LES NOMBRES COMPLEXES
OLIVIER CAST´
ERA
R´
esum´
e. Le corps des nombres complexes forme une extension
quadratique du corps des nombres r´eels . Les nombres complexes
de la forme (x, 0)forment un sous-corps de qui est isomorphe
au corps , par l’application qui `a (x, 0)fait correspondre x.
Table des mati`
eres
1. Groupe 1
1.1. Produit direct de groupes 2
1.2. Morphisme de groupes 4
2. Anneau 4
2.1. Anneau int`egre 5
2.2. Sous-anneau 5
2.3. Morphisme d’anneaux 5
3. Corps 6
3.1. Sous-corps 6
4. Racines Carr´ees 7
5. L’anneau L9
6. El´ements inversibles d’une extension quadratique 12
7. Le corps des nombres r´eels 14
1. Groupe
Un groupe est une structure alg´ebrique relativement simple puis-
qu’elle ne contient qu’une seule op´eration. Elle est utilis´ee dans beau-
coup d’autres structures alg´ebrique.
efinition 1.1. Un ensemble non vide Gmuni de l’op´eration , est
un groupe, not´e (G, ◻), ssi
(1) l’op´eration binaire est une loi de composition interne : `a
chaque paire d’´el´ements de G, elle associe un ´el´ement de G
∀(a, b) ∈ G2, a bG
(2) l’op´eration est associative
∀(a, b, c) ∈ G3, a ◻ (bc) = (ab) ◻ c
Date: 4 mai 2015.
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ERA
(3) Il existe un ´el´ement neutre (ou identit´e) edans G, pour l’op´e-
ration
eG/ ∀aG, e a=ae=a
(4) Tout ´el´ement ade Gposs`ede un sym´etrique bdans G
aG, bG/ab=ba=e
Pour un groupe multiplicatif, la loi de composition est not´ee par une
juxtaposition des ´el´ements. L’´el´ement neutre est l’unit´e. Le sym´etrique
de aest appel´e inverse de a, et not´e a1.
Pour un groupe additif, la loi de composition est not´ee par +. L’´el´ement
neutre est l’´el´ement nul ou z´ero. Le sym´etrique de aest appel´e l’oppos´e
de a, et not´e a.
Th´eor`eme 1.1. Quel que soit le groupe (G, ◻), l’´el´ement neutre est
unique.
emonstration. Supposons que eet esoient les ´el´ements neutres du
groupe (G, ◻)
xG, x e=ex=x
(x=e) ⇒ (ee=ee=e)
xG, x e=ex=x
(x=e) ⇒ (ee=ee=e)
(ee=eet ee=e) ⇒ (e=e)
efinition 1.2. Un groupe (G, ◻) est dit ab´elien ssi l’op´eration est
commutative
∀(a, b) ∈ G2, a b=ba
Exemples. Les ensembles des entiers naturels , des rationnels , et
des r´eels , sont des groupes ab´eliens pour l’addition +. Les ensembles
des rationnels priv´es de z´ero (z´ero n’a pas d’inverse), , et des r´eels
priv´es de z´ero, , sont des groupes ab´eliens pour la multiplication ×.
1.1. Produit direct de groupes.
efinition 1.3. Soient (G, ⋆) et (H, ⋆) deux groupes munis de la
mˆeme loi de composition interne . Consid´erons le produit cart´esien
G×Hdes ensembles Get H, c’est `a dire l’ensemble des paires or-
donn´ees {gG, h H, (g, h)}. On munit le produit cart´esien G×Hde
l’op´eration
∀(g1, g2) ∈ G2,∀(h1, h2) ∈ H2,
(g1, h1) ⍟ (g2, h2) = (g1g2, h1h2)
LES NOMBRES COMPLEXES 3
(G×H, ⍟) est appel´e produit direct de Get H.
Th´eor`eme 1.2. Le produit direct (G×H, ⍟) forme un groupe.
emonstration.
(1) l’op´eration est une loi de composition interne
(G, ⋆) est un groupe ∶ ∀(g1, g2) ∈ G2,(g1g2) ∈ G
(H, ⋆) est un groupe ∶ ∀(h1, h2) ∈ H2,(h1h2) ∈ H
∀(g1, h1) ∈ (G×H),∀(g2, h2) ∈ (G×H),
(g1g2, h1h2) ∈ (G×H)
(g1, h1) ⍟ (g2, h2) ∈ (G×H)
(2) l’op´eration est associative
∀(g1, h1),(g2, h2),(g3, h3) ∈ (G×H)3,
(g1, h1) ⍟ [(g2, h2)(g3, h3)] =(g1, h1)[(g2g3, h2h3)
=[g1(g2g3), h1(h2h3)]
et,
[(g1, h1)(g2, h2)](g3, h3)=(g1g2, h1h2)](g3, h3)
=[(g1g2)g3,(h1h2)h3]
=[g1(g2g3), h1(h2h3)]
o`u l’on a utilis´e l’associativit´e de la loi dans Get dans H.
Par cons´equent,
(g1, h1)[(g2, h2)(g3, h3)] =[(g1, h1)(g2, h2)](g3, h3)
(3) l’op´eration admet un ´el´ement neutre dans G×H.
Soit el’´el´ement neutre du groupe G, et soit el’´el´ement neutre
du groupe H
(g, h)(G×H),(e, e)(g, h)=(eg, eh)
=(g, h)
(g, h)(e, e)=(ge, h e)
=(g, h)
Th´eor`eme 1.3. Si (G, )et (H, )sont des groupes ab´eliens, alors le
produit direct (G×H, )forme un groupe ab´elien.
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emonstration.
(G, )est un groupe ab´elien g1g2=g2g1
(H, )est un groupe ab´elien h1h2=h2h1
(g1, h1),(g2, h2)(G×H)2,(g1, h1)(g2, h2)=(g1g2, h1h2)
=(g2g1, h2h1)
=(g2, h2)(g1, h1)
1.2. Morphisme de groupes.
efinition 1.4. Soient deux groupes (G, )et (G,). L’application
fde (G, )dans (G,)est un morphisme de groupes ssi
fGG
(x, y)G2, f (xy)=f(x)f(y)
fest un isomorphisme de groupes ssi fest un morphisme bijectif. Dans
ce cas, f1est aussi un morphisme de groupes.
2. Anneau
efinition 2.1. Un ensemble Amuni de deux op´erations, not´ees et
, est un anneau, not´e (A, ,), ssi
(1) (A, )est un groupe ab´elien
(2) l’op´eration est une loi de composition interne
(a, b)A2, a bA
(3) l’op´eration est associative
(a, b, c)A3, a (bc)=(ab)c
(4) l’op´eration admet un ´el´ement neutre edans A
eA/aA, ea=ae=a
(5) l’op´eration est distributive `a gauche et `a droite par rapport
`a l’op´eration
x, y, z A3, a (bc)=(ab)(ac)
x, y, z A3,(bc)a=(ba)(ca)
efinition 2.2. Un anneau (A, ,)est dit commutatif ssi l’op´eration
est commutative
(a, b)A2, a b=ba
LES NOMBRES COMPLEXES 5
R`egles de calcul. Quel que soit l’anneau (A, ,)
Soit e l´el´ement neutre de la loi ⊕ ∶ ∀xA, e x=xe=e
Soit y le sym´etrique de y pour la loi ⊕ ∶
(x, y)A2, x (y)= ⊖(xy)
(x, y, z)A3, x (yz)=(xy)(xz)
Si (A, ,)est un anneau commutatif, binˆome de Newton
n,(x, y)A2,(xy)n=
n
k=0
Ck
nxkynk
2.1. Anneau int`egre.
efinition 2.3. Un ´el´ement non nul ad’un anneau (A, ,)est un
diviseur de z´ero `a gauche, ssi
beA/ab=e
efinition 2.4. Un ´el´ement non nul ad’un anneau (A, ,)est un
diviseur de z´ero `a droite, ssi
beA/ba=e
efinition 2.5. Un anneau (A, ,)est int`egre s’il est diff´erent de
l’´el´ement nul {e}, commutatif, et sans diviseur de z´ero.
Th´eor`eme 2.1. Pour tout anneau (A, ,)int`egre
(a, b)A2,(ab=e)(a=eou b=e)
2.2. Sous-anneau.
efinition 2.6. Toute partie Ade l’ensemble Aest un sous-anneau
de l’anneau (A, ,)ssi
(1) (A,,)est un anneau
(2) Aest stable pour la loi
(a, b)A2, a bA
(3) Aest stable pour la loi
(a, b)A2, a bA
2.3. Morphisme d’anneaux.
efinition 2.7. Soient deux anneaux (A1,,)et (A2,,), et soient
e1l’´el´ement neutre de dans A1, et e2l’´el´ement neutre de dans
A2. L’application fde (A1,,)dans (A2,,)est un morphisme
d’anneaux ssi
(1) (x, y)A2
1, f(xy)=f(x)f(y)
(2) (x, y)A2
1, f(xy)=f(x)f(y)
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