Séminaire Dubreil. Algèbre et théorie des nombres M ONIQUE B ERTRAND Algèbres non-associatives et applications à la génétique Séminaire Dubreil. Algèbre et théorie des nombres, tome 16, no 2 (1962-1963), exp. no 18, p. 1-18 <http://www.numdam.org/item?id=SD_1962-1963__16_2_A7_0> © Séminaire Dubreil. Algèbre et théorie des nombres (Secrétariat mathématique, Paris), 1962-1963, tous droits réservés. L’accès aux archives de la collection « Séminaire Dubreil. Algèbre et théorie des nombres » implique l’accord avec les conditions générales d’utilisation (http://www.numdam.org/legal.php). Toute utilisation commerciale ou impression systématique est constitutive d’une infraction pénale. Toute copie ou impression de ce fichier doit contenir la présente mention de copyright. Article numérisé dans le cadre du programme Numérisation de documents anciens mathématiques http://www.numdam.org/ 18-01 Séminaire DUBREIL-PISOT (Algèbre et Théorie des nombres) 16e année, ~96~/63, n° 18 1er et 8 mars 1963 ALGÈBRES NON-ASSOCIATIVES ET APPLICATIONS À LA GÉNÉTIQUE Monique BERTRAND par Mme Ao des théories quelques aspects particulier, ceux qui permettent Nous allons voir en En effet, génétiques, les applications principales un dans cet définissons, Si A et ensemble E ensemble, l individu produit de l’union de la notation de ces A x B désignera algèbres associatives, et, génétique. non sont ces loi de une A composition, B . Si leur ensemble : on A ou se reproduire, produit. P==A E ~ Isolément et applications pourquoi : d’individus capables de s’ unir et de sont deux éléments de B d’ algèbres application à la une et il n’est pas difficile de voir Considérons et non-as,sociatives. Algèbres et B est ont plusieurs enfants, voit que cette loi n’est pas associative. Ecrivons : on voit bien qu’en général : I. Notions Soit un ensemble Nous allons donner E muni d’une loi sur les "formes". non-associative, notée multiplicativement. quelques définitions qui nous serviront par la suite. Les produits non-associatifs sont classés selon leur selon la manière dont les facteurs sont associés Ainsi, si la loi n’est pas commutative, férents~ mais ils ont m~me forme~ tandis P ~ que sans et s’inquiéter P~ == de leur identité. sont difest de forme différente. Nous allons définir degré le ~ F d’une forme. C’est le nombre d’éléments de ô qui figurent dans l’écriture du produit. Par ~. b ~ 4 . exemple : l’altitude d’une forme. C’est le nombre de a "générations" donnant naissance ° produit. au Exemple : II. Rappels et résultats valables dans une algèbre non-associative. 1. Axiomes de définition. un - est un ensemble muni d’une loi d’ addition groupe rapport à 1.’ addition. La commutativité tion par pas h1 abélien, et dt une loi de multiplication qui en supposant, de plus, la distributivité à droite et à gauche fait en un agneau anneau - supposée au algèbre A. : A est La est de ciatif, Nous une nous groupoïde, de la multiplica,multiplication n’est algèbre L est définie de la façon suivante : non-associatif ; B B-module unitaire, et unitaire, on a les propriétés pour tout a ~ ~3 un commutatif pour tout un en départ. un anneau plus de la loi de fait qui bornerons dans toute la suite rappelle la définition : aux étant un anneau asso- suivantes : pour tout algèbres de degré .fini, dont x E on l‘~ ~ On a trouver, pu dans A, n éléments e1, e ... , formant une base, c’ est- à-dire : - il pour tout i pour tout D’autre il résulte des axiomes de définition part, ~s.~n ainsi écrit On a 2. Algèbre ay a. ant la. base de x sont de eu les de x . unité e . - L. Soit donc e, ; e , e2 , i ristique. or R x et L x A tout (par rapport à la base choisie) , une définies par : respectivement les matrices de multiplication à droite et à Considérons Inéquation caractéristique de R polynômes homogènes, en ~~ ~ ... ~ S coordonnées de x ~ au plus, et cela, d’ après la définition même de l’équation caractéx=?ex==eRx ~ x tout cet exposé la notation pour x E ~~ t signifie [(x fois ; il est nécessaire de le préciser, la non-associativité multiplication rendant l’écritl.lre " xp " ambiguës) Donc si puisque en associons les transforma,- x ~ A, p bre de ... , sont des t. degré (Dans élément un Equations caractéristiques... et Lx gauche tels que table de multiplication de une existe des éléments qu’il o tions de matrices R tels que o avec xjk éléments de B existe ~~ s ~ .. ~ cd(x) polynôme l’équation caractéristique! ~, Rx désigne est racine de le son obtenu par en x ~ remplaçant, on a : équation caractéristique. x x) x] x ... de la loi de dans le premier mem- le résultat : L’élément base général finie De même à x E sur un anneau étant A~ A~ B’ est racine de son non-associative ayant une équation caractéristique à droite qui précède qu’il une gauche. Il résulte de Equation principaleo équation à droite : bo telle que équation ce existe soit minimum~ p C’est Inéquation minima à droite de x ~ ou algèbre une rang à droite de au p équation principale à degré à droite de A r ou est le droite de A~ De m~me à gauche. S’ il existe Remarque une autre équation principale, son degré est néces- s aireraent p . Soit donc déduit on p étant ou encore, si 0394 minimum, on a - coefficients des Remarque Si B est 2 0 ~. - et Ô’ désignent équations, Remplaçons d’intégrité, les vecteurs dont les composantes sont les éventuellement changés de signe, on a : x par utilisant Àx ~’x ~ ~ ~x ~t on a Supposons maintenant prendre 0394x = 1 . B d’intégrité, et supposons de plus que l’on puisse Alors les remarques précédentes montrent que xq et que les coefficients des ou q sont Cas ou est un F . - C’est a fortiori corps définit l’équation principale le premier coefficient est rationnelles coefficients sont en est unique de degré nuls. identiquement B sont des l’équation principale polynômes homogènes en ~. comme 1 1° équation un domaine d’intégrité, et l’ on y plus petit degré à droite, de dont et dont les autres coefficients sont des fractions lemme de Gauss permet alors de montrer que ces fait des polynômes. Et on montre aussi que le polyn$me prin- cipal divise le polynôme caractéristiqueo 3,. Algèbre sans l’algèbre A+ , complète on élémentunité* la base et écrit comme sa loi de fait, On se ramène au cas Algèbre p a. dans cette ~ : F il existe où d’ici, B ajoutant e = e 0 élément neutre multiplication avec équation~ ~~ = ceux 0, on trouve que x , y ~ A, 03B1 ~ F . est un x satisfait à du 2°~ corps génétiques. F. ondérée. Définition. - A A considérant e n III. Axiomatisation des algèbres 1. en x~~ de Donc résultats analogues à A partir précédent au. 2° : équation caractéristique Si l’ on A déduite de - est dite pondérée sur F ~ s’il tel que : xo E F tel que 0 03C9 est la fonction poids. existe un homomorphisme On Il OE OE N = résulte que en U[à] Xo F : (n est lA.) OE = q U ù£n) À; OE = homomorphisme de un Donc si 0) , N à - 11 à sur de À, (c . ) toute base " est de même dimension que telle que, si 1 soit effet, W , CI est-à-dire : est le noyau de b. Autre définition. - Parmi toutes les bases de tique F . En À, l c . c . 1 J = dans F, k F, on c’ est-à-dire 1 . appelle base généon 03B3ijkiJck , ait ~i , THEOREME. - Pour que c. À , possède une base A soit pondérée il faut et il suffit que génétique. Démonstration. .. Supposons qu’ il fonction existe une base génétique ~c.i } ~ alors nous disons que la c~ ’ définie par convient. En effet ceci de "’ Soit = l; de plus w est un homomorphisme : façon évidente. Réciproquement, N tel que Formons d’autre part, supposons et soit qu’ il b~ ~ existe ...~ b 03C9 , fonction poids de une base de A N. Il existe 1 . base définie par c, = b, c.= b+b.. sur F . beA et {c. J. } génétique. est base Nous allons maintenant supposer le produit commutatif. 2. Algèbre Définition. - Une a. génétique Soit T élément de l’algèbre identité, xj2 ~ A , T pour tout dans la F~ sur sera dite plus haut Rx la matrice de multiplication à droite de un I F, algèbre A ~ commutative, pondérée si elle satisfait à la définition suivante : comme Soit a E génétique. de cette où ils mesure A des transformations de f polynôme. Alors s’il existe 03C9 telle que, forme, les coefficients du polynôme caractéristique dépendent des x.1 s ne dépendent que des 03C9(xj) , A l de T, est algèbre génétique. . ... b. THEOREME. - Soient A alors T~’ ~ l’algèbre génétique et N noyau de w . Si on a 0 . En effet avec et tj polynômes dont les termes constants sont D’ abord, t. En si l’on fait = ~0 effet, jBI-T} = X D’autre part A ¿ Donc 0, V j . p n. = puisque étant ~(n.)= 0~ 1 tj0. 0, T=0 ~ génétique, et de plus l’équation caractéristique donc t. les t. t.’’0 =0~ de 0 . V j. = ~0 T est ne dépendent comme )ÂI-.TJ== X~. donc 03BBn que des = 0, donc Tn = 0 . Cette notion d’algèbre génétique par ETHERINGTON de "train est une généralisation de la notion introduite algebra". 3. ’~Train al ebra". a. Définition. - Une quand les (x = 1 §i algèbre cominutative pondérée sera dite "train algebra" coefficients de l’équation principale dépendront seulement des LJ(~.) ~ tels que Inéquation ei) , c’ est-à-dire qu’il existe principale s’écrive d’après ceci l’ étude de b. En Une effet, En faisant soit ~ une l’équation principale algèbre génétique génétique 4. A extension finie de est une train F sur et soit au § II. est train algebra sur F. T = R . x Inéquation principale. D’ après II, et F sur faite F elle divise ~Cp~~,~ ~ ls on peut écrire algebra. "Spécial train Définition. - Une algèbre pondérée commutative est dite "spécial train algebra" lorsque : a. - N est quelconques nilpotent d~ altitude de A ) d’altitude N~N ~...~N~~ duits d’altitude - k b. ] a cf est-à-dire : tous les pm duits (d’éléments sont nuls. [ N~= ensemble des combinaisons linéaires des pro- sont des idéaux. Décomposition canonique. - Exploitons les hypothèses de définition. A pondérée. - Choisissons une base de A , a de poids 1 . noyau de et, - N telle que eN, Alors désignant en N - avec (e) par une combinaison linéaire nilpotent d’altitude l’inclusion a. - On N en des a stricte, puisque f = (0) tition de la base de quelconque Nous pouvons donc réaliser o E0-éléments , E1-éléments , ... , une Ek-éléments, par... ainsi définis: les- E0-éléments ~’ non ~~’ °°° ’ ments à appartenant à N les celui de deux -N1 , N2, -N03B1-1 Ek-éléments combinaison linéaire de ensemble E, ~ est une à les et non Ni à .* ~ les % (par défi- Ni appartient à et à Alors, comme matrice carrée et rg a Ek-élément Par Considérons maintenant chaque formant ... multiplié un vecteur dont les sont des matrices composantes rectangulaires général. Une transformation linéaire de A sur les soit ~= ~(F,) . Si E1-éléments à E0-éléments °* ? d’éléments de la base, Sont les éléments de E, : en ~~* Sont des idéaux. - donne ?Q non Alors le produit de deux nition), où et H est la matrice fait pour chaque E0 , H~ donne F = qui transforme p03B8 en matrice diagonale et si cela À a été ramenée à sa forme canonique. H(Rj a été Pour la suite, il suffira que chaque p03B8 ait été réduite à sa forme jacobienne c’est-à-dire qui elle ait ses valeurs propres sur la diagonale principale et des 0 en dessous. Alors en notant X, 1 si les valeurs propres des matrices p03B8 (il y a nX 1 en tout) , / THEOREME. - Une "special train c. Soit ... xl avec ni est xP T e Alors + d’après une algèbre génétique la forme de F. sur R x B *~ ~ ~p B~ ~ que des une est / ~2 = dépendent A 1~ ~n algebra" puisqu’ils ne donc les coefficients de dépendent que des 11 = j~I - T) ne et des B. algèbre génétique. Nous allons voir maintenant en génétique, et tout quelques exemples particuliers d’algèbres utilisées d’abord nous allons rappeler quelques notions sur l’hérédité mendélienne. Bc I. Si nous nous ditaire 2n espèce quelconque n déterminée par plus, ailes, etc., se espèce relativement exemple chez l’homme la couleur déterminée~ par et de les cellules reproductrices, elles paires de chromosomes. classons les individus de cette trouvent paires, une chromosomes, mouches la forme des se Notions sur l’hérédité mendélienne. considérons chez contiennent Si Algèbres utilisées en génétique. il se à un caractère héré- des yeux, chez certaines trouve que les modalités de ce caractère paire bien définie de chromosomes parmi les n trouvent localisées à un endroit bien déterminé sur chaque une chromosome de la paire en question ? cet endroit est appelé "locus". Donc, à chaque locus de cette paire se trouve "quelque qui déterminera la modalité du chose~ caractère chez l’individu en question. Ce "quelque chose" s’appelle un gène. Considérons donc fixer un individu I! relativement à un caractère C . Prenons pour idées l’exemple classique des belles de nuits, et le caractère : couleur. Des deux gènes qui déterminent la couleur, l’un vient du père et l’autre de la mère. Supposons que l’un des parents de I soit une belle de nuit rouge : il a transmis à I le gène R 9 et que l’autre soit une bolle de nuit blanche : il a transmis à I le gène B o I se trouve avoir pour formule RB . L’un de ses deux chromosomes porte R ~ l’autre B . On représente le "parent rouge" par RR , le blanc par BB o I e st rosé = RB o ces Si maintenant nous croisons deux individus RR en RB RB ensemble, ils donneront : BB proportion : 1 4 Pour justifier le symbolisme qui va suivre~ et qui est la notion de gène dominant et gène récessif. Soient D et R classique, les deux modalités d’un caractère. Dans certains introduisons cas trouve que est apparemment c’est-à-dire l’.individu ayant pour formule identique à l’ individu . DD . Le gène D domine alors le qui est dit récessifo Nous pouvons alors maintenant introduire IL, 1. Algèbres g nos il se DR , gène &#x26; ~ premiers exemples. amétiques et zygotiques de l’hérédité mendélienne simple. Algèbre gamétique. Considérons une Ces individus sont capables de fournir taine proportion. C’est ce que va exprimer la Considérons l’algèbre engendrée sur D~ ~~ DR ~ RR (ou R ) D et R , dans une cerdéfinition de l’algèbre gamétique. population formée d’individus DD ( ou le corps des réels par (D , R) ; la loi d’addition signalant simplement la présence des deux gamètes P= aD + 6R signifie que, dans une population P 9 on peut trouver le gamète D avec la portion a ~ le gamète R avec la proportion (3 a + j3 = 1 )~ la loi multiplication rendant compte des lois de l’hérédité : En effet les indivudus DD libèrent le gamète égale et RR de D et de R, le gamète R. D, les DR une . proportion pro- de algèbre Un élément de cette a + ? est une De est donc l’élément façon plus générale, considérons u~ F ~ l’algèbre commutative = u~ ~ Il est facile de voir Un changement de aD + pR Ecrivons. Rx =1 2 ~ 1 2 §). est polynôme f , = ~u coefficients de )BI - TJ = ul’ ~l A 0 . On voit que dépendront A== donne 2 et, ~b ~ ? ~1 ~ ? ~ est (u~ z) ~ u ==u. GJ(x) = ~ On voit que Quel que soit, dans ne u. avec + voit que, parmi les 0 en première avec (D ~ R) caractéristique / de z=u. -u~ convient. "special train algebra". T=aI+f(R ... R ) . la termes, ne figureront que des ligne deuxième colonne, donc que les on matrices carrées avec produit n’est pas associatif : ce x= N2 N F corps (u. ~ u~) = que Alors soit Le noyau forme du A un u=20142014~20142014~ base, z =0. z , 2. = 1 . On voit facilement que, diaprés ces définitions, la base base génétique, donc que l’algèbre est pondérée* = sur . P général ses c’est-à-dire des que des Algèbre zygotique. Considérons toujours une population formée de DD , DR , RR Et appelons B = DR , C=RR. Considérons l’algèbre engendrée par (A ~ B , C) sur le corps des réels, avec la même loi d’addition qu’nu § 1~ et la loi de multiplication rendant compte des lois de croisement des "génotypes~ A ~ B , C . A~ (DD)(DD) A B~ (DR)(DR) A + B + C C" (RR)(RR) C = BC= (DR)(RR) Un élément de Plus =~ = =~B ~~C l’algèbre généralement, est CA = considérons sur b=~a+~b+~c~ faisons v un =~w ~ et le N changement ces N == deux P= oA + = pB est "special exemples dl algèbres facilement l’une de et le pelle la nous l’ autre, duplication, ce que =~A +~B + YC procédé ne par train . avec l’algèbre =0~ x==~u+~v+E * (v , w) * A = (DD)(DR) avec bc=:~.b+~c~ ca=b~ A==(u~v~w)~ N=0. On voit que F AB B = = de base pour avoir uw=vw=w noyau est (RR)(DD) ci-dessus comme ~. ~. a~ = a u~=a. On peut prendre w(x) = ç algebra". sont pas lequel indépendants, on obtient allons étudier maintenant. On les déduit la deuxième s’ap- III. Duplication des algèbres commutatives. 1. Définition. A Soit une A base de algèbre commutative d’ ordre n sur F, et soit u1 un ... une avec x À’ Définissons F sur et ses pour loi de de la façon suivante éléments de base sont A’ est A b. Définition d’un A’ -~ A2 . Soit c Le 1, Q ... , n , avec . du choix de la At base, on car isomorphe à pondérée. - En effet, l’on peut voir A’ est dite sillon a pu prendre peut prendre homomorphisme H(v~) = ~u~ de A* dans A . =~Y~~k= ~ 6 A’ . homomorphisme de A’ sur D’où le transforme de l’élément x* H i5j, 1,j = A . A’ ~ En fait est commutative d’ ordre entraine AI A1 A’ pondérée entraine A voit facilement que dans H : v.. , ij indépendante isomorphe à déduite par duplication de A. facilement que on À’ multiplication la définition de a. = est 03A9’ un le noyau de noyau 03A9’ A2 puisque les H . est tel que soit u. u. engendrent H( w’) comane Si nous A* ~ 0, = on a prouvons que = prouvé nous aurons étant 0 ~ v~ la proposition C’A’ élément quelconque de la base de un 0 . = Or, 2. Soit T ! ~ az~ de AQ Soit de A + a’ f ~Rt1~ ~ E soit ... , matrice de une R’ , ) est un p élément de multiplication de l’ algèbre a~ dans des transformations . e T = a1 f~Rs’l~ , ., ~ R ~ p + tel que ai = l’élément de 1’ algèbre des transformations H(a’i) . Alors nous allons prouver le résultat : Démonstration. - Soient A’ =Q’ Si l’on écrit A’ sous Q’ le noyau de avec ordre de cette forme, et Comme de étant des matrices A’ -Q’ est isomorphe à p x m A2 , m son ordre. On peut écrire = 0, la matrice R’ a , , Na, et souvenant que et on multiplication à droite correspondant à Alors H, 1) -m .. se s’écrit Ma, . p x p respectivement. peut considérer dans A~ N, comme la matrice c’est-à-dire 3. THÉORÈME. - A’ est une nons dans pour D’après des algèbre déduite par duplication d’une algèbre A génétique admet comme fonction poids 03C9 , prealgèbre génétique. En effet, si le lemme (~(a~) ~ A~ précédent les coefficients de c’es-dire des jBI’ - T’J dépendent ~(H(a?) y des génétique. ~(a~) . seulement A’ est On voit facilement que l’algèbre zygotique étudiée ci-dessus est déduite par duplication de l’algèbre gamétique. L’algèbre gamétique, étant "special train algebra" donc a fortiori, algèbre génétique, l’algèbre zygotique est donc génétique d’après le théorème qui précède. Elle est d’ailleurs davantage puisqu’elle est "spécial train algebra". Autre exemple : Considérons zygotique, elle est avec comme table : Par changement de engendrée base, l’algèbre déduite par : nous aurons par duplication de l’algèbre Cependant A n’est pas "special N A Cependant est une train n’est pas algebra" un n’est pas car A. idéal de algèbre génétique d’après le théorème précédente IVo Nous jusqu’à présent considéré un seul caractère n’ayant que caractère peut présenter plusieurs modalités? par exemple avons tés. Or un sanguins chez l’homme (4 modalités). Di autre part conjointe de deux caractères à la fois, ou plus? Supposons p donc deux caractères A et modalités 0 Supposons de plus que ces paire de chromosomes o Un individu B ~ A on deux modali- les groupes peut étudier la transmission ayant modalités et m B ayant ’ 1 caractères sont localisés possédera donc une sur la môme paire de chromosomes ainsi faite Théoriquement, dans le croisement individu, I devrait transmettre soit le couple de gènes Aj Bk , soit le couple j B . Or l’expérience prouve qu’il n’en est rien« Pendant la durée des phénomènes subis par les cellules repro~. ductricesr il arrive qu’il y ait comme l’on dit "crossing-over", c’est-à-dire que l peut transmettre w est la souvent de Il y Plus a fréquence façon mp Etudions cette B: ou ce autre que l’ on exprime : de recombinaisonc Elle est souvent non faible, mais intervient négligeable. éléments de base généralement, 1= 1~ li~ B avec un soit l’~ ,~~1~ algèbre. ~i. B. l’algèbre ... y p sur avec F engendrée par les . B Pour cela posons : 0 B 0 est un uj , (m - 1) élément ahaisi hasard et définitivement (m - 1)(p - 1) et v. au wij ; et avec I, fixé, il y a ~p ~ 1~ cela fait: tous calculs effectués : voit ainsi que les on mp , ils forment somme des une coordonnées, Donc le noyau de D’autre sont indépendants. Etant au nombre de u. , v.1 , w.. "*J J D’autre part, en prenant pour fonction poids la base de I~ part, A est on a .. - déisme Iu.=~v. J J ~ u20 = 0 , v2i = 0 D’autre part, Il en résulte que Nous allons en ~’~ est "special train algebra" déduire 11 équation principale de avec l‘~ 18-18