Agrégation interne 2011-2012
Anneaux et corps
Quelques rappels
Définition : Soit Aun ensemble muni de deux lois internes +et .(appelés respectivement somme
et produit). On dit que (A, +, .)est un anneau (unitaire) si
1. (A, +) est un groupe commutatif ; on notera 0 son élément neutre.
2. Pour tous x,yet zdans A, on a (x.y).z =x.(y.z)(associativité du produit) ;
3. (unitaire) Il existe eA(élément neutre pour le produit) tel que e.x =x.e =xpour tout
xA. On notera dans la suite cet élément 1;
4. Pour tous x,yet zdans A, on a x.(y+z) = x.y +x.z et (x+y).z =x.z +y.z (distributivité).
Définition : Si on a de plus x.y =y.x pour tous x,ydans A, alors Aest un anneau commutatif.
Exemple : L’ensemble des matrices carrées sur un anneau A(en général Rou C) est un anneau
non commutatif pour l’addition et la multiplication usuelle des matrices. On le note Mn(A)
n×nsont les dimensions des matrices.
Exemple : Zmuni des lois usuelles est un anneau commutatif
Exemple : A[X], l’ensemble des polynômes à une indéterminée sur un anneau Aest également
un anneau. Le plus souvent Aest égal à Z,Rou C.
Exemple : Si Aest un anneau alors quel que soit l’ensemble Xnon vide, AX(ensemble des
fonctions de Xdans A) est un anneau pour les lois usuelles.
Définition : Soit (A, +, .)un anneau et soit Bune partie de A. On dit que Best un sous-anneau
de Asi
1. (B, +) est un sous-groupe de (A, +) ;
2. Pour tous xet ydans B,x.y B.
3. 1AB
Définition : Soient Aet A0deux anneaux. On note 1Aet 1A0leurs éléments neutres pour le
produit. On dit qu’une application f:AA0est un morphisme d’anneaux (unitaires) si
1. Pour tous x,ydans A,f(x+y) = f(x) + f(y);
2. Pour tous x,ydans A,f(x.y) = f(x).f(y);
3. (unitaire) f(1A) = 1A0.
Exemple : f:ZZdéfinie par f(z) = zpour tout zZn’est pas un morphisme d’anneaux.
Proposition : Par un morphisme d’anneau, l’image d’un sous-anneau est un sous-anneau et
l’image réciproque d’un sous-anneau est un sous-anneau.
Définition : Soit (A, +, .)un anneau. On dit que aAest un diviseur de zéro à gauche
(respectivement diviseur de zéro à droite) dans Asi a6= 0 et il existe bA,b6= 0 tel que
a.b = 0 (respectivement b.a = 0). On dit que aest un diviseur de zéro si aest un diviseur
de zéro à gauche et à droite. Un anneau commutatif (A, +, .)(non réduit à 0) est intègre si A
n’admet aucun diviseur de zéro.
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Exemple : Zest intègre mais Z/4Zne l’est pas.
Exercice 1: Montrer que dans un anneau intègre, un polynôme de degré nNadmet au plus
nracines.
Définition : Une partie Id’un anneau commutatif Aest un idéal si (I, +) est un sous-groupe
de (A, +) et pour tout aAet tout xI,a.x I.
Définition : On dit qu’un idéal Iest un idéal maximal s’il n’existe pas d’idéal de Acontenant
Iautre que Iet A.
Définition : On dit qu’un idéal Iest un Idéal premier s’il est strictement inclus dans Aet
vérifie :
(a, b)A, a.b IaIou bI
Exemple : Dans Z,4Zest un idéal non maximal car 4Z2Z, avec 2Zqui lui est un idéal
maximal.
Exercice 2: Montrer que le noyau d’un morphisme d’anneaux commutatifs est un idéal.
Définition : Soit Aun anneau commutatif et Iun idéal de A,l’anneau quotient A/I est
l’ensemble des classes d’équivalences de la relation Rdéfinie par xRy yxI, muni des
lois :
(¯x, ¯y)A/I, ¯x+ ¯y=x+y, ¯x¯y=xy
Proposition : Si φ:AA0est un morphisme d’anneaux commutatifs, alors Im(φ)est isomorphe
àA/Ker(φ).
Définition : Un anneau (A, +, .)est principal si Aest intégre, commutatif et tout idéal de A
est de la forme {x.a;aA}pour un certain xA.
Exemple : Les anneaux principaux les plus connus sont Zet K[X]Kest un corps. On verra
que ces deux anneaux sont euclidiens (c’est à dire disposant d’une division euclidienne), ce qui
entraîne qu’ils sont principaux. Mais il existe des anneaux principaux non euclidiens.
Définition : Soit (K, +, .)un anneau. On dit que (K, +, .)est un corps (commutatif) si (K, +, .)
est un anneau (commutatif) et si pour tout élement de Kdistinct de 0, il existe x0K\ {0}tel
que x.x0=x0.x = 1. Cet élément x0s’appelle l’inverse de xet se note x1.
Exemple : Q,Ret Csont les corps les plus connus.
Exercice 3: Vérifier qu’un corps est un anneau intègre.
Exercice 4: Montrer qu’un anneau fini est un corps ssi il est intègre.
Définition : Soit Lune partie d’un corps K. On dit que Lest un sous-corps du corps Ksi L
est un sous-anneau de Ket si pour tout xL\ {0},x1L.
Définition : La caractéristique d’un corps Kest le plus petit entier pN, quand il existe,
tel que p1 =
pfois
z }| {
1 + 1 + ... + 1 = 0 ; sinon on dit que Kest de caractéristique nulle.
Définition : Un corps est dit premier lorsqu’il ne possède pas de sous-corps strict (à ne pas
confondre avec un idéal premier). Il est facile de voir qu’un corps premier est isomorphe à Q
lorsque sa caractéristique est nulle, et à Z/pZlorsque sa caractéristique est p.
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Définition : Un ensemble est dénombrable s’il est en bijection avec N
Proposition : S’il existe à la fois une injection et une surjection entre deux ensembles, alors il
existe également une bijection entre ces ensembles.
Proposition : Toute réunion dénombrable d’ensembles dénombrables est dénombrable.
Proposition : Tout produit fini d’ensembles dénombrables est dénombrable.
Définition : Soit KLdeux corps. On dit que aLest algébrique sur K, s’il existe un
polynôme à coefficient dans Kqui admet acomme racine.
Proposition : Qest dénombrable et les nombres algébriques sur QRsont dénombrables.
Exercice 5: (Anneau des entiers de Gauss)
Soit Z[i]l’ensemble des nombres complexes de la forme a+ib a,bZ.
1) Montrer que Z[i]est un sous-anneau de C.
2) Soit zZ[i]. Montrer que zZ[i]et que |z|2N.
3) Soit zZ[i]. Montrer que zappartient au groupe des éléments inversibles de l’anneau Z[i]si
et seulement si |z|2= 1.
4) Expliciter le groupe des éléments inversibles de Z[i].
5) Montrer que pour tout zC, il existe z0Z[i]tel que |zz0|2<1. En déduire que pour tout
z0Z[i]et tout z1Z[i]non nul, il existe a0,a1Z[i]tels que z0=a0z1+a1et |a1|2<|z1|2.
6) Montrer que Z[i]est un anneau principal.
Exercice 6: Pour tout nombre premier p, on note Q(p)l’ensemble des nombres réels de la forme
a+pb a,bsont des nombres rationnels.
1) Soit pun nombre premier. Montrer que Q(p)est un Q-espace vectoriel de dimension 2.
Montrer que Q(p)est un sous-corps de R.
2) Montrer que 2n’appartient pas à Q(3).
3) Montrer que l’on a Q(2) Q(3) = Q.
4) Déterminer tous les automorphismes de Q(2).
Exercice 7: Soit Aun anneau commutatif.
1) Montrer qu’un idéal Iest premier ssi A/I est intègre.
2) Montrer qu’un idéal Iest maximal ssi A/I est un corps.
Exercice 8: Soit Aun anneau. Un élément xAest dit nilpotent si et seulement s’il existe
nNtel que xn= 0.
1) Montrer que si xet ysont nilpotents et commutent, alors x+yest nilpotent.
2) Montrer que si xest nilpotent et commute avec y, alors xy est nilpotent.
3) Soit xnilpotent dans A. Montre que 1xest inversible et calculer (1 x)1.
4) Montrer que tout élément nilpotent appartient à tout idéal premier de A.
Exercice 9: Un idéal Iest dit primaire si la condition xy Iimplique qu’il existe un entier ntel
que xnIou ynI.
1) Quels sont les idéaux primaires de Z.
2) Etant donné un idéal I, on appele radical de Iet on note Il’idéal engendré par les éléments
xtels qu’il existe un entier ntel que xnI. Montrer que pI=I.
3) Montrer que le radical d’un idéal primaire est premier.
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