Corrigé de la feuille d’exercices no7
Mathématiques spéciales
1. Exercices Basiques
Exercice 1.
Exercice 1.
On appelle nilradical d’un anneau commutatif (A, +,×)l’ensemble de ses éléments nilpotents,
i.e. l’ensemble des éléments xApour lesquels il existe n1tel que xn= 0. Démontrer que
le nilradical de Aest un idéal de A.
Correction.
Notons N(A)le nilradical de A. D’abord 0N(A)qui est donc non vide. Prenons ensuite aA,
x, y N(A), et m, n de sorte que xm=yn= 0. Remarquons d’abord que
(ax)m=amxm= 0
et donc ax N(A). De plus, par la formule du binôme de Newton, on a
(x+y)n+m1=
n+m1
k=0 n+m1
kxkyn+m1k.
Or, si km, alors xk= 0 et si k < m, c’est-à-dire km1, alors n+m1knet
yn+m1k= 0. On a bien (x+y)n+m1= 0 et x+yN(A). Il est très facile de vérier que
l’on a aussi xA. Finalement, on a bien prouvé que N(A)est un idéal de A.
Exercice 2.
Exercice 2.
On souhaite étudier dans cet exercice les idéaux de Z2.
1. Soit Iun anneau de Z2et I1={xZ; (x, 0) I},I2={yZ; (0, y)I}. Démontrer
que I1et I2sont deux idéaux de Z.
2. Démontrer que I=I1×I2.
3. Conclure.
Correction.
1. I1est non-vide car (0,0) I. Soient x, y Iet kZ. Alors (xy, 0) = (x, 0) (y, 0) I
et (kx, 0) = (k, 2025) ×(x, 0) Id’où xyet kx I1.I1est un idéal de Z2et la preuve
est similaire pour I2.
2. Soit (x, y)I1×I2. Alors (x, 0) I,(0, y)Id’où (x, y) = (x, 0) + (0, y)I. Ainsi, on a
I1×I2I. Réciproquement, si (x, y)I, alors (x, 0) = (1,0) ×(x, y)Iet donc xI1.
De même, yI2et donc (x, y)I1×I2.
3. Zétant principal, il existe des entiers aet btels que I1=aZet I2=bZ. Alors d’après la
1
question précédente, I=aZ×bZ= (a, b)Z2et donc Z2est principal.
Exercice 3.
Exercice 3.
Résoudre les systèmes suivants :
(S1)x5mod 9
x2mod 21 (S2)4x2mod 7
8x4mod 11 (S3)x3mod 6
3x6mod 9
Correction.
Exercice 4.
Exercice 4.
Soit AMn(R). On note C={MMn(R); AM =MA}. Montrer que Cest une algèbre.
Correction.
Il sut de démontrer que Cest une sous-algèbre de Mn(R), c’est-à-dire à la fois un sous-anneau
et un sous-espace vectoriel de Mn(R). Remarquons que la matrice nulle 0et Insont membres de
C. De plus, pour tous M, N Aet tout λR, alors on vérie facilement que :
1. MN A;
2. λM A;
3. MNA.
Donc Aest une algèbre comme sous algèbre de Mn(R).
Exercice 5.
Exercice 5.
Pour a, b, c R, on note
M(a, b, c) =
a b c
c a b
b c a
et E={M(a, b, c); a, b, c R}. Démontrer que Eune algèbre, et en donner une base en tant
qu’espace vectoriel.
Correction.
On va prouver que Eest une sous-algèbre de M3(R). Pour cela, notons
A=
0 1 0
0 0 1
1 0 0
et B=
0 0 1
1 0 0
0 1 0
.
2
Alors il est clair que E=Vect(I3, A, B)et que la famille (I3, A, B)est libre. On en déduit que E
est un sous-espace vectoriel de M3(R)de dimension 3. De plus, un calcul rapide montre que
M(a, b, c)M(a, b, c) = M(aa+bc+cb, ab+ab+cc, ac+ac+bb).
Eest stable par produit matriciel, et c’est une sous-algèbre de M3(R).
Exercice 6.
Exercice 6.
Soient K, L deux corps et soit f:KLun morphisme d’anneaux.
1. Démontrer que si xK\{0K}, alors f(x)est inversible, et déterminer son inverse.
2. En déduire qu’un morphisme de corps est injectif.
Correction.
1. Soit xK\{0K}. Alors on a x·x1= 1K. On applique fà cette identité, et en utilisant
que fest un morphisme d’anneaux, on trouve
f(x)·f(x1) = 1L.
Ainsi, f(x)est inversible, d’inverse f(x1).
2. Il sut de démontrer que le noyau de fest réduit à 0K. Mais si f(x) = 0, alors x/K\{0K}
d’après la question précédente, et donc x= 0.
Exercice 7.
Exercice 7.
Calculer le quotient et le reste de la division euclidienne de
1. X4+ 5X3+ 12X2+ 19X7par X2+ 3X1;
2. X44X39X2+ 27X+ 38 par X2X7;
3. X5X2+ 2 par X2+ 1.
Correction.
1. Le quotient est X2+ 2X+ 7, le reste est nul ;
2. Le quotient est X23X5, le reste est X+ 3 ;
3. Le quotient est X3X1, le reste est X+ 3.
Exercice 8.
Exercice 8.
Déterminer les pgcd suivants :
1. P(X) = X43X3+X2+ 4 et Q(X) = X33X2+ 3X2;
2. P(X) = X5X4+ 2X32X2+ 2X1et Q(X) = X5X4+ 2X22X+ 1 ;
3. P(X) = Xn1et Q(X) = (X1)n,n1.
3
Correction.
1. On applique l’algorithme d’Euclide. Le dernier reste non-nul donne un pgcd des deux po-
lynômes. On a successivement :
X43X3+X2+ 4 = (X33X2+ 3X2)X+ (2X2+ 2X+ 4)
X33X2+ 3X2 = (2X2+ 2X+ 4) X
2+ 1+ 3X6
(2X2+ 2X+ 4) = (3X6) ×2X
32
3.
Un pgcd est donc 3X6(ou X2).
2. On répète le même procédé :
X5X4+ 2X32X2+ 2X1 = (X5X4+ 2X22X+ 1)1 + 2X34X2+ 4X2
X5X4+ 2X22X+ 1 = (2X34X2+ 4X2)((X2)/2 + X/2) + X2X+ 1
2X34X2+ 4X2=(X2X+ 1)(2X2) + 0
Un pgcd des deux polynômes est donc X2X+ 1.
3. Les diviseurs non-constants de Qsont les polynômes du type c(X1)p, avec 1pn.
Parmi ces diviseurs, seuls ceux de la forme c(X1) divisent aussi P(par exemple, car 1
est racine simple et non double de P, ou bien parce qu’on sait comment décomposer Pen
produits d’irréductibles...). Ainsi, PQ=X1.
Exercice 9.
Exercice 9.
Décomposer en produits d’irréductibles de R[X]les polynômes suivants :
1. X4+ 1 2. X813.(X2X+ 1)2+ 1
Correction.
1. On commence par chercher les racines complexes pour factoriser dans C[X], puis on re-
groupe les racines complexes conjuguées.
X4+ 1 = (Xe/4)(Xe3/4)(Xe7/4)(Xe9/4)
=(Xe/4)(Xe9/4)(Xe3/4)(Xe7/4)
= (X22X+ 1)(X2+2X+ 1).
Les deux polynômes de degré 2 que l’on obtient n’ont pas de racines réelles, ils sont donc
irréductibles dans R[X].
2. On commence par utiliser une identité remarquable, puis la réponse à la question précé-
dente :
X81 = (X41)(X4+ 1)
= (X21)(X2+ 1)(X22X+ 1)(X2+2X+ 1)
= (X1)(X+ 1)(X2+ 1)(X22X+ 1)(X2+2X+ 1).
4
3. On commence par factoriser le polynôme dans C[X]en remarquant qu’il s’agit alors d’une
diérence de deux carrés :
(X2X+ 1)2+ 1 = (X2X+ 1)2i2= (X2X+ 1 i)(X2X+1+i).
On factorise alors chacun des polynômes de degré 2 dans C, par exemple en calculant leur
discriminant ou en remarquant que i(resp. i) sont des racines évidentes. On trouve :
(X2X+ 1)2+ 1 = (X+i)(X1i)(Xi)(X1 + i).
En regroupant les termes conjugués, on trouve nalement :
(X2X+ 1)2+ 1 = (X2+ 1)(X22X+ 2).
2. Exercices d’assimilation et d’entraînement
Exercice 10.
Exercice 10.
Soit Dl’ensemble des nombres décimaux,
D=n
10k;nZ, k N.
Démontrer que (D,+,×)est un anneau. Quels sont ses éléments inversibles ?
Correction.
On va prouver que (D,+,×)est un sous-anneau de (Q,+,×). On remarque d’abord que DQ,
puis que 1D. De plus, soient x=n
10ket y=m
10ldeux éléments de D. Alors
xy=n10lm10k
10k+let xy =nm
10k+l
sont clairement des éléments de D, et (D,+,×)est bien un sous-anneau de (Q,+,×).<br>
Déterminons ensuite les inversibles de (D,+,×). Soit x=n
10kinversible, d’inverse y=m
10l. Alors
xy = 1 nm = 10k+l.
On en déduit que les seuls diviseurs premiers de nsont 2et 5, autrement dit que ns’écrit ±2p5q
pour p, q N. Réciproquement, soit x=±2p5q
10ket montrons que xest inversible dans D. Posons
y=±10k
2p5q. Il sut de vérier que yest élément de D. Mais on peut aussi écrire
y=±10k2q5p
2p+q5p+q=±10k2q5p
10p+qD.
Ainsi, les inversibles de (D,+,×)sont les éléments ±2p5q
10k, avec p, q, k N.
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