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Anneau : un anneau A est un groupe abélien, no
additivement, sur lequel est défini une deuxième loi interne,
notée multiplicativement, telle que :
. est associative et possède un élément neutre (1)
. est distributive par rapport à l’addition c’est-à-dire pour tout x,y,z de A,
(x+y).z=x.z+y.z (distributivité à droite) et z.(x+y)=z.x+z.y (distributivité à
gauche)
Note : - un anneau est dit commutatif si . est commutative
Exemples : - (Z,+,.) est un anneau commutatif
- (Q,+,.) est un anneau commutatif
Quelques propriétés des anneaux :
Pour tout x d’un anneau A, 0.x=x.0=0
Preuve : 0.x=(0+0).x=0.x+0.x d’où 0.x=0. De même
x.0=x.(0+0)=x.0+x.0 d’où x.0=0
Pour tout x,y de A, x.(-y)=(-x).y=-(x.y) et (-x).(-y)=xy
Preuve : x.y+(-x).y=(x+(-x)).y=0.y=0 d’où (-x).y=-(x.y). De
même, x.y+x.(-y)=x.(y+(-y))=x.0=0 d’où x.(-y)=-(x.y)
Anneau intègre : un anneau A est dit intègre si pour tout x,y de
A, x.y=0 x=0 ou y=0
Sous-anneau : soit un anneau A. B A est un sous-anneau de
A si B est un sous-groupe additif de A et si pour tout x,y de B,
x.y B et 1B.
Idéal : soit un anneau commutatif A. I A est un idéal de A si I
est un sous-groupe additif et pour tout x de A et tout i de I,
x.i I
Notes : - dans le cas d’un anneau non commutatif, on peut définir un idéal à
droite et un idéal à gauche
- si un idéal I est un sous-anneau, 1I, mais alors1.x I pour tout x
de A et I=A
Exemple : - dans l’anneau (Z,+,.), les nZ sont des idéaux
Relation d’équivalence induite par un idéal : dans un anneau A,
si I est un idéal la relation pour tout x,y de A, xRy x-yI est
une relation d’équivalence
Preuve : x-x I pour tout x de A car I est un sous-groupe pour +
donc contient 0. R est donc réflexive. Si x-yI, y-x aussi
puisque I est un sous-groupe pour +, donc R est symétrique. Si
x-y I et y-z I, (x-y)-(y-z)=x-(y-y)-z=x-z I par associativité de
+, donc R est transitive.
Anneau quotient : si I est un idéal d’un anneau A, on peut
définir l’anneau quotient A/I comme l’ensemble des classes
d’équivalence de la relation induite par I sur A
Théorème des restes chinois : soit A un anneau commutatif et
soient I et J deux idéaux de A tels que I+J=A (avec I+J={x+y,
xI et yJ}. Alors pour deux éléments a et b de A, il existe x
dans A tel que x a mod I et x b mod J (c’est-à-dire x est en
relation avec a modulo I et x est en relation avec b modulo J).
Preuve : I+J=A donc il existe I et J tels que + =1.
Posons x = a. + b. . Alors x - a. I donc x a. mod I (car
I donc par définition d’un idéal, b. I). Or =1 - 1 mod I
d’où x a mod I. De même, x b. mod J. D’où, puisque
=1- 1 mod J, x b mod J.
Note : - par induction, on montre ce théorème pour un nombre quelconque
d’idéaux.
Proposition 5 (théorème de Bezout) : pour tous a et b de Z,
avec pgcd(a,b)=n, aZ+bZ=nZ
Preuve : aZ+bZ est un sous-groupe de Z car ax+by a pour
inverse -ax-by et (ax+by)+(az+bt)=a(x+z)+b(y+t). Donc aZ+bZ
est de la forme nZ. anZ et bnZ
, donc n divise a et b. De plus,
si mZ divise a et b, m divise n car n est de la forme au+bv.
Donc m est le plus grand diviseur commun à a et b (pgcd).
Notes : - pour deux nombres a et b premiers entre eux, aZ+bZ=Z
- ce résultat se généralise pour une somme finies de sous-groupes
de Z : a1Z+a2Z+..+anZ = pgcd(a1,a2, .. , an)Z
2
Corollaire au théorème des restes chinois : tout système de n
équations de congruence sur des nombres premiers deux à
deux dans (Z,+,.) a une solution dans Z :
x a1mod b1Z
x a2mod b2Z
…..
x anmod bnZ
Preuve : (Z,+,.) est un anneau commutatif. Dans Z, les idéaux
sont les nZ. De plus si les bisont premiers entre eux,
b1Z+b2Z+..+bnZ = Z. On peut donc appliquer le théorème des
restes chinois et en déduire qu’il existe une solution au système
d’équation.
=> il existe un x solution dans Z
Pour résoudre sur Z le système On résout pour chaque i
x a1mod b1Z xi0 mod b1Z
x a2mod b2Z …..
xi 0 mod bi-1Z
….. (1) xi1 mod biZ (2)
xi0 mod bi+1Z
…..
x anmod bnZ xi0 mod bnZ
On pose ki=b1.b2. .. bi-1.bi+1. .. . bnpour tout i. Les kiet bisont
donc premiers entre eux et kiZ+biZ=Z donc il existe u et v
entiers relatifs tels que u.ki+v.bi=1. On pose xi=u.kiet alors xi
vérifie bien le système (2). Une solution du système (1) est
alors x=a1.x1+a2.x2+..+an.xn
Soit le système
On a k1= 35, k2= 21 et k3= 15
• x1= 1 mod (3) et 0 mod (5) et 0 mod (7) donc il faut trouver u et
v tels que 35.u + 3.v = 1. Par exemple, u = 2 et v = -23. Donc
x1= 70
• x2= 1 mod (5) et 0 mod (3) et 0 mod (7) donc il faut trouver u et
v tels que 21.u + 5.v = 1. Par exemple, u = 1 et v = -4. Donc
x2= 21
x 1 mod (3)
x 2 mod (5)
x 3 mod (7)
• x3= 1 mod (7) et 0 mod (3) et 0 mod (5) donc il faut trouver u et
v tels que 15.u + 7.v = 1. Par exemple, u = 1 et v = -2. Donc
x3= 15
Finalement, x = 1.70 + 2.21 + 3.15 = 157 est solution. En effet,
157/3 = 52 et reste 1, 157/5 = 31 et reste 2, et 157/7 = 22 et
reste 3
a et b, entiers relatifs, étant donnés, on note c=pgcd(a,b). On veut
déterminer x et y tels que ax + by = c
yn+1
xn+1
0n+1 yn
xn
qn
rn
n
... yi+1
xi+1
qi+1
ri+1
i+1 yi
xi
qi
ri
iyi-1
xi-1
qi-1
ri-1
i-1
... 10q2b2 01a1 yk
xk
qk
rk
kri-1 = qi*ri + ri+1
xi+1 = xi-1 - qi*xi
yi+1 = yi-1 - qi*yi
pgcd(a,b) = rn
x = xn
y = yn
On veut trouver x et y tels que 96x + 81y = pgcd(96,81)
32-2706 -1311235 6-5264 -115153 101812 01961 yk
xk
qk
rk
kri-1 = qi*ri + ri+1
xi+1 = xi-1 - qi*xi
yi+1 = yi-1 - qi*yi
pgcd(a,b) = rn
x = xn
y = yn
pgcd(96,81) = 3 et x = 11 et y = -13
3
Corps : (C,+,.) est un corps si (C,+,.) est un anneau commutatif
tel que 01 et que tout élément de C différent de 0 a un inverse
pour . (0 est l’élément neutre pour +, 1 est l’élément neutre
pour .).
Note : - un corps est commutatif si sa multiplication est commutative.
Exemples : - (Q,+,.) est un corps, (R,+,.) est un corps
Théorème de Wedderburn : tout corps fini est commutatif
Treillis : Un treillis est un ensemble ordonné dans lequel toute
paire d'éléments admet une borne supérieure et une borne
inférieure, c’est-à-dire qu’étant donnés deux éléments xet y,
l’ensemble des majorants communs à xet yn’est pas vide et
admet un minimum noxyet l’ensemble de leurs minorants
communs n’est pas vide et admet un maximum noté x y.
Treillis : un ensemble E muni de deux opérations et , est
un treillis (algébrique) si les propriétés suivantes sont
satisfaites :
1. x x = x = x x (idempotence)
2. x y = y x et x y = y x (commutativité)
3. x (y z) = (x y) z et x (y z) = (x y) z
(associativité)
4. x (x y) = x = x (x y) (absorption)
Proposition 6 : Si E muni d’une relation d’ordre est un
treillis, alors tout couple (x,y) d’éléments de E vérifie les
propriétés 1,2,3 et 4.
Preuve de la proposition 6 : soit (T, ) un treillis.
(1) pour {x}, on a bien x x = x = x x
(2) pour {x,y}={y,x}, on a bien x y = y x et x y = y x
(3) sup(x,sup(y,z)) = sup(sup(x,y),z) = sup({x,y,z}) donc
x (y z) = (x y) z et inf(x,inf(y,z)) = inf(inf(x,y),z) =
inf({x,y,z}) donc x (y z) = (x y) z
(4) inf(x,sup(x,y)) = x et sup(x,inf(x,y)) = x donc x (x y) =
x = x (x y)
Proposition 7 : si E est un ensemble muni de deux opérations
et vérifiant les propriétés 1,2,3 et 4, alors E muni de la
relation d’ordre d finie par x y x y = y est un treillis.
Preuve : Montrons que ainsi définie est une relation d’ordre.
est réflexive par l’idempotence. Si x y et y x, x y = y et y
x = x mais alors x = y par commutativité, donc est anti-
sym trique. Si x y et y z, x y = y et y z = z donc x z = x
(y z) = (x y) z par associativité = y z = z donc x z et
est transitive.
Remarquons que x y = y x y = x (x y ) = x par
absorption et que x y = x x y = (x y ) y = y (y x )
par commutativité et = y par absorption. Donc
x y = y x y =x et x y x y = x
4
Suite de la preuve : montrons que tout couple d’éléments de E
admet une borne inf. Pour tout couple (x,y) de E², x y est
borne inférieure de {x,y}. En effet, x (x y) =
(x x) y par associativité = x y par idempotence donc
x (x y) = x y soit x y x. Et y (x y) = y (y x) par
commutativité = (y y) x par associativité = y x par
idempotence = x y par commutativité donc y (x y) = x y
soit x y y. Donc x y est minorant de {x,y}. Montrons que
x y est le plus grand des minorants. S’il existe z minorant de
{x,y}, x z = z et y z = z. Donc (x y) z = x (y z) =
x z = z et donc z x y.
En utilisant l’équivalence x y = y x y =x on montre que
x y est la borne supérieure de {x,y}.
a (b c) = a e = a et (a b) (a c) =
a d = a donc a (b c) = (a b) (a c)
(distributivité de à droite).
Mais a (b c) = a d = a et (a b)
(a c) = b e = b donc a (b c) (a b)
(a c)
Dans un treillis, et ne sont pas forcément distributives l’une
par rapport à l’autre
Treillis distributif : un treillis T est distributif si est distributive
par rapport à et inversement :
(1) a (b c) = (a b) (a c) pour tout a,b,c de T
(2) a (b c) = (a b) (a c) pour tout a,b,c de T
Note : - dans un treillis, on a toujours (a
b)
(a
c) a
(b
c) car b
c
est un majorant de b et de c. De même, on a toujours a
(b
c)
(a
b)
(a
c).
Exemples : - N doté des opérations x
y = pgcd(x,y) et x
y =
ppcm(x,y) est un treillis distributif
- L’ensemble de tous les sous-ensembles d’un ensemble E est
un treillis distributifs pour l’intersection et l’union
Proposition 8 : dans un treillis, la distributivité de par rapport à
est équivalente à la distributivité de par rapport à
Preuve : supposons a (b c) = (a b) (a c) pour tout
a,b,c de T. Alors (a b) (a c) = ((a b) a) ((a b) c).
Or, (a b) a = a (a b) = a par absorption. Et (a b) c =
c (a b) = (c a) (c b).
D o (a b) (a c) = a ((c a) (c b)) = (a (c a)) (c
b) par associativit = a (c b) par absorption. On a donc
bien a (c b) = (a b) (a c).
On montre de même par dualité que la distributivité de par
rapport à entraîne celle de par rapport à .
Complément d’un élément : dans un treillis, doté d’un plus
grand élément noté T et d’un plus petit élément noté , le
complément d’un élément x est tout élément x’ tel que x x’= T
et x x’ = . On dit que x et x’ sont complémentaires. En
particulier, et T sont complémentaires.
Exemple : dans ce treillis, b et c sont
sont complémentaires, tandis
que a et d n’ont pas de
complément
T
Treillis complémenté : un treillis est complémenté s’il admet un
et un T et si tout élément admet au moins un complément
Théorème 5 : dans un treillis distributif admettant un et un T,
tout élément admet au plus un complément.
Preuve : il suffit de montrer que x z = y z et x z = y z
implique que x = y. On a x = x (x z) = x (y z) = (x y)
(x z). On a aussi y = y (y z) = y (x z) = (y x) (y
z) = (x y) (x z) = x.
5
Treillis de Boole : un treillis de Boole est un treillis distributif et
complémenté.
Notes : - dans un treillis de Boole, tout élément admet exactement un
complément
- on peut donc ajouter aux opérations
et
du treillis lopération
de compmentation qui a un élément x fait correspondre son
complément x (ou x’)
- dans un treillis de Boole, on appelle « vrai » ou 1 l’élément T,
« faux » ou 0 l’élément
, « et » lopération
et « ou » lopération
.
On a x
0 = x, x
1 = 1, x
0 = 0, x
1 = x, 0’=1 et 1’=0
Exemple : - l’ensemble des parties d’un ensemble muni de l’inclusion est un
treillis de Boole
Lois de Morgan : dans un treillis de Boole, pour tous x,y on a
(x y)’ = x y’ et (x y)’ = x’ y’
Preuve : (x y) (xy’) = (x (xy’)) (y (xy’)) =
((x x’) y’) ((y y’) x’) = (1 y’) (1 x’) = 1. De plus,
(x y) (x’ y’) = ((x y) x’) ((x y) y’) = (0 y) (x
0) = 0. Par unicité du complément, x’ y’ est bien le
complément de x y. Par dualité, on déduit l’autre loi de
Morgan.
Anneau booléen : un anneau booen est un anneau dans
lequel la multiplication est idempotente, c’est-à-dire que x,
=x
Exemples : - (Z/2Z,+,.) est un anneau booléen
- (P(E),
,
) est un anneau booléen
Proposition 9 : tout anneau de Boole est commutatif
Preuve : si x et y sont deux éléments d’un anneau de Boole,
supposons x.y y.x. Alors y.x.y.x y.y.x.x donc y.x y.x ce qui
est faux.
Proposition 10 : dans un anneau booen, tout élément différent
de 0 est son propre opposé pour l’addition
Preuve : pour tout a 0, a+(-a) = 0, donc a.(a+(-a)) = a.0 = 0 et
a.(a+(-a)) = a.a+a.(-a) = a + a.(-a) = 0 et donc (-a) = a.(-a). De
même, (-a).(a+(-a)) = (-a).0 = 0 et (-a).(a+(-a)) = (-a).a+(-a).(-a)
= (-a).a+(-a) = 0 donc (-(-a))=(-a).a=(-a) donc -a=a.
Complément dans un anneau booléen : pour tout a d’un
anneau booléen A, on pose a’=a+1, a’ est le complément de a
Proposition 11 : dans un anneau booen a’’=a pour tout a, 0’=1
et 1’=0
Preuve : (voir TD)
Treillis booen :
une relation d’ordre
deux opérations et associatives, commutatives et distributives
est idempotente et absorption d’une opération par l’autre
une opération de complémentation ‘
Anneau booléen :
deux opérations + et . associatives, commutatives
. distributive par rapport à + et . idempotente
une opération de complémentation ‘
Théorème 6 : tout anneau booléen (A,+,.) est un treillis booléen
pour les opérations définies par x y = x.y et x y = x+y+x.y, la
relation d’ordre définie par x y x.y=x et le complément a’=a+1
Preuve du théorème 6 : Montrons d’abord que la relation
définie est bien une relation d’ordre. L’idempotence de . donne
la réflexivité (x, x.x=x donc x x). La commutativité de .
donne l’antisymétrie (si x.y=x et y.x=y, alors x=y). La transitivité
découle de la définition (x.y=x et y.z=y x.y.yz=x.y.z=x.z.y et
donc x.z.y=x.y donc x.z=x).
Montrons ensuite que les opérations et correspondent bien
aux bornes inférieures et supérieures (ce qui donne un treillis),
et qu’elles sont distributives l’une par rapport à l’autre.
x y existe pour tout couple (x,y). De plus x.y.x = x.y.y = x.y
donc x.y x et x.y y. Donc x.y = x y est un minorant de
{x,y}. Montrons que c’est le plus grand. Si z x et z y, alors
x.z = z et y.z = z donc x.z.y.z=z soit x.y.z=z donc z x.y.
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