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Licence 3 · Arithmétique L3 — Théorie des nombres

Anneaux et idéaux

Anneaux et idéaux

1. Définition d'un anneau

Un anneau (A,+,×)(A,+,\times) est un ensemble muni de deux lois vérifiant :
- (A,+)(A,+) est un groupe abélien (neutre 00, opposés)
- ×\times est associative, distributive sur ++, et admet un neutre 11
- (Non nécessairement commutative, et les éléments peuvent ne pas avoir d'inverse multiplicatif)

Exemples : Z\mathbb{Z}, Z/nZ\mathbb{Z}/n\mathbb{Z}, R[X]\mathbb{R}[X], Mn(R)\mathcal{M}_n(\mathbb{R}).

2. Corps et intégrité

Un corps est un anneau commutatif dans lequel tout élément non nul est inversible.

Un anneau commutatif est intègre si ab=0⇒a=0ab=0\Rightarrow a=0 ou b=0b=0 (pas de diviseur de zéro).

Exemples : Z\mathbb{Z} est intègre mais pas un corps. Q\mathbb{Q}, R\mathbb{R}, C\mathbb{C} sont des corps.

3. Idéaux

Un idéal de AA est un sous-groupe (I,+)(I,+) tel que ∀a∈A,∀x∈I\forall a\in A, \forall x\in I: ax∈Iax\in I et xa∈Ixa\in I.

Idéal principal : aA={ax:x∈A}=⟨a⟩aA=\{ax:x\in A\}=\langle a\rangle.

Théorème : Dans Z\mathbb{Z}, tout idéal est principal : I=nZI=n\mathbb{Z} pour un certain n≥0n\geq0.

4. Anneau quotient

Si II est un idéal de AA, l'anneau quotient A/IA/I est l'ensemble des classes aˉ=a+I\bar a=a+I, muni des opérations aˉ+bˉ=a+b‾\bar a+\bar b=\overline{a+b} et aˉ⋅bˉ=ab‾\bar a\cdot\bar b=\overline{ab}.

A/IA/I est un corps ⇔\Leftrightarrow II est un idéal maximal.

5. Idéaux premiers et maximaux

- Idéal premier : ab∈I⇒a∈Iab\in I\Rightarrow a\in I ou b∈Ib\in I. A/IA/I est intègre.
- Idéal maximal : il n'existe pas d'idéal JJ avec I⊊J⊊AI\subsetneq J\subsetneq A. A/IA/I est un corps.

Tout idéal maximal est premier. Dans Z\mathbb{Z} : les idéaux premiers non nuls sont pZp\mathbb{Z} (pp premier).

Exercices de la leçon

Exercice 1

Vrai ou faux : Z\mathbb{Z} est un corps.

Corrigé

Faux. Z\mathbb{Z} est un anneau intègre mais pas un corps : 2∈Z2\in\mathbb{Z} n'a pas d'inverse dans Z\mathbb{Z} (1/2∉Z1/2\notin\mathbb{Z}).

Exercice 2

Vrai ou faux : Tout sous-groupe de (Z,+)(\mathbb{Z},+) est de la forme nZn\mathbb{Z}.

Corrigé

Vrai. (Z,+)(\mathbb{Z},+) est un groupe abélien monogène. Tout sous-groupe est cyclique, donc de la forme nZ={nk:k∈Z}n\mathbb{Z}=\{nk:k\in\mathbb{Z}\} pour un certain n≥0n\geq0.

Exercice 3

2Z+3Z2\mathbb{Z}+3\mathbb{Z} est égal à :

Corrigé

2Z+3Z=pgcd(2,3)Z=1Z=Z2\mathbb{Z}+3\mathbb{Z}=\text{pgcd}(2,3)\mathbb{Z}=1\mathbb{Z}=\mathbb{Z} (car Bézout : 1=3−21=3-2 est une combinaison).

Exercice 4

Vrai ou faux : Z/pZ\mathbb{Z}/p\mathbb{Z} est un corps ssi pp est premier.

Corrigé

Vrai. Z/pZ\mathbb{Z}/p\mathbb{Z} est intègre ssi pp est premier. Pour un anneau fini, intégrité ⇔\Leftrightarrow corps.

Exercice 5

Quel est le plus petit idéal de Z\mathbb{Z} contenant 66 et 1010 ?

Corrigé

Le plus petit idéal contenant aa et bb est pgcd(a,b)Z\text{pgcd}(a,b)\mathbb{Z}. pgcd(6,10)=2\text{pgcd}(6,10)=2. Donc c'est 2Z2\mathbb{Z}.

Exercice 6

Montrer que nZn\mathbb{Z} est un idéal de Z\mathbb{Z}.

Corrigé

Vérification :
1. Sous-groupe : 0=n×0∈nZ0=n\times0\in n\mathbb{Z}. Si nk,nl∈nZnk,nl\in n\mathbb{Z}, nk−nl=n(k−l)∈nZnk-nl=n(k-l)\in n\mathbb{Z}.
2. Absorption : ∀a∈Z\forall a\in\mathbb{Z}, ∀nk∈nZ\forall nk\in n\mathbb{Z}: a⋅nk=n(ak)∈nZa\cdot nk=n(ak)\in n\mathbb{Z} et nk⋅a=n(ka)∈nZnk\cdot a=n(ka)\in n\mathbb{Z}.

Donc nZn\mathbb{Z} est un idéal de Z\mathbb{Z}. □\square

Exercice 7

Vrai ou faux : Tout idéal de Z\mathbb{Z} est principal.

Corrigé

Vrai. Z\mathbb{Z} est un anneau principal (anneau euclidien donc principal). Tout idéal II de Z\mathbb{Z} est de la forme nZn\mathbb{Z} où nn est le plus petit élément strictement positif de II.

Exercice 8

Quel est le noyau du morphisme φ:Z→Z/5Z\varphi:\mathbb{Z}\to\mathbb{Z}/5\mathbb{Z}, n↦nˉn\mapsto\bar n ?

Corrigé

ker⁡φ={n∈Z:nˉ=0ˉ}={n:5∣n}=5Z\ker\varphi=\{n\in\mathbb{Z}:\bar n=\bar0\}=\{n:5\mid n\}=5\mathbb{Z}.

Exercice 9

Vrai ou faux : Si II est un idéal maximal de AA, alors A/IA/I est un corps.

Corrigé

Vrai pour un anneau commutatif. II maximal ⇔\Leftrightarrow A/IA/I est un corps (aucun idéal entre II et AA ⇔\Leftrightarrow A/IA/I n'a pas d'idéal non trivial ⇔\Leftrightarrow corps).

Exercice 10

Vrai ou faux : Dans Z\mathbb{Z}, pZp\mathbb{Z} est un idéal maximal ssi pp est premier.

Corrigé

Vrai. Z/pZ\mathbb{Z}/p\mathbb{Z} est un corps ssi pp est premier. Et pZp\mathbb{Z} est maximal ssi Z/pZ\mathbb{Z}/p\mathbb{Z} est un corps.

Exercice 11

Montrer que tout corps est intègre.

Corrigé

Preuve :

Soit KK un corps et ab=0ab=0 avec a≠0a\neq0.

aa est inversible (car a≠0a\neq0 dans un corps). Multipliant par a−1a^{-1} :
a−1(ab)=(a−1a)b=1⋅b=ba^{-1}(ab)=(a^{-1}a)b=1\cdot b=b.

Et a−1⋅0=0a^{-1}\cdot0=0.

Donc b=0b=0. KK est intègre. □\square

Exercice 12

Vrai ou faux : R[X]/(X2+1)≅C\mathbb{R}[X]/(X^2+1)\cong\mathbb{C}.

Corrigé

Vrai. (X2+1)(X^2+1) est un idéal maximal de R[X]\mathbb{R}[X] (car X2+1X^2+1 est irréductible sur R\mathbb{R}). Le quotient est un corps contenant R\mathbb{R} et un élément i=Xˉi=\bar X avec i2=−1i^2=-1, d'où R[X]/(X2+1)≅C\mathbb{R}[X]/(X^2+1)\cong\mathbb{C}.

Exercice 13

Montrer que si AA est un anneau intègre et a,b∈Aa,b\in A avec ab=0ab=0, la seule possibilité est a=0a=0 ou b=0b=0.

Corrigé

C'est la définition d'un anneau intègre : un anneau commutatif AA est dit intègre si ab=0⇒a=0ab=0\Rightarrow a=0 ou b=0b=0 (absence de diviseurs de zéro non triviaux). Cette propriété est exactement ce qu'on cherche à montrer — la question demande de comprendre la définition. □\square

Exercice 14

Quel est l'idéal engendré par 44 et 66 dans Z\mathbb{Z} ?

Corrigé

⟨4,6⟩={4a+6b:a,b∈Z}\langle4,6\rangle=\{4a+6b:a,b\in\mathbb{Z}\}.

pgcd(4,6)=2\text{pgcd}(4,6)=2. Par Bézout, 2=6−4∈⟨4,6⟩2=6-4\in\langle4,6\rangle.

Réciproquement, ⟨4,6⟩⊂2Z\langle4,6\rangle\subset2\mathbb{Z} car 2∣42\mid4 et 2∣62\mid6.

Donc ⟨4,6⟩=2Z\langle4,6\rangle=2\mathbb{Z}.

Exercice 15

Vrai ou faux : Dans un anneau principal, tout idéal premier non nul est maximal.

Corrigé

Vrai. Dans un anneau principal AA, ⟨p⟩\langle p\rangle est premier non nul ⇔\Leftrightarrow pp est irréductible ⇔\Leftrightarrow ⟨p⟩\langle p\rangle est maximal. (Dans Z\mathbb{Z} : pZp\mathbb{Z} premier non nul ⇔\Leftrightarrow pp premier ⇔\Leftrightarrow pZp\mathbb{Z} maximal.)

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