.

Exemple détaillé. Dans A=ZA=\mathbb{Z}, l'idéal (6)=6Z={,12,6,0,6,12,}(6) = 6\mathbb{Z} = \{\dots,-12,-6,0,6,12,\dots\}. On vérifie l'absorption : si x6Zx \in 6\mathbb{Z} (donc x=6kx=6k) et aZa \in \mathbb{Z} quelconque, alors ax=6(ak)6Zax = 6(ak) \in 6\mathbb{Z}.

4. Anneau quotient (intuition)

L'idée du quotient A/IA/I est de « rendre nuls » tous les éléments de l'idéal II, c'est-à-dire de considérer deux éléments x,yAx,y \in A comme équivalents dès que xyIx-y \in I (on note xy(modI)x \equiv y \pmod I). On regroupe ainsi AA en classes d'équivalence, et A/IA/I est l'ensemble de ces classes, muni des lois ++ et ×\times héritées de AA.

C'est exactement la construction déjà rencontrée pour Z/nZ\mathbb{Z}/n\mathbb{Z} : c'est le quotient de l'anneau Z\mathbb{Z} par son idéal nZn\mathbb{Z}. Le fait que II soit un idéal (et pas seulement un sous-groupe) garantit que la multiplication des classes est bien définie (ne dépend pas du représentant choisi dans chaque classe) — c'est précisément la condition d'absorption qui assure cette compatibilité.

Résumé


NotionDéfinition clé
|---|---|





Anneau(A,+)(A,+) groupe abélien, ×\times associative et distributive sur ++
Diviseur de zéroa0a\neq0, b0\exists b\neq0, ab=0ab=0
Anneau intègreaucun diviseur de zéro
Idéalsous-groupe additif + absorbant (aIIaI \subset I pour tout aAa\in A)
Idéal principal (a)(a){ax:xA}\{ax : x\in A\}
Quotient A/IA/Iclasses modulo II : xy    xyIx\equiv y \iff x-y\in I

Exercices

Quelles sont les deux lois requises pour définir un anneau (A,+,×)(A,+,\times) ?

Vrai ou faux : (M2(R),+,×)(\mathcal{M}_2(\mathbb{R}), +, \times) est un anneau commutatif.

Dans Z/6Z\mathbb{Z}/6\mathbb{Z}, donner un exemple de diviseur de zéro.

Vrai ou faux : tout idéal d'un anneau AA est, en particulier, un sous-groupe de (A,+)(A,+).

Quel est l'idéal principal (3)(3) engendré par 33 dans Z\mathbb{Z} ?

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