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Licence 2 · Algèbre abstraite L2 — Groupes, anneaux et corps

Anneaux et idéaux

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 de la leçon

Exercice 1

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

Corrigé

Un anneau requiert que (A,+)(A,+) soit un groupe abélien, et que ×\times soit associative et distributive par rapport à ++. La commutativité de ×\times et l'inversibilité ne sont pas exigées en général (sauf pour les corps).

Exercice 2

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

Corrigé

Faux. C'est bien un anneau (unitaire, de neutre I2I_2 pour ×\times), mais la multiplication matricielle n'est pas commutative en général : ABBAAB \neq BA pour des matrices quelconques.

Exercice 3

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

Corrigé

2\overline{2} (ou 3\overline{3}, ou 4\overline{4}) convient : 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}. Ce sont des diviseurs de zéro car 6=2×36 = 2\times3 n'est pas premier.

Exercice 4

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

Corrigé

Vrai, c'est la première condition de la définition d'un idéal. La seconde condition (absorption : aIIaI\subset I pour tout aAa\in A) est ce qui distingue un idéal d'un simple sous-groupe additif.

Exercice 5

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

Corrigé

Par définition, (3)=3Z={3k:kZ}(3) = 3\mathbb{Z} = \{3k : k \in \mathbb{Z}\}, c'est-à-dire l'ensemble de tous les multiples de 33.

Exercice 6

Montrer que dans un anneau intègre AA, on peut « simplifier » : si a0a\neq 0 et ab=acab = ac, alors b=cb=c.

Corrigé

De ab=acab=ac, on tire abac=0ab-ac=0, soit (par distributivité) a(bc)=0a(b-c)=0. Comme AA est intègre et que a0a \neq 0, l'absence de diviseurs de zéro impose bc=0b-c=0, c'est-à-dire b=cb=c. Remarque : cette « règle de simplification » est fausse dans un anneau non intègre, par exemple dans Z/6Z\mathbb{Z}/6\mathbb{Z} : 2×1=2×4=2\overline{2}\times\overline{1} = \overline{2}\times\overline{4} = \overline{2} alors que 14\overline{1}\neq\overline{4}.

Exercice 7

Soit I={fR[X]:f(0)=0}I = \{f \in \mathbb{R}[X] : f(0) = 0\}, l'ensemble des polynômes sans terme constant. Montrer que II est un idéal de R[X]\mathbb{R}[X].

Corrigé

(1) Le polynôme nul vérifie 0(0)=00(0)=0, donc 0I0 \in I. (2) Sous-groupe additif : si f,gIf,g \in I, (f+g)(0)=f(0)+g(0)=0+0=0(f+g)(0) = f(0)+g(0) = 0+0=0, donc f+gIf+g \in I ; et (f)(0)=f(0)=0(-f)(0) = -f(0) = 0, donc fI-f \in I. (3) Absorption : si fIf \in I et aR[X]a \in \mathbb{R}[X] quelconque, (a×f)(0)=a(0)×f(0)=a(0)×0=0(a\times f)(0) = a(0)\times f(0) = a(0)\times 0 = 0, donc afIaf \in I. Les trois conditions sont vérifiées : II est un idéal. (En fait I=(X)I = (X), l'idéal principal engendré par XX.)

Exercice 8

Vrai ou faux : l'ensemble des matrices inversibles de Mn(R)\mathcal{M}_n(\mathbb{R}) est un idéal de Mn(R)\mathcal{M}_n(\mathbb{R}).

Corrigé

Faux. L'ensemble des matrices inversibles ne contient pas 00 (la matrice nulle n'est pas inversible) alors qu'un idéal doit contenir 00. De plus, ce n'est même pas un sous-groupe additif (la somme de deux matrices inversibles n'est pas forcément inversible, par exemple InI_n et In-I_n).

Exercice 9

Pourquoi Z/nZ\mathbb{Z}/n\mathbb{Z} n'est-il pas intègre lorsque nn n'est pas premier (et n>1n>1) ?

Corrigé

Si nn n'est pas premier et n>1n>1, on peut écrire n=a×bn = a \times b avec 1<a,b<n1 < a,b < n. Alors a0\overline{a} \neq \overline{0} et b0\overline{b}\neq\overline{0} dans Z/nZ\mathbb{Z}/n\mathbb{Z} (car 0<a,b<n0<a,b<n), mais a×b=ab=n=0\overline{a}\times\overline{b} = \overline{ab} = \overline{n} = \overline{0}. Donc a\overline{a} et b\overline{b} sont des diviseurs de zéro : Z/nZ\mathbb{Z}/n\mathbb{Z} n'est pas intègre. À l'inverse, on montre que si n=pn=p est premier, Z/pZ\mathbb{Z}/p\mathbb{Z} est intègre (et c'est même un corps, voir leçon suivante).

Exercice 10

Soient II et JJ deux idéaux d'un anneau commutatif AA. Montrer que IJI \cap J est un idéal de AA.

Corrigé

IJI\cap J est déjà un sous-groupe de (A,+)(A,+) (intersection de deux sous-groupes, résultat classique de théorie des groupes). Reste l'absorption : soit xIJx \in I\cap J et aAa \in A. Comme xIx \in I et II est un idéal, axIax \in I ; comme xJx\in J et JJ est un idéal, axJax \in J. Donc axIJax \in I\cap J. Les deux conditions étant vérifiées, IJI\cap J est un idéal de AA.

Exercice 11

Dans Z\mathbb{Z}, quel est l'idéal (4)(6)(4) \cap (6) ?

Corrigé

(4)(6)(4)\cap(6) est l'ensemble des entiers multiples à la fois de 44 et de 66, c'est-à-dire multiples du PPCM(4,6)=12(4,6)=12. Donc (4)(6)=(12)=12Z(4)\cap(6) = (12) = 12\mathbb{Z}.

Exercice 12

Soit AA un anneau commutatif et I=(a)I=(a), J=(b)J=(b) deux idéaux principaux. Montrer que (a)(b)(a) \subset (b) si et seulement si bb divise aa.

Corrigé

(\Leftarrow) Si bab\mid a, alors a=bka = bk pour un certain kAk\in A. Tout élément de (a)(a) s'écrit ax=bkx(b)ax = bkx \in (b). Donc (a)(b)(a)\subset(b). (\Rightarrow) Si (a)(b)(a)\subset(b), alors en particulier a(a)(b)a \in (a) \subset (b), donc a=bka = b k pour un certain kAk \in A, c'est-à-dire bab \mid a. Cette équivalence justifie pourquoi, dans Z\mathbb{Z}, (4)(2)(4)\subset(2) : 22 divise 44, et l'idéal engendré par un nombre est « plus petit » que celui engendré par ses diviseurs.

Exercice 13

Pourquoi la condition d'absorption (aIIaI \subset I pour tout aAa \in A, pas seulement aIa \in I) est-elle essentielle pour que la multiplication soit bien définie dans le quotient A/IA/I ?

Corrigé

Supposons que l'on choisisse un autre représentant x=x+ix' = x + i (avec iIi \in I) pour la classe de xx. On veut que xyx'y et xyxy représentent la même classe, c'est-à-dire xyxyIx'y - xy \in I. Or xyxy=(x+i)yxy=iyx'y - xy = (x+i)y - xy = iy. Pour que iyIiy \in I quel que soit yAy \in A et iIi \in I, il faut précisément la condition d'absorption AyIAy\subset I, soit aIIaI\subset I pour tout aAa\in A. Sans cette condition (par exemple si II n'était qu'un sous-groupe additif), le produit des classes dépendrait du représentant choisi et ne serait pas une opération bien définie sur A/IA/I.

Exercice 14

Vrai ou faux : dans un anneau commutatif unitaire AA, l'idéal AA tout entier est l'idéal principal (1)(1).

Corrigé

Vrai. (1)={1×x:xA}={x:xA}=A(1) = \{1\times x : x\in A\} = \{x : x \in A\} = A. C'est l'idéal « le plus grand » possible (avec AA comme seul idéal le contenant strictement étant... lui-même, il n'y en a pas de plus grand).

Exercice 15

Soit A=ZA=\mathbb{Z} et I=(5)I=(5). Combien d'éléments distincts (classes) compte le quotient A/I=Z/5ZA/I = \mathbb{Z}/5\mathbb{Z}, et pourquoi ?

Corrigé

Le quotient Z/5Z\mathbb{Z}/5\mathbb{Z} compte exactement 55 classes : 0,1,2,3,4\overline{0},\overline{1},\overline{2},\overline{3},\overline{4}. En effet, par le théorème de la division euclidienne, tout entier nn s'écrit de façon unique n=5q+rn = 5q+r avec r{0,1,2,3,4}r \in \{0,1,2,3,4\}, et nr(mod5)n \equiv r \pmod 5 (car nr=5q(5)n-r=5q \in (5)). Les classes sont donc indexées exactement par les restes possibles {0,1,2,3,4}\{0,1,2,3,4\}, ce qui donne 5=I5 = |I|-classes (plus généralement, Z/nZ=n|\mathbb{Z}/n\mathbb{Z}| = n).

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