MAT2611 : algèbre 2, hiver 2016
Travaux pratiques #4, 5 février
Exercice 1. Soit ζ=e2πi/p.
(a) Montrez que les nombres 1 + ζ+··· +ζm,1mp2, sont d’éléments inversibles
de l’anneau Z[ζ].
(b) Montrez que p=u·(ζ1)p1, où uest un élément inversible de Z[ζ].
Solution. (a) On a que ζm1 = (ζ1)(1+ζ+···+ζm1). De plus, on a vu que N(ζ1) = p,
Nest denote la norme de l’anneau Z[ζ]. Il suffit de montrer que N(ζm1) = pégalement,
car, dans ce cas, on aura que N(1 + ζ+··· +ζm1) = 1 d’après la multiplicativité de la
norme, et on sait que les éléments inversibles de Z[ζ]sont les éléments de norme ±1. En
effet, on a que
N(ζm1) =
p1
Y
j=1
σj(ζm1) =
p1
Y
j=1
(ζmj 1).
Puisque (m, p) = 1, les nombres {m, 2m, . . . , (p1)m}réduits mod psont une permutation
des nombres 1,2, . . . , p 1. Puisque la fonction nζnest p-périodique, alors on trouve que
N(ζm1) =
p1
Y
j=1
(ζj1) = N(ζ1) = p,
comme affirmé.
(b) On a que
p=N(ζ1) =
p1
Y
j=1
(ζj1) =
p1
Y
j=1
(ζ1)(1 + ζ+··· +ζj1)=u·(ζ1)p1,
u=
p1
Y
j=1
(1 + ζ+··· +ζj1).
D’après la partie (a), on trouve que uest inversible comme le produit de quelques éléments
inversibles.
Exercice 2 (Ex. 37, 38, 39, p. 259-60).
(a) Soit Aun anneau commutatif et unitaire. On dit que Aest un anneau local s’il possède
un idéal maximal unique.
— Montrez que si Aest un anneau local dont l’idéal maximal est M, alors chaque
élément de A\Mest inversible.
Réciproquement, prouvez que si les éléments non-inversibles de Aforment un idéal
M, alors Aest un anneau local dont l’idéal maximal unique est M.
(b) En suivant la notation de l’exercice 5 du TP du 16 janvier, soit Kun corps, νune
valuation discrète sur Kest Al’anneau de valuation de ν. Pour chaque nombre entier
k0, on définit
Ak={xK×:ν(x)k}∪{0}.
Montrez que :
(i) Akest un idéal principal de A=A0.
1
2
(ii) Montrez que si Iest un idéal non-zero de A, on a que I=Akpour un k0.
Déduisez que Aest un anneau local dont l’idéal maximal unique est A1.
(c) Soit pun nombre premier. Montrez que l’anneau A={a/b :a, b Z,pgcd(a, b) = 1, p -
b}est un anneau local dont l’idéal maximal unique est {a/b :a, b Z,pgcd(a, b) =
1, p|a, p -b}.
Solution. (a) Soit aA\M. L’idéal (a)n’est pas contenu dans M. Donc, il ne peut pas être
propre ; sinon, il y aurait un idéal maximal qui le contient (et cet idéal serait nécessairement
M). Par la suite, on déduit que (a) = A, c’est-à-dire, aest inversible dans A.
Réciproquement, on suppose que l’ensemble des éléments non-inversibles Mest un idéal.
Chaque idéal propre de Ane contient pas d’éléments inversibles, donc il est contenu dans
M. Ceci prouve que Mest maximal et qu’il est le seul idéal de Aayant cette propriété.
(b-i) Nous avons vu déjà que ν(1) = 0 et que ν(x) = ν(x)pour tout xK×(exercice 5
du TP du 16 janvier). Donc si x, y Ak, on a que
ν(xy) = ν(x+ (y)) min{ν(x), ν(y)}= min{ν(x), ν(y)} ≥ min{k, k}=k,
ce qui implique que xyAégalement. De plus, si aA, c’est-à-dire, ν(a)0, on trouve
que
ν(ax) = ν(a) + ν(x)0 + k=k,
alors ax =xa Ak. On conclut que Akest un idéal de Apour tout k0. Afin de prouver
que c’est un idéal principal, soit xkAktel que ν(xk) = min{ν(x) : xAk\ {0}}. On
rappel que
ν(x1
k) = ν(1) ν(xk) = ν(xk).
Donc, pour chaque xAk\ {0}, on a que
ν(xx1
k) = ν(x) + ν(x1
k) = ν(x)ν(xk)0,
c’est-à-dire, xx1
kA. Alors, on trouve que x(xk)pour tout xAk. Par conséquent,
Ak= (xk), ce qui conclut la preuve.
(b-ii) Comme dans partie (b-i) au-dessus, soit x0Itel que ν(x0) = min{ν(x) : xI}.
On va montrer que I=Ak, où k=ν(x0). D’abord, c’est clair que IAk. Aussi, la preuve
de la partie (b-i) évidemment implique que (x0) = Ak. Alors Ak= (x0)IAk, et on
trouve que I=Ak.
Comme tous les idéaux propres de Asont A1, A2, . . . (ces idéaux sont propres car ν(1) = 0
et, pars suite, 1/Ajpour chaque j1), c’est clair que chaque idéal propre de Aest contenu
dans l’idéal A1. Par conséquence, c’est idéal est maximal et, en effet, l’unique idéal de Aavec
cette propriété. Ça prouve que Aest un anneau local.
(c) Considérons la valuation νpde l’exercice 5 du TP du 16 janvier. Alors le résultat suit
immédiatement par la partie (b-ii) au-dessus.
Solution alternative : Soit A={a/b :a, b Z, p -b}et M={a/b :a, b Z,pgcd(a, b) =
1, p|a, p -b}. On a que MAQ. Un élément a/b de A(on suppose ici que aet bsont
nombres entiers avec pgdc(a, b)=1) est bien-sûr inversible dans Qet son inverse est b/a.
On a que b/a Asi et seulement si p-a. Donc, les éléments inversibles sont exactement
les éléments de A\M. Si on montre que Mest un idéal, alors la partie (a) impliquera que
Mest l’idéal maximal unique de A. En effet, on a que 0M. Aussi, si a/b, c/d M
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et m/n A(comme toujours, on suppose que tous les trois sont de fractions des nombres
entiers copremiers), on a que
a
bc
d=ad bc
bd et a
b·m
n=am
bn
appartiennent à M, car
p|aet p|b=p|(ad bc)et p|am
et
p-b, p -det p-n=p-bd et p-bn.
Exercice 3. Montrez que chaque idéal Ide Z[d] = {a+bd:a, b Z}est de type fini
comme suite :
(a) Soit I0=IZet I1={bZ:a+bdIpour un aZ}. Montrez que I0et I1sont
d’idéaux de Z. Par la suite, I0= (n0)and I1= (n1)pour deux nombres entiers n0et
n1.
(b) Montrez que I0I1.
(c) D’après la définition de I1, il y a a1Ztel que a1+n1dapparient à I. Prouvez que
Iest l’idéal engendré par n0et a1+n1d.
Solution. (a) On a, en général, que si Best un sous-anneau de Aet Iest un idéal de
A, alors l’ensemble IBest un idéal de B(voyez, par exemple, le deuxième théorème
d’isomorphisme d’anneaux). En particulier, I0est un idéal de Z. Puis, on montre que I1est
également un idéal de Z. Soit b1, b2I1. Selon la définition de I1, il existe a1, a2Ztels que
a1+b1d, a2+b2dI. Alors, b1+b2I1, puisque (a1+a2) + d(b1+b2)I. De plus,
pour chaque bZ, on a que bb1+ba1d=b(a1+b1d)Iet, conséquemment, bb1I1.
Ceci montre que I1est un idéal de Z. Finalement, puisque Zest un anneau principal, il y a
entiers n0et n1tel que I0= (n0)et I1= (n1).
(b) Si nI0=IZ, on a que 0 + ndIcar Iest un idéal de Z[d]. Alors, on trouve
que nI1.
(c) Soit a+bdI. Donc bI1= (n1), ce qui implique que b=mn1pour un mZ.
Par la suite,
a+bd=a+mn1d=m(a1+n1d)ma1+a.
En particulier, ama1Icomme la différence de deux éléments de I. Puisque ama1est
aussi un nombre entier, on trouve que ama1I0= (n0). Donc ama1=kn0pour un
kZ, ce qui implique que
a+bd=m(a1+n1d) + kn0.
Ceci conclut la preuve.
Exercice 4.
(a) Soit A=Q[x]. Montrez que l’idéal engendré par le polynôme x22est maximal. Plus
précisément, prouvez que
Q[x]/(x22)
=Q[2].
(b) Est-ce que l’idéal engendré par le polynôme x22est maximal dans l’anneau C[x]?
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Solution. (a) L’énoncé découle d’un résultat général vu en classe. Il suffit simplement de
montrer que x22est le polynôme minimal du nombre algébrique 2. En effet, c’est clair
que 2est une racine de x22. De plus, 2/Q, ce qui implique que 2ne peut être la
racine d’un polynôme linéaire. Ceci prouve l’affirmation que x22est le polynôme minimal
du nombre algébrique 2.
(b) L’idéal (x22) n’est pas premier dans C[x]et, a fortiori, il n’est pas maximal : on a
que (x2)(x+2) 0 (mod (x22)) mais x±26≡ 0 (mod (x22)).
Exercice 5. Soit Aun anneau de Boole, c’est-à-dire, a2=apour tout aA(cf. exercice 3
du TP du 16 janvier). Prouvez les propositions suivantes.
(a) (ex. 23, p. 258) Si Aest non-zéro et unitaire, alors chaque idéal premier de Aest aussi
maximal.
(b) (ex. 24, p. 258) Chaque idéal de type fini de Aest principal [Indice : Montrez que
(α, β)=(α+αβ +β).]
(c) (ex. 1, p. 267) Si Aest unitaire, alors A
=(a)×(1 a)pour tout aA. De plus,
l’élément aest l’unité de (a)et l’élément 1aest l’unité de (1 a).
(d) (ex. 2, p. 267) Si Aest fini, non-zéro et unitaire, alors il y a un nNtel que
A
=Z/2Z× ··· × Z/2Z
| {z }
nfois
.
Solution. Rappelez qu’un anneau de Boole Aest commutatif. Aussi, on a que a+a= 0,
car a+a= (a+a)2= (a+a)(a+a) = a2+a2+a2+a2=a+a+a+a.
(a) Si l’idéal Pde Aest premier, alors le quotient A/P est un anneau intègre. Mais, le
quotient A/P est aussi un anneau de Boole, et le seul anneau de Boole qui est intègre est
Z/2Z(voyez Problème 2(b), Devoir #1). Donc A/P
=Z/2Z, c’est-à-dire, A/P est un corps.
Par la suite, Pest maximal.
Remarque : Ici l’hypothèse que Aest unitaire n’est pas nécessaire. L’idée est que l’idéal P
est premier si et seulement si A/P n’a pas de diviseurs de zéro 1. Donc, il suffit de caractériser
les anneaux de Boole qui n’ont pas de diviseurs de zéro. On affirme que si Best un anneau
de Boole non-zèro qui n’a pas de diviseurs de zéro, alors B
=Z/2Z(ceci généralise l’exercice
3 du TP du 16 janvier). C’est suffisant de montrer que Ba seulement deux éléments. En
effet, si 0, a, b sont trois éléments distincts de B, on trouve que ab(ab) = aba ab2=
a2bab2=ab ab = 0. Cependant, a, b, a b6= 0, ce qui contredit l’hypothèse que Best
intègre. Alors Ba au plus deux éléments. Puisque Best nonzero, il doit avoir exactement
deux élément, ce qui montre notre affirmation.
Finalement, si Pest un idéal premier de P, on a que A/P est un anneau de Boole sans
de diviseurs de 0. Donc A/P
=Z/2Z, qui est un corps. Par conséquent, Pest maximal.
(b) Soit I= (α1, . . . , αk)un idéal de A. On utilise induction sur k. Si k= 1, c’est évident
que Iest principal. Supposons maintenant que si kK, pour un KN, on a que Iest
principal. Soit k=K+ 1. On a que I= (α1, J), où J= (α2, . . . , αk). Par l’hypothèse
inductive, on trouve que J= (β)pour un βAet, par conséquent, I= (α1, β). Finalement,
1. Mais c’est possible que A/P n’a pas une unité, auquel cas il n’est pas intègre.
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on note que I= (α1+α1β+β). En effet, c’est clair que γ:= α1+α1β+βI. Réciproquement,
on a que
α1γ=α2
1+α1β+α1β=α2
1=α1,
puisque α1β=α1β. De même, on trouve aussi que β=βγ. Ces deux égalités impliquent
que α1, β (γ). Par la suite, on a que I= (γ). Ceci termine l’étape inductive et, par
conséquent, la preuve.
(c) Tout d’abord, si b=(a), on a que ba =ab =a2β==b. Donc aest une unité
de l’anneau (a). De la même façon, on trouve que 1aest une unité de (1 a).
Afin de montrer que A
=(a)×(1 a), on considère l’application φ:A(a)×(1 a)
définie par φ(b)=(ba, b(1 a)). Cette application est un morphisme d’anneaux : en effet,
on a que
φ(b+c) = ((b+c)a, (b+c)(1 a)) = (ba +ca, b(1 a) + c(1 a))
= (ba, b(1 a)) + (ca, c(1 a)) = φ(b) + φ(c)
et
φ(bc)=(bca, bc(1 a)) = (ba, b(1 a)) ·(ca, c(1 a)) = φ(b)φ(c),
puisque baca =bca2=bca et b(1 a)c(1 a) = bc(1 a)2=bc(1 a). On va montrer
que φest, en fait, un isomorphisme. D’abord, si φ(b)=0, alors b=b·1 = b(a+ 1 a) =
ba +b(1 a) = 0 + 0 = 0, ce qui montre que φest injectif.
Finalement, afin de prouver que φest aussi surjectif, on va premièrement montrer que
(a)(1 a) = (0). En effet, si b(a)(1 a), on a que b=ac = (1 a)dpour quelques
c, d A. Par la suite, ab =a(1 a)d= (aa2)d= 0 ·d= 0 et, de façon similaire,
(1 a)b= (1 a)ac = 0. Donc b=ab + (1 a)b= 0, ce qui prouve que (a)(1 a) = 0.
On peut maintenant prouver que φest surjectif. Considérons (ca, d(1 a)) (a)×(1 a).
Soit b=ca + (1 a)d. Puisque on a aussi que b=ba +b(1 a), on trouve que (cb)a=
(bd)(1 a)(a)(1 a) = (0), ce qui implique que ca =ba et que d(1 a) = b(1 a).
Donc φ(b)=(ca, d(1 a)), qui conclut la preuve de la surjectivité de φ.
En conclusion, on a montré que φest un isomorphisme, d’où on déduit que A
=(a)×(1a).
(d) On utilise induction sur le nombre des éléments de A. Si |A|= 2 (notez que Apossède
au moins deux éléments : 1 et 0), on a nécessairement que A
=Z/2Z. Puis supposons que
le résultat est vrai quand |A| ≤ N, où N2, et on considère Aavec N+ 1 éléments. Soit
aA\ {0,1}. D’après la partie (c), on peut écrire A
=(a)×(1 a). L’idéal (a)est un
anneau de Boole avec unité possedant au moins deux éléments : 0 et a. De même, l’idéal
(1 a)est un anneau de Boole avec unité ayant au moins deux éléments : 0 et 1a. Puisque
on a aussi que |A|=|(a)|·|(1 a)|(ici |X|dénote la cardinalité de l’ensemble X), on trouve
que 2≤ |(a)| ≤ |A|/2 = (N+ 1)/2Net 2≤ |(1 a)| ≤ |A|/2 = (N+ 1)/2N. Donc
l’hypothèse inductive implique qu’il y a deux nombres naturels n1et n2tels que
(a)
=Z/2Z× ··· × Z/2Z
| {z }
n1fois
et (1 a)
=Z/2Z× ··· × Z/2Z
| {z }
n2fois
.
Par conséquent,
A
=(a)×(1 a)
=Z/2Z× ··· × Z/2Z
| {z }
nfois
,
n=n1+n2.
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