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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 où et sont deux lois de composition interne sur telles que :
1. est un groupe abélien (de neutre noté ) ;
2. est associative ;
3. est distributive par rapport à : pour tout ,
Si de plus admet un élément neutre (noté ), on dit que l'anneau est unitaire. Si 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 : , , , sont des anneaux commutatifs unitaires. également. L'ensemble des matrices carrées, muni de et matricielles, est un anneau unitaire non commutatif dès que .
2. Diviseurs de zéro et anneaux intègres
Un élément , , est un diviseur de zéro s'il existe , , tel que .
Un anneau commutatif unitaire (avec ) est intègre s'il n'a aucun diviseur de zéro, c'est-à-dire :
Exemples : , , , sont intègres. En revanche, n'est pas intègre : , alors que et . Plus généralement, est intègre si et seulement si est premier (on verra dans la leçon suivante que c'est alors même un corps).
3. Idéaux
Soit un anneau commutatif. Une partie est un idéal de si :
1. est un sous-groupe de (en particulier ) ;
2. est absorbant : pour tout et , .
La condition d'absorption est plus forte que la simple stabilité par : on multiplie par n'importe quel élément de l'anneau, pas seulement par des éléments de . C'est ce qui distingue un idéal d'un simple « sous-anneau ».
Idéal principal. Pour , l'ensemble (souvent noté ) est un idéal, appelé idéal principal engendré par . Dans , on retrouve exactement les sous-groupes : les idéaux de sont donc exactement les , — on dit que est un anneau principal.
Exemple détaillé. Dans , l'idéal . On vérifie l'absorption : si (donc ) et quelconque, alors .
4. Anneau quotient (intuition)
L'idée du quotient est de « rendre nuls » tous les éléments de l'idéal , c'est-à-dire de considérer deux éléments comme équivalents dès que (on note ). On regroupe ainsi en classes d'équivalence, et est l'ensemble de ces classes, muni des lois et héritées de .
C'est exactement la construction déjà rencontrée pour : c'est le quotient de l'anneau par son idéal . Le fait que 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
| Notion | Définition clé |
| Anneau | groupe abélien, associative et distributive sur |
| Diviseur de zéro | , , |
| Anneau intègre | aucun diviseur de zéro |
| Idéal | sous-groupe additif + absorbant ( pour tout ) |
| Idéal principal | |
| Quotient | classes modulo : |
Exercices de la leçon
Exercice 1
Quelles sont les deux lois requises pour définir un anneau ?
Corrigé
Un anneau requiert que soit un groupe abélien, et que soit associative et distributive par rapport à . La commutativité de et l'inversibilité ne sont pas exigées en général (sauf pour les corps).
Exercice 2
Vrai ou faux : est un anneau commutatif.
Corrigé
Faux. C'est bien un anneau (unitaire, de neutre pour ), mais la multiplication matricielle n'est pas commutative en général : pour des matrices quelconques.
Exercice 3
Dans , donner un exemple de diviseur de zéro.
Corrigé
(ou , ou ) convient : alors que et . Ce sont des diviseurs de zéro car n'est pas premier.
Exercice 4
Vrai ou faux : tout idéal d'un anneau est, en particulier, un sous-groupe de .
Corrigé
Vrai, c'est la première condition de la définition d'un idéal. La seconde condition (absorption : pour tout ) est ce qui distingue un idéal d'un simple sous-groupe additif.
Exercice 5
Quel est l'idéal principal engendré par dans ?
Corrigé
Par définition, , c'est-à-dire l'ensemble de tous les multiples de .
Exercice 6
Montrer que dans un anneau intègre , on peut « simplifier » : si et , alors .
Corrigé
De , on tire , soit (par distributivité) . Comme est intègre et que , l'absence de diviseurs de zéro impose , c'est-à-dire . Remarque : cette « règle de simplification » est fausse dans un anneau non intègre, par exemple dans : alors que .
Exercice 7
Soit , l'ensemble des polynômes sans terme constant. Montrer que est un idéal de .
Corrigé
(1) Le polynôme nul vérifie , donc . (2) Sous-groupe additif : si , , donc ; et , donc . (3) Absorption : si et quelconque, , donc . Les trois conditions sont vérifiées : est un idéal. (En fait , l'idéal principal engendré par .)
Exercice 8
Vrai ou faux : l'ensemble des matrices inversibles de est un idéal de .
Corrigé
Faux. L'ensemble des matrices inversibles ne contient pas (la matrice nulle n'est pas inversible) alors qu'un idéal doit contenir . De plus, ce n'est même pas un sous-groupe additif (la somme de deux matrices inversibles n'est pas forcément inversible, par exemple et ).
Exercice 9
Pourquoi n'est-il pas intègre lorsque n'est pas premier (et ) ?
Corrigé
Si n'est pas premier et , on peut écrire avec . Alors et dans (car ), mais . Donc et sont des diviseurs de zéro : n'est pas intègre. À l'inverse, on montre que si est premier, est intègre (et c'est même un corps, voir leçon suivante).
Exercice 10
Soient et deux idéaux d'un anneau commutatif . Montrer que est un idéal de .
Corrigé
est déjà un sous-groupe de (intersection de deux sous-groupes, résultat classique de théorie des groupes). Reste l'absorption : soit et . Comme et est un idéal, ; comme et est un idéal, . Donc . Les deux conditions étant vérifiées, est un idéal de .
Exercice 11
Dans , quel est l'idéal ?
Corrigé
est l'ensemble des entiers multiples à la fois de et de , c'est-à-dire multiples du PPCM. Donc .
Exercice 12
Soit un anneau commutatif et , deux idéaux principaux. Montrer que si et seulement si divise .
Corrigé
() Si , alors pour un certain . Tout élément de s'écrit . Donc . () Si , alors en particulier , donc pour un certain , c'est-à-dire . Cette équivalence justifie pourquoi, dans , : divise , et l'idéal engendré par un nombre est « plus petit » que celui engendré par ses diviseurs.
Exercice 13
Pourquoi la condition d'absorption ( pour tout , pas seulement ) est-elle essentielle pour que la multiplication soit bien définie dans le quotient ?
Corrigé
Supposons que l'on choisisse un autre représentant (avec ) pour la classe de . On veut que et représentent la même classe, c'est-à-dire . Or . Pour que quel que soit et , il faut précisément la condition d'absorption , soit pour tout . Sans cette condition (par exemple si n'était qu'un sous-groupe additif), le produit des classes dépendrait du représentant choisi et ne serait pas une opération bien définie sur .
Exercice 14
Vrai ou faux : dans un anneau commutatif unitaire , l'idéal tout entier est l'idéal principal .
Corrigé
Vrai. . C'est l'idéal « le plus grand » possible (avec comme seul idéal le contenant strictement étant... lui-même, il n'y en a pas de plus grand).
Exercice 15
Soit et . Combien d'éléments distincts (classes) compte le quotient , et pourquoi ?
Corrigé
Le quotient compte exactement classes : . En effet, par le théorème de la division euclidienne, tout entier s'écrit de façon unique avec , et (car ). Les classes sont donc indexées exactement par les restes possibles , ce qui donne -classes (plus généralement, ).
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