[http://mp.cpgedupuydelome.fr] édité le 10 juillet 2014 Enoncés 1
Idéaux
Exercice 1 [ 00134 ] [correction]
Quels sont les idéaux d’un corps K?
Exercice 2 [ 03854 ] [correction]
Un idéal d’un anneau (A, +,×)est dit principal lorsqu’il est de la forme xA pour
un certain xA.
Montrer que les idéaux d’un sous-anneau de (Q,+,×)sont principaux.
Exercice 3 [ 00135 ] [correction]
On note
D=np
10n/p Z, n No
l’ensemble des nombres décimaux.
a) Montrer que Dest un sous-anneau de (Q,+,×).
b) Montrer que les idéaux de Dsont principaux (c’est-à-dire de la forme aDavec
aD).
Exercice 4 [ 03635 ] [correction]
Soit Iun idéal de l’anneau produit (Z2,+,×).
a) On pose I1={xZ/(x, 0) I}et I2={yZ/(0, y)I}.
Montrer que I1et I2sont des idéaux de (Z,+,×).
b) Etablir I=I1×I2.
c) Conclure que les idéaux de l’anneau (Z2,+,×)sont de la forme xZ2avec
xZ2.
Exercice 5 [ 00136 ] [correction]
[Nilradical d’un anneau]
On appelle nilradical d’un anneau commutatif (A, +,×)l’ensemble Nformé des
éléments nilpotents de Ai.e. des xAtels qu’il existe nN?vérifiant xn= 0A.
Montrer que Nest un idéal de A.
Exercice 6 [ 00137 ] [correction]
[Radical d’un idéal]
Soit Iun idéal d’un anneau commutatif A. On note R(I)l’ensemble des éléments
xde Apour lesquels il existe un entier nnon nul tel que xnI.
a) Montrer que R(I)est un idéal de Acontenant I.
b) Montrer que si Iet Jsont deux idéaux alors
R(IJ) = R(I)R(J)et R(I+J)R(I) + R(J)
c) On suppose que A=Z. Montrer que l’ensemble des entiers nnon nuls tels que
R(nZ) = nZest exactement l’ensemble des entiers sans facteurs carrés.
Exercice 7 [ 00138 ] [correction]
Soient Aun anneau commutatif et eun élément idempotent de A(i.e. e2=e).
a) Montrer que J={xA/xe = 0}est un idéal de A.
b) On note I=Ae l’idéal principal engendré par e. Déterminer I+Jet IJ.
c) Etablir que pour tout idéal Kde A:
(KI)+(KJ) = K
Exercice 8 [ 00140 ] [correction]
[Idéaux premiers]
Un idéal Id’un anneau commutatif (A, +,×)est dit premier si, et seulement si,
x, y A, xy IxIou yI
a) Donner un exemple d’idéal premier dans Z.
b) Soit PK[X]un polynôme irréductible. Montrer que P.K[X]est premier.
c) Soient Jet Kdeux idéaux de A. Montrer
JK=I(J=Iou K=I)
d) Soit (A, +,×)un anneau commutatif dont tout idéal est premier. Etablir que
Aest intègre puis que Aest un corps.
Exercice 9 [ 00141 ] [correction]
[Zest noethérien]
Montrer que tout suite croissante (pour l’inclusion) d’idéaux de Zest stationnaire.
Ce résultat se généralise-t-il aux idéaux de K[X]?.
Exercice 10 [ 02367 ] [correction]
Soit Aun sous-anneau de Q.
Diffusion autorisée à titre entièrement gratuit uniquement - dD
[http://mp.cpgedupuydelome.fr] édité le 10 juillet 2014 Enoncés 2
a) Soit pun entier et qun entier strictement positif premier avec p. Montrer que
si p/q Aalors 1/q A.
b) Soit Iun idéal de Aautre que {0}. Montrer qu’il existe nN?tel que
IZ=nZet qu’alors I=nA.
c) Soit pun nombre premier. On pose
Zp={a/b;aZ, b N?, p b= 1}
Montrer que si xQ?alors xou 1/x appartient à Zp.
d) On suppose ici que xou 1/x appartient à Apour tout xQ?. On note I
l’ensemble des éléments non inversibles de A.
Montrer que Iinclut tous les idéaux stricts de A. En déduire que A=Qou
A=Zppour un certain nombre premier p.
Exercice 11 [ 02661 ] [correction]
Soit pun nombre premier. On note Zpl’ensemble des a/b (a, b)Z×N?et p
ne divise pas b. On note Jpl’ensemble des a/b (a, b)Z×N?,pdivise aet p
ne divise pas b.
a) Montrer que Zpest un sous-anneau de Q.
b) Montrer que Jpest un idéal de Zpet que tout idéal de Zpautre que Zpest
inclus dans Jp.
c) Déterminer les idéaux de Zp.
Exercice 12 [ 02450 ] [correction]
Soit Aun sous-anneau d’un corps K.
On suppose :
xK\ {0}, x Aou x1A
et on forme Il’ensemble des éléments de l’anneau Anon inversibles.
a) Montrer que Iest un idéal de A.
b) Montrer que tout idéal de Aautre que Aest inclus dans I.
Exercice 13 [ 03843 ] [correction]
Soit Aun anneau intègre. On suppose que l’anneau Ane possède qu’un nombre
fini d’idéaux.
Montrer que Aest un corps.
Diffusion autorisée à titre entièrement gratuit uniquement - dD
[http://mp.cpgedupuydelome.fr] édité le 10 juillet 2014 Corrections 3
Corrections
Exercice 1 : [énoncé]
Soit Iun idéal d’un corps K. Si I6={0}alors Icontient un élément xnon nul.
Puisque xIet x1Kon a 1 = xx1Ipuis pour tout yK,y= 1 ×yI
et finalement I=K. Les idéaux de Ksont donc {0}et K.
Exercice 2 : [énoncé]
Soit Iun idéal d’un sous-anneau Ade (Q,+,×).
IZest un sous-groupe de (Z,+) donc de la forme dZpour un certain dN.
Vérifions qu’alors Iest l’idéal engendré par d.
Puisque dI, on a déjà par absorption (d) = dA I.
Inversement, soit xI. On peut écrire x=p/q avec pZet qN?premiers
entre eux.
On a alors qx =pZet, par addition, qx =x+· · · +xI. Ainsi
qx IZ=dZce qui permet d’écrire x=dk/q.
Il reste à montrer que k/q est élément du sous-anneau Apour pouvoir conclure
x(d) = dA.
Puisque Aest un sous-anneau de (Q,+,×), c’est un sous-groupe additif ce qui
entraîne
aA, kZ, k.a A
Sachant les entiers pet qpremiers entre eux, on peut écrire
pu +qv = 1 avec u, v Z
et alors 1
q=p
qu+v=u.x +v.1
Sachant que 1 et xsont éléments de A,1/q l’est aussi et enfin k/q =k.(1/q)A.
Exercice 3 : [énoncé]
a) Il suffit de vérifier les axiomes définissant un sous-anneau. . .
b) Soit Iun idéal de D. L’intersection IZest un sous-groupe de (Z,+) donc il
existe aZvérifiant
IZ=aZ
Puisque aI, on a aDI.
Inversement, soit xI. On peut écrire
x=p
10navec pZet nN
On a alors 10nxIpar absorption donc pIZ. On en déduit a|ppuis xaD.
Finalement I=aD
Exercice 4 : [énoncé]
a) I1Zet 0I1car (0,0) = 0Z2I.
Soient x, x0I1. On a (x+x0,0) = (x, 0) + (x0,0) Idonc x+x0I1.
Soit de plus aZ. On a (ax, 0) = (a, 1234) ×(x, 0) Idonc ax I1.
Ainsi I1est un idéal de (Z,+,×)et de façon analogue I2aussi.
b) Soit (x, y)I1×I2. On a (x, 0) Iet (0, y)Idonc (x, y)=(x, 0) + (0, y)I.
Ainsi I1×I2I.
Inversement soit (x, y)I.
On a (x, 0) = (x, y)×(1,0) Idonc xI1. De même yI2et donc
(x, y)I1×I2.
Finalement II1×I2puis I=I1×I2.
c) Les idéaux de (Z,+,×)sont de la forme nZdonc il existe a, b Ztels que
I1=aZet I2=bZ.
L’idéal Iapparaît alors comme étant celui engendré par x= (a, b)
I=xZ2={(ak, b`)/k, ` Z}
Exercice 5 : [énoncé]
NA,0ANdonc N6=. Pour x, y N, il existe n, m N?tel que
xn=ym= 0A.
Par la formule du binôme,
(x+y)n+m1=
n+m1
X
k=0 n+m1
k!xkyn+m1k
Pour k>n,xk= 0Aet pour k6n1,yn+m1k= 0A. Dans les deux cas
xkyn+m1k= 0Aet donc (x+y)n+m1= 0A. Par suite x+yN.
Enfin pour aAet xN,ax Ncar (ax)n=anxn.
Exercice 6 : [énoncé]
a) Par définition R(I)A
01= 0 Idonc 0R(I).
Soient x, y R(I), il existe n, m N?tels que xn, ymI.
On a alors
(x+y)n+m1=
n1
X
k=0 n+m1
k!xkyn+m1k+
n+m1
X
k=n n+m1
k!xkyn+m1kI
Diffusion autorisée à titre entièrement gratuit uniquement - dD
[http://mp.cpgedupuydelome.fr] édité le 10 juillet 2014 Corrections 4
car les premiers termes de la somme sont dans Ipuisque yn+m1kIet les
suivants le sont aussi car xkI
donc x+yR(I).
Soit de plus aA. On a (ax)n=anxnIdonc ax R(I).
Ainsi R(I)est un idéal de A.
Soit xI, on a x1Idonc xR(I).
b) Si xR(IJ)alors il existe nN?tel que xnIJ.
On a alors xnIdonc xR(I)et de même xR(J). Ainsi
R(IJ)R(I)R(J)
Soit xR(I)R(J). Il existe n, m N?tel que xnIet xmJ.
Pour N= max(m, n), on a par absorption xNIet xNJdonc xNIJ.
Ainsi xR(IJ)et on peut affirmer
R(IJ)R(I)R(J)
puis l’égalité.
Puisque II+J, on a clairement R(I)R(I+J). De même R(J)R(I+J).
Enfin R(I+J)étant stable par somme R(I) + R(J)R(I+J).
c) Si na un facteur carré d2avec d>2.
Posons kZtel que n=d2k.
On a dk /nZet (dk)2=nk nZdonc dk R(nZ). Ainsi R(nZ)6=nZ.
Si nn’a pas de facteurs carrés alors ns’écrit n=p1p2. . . pmavec p1, . . . , pm
nombres premiers deux à deux distincts.
Pour tout xR(nZ), il existe kN?tel que xknZ.
Tous les p1, . . . , pmsont alors facteurs premiers de xkdonc de xet par conséquent
ndivise x.
Finalement R(nZ)nZpuis R(nZ) = nZcar l’autre inclusion est toujours vraie.
Exercice 7 : [énoncé]
a) sans difficultés.
b) Pour tout xA,x=xe +x(1 e)avec xe Iet xxe J. Par suite
I+J=A.
Si xe Jalors xe =xe2= 0 donc IJ={0}.
c) L’inclusion (KI)+(KJ)Kest immédiate. L’inclusion réciproque
provient de l’écriture x=xe +x(1 e).
Exercice 8 : [énoncé]
a) Pour p∈ P,pZest un idéal premier. En effet on sait que pZest un idéal et en
vertu du lemme d’Euclide : xy pZxpZou ypZ.
b) Même principe
c) Supposons JK=I.
Si J=Iok.
Sinon il existe aJtel que a /I. Pour tout bK,ab JKd’où ab Ipuis
bIcar a /I. Ainsi KI. D’autre part I=JKKdonc I=K.
d) I={0}est un idéal premier donc xy = 0 x= 0 ou y= 0.
Soit xAtel que x6= 0.x2Aest premier et x2x2Adonc xx2A.
Ainsi il existe yAtel que x=x2yet puisque x6= 0,xy = 1.
Ainsi Aest un corps.
Exercice 9 : [énoncé]
Une suite croissante (In)d’idéaux de Zse détermine par une suite d’entiers
naturels (an)vérifiant In=anZet an+1 |an. Si pour tout nN,In={0}alors
la suite (In)est stationnaire.
Sinon à partir d’un certain rang In6={0}et la relation an+1 |anentraîne
an+1 6an. La suite d’entiers naturels (an)est décroissante et donc stationnaire. Il
en est de même pour (In).
Ce résultat se généralise à K[X]en travaillant avec une suite de polynômes
unitaires (Pn)vérifiant Pn+1 |Pnce qui permet d’affirmer en cas de non nullité
deg Pn+1 6deg Pnpuis (deg Pn)stationnaire, puis encore (Pn)stationnaire et
enfin (In)stationnaire.
Exercice 10 : [énoncé]
Notons qu’un sous-anneau de Qpossédant 1 contient nécessairement Z.
a) Par égalité de Bézout, on peut écrire pu +qv = 1 avec u, v Z. Si p
qAalors
1
q=up
q+v.1A
b) IZest un sous-groupe de (Z,+) donc il est de la forme nZavec nN.
Puisque I6={0}, il existe p/q Inon nul et par absorption, p=q.p/q IZ
avec p6= 0. Par suite IZ6={0}et donc nN?.
Puisque nI, on peut affirmer par absorption que nA I.
Inversement, pour p/q Iavec pq= 1 on a 1/q Aet pnZdonc p/q nA.
Ainsi I=nA.
c) On peut vérifier que Zpest un sous-anneau de Q.
Pour x=a/b Q?avec ab= 1. Si p6 |balors pb= 1 et xZp. Sinon p|bet
donc p6 |ad’où l’on tire 1/x Zp.
d) Soit Jun idéal strict de A.Jne contient pas d’éléments inversibles de Acar
sinon il devrait contenir 1 et donc être égal à A.
Diffusion autorisée à titre entièrement gratuit uniquement - dD
[http://mp.cpgedupuydelome.fr] édité le 10 juillet 2014 Corrections 5
Ainsi Jest inclus dans I. De plus, on peut montrer que Iest un idéal de A.
En effet IAet 0I.
Soient aAet xI.
Cas a= 0 :ax = 0 I.
Cas a6= 0 : Supposons (ax)1Aalors a1x1Aet donc
x1=a(a1x1)Ace qui est exclu. Ainsi, (ax)1/Aet donc ax I.
Soient x, y I. Montrons que x+yI.
Cas x= 0,y= 0 ou x+y= 0 : c’est immédiat.
Cas x6= 0,y6= 0 et x+y6= 0 : On a (x+y)1(x+y)=1donc
(x+y)1(1 + x1y) = x1et (x+y)1(1 + xy1) = y1(*)
Par l’hypothèse de départ, l’un au moins des deux éléments x1you
xy1= (x1y)1appartient à A.
Par opérations dans Aà l’aide des relations (*), si (x+y)1Aalors x1ou y1
appartient à Ace qui est exclu. Ainsi (x+y)1/Aet donc x+yI.
Finalement Iest un idéal de A.
Par suite, il existe nN, vérifiant I=nA.
Si n= 0 alors I={0}et alors A=Qcar pour tout xQ?,xou 1/x Aet dans
les deux cas xAcar I={0}.
Si n= 1 alors I=Ace qui est absurde car 1Aest inversible.
Nécessairement n>2. Si n=qr avec 26q, r 6n1alors puisque 1/n /A, au
moins l’un des éléments 1/q et 1/r /A. Quitte à échanger, on peut supposer
1/q /A.qA est alors un idéal strict de Adonc qA I. Inversement IqA
puisque nest multiple de q. Ainsi, si nn’est pas premier alors il existe un facteur
non trivial qde ntel que I=nA =qA. Quitte à recommencer, on peut se
ramener à un nombre premier p.
Finalement, il existe un nombre premier pvérifiant I=pA.
Montrons qu’alors A=Zp.
Soit xA. On peut écrire x=a/b avec ab= 1. On sait qu’alors 1/b Adonc
si p|balors 1/p Ace qui est absurde car pI. Ainsi p6 |bet puisque pest
premier, pb= 1. Ainsi AZp.
Soit xZp,x=a/b avec bp= 1. Si x /Aalors x6= 0 et 1/x =b/a Apuis
b/a IpA ce qui entraîne, après étude arithmétique, p|bet est absurde.
Ainsi ZpApuis finalement Zp=A.
Exercice 11 : [énoncé]
a) Facile.
b) Jpidéal de Zp: facile.
Soit Iun idéal de Zp. On suppose I6⊂ Jp, il existe donc un élément a/b I
vérifiant a/b /Jp. Par suite pne divise ni a, ni bet donc et b/a Zpde sorte que
a/b est inversible dans Zp. Ainsi l’idéal contient un élément inversible, donc par
absorption il possède 1 et enfin il est égal à Zp.
c) Pour kN, posons Jpkl’ensemble des a/b (a, b)Z×N?,pk|aet pne
divise pas b. On vérifie aisément que Jpkest un idéal de Zp.
Soit Iun idéal de Zp. Posons
k= max `/xI, (a, b)Z×N?, x =a/b, p`|a, p ne divise pas b.
On a évidemment IJpk.
Inversement, il existe x=a/b Iavec pk|a,pk+1 ne divise pas aet pne divise
pas b.
On peut écrire a=pka0avec pqui ne divise pas a0, et donc on peut écrire
x=pkx0avec x0=a0/b inversible dans Zp. Par suite tout élément de Jpkpeut
s’écrire xy avec yZpet donc appartient à I. Ainsi JpkIpuis =.
Finalement les idéaux de Zpsont les Jpkavec kN.
Exercice 12 : [énoncé]
a) IAet 0I.
Soient aAet xI
Si a= 0 alors ax = 0 I.
Pour a6= 0, supposons (ax)1A.
On a alors a1x1Aet donc x1=a(a1x1)Ace qui est exclu.
Nécessairement (ax)1/Aet donc ax I.
Soient x, y I. Montrons que x+yI.
Si x= 0,y= 0 ou x+y= 0, c’est immédiat. Sinon :
On a (x+y)1(x+y)=1donc
(x+y)1(1 + x1y) = x1et (x+y)1(1 + xy1) = y1(*)
Par l’hypothèse de départ, l’un au moins des deux éléments x1you
xy1= (x1y)1appartient à A.
Par opérations dans Aà l’aide des relations (*), si (x+y)1Aalors x1ou y1
appartient à Ace qui est exclu. Ainsi (x+y)1/Aet donc x+yI.
Finalement Iest un idéal de A.
b) Soit Jun idéal de Adistinct de A.
Pour tout xJ, si x1Aalors par absorption 1 = xx1Jet donc J=Ice
qui est exclu.
On en déduit que x1/Aet donc xI. Ainsi JI.
Exercice 13 : [énoncé]
Soit xAavec x6= 0A. Il suffit d’établir que xest inversible pour conclure.
Diffusion autorisée à titre entièrement gratuit uniquement - dD
1 / 6 100%
La catégorie de ce document est-elle correcte?
Merci pour votre participation!

Faire une suggestion

Avez-vous trouvé des erreurs dans linterface ou les textes ? Ou savez-vous comment améliorer linterface utilisateur de StudyLib ? Nhésitez pas à envoyer vos suggestions. Cest très important pour nous !