Cours d’Alg`
ebre II Bachelor Semestre 4
Prof. E. Bayer Fluckiger 19 mars 2014
S´erie 17
Exercice 1.
Soit Aun anneau.
(1) Soient e1, e2deux ´el´ement neutres pour la multiplication dans A. Montrer que
e1=e2.
(2) Soient aA, et b, c deux inverses de a. Montrer que b=c.
Solution.
(1) En utilisant successivement le fait que e2est un ´el´ement neutre (`a droite), puis
le fait que e1est un ´el´ement neutre (`a gauche), on trouve que e1=e1e2=e2.
(2) Par d´efinition, ab =ba =ca =ac = 1, o`u eest l’´el´ement neutre pour la
multiplication dans R(unique par la premi`ere partie). Par cons´equent,
b=be =b(ac) = (ba)c=ec =c.
Exercice 2.
Soit n2 un entier. Calculer l’ensemble des diviseurs de 0 dans Z/nZ.
Solution.
Premi`erement, remarquons que si xZ/nZest inversible, alors il ne s’agit pas
d’un diviseur de 0. En effet, si yZ/nZerifie xy = 0, alors y= 1·y= (x1x)y=
x1(xy) = 0. Plus g´en´eralement, le mˆeme argument montre que dans tout anneau
aucun ´el´ement inversible n’est un diviseur de 0.
R´eciproquement, si xn’est pas un diviseur de z´ero, alors il est inversible. En
effet, l’ensemble E={xy :yZ/nZ}a exactement Z/nZ´el´ements puisque si
xy =xypour y, yZ/nZ, alors x(yy) = 0, d’o`u y=ypuisque xn’est pas
un diviseur de z´ero. En particulier, E=Z/nZet il existe donc yZ/nZtel que
xy = 1.
Ainsi, l’ensemble des diviseurs de z´ero dans Z/nZest Z/nZ(Z/nZ).
Plus g´en´eralement, le mˆeme argument montre que dans tout anneau fini, les
diviseurs de ero sont pr´ecis´ement les ´el´ements non-inversibles.
Exercice 3.
On note ϕl’indicatrice d’Euler.
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(1) Soient pun premier et v1 un entier. Montrer que
ϕ(pv) = pv1(p1).
(2) Soit n1 un entier.
(a) Montrer que Aut (Z/nZ,+) et (Z/nZ)sont deux groupes isomorphes.
(b) En d´eduire #Aut (Z/nZ,+).
Solution.
(1) Rappelons que pour tout entier n1, on a d´efini ϕ(n) comme ´etant le cardinal
du groupe (Z/nZ). Par l’exercice 2 de la s´erie 3, on sait aussi que pour tout
n1
ϕ(n) = |{0a < n : (a, n) = 1}|.
Par cons´equent, ϕ(pv) est ´egal au nombre d’entiers 0 a < pvpremiers `a pv. Or,
un entier aest premier `a pvsi et seulement si il n’est pas divisible par p. Ainsi,
ϕ(pv) = |{0,...,pv} − {p, 2p, . . . , pv2p}| =pvpv1=pv1(p1).
(2) Remarquons qu’un ´el´ement fAut(Z/nZ,+) est d´etermin´e par sa valeur en
[1]n. En effet, pour tout entier x > 0,
f([x]n) = f(x[1]n) = f([1]n) + ···+ [1]n) = f([1]n) + ···+f([1]n) = xf([1]n)
et pour tout entier x < 0, f([x]n) = f([x]n) = ((x)f([1]n)). En adoptant
la notation
mg =
g+···+g(mfois) si m > 0
(m)gsi m < 0
0 si m= 0
pour mZet gZ/nZ, on obtient que
f([x]n) = xf([1]n) (1)
pour tout xZ.
Comme fest un automorphisme, on doit avoir f([1]n)(Z/nZ). En effet,
puisque fest surjectif, il existe xZtel que f([x]n) = [1]n. Par l’´equation
(1), ceci donne [1]n=xf([1]n) = [x]nf([1]n), c’est-`a-dire que [x]nest l’inverse de
f([1]n) dans Z/nZ.
On peut donc d´efinir une application
ψ: Aut(Z/nZ)(Z/nZ)
par f7→ f([1]n). Il s’agit d’un homomorphisme de groupes puisque si f, g
Aut(Z/nZ), alors (fg)([1]n) = f(g([1]n)) = g([1]n)f([1]n). Par l’´equation (1),
cet homomorphisme est injectif. Il est de plus surjectif, puisque si g(Z/nZ),
alors l’application f:Z/nZZ/nZ
f([x]n) = [x]ng
est un automorphisme, d’inverse [x]n7→ [x]ng1, tel que ψ(f) = g.
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(3) Par les points pr´ec´edents,
|Aut(Z/nZ)|=|(Z/nZ)|=ϕ(n).
Exercice 4.
Soient m1, m22 deux entiers premiers entre eux, et k1, k2Z. On consid`ere
le syst`eme de congruence
()nk1mod m1
nk2mod m2
(1) Montrer que si nest une solution du syst`eme (), alors l’ensemble des solutions
du syst`eme () est la classe de congruence [n]m1m2.
(2) En utilisant une relation de B´ezout entre m1et m2, montrer que le syst`eme ()
a une solution nZ.
(3) Retrouver les r´esultats des deux questions pr´ec´edentes en utilisant seulement le
lemme chinois.
(4) Red´emontrer le lemme chinois en utilisant les r´esultats des questions (1) et (2).
(5) R´esoudre le syst`eme de congruences n3 mod 7
n7 mod 10
Solution.
(1) Si un entier msatisfait le syst`eme de congruence (), alors nm0 (mod mi)
pour i= 1,2. Par cons´equent, il existe k1, k2Ztels que nm=kimipour
i= 1,2, d’o`u k1m1=k2m2. Rappelons le esultat ´el´ementaire suivant :
Lemme 1 (B´ezout).Soient a, b, c des entiers tels que a|bc. Si (a, b) = 1, alors
a|c.
D´emonstration. Puisque aet bsont premiers entre eux, il existe une relation de
B´ezout ax+by = 1 pour x, y Z. Soit kun entier tel que bc =ka. En multipliant
la relation de B´ezout par kc, on obtient kc =kcax +kcby =ka(cx +ky) d’o`u
c=a(cx +ky), i.e. a|c.
Comme m1|k2m2et (m1, m2) = 1, on en conclut que m1|k2. Ainsi, nm
(mod m1m2).
R´eciproquement, si mest un entier tel que mn(mod m1m2), alors mn
(mod mi) pour i= 1,2, donc mest une solution de ().
(2) Puisque m1et m2sont premiers entre eux, il existe une relation de B´ezout xm1+
ym2= 1 pour x, y Z. Par cons´equent, on a les congruences
xm10 (mod m1)xm11 (mod m2)
ym21 (mod m1)ym20 (mod m2).
Ainsi, en posant n=k1ym2+k2xm1, on obtient une solution au syst`eme ().
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(3) Par le lemme chinois, l’application
f:Z/(m1m2)ZZ/m1Z×Z/m2Z
[x]m1m27→ ([x]m1,[x]m2)
est un isomorphisme de groupes. Le premier point est ´equivalent `a l’injectivit´e
de f: si n, nsont deux solutions de (), alors f([n]m1m2) = ([k1]m1,[k2]m2) =
f([n]m1m2), d’o`u nn(mod m1m2) si fest injective, et r´eciproquement.
D’autre part, le deuxi`eme point est clairement ´equivalent `a la surjectivit´e de
f.
(4) Comme dans le cours, on commence par montrer que l’application fci-dessus
est un homomorphisme de groupes bien d´efini. Or, on vient de montrer que la
bijectivit´e de f´etait ´equivalente aux deux premiers points de l’exercice. Ainsi, f
est un isomorphisme si l’on suppose ceux-ci.
(5) On proc`ede en suivant la preuve, constructive, du deuxi`eme point de l’exercice.
Une relation de B´ezout entre 7 et 10 est par exemple 3 ·72·10 = 1. Par
cons´equent, une solution au syst`eme est donn´ee par n= 3·(2)·10+7·3·7 = 87.
Par le premier point de l’exercice, l’ensemble des solutions du syst`eme est la classe
[87]70 = [17]70 ={17 + 70k:kZ}.
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