[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 I⊂Aet 0∈I.
Soient a∈Aet x∈I.
Cas a= 0 :ax = 0 ∈I.
Cas a6= 0 : Supposons (ax)−1∈Aalors a−1x−1∈Aet donc
x−1=a(a−1x−1)∈Ace qui est exclu. Ainsi, (ax)−1/∈Aet donc ax ∈I.
Soient x, y ∈I. Montrons que x+y∈I.
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 + x−1y) = x−1et (x+y)−1(1 + xy−1) = y−1(*)
Par l’hypothèse de départ, l’un au moins des deux éléments x−1you
xy−1= (x−1y)−1appartient à A.
Par opérations dans Aà l’aide des relations (*), si (x+y)−1∈Aalors x−1ou y−1
appartient à Ace qui est exclu. Ainsi (x+y)−1/∈Aet donc x+y∈I.
Finalement Iest un idéal de A.
Par suite, il existe n∈N, vérifiant I=nA.
Si n= 0 alors I={0}et alors A=Qcar pour tout x∈Q?,xou 1/x ∈Aet dans
les deux cas x∈Acar I={0}.
Si n= 1 alors I=Ace qui est absurde car 1∈Aest inversible.
Nécessairement n>2. Si n=qr avec 26q, r 6n−1alors 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 I⊂qA
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 x∈A. On peut écrire x=a/b avec a∧b= 1. On sait qu’alors 1/b ∈Adonc
si p|balors 1/p ∈Ace qui est absurde car p∈I. Ainsi p6 |bet puisque pest
premier, p∧b= 1. Ainsi A⊂Zp.
Soit x∈Zp,x=a/b avec b∧p= 1. Si x /∈Aalors x6= 0 et 1/x =b/a ∈Apuis
b/a ∈I∈pA ce qui entraîne, après étude arithmétique, p|bet est absurde.
Ainsi Zp⊂Apuis 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 k∈N, posons Jpkl’ensemble des a/b où (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 `/∀x∈I, ∃(a, b)∈Z×N?, x =a/b, p`|a, p ne divise pas b.
On a évidemment I⊂Jpk.
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 y∈Zpet donc appartient à I. Ainsi Jpk⊂Ipuis =.
Finalement les idéaux de Zpsont les Jpkavec k∈N.
Exercice 12 : [énoncé]
a) I⊂Aet 0∈I.
Soient a∈Aet x∈I
Si a= 0 alors ax = 0 ∈I.
Pour a6= 0, supposons (ax)−1∈A.
On a alors a−1x−1∈Aet donc x−1=a(a−1x−1)∈Ace qui est exclu.
Nécessairement (ax)−1/∈Aet donc ax ∈I.
Soient x, y ∈I. Montrons que x+y∈I.
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 + x−1y) = x−1et (x+y)−1(1 + xy−1) = y−1(*)
Par l’hypothèse de départ, l’un au moins des deux éléments x−1you
xy−1= (x−1y)−1appartient à A.
Par opérations dans Aà l’aide des relations (*), si (x+y)−1∈Aalors x−1ou y−1
appartient à Ace qui est exclu. Ainsi (x+y)−1/∈Aet donc x+y∈I.
Finalement Iest un idéal de A.
b) Soit Jun idéal de Adistinct de A.
Pour tout x∈J, si x−1∈Aalors par absorption 1 = xx−1∈Jet donc J=Ice
qui est exclu.
On en déduit que x−1/∈Aet donc x∈I. Ainsi J⊂I.
Exercice 13 : [énoncé]
Soit x∈Aavec x6= 0A. Il suffit d’établir que xest inversible pour conclure.
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