Anneaux, Corps, Idéaux

O.G.

06 Novembre 2015 (mise à jour)

Anneaux

Définitions

Un anneau \((A,+\cdot)\) est un ensemble (non vide) muni de deux lois de composition interne telle que

  • \((A,+)\) groupe commutatif (loi appelée addition)
  • la loi “\(\cdot\)” est associative (loi appelée multiplication)
  • la multiplication est distributive à droite et à gauche par rapport à l’addition, \[ a(b+c)=ab+ac \\ (b+c)a=ba+ca \]

L’anneau \(A\) est dit commutatif si “\(\cdot\)” est commutative; unitaire si la loi “\(\cdot\)” admet un élément neutre.

Notations

  • on note \(-a\) le symétrique de \(a\) par rapport à la loi \(+\), et l’on appelle opposé de \(a\).
  • \(0_A\) désigne le neutre (0) pour la loi \(+\)
  • \(1_A\) désigne le neutre pour la loi \(\cdot\)

Règles de calculs

\(\forall a\in A\) on a \(0_A\cdot a=a\cdot 0_A=0_A\). L’élément \(0_A\) est dit absorbant. On écrit \[a\cdot b = a \cdot(b+0_A)=a\cdot b+ a\cdot 0_A\] d’où \(a\cdot 0_A=0_a\). On fait de même (\(ba=\cdots\)) pour démontrer \(0_A a= 0_A\)

\(\forall a,b\in A\) on a \((-a)b=a(-b)=-(ab)\) et \((-a)(-b)=ab\).

On écrit que \(a+(-a)=0_A\) et on “multiplie à droite” par \(b\): \[ ab+(-a)b=0_A \text{ d'où } -(ab)=(-a)b. \] De même en multipliant à gauche par \(a\) l’égalité \(b+(-b)=0_A\) on obtient \[ 0_A=a(b+(-b))=ab+a(-b) \text{ d'où } -(ab)=a(-b). \] Pour la dernière égalité on écrit \((-a)(-b)=(a)(-(-b))=ab\) car \(-(-b)=b\)

Règles de calculs (suite)

  • Pour tout \(n\in \N\setminus\{0\}\) on note \[ (-x)^n=\begin{cases} x^n & \text{ si $n$ pair}, \\ - x^n & \text{ si $n$ impair.} \end{cases}\]

  • Pour tout \(n\in\N\) on note \(na=a+a+\cdots+a\), on somme \(n\) fois \(a\). Pour des valeurs négatives, on définit \((-n)a=-(na)\).

  • Si \(A\) est unitaire \((-1_A)x=-x=x(-1_A)\)

  • Si \(A\) unitaire et non réduit à \(\{0_A\}\) (anneau trivial) alors \(0_A\neq 1_A\). En effet si \(a\in A\setminus\{0_A\}\) on a \[ a\cdot 0_A=0_A\cdot a= 0_A \neq a=a\cdot 1_A=1_A \cdot a \] d’où \(1_A\neq 0_A\).

Règles de calculs (suite)

Comme la multiplication est distributive par rapport à l’addition (commutative et associative) on peut écrire les sommes : si \((p,q)\in\N^*\times \N^*\), \(\forall a_1,\ldots,a_p\in A\), \(\forall b_1,\ldots, b_q\in A\) \[ (\sum_{i=1}^p a_i) \cdot (\sum_{j=1}^{q} b_j) = \sum_{i=1}^{p}(\sum_{j=1}^{q} a_i b_j) = \sum_{j=1}^{q}(\sum_{i=1}^{p} a_i b_j) = \sum_{\substack {1\leq i\leq p \\ 1\leq j \leq q} } a_i b_j \]

Si \(A\) est commutatif (la loi “\(\cdot\)”) alors on dispose de la formule du binôme de Newton \[ (a+b)^n=a^n+\sum_{k=1}^{n-1} \begin{pmatrix} n \\ k \end{pmatrix} a^k b^{n-k} + b^n \] Attention : en général (si les éléments \(a\) et \(b\) ne commutent pas) \[ (a+b)^2=a^2+ab+ba+b^2\neq a^2+ 2ab+b^2 \]

Exemples

Exemples

  • \((\mathcal{M}_n(\C),+,\cdot)\) (opérations usuelles) : anneau unitaire non commutatif

  • \((\R,+,\cdot)\) anneau unitaire commutatif

  • \((2\Z,+,\cdot)\) anneau non unitaire commutatif

  • \((\Z/n\Z,+,\cdot)\) anneau unitaire commutatif

Morphisme d’anneau

Définitions

Soit \((A,+,\cdot)\) et \((B,+,\cdot)\) deux anneaux. Une application \(f\) de \(A\) dans \(B\) est un morphisme d’anneau si \(f\) vérifie, pour tout \(a,b\in A\) \[ \begin{gathered} f(a+b)=f(a)+f(b) \\ f(ab)=f(a)f(b). \end{gathered} \]

Si de plus les deux anneaux sont unitaires, un morphisme d’anneau \(f\) est dit unitaire s’il vérifie de plus \(f(1_A)=f(1_B)\)

  • Un morphisme d’anneau bijectif est appelé isomorphisme et on dit que les anneaux \(A\) et \(B\) sont isomorphes.

Exemples

Voici deux exemples de morphisme d’anneau unitaires

  • \(\begin{aligned}[t] (\Z,+,\cdot) & \mapsto (\Z/n\Z,+,\cdot) \\ k &\mapsto \dot{k} \end{aligned}\)

  • \(\begin{aligned}[t] (\Z,+,\cdot) & \mapsto (A,+,\cdot) \\ n & \mapsto n1_A \end{aligned}\) (avec \(A\) unitaire)

Sous anneau

Définition

Soit \((A,+,\cdot)\) un anneau. Une partie non vide \(C\) de \(A\) est appelée sous-anneau de \(A\) si \(C\) est stable par addition et multiplication et si \(C\) est un anneau pour l’addition et la multiplication induites. De façon équivalente :

  • \((C,+)\) sous groupe de \((A,+)\)
  • si \(a,b\in C\) alors \(ab\in C\)

Si \((A,+,\cdot)\) est unitaire le sous anneau est dit unitaire s’il contient l’élément \(1_A\).

Proposition

Soit \((A,+,\cdot)\) et \((B,+,\cdot)\) deux anneaux et \(f\) un morphisme d’anneau de \(A\) dans \(B\).

  • Si \(C\) est sous-anneau de \(A\) alors \(f(C)\) est un sous-anneau de \(B\)
  • Si \(C'\) est un sous anneau de \(B\) alors \(f^{-1}(C')\) est un sous-anneau de \(A\)

  • Preuve : exercice

Diviseurs de zéro, anneau intègre

à partir de maintenant les anneaux seront commutatifs et unitaires

Définition

Soit \((A,+,\cdot)\) un anneau commutatif unitaire. Un élément \(a\in A\) non nul est un diviseur de zéro s’il existe \(b\in A\) avec \(b\neq 0_A\) vérifiant \(ab=0_A\)

Proposition

Un élément \(a\) est régulier pour la loi “\(\cdot\)” si et seulement si \(a\) n’est pas diviseur de zéro

Preuve :

  • Supposons \(a\) régulier. Comme \(ab=a\cdot 0_A\) entraîne \(b=0_A\) alors \(a\) n’est pas diviseur de zéro
  • supposons que \(a\) n’est pas diviseur de zéro. Soit \(b,c\in A\) vérifiant \(ab=ac\). On en déduit que \(ab-ac=0_A\), d’où \(a(b-c)=0_A\). \(A\) ne possédant pas de diviseur de 0, \(b-c=0_A\).

Exemples

  • \((\Z,+,\cdot)\) ne possède pas de diviseur de zéro

  • \((\mathcal{C}([-1,1],\R),+,\cdot)\) l’espace des fonctions continues de \([0,1]\) dans \(\R\) possède des diviseurs de zéro. Il suffit de construire une fonction nulle sur \([-1,0]\) et une fonction nulle sur \([0,1]\). Avec \(f(x)=x-|x|\) et \(g(x)=x+|x|\) ça marche !

Définition

Un anneau \((A,+,\cdot)\) est dit intègre s’il est unitaire commutatif, non réduit à \(\{0_A\}\) et s’il ne possède pas de diviseur de zéro.

Conséquence

Dans un anneau intègre si \(a\neq 0_A\) alors \(ax=ay\) entraîne \(x=y\).

Preuve : si \(ax=ay\) alors \(ax-ay=0_A\), soit \(a(x-y)=0_A\). Comme \(A\) ne possède pas de diviseur de zéro on obtient \(x=y\).

Corps

On précise que dans un anneau commutatif unitaire \((A,+,\cdot)\) un élement \(a\) est dit inversible s’il admet un symétrique pour la multiplication, c.-à-d. il existe \(b\in A\) tel que \(ab=1_A\)

Définition

Soit \(K\) un anneau commutatif unitaire. On dit que \(K\) est un corps si

  • \(K\) non réduit au singleton \(\{0_K\}\)
  • tout élément non nul est inversible

Conséquence

Dans un corps il n’existe pas de diviseur de zéro. Si \(a,b\in K\) et vérifient \(ab=0_K\). Supposons que \(a\neq 0_K\), \(a\) étant inversible on écrit \[ 0_K= a^{-1} 0_K = a^{-1} a b = 1_K b = b \]

Sous corps

De la même façon que les sous anneaux, un sous corps \(L\) de \((K,+,\cdot)\) est un sous anneau de \(K\) qui est un corps et de façon équivalente :

  • \(L\neq\{0_K\}\)
  • \((L,+)\) sous-groupe de \((K,+)\)
  • \(\forall a,b\in L\), on a \(ab\in L\)
  • \(\forall a\in L\) si \(a\neq 0\) alors \(a^{-1}\in L\) (comprendre le symétrique de \(a\) dans \(K\) appartient à \(L\)).

Idéaux - anneau quotient

Définition

Soit \((A,+,\cdot)\) un anneau commutatif unitaire. Un idéal \(I\) de \(A\) est une partie non vide de \(A\) vérifiant

  • \((I,+)\) sous groupe de \((A,+)\)
  • \(\forall x\in I\), \(\forall a\in A\) on a \(ax\in I\).

Exemple

  • \(2\Z\) idéal de \((\Z,+,\cdot)\)
  • \(\{0_A\}\) et \(A\) sont des idéaux de \(A\) (idéaux triviaux)
  • fonctions nulles en 0 est un idéal de l’ensemble des fonctions

Proposition

Soit \(f: A \mapsto B\) un morphisme d’anneau unitaire et soit \(J\) un idéal de \(B\). Alors \(f^{-1}(J)\) est un idéal de \(A\). En particulier \(\ker f\subset f^{-1}(J)\) et \(\ker f\) idéal de \(A\).

Preuve

  • Nous savons déjà (partie du cours sur les groupes) que \(f^{-1}(J)(\neq \emptyset)\) est un sous groupe de \((A,+)\) car \(f\) morphisme de groupe de \((A,+)\) dans \((B,+)\). Soit \(x\in f^{-1}(J)\) et \(a\in A\). On a \(f(x)\in J\), comme \(J\) est un idéal on en déduit que \(f(a)f(x)\in J\). Comme \(f\) morphisme d’anneau, cela donne \(f(ax)=f(a)f(x)\in J\) soit \(ax\in f^{-1}(J)\).

  • Comme \(\{0_A\}\subset J\), clairement \(\ker f\subset f^{-1}(J)\).

Remarque

L’image d’un idéal n’est pas en général un idéal, mais si \(f\) est surjective c’est vrai (exercice)

Idéal engendré

Proposition

L’intersection d’une famille d’idéaux de \(A\) est un idéal de \(A\)

Preuve : (exercice)

Soit \((I_\alpha)_{\alpha\in E}\) une famille d’idéaux

  • Nous savons que l’intersection d’une famille de sous groupes est un sous groupe.
  • l’autre propriété passe bien (c’est une intersection) : soit \(x\in A\) et \(a\in \cap_{\alpha\in E} I_\alpha\). Pour tout \(\alpha\in E\), \(I_\alpha\) est un idéal, donc par définition, \(ax\in I_\alpha\). Ainsi \(ax\in \cap_{\alpha\in E} I_\alpha\).

Idéal engendré

De la même façon que l’on définit le sous groupe “engendré par”, on peut définir l’idéal “engendré par”

Définition

Soit \(S\) une partie de \(A\). On appelle idéal engendré par \(S\) l’intersection des idéaux contenant \(S\).

Anneau quotient

Soit \(A\) un anneau commutatif unitaire et \(I\) un idéal de \(A\).

Notons \(a\equiv b (\text{mod} I)\) ssi \(a-b\in I\).

Proposition

\(a\equiv b (\text{mod} I)\)” est une relation d’équivalence sur \(A\) compatible avec l’addition et la multiplication (les 2 l.c.i sur \(A\))

Preuve

  • Comme \((A,+)\) groupe abélien et \((I,+)\) sous groupe de \((A,+)\), d’après le cours sur les groupes “\(a\equiv b (\text{mod} I)\)” est une relation d’équivalence compatible avec la loi ‘\(+\)’.
  • Montrons la compatibilité avec la loi ‘\(\cdot\)’. Soit \(a,b,a',b'\in A\) tels que \(a\equiv b (\text{mod} I)\)\(a\equiv b (\text{mod} I)\) et \(a'\equiv b' (\text{mod} I)\). On écrit
    \[ aa'-bb'=a(a'-b')+b'(a-b). \]

Preuve(suite)

\[ aa'-bb'=a(a'-b')+b'(a-b). \]

Comme \(a'-b'\in I\) on en déduit (définition idéal) que \(a(a'-b')\in I\).

De même \(a-b\in I\), \(b'\in A\) et \(I\) idéal entraînent \(b'(a-b)\in I\).

Comme \((I,+)\) sous groupe : \(aa'-bb'\in I\) On a donc \(aa'\equiv bb' (\text{mod} I)\), la relation d’équivalence est compatible avec la loi ‘\(\cdot\)’.

Théorème

L’ensemble quotient \(A/I\) est un anneau commutatif unitaire pour les lois \[ \dot{a}+\dot{b}=\dot{\overline{a+b}}\qquad \dot{a}\times \dot{b} = \dot{\overline{ab}}\]\(\dot{a}\) désigne la classe de \(a\) pour la loi “\(\equiv (\text{mod} I)\)

Remarque

Ici on prend le même symbole ‘\(+\)’ et ‘\(\cdot\)’ sur \(A\) et \(A/I\).

Preuve

1) \((A/I,+)\) est un groupe commutatif (voir cours sur les groupes quotients)

2) Comme d’habitude, il faut montrer l’indépendance par rapport aux choix des représentants

Preuve (suite)

\[ \dot{\overline{ab}}=\dot{a}\times\dot{b} \text{ indépendant du choix }?\] Nous savons (loi ‘\(\cdot\)’ compatible) que si \(\dot{a}=\dot{a'}\) et \(\dot{b}=\dot{b'}\) alors \(ab \equiv a'b' (\text{mod} I)\). Donc \(\dot{\overline{ab}}=\dot{\overline{a'b'}}\).

3) loi ‘\(\cdot\)’ : associative, commutative, élément neutre, distributive ?

  • \(\dot{{a}}\cdot(\dot{{b}}\cdot \dot{{c}})=\dot{{a}}\cdot(\dot{\overline{bc}})=\dot{\overline{a(bc)}}\). La loi ‘\(\cdot\)’ sur \(A\) est associative, donc \(\dot{{a}}\cdot(\dot{{b}} \cdot \dot{{c}})=\dot{\overline{(ab)c}}=\dot{\overline{ab}}\cdot \dot{{c}}= (\dot{a}\cdot \dot{{b}}) \dot{{c}}\)

  • \(\dot{a}\cdot\dot{b}=\dot{\overline{ab}}=\dot{\overline{ba}}\) car loi ‘\(\cdot\)’ sur \(A\) commutative. Donc \(\dot{a}\cdot\dot{b}=\dot{b}\cdot\dot{a}\)

  • élt neutre : \(\dot{\overline{1_A}}\cdot \dot{a}=\dot{\overline{1_A a}}=\dot{a}\)

Preuve (suite)

  • En utilisant la distributivité dans l’anneau \((A,+,\cdot)\) : \[\begin{split} \dot{a}\cdot(\dot{b}+\dot{c}) &= \dot{a}\cdot\dot{\overline{(b+c)}}=\dot{\overline{a(b+c)}} =\dot{\overline{ab+ac}}=\dot{\overline{ab}}+\dot{\overline{ac}}\\ & =\dot{a}\cdot\dot{b}+\dot{a}\cdot\dot{c}\end{split}\]

4) C’est un anneau !

Remarque

En général on note \(\pi\) le morphisme surjectif canonique de \((A,+,\cdot)\) dans \((A/I,+,\cdot)\) définie par \[\begin{aligned} \pi:& A \mapsto A/I \\ & a \mapsto \overline{a}\end{aligned}\]

Exemple

Si \(n\in\N\), \(n\Z\) est un idéal de \(\Z\). On construit donc l’anneau quotient \((\Z/n\Z,+,\cdot)\). Il correspond “au calcul modulo \(n\)”.

Divisibilité – anneau principal - \(\Z\)

Définitions

Dans la suite \((A,+,\cdot)\) est un anneau intègre.

Définition

Soit \(a\) et \(b\) deux éléments de \(A\). On dit que \(a\) divise \(b\) dans \(A\) s’il existe \(x\in A\) tel que \(b=ax\) et on écrit \(a|b\).

Proposition

\(\forall a\in A\), \((a)=aA\). (rappel : \((a)\) est l’idéal engendré par la partie \(\{a\}\))

Preuve (rapide) :

  • \(aA\) idéal
  • \(a\in aA\) (c’est clair : \(a=1_A a\))

Si \(I\) idéal contenant \(a\). Par définition de la notion d’idéal, comme \(a\in I\), si \(x\in A\) alors \(ax\in I\). Donc \(aA\subset I\). Ainsi \(aA\) plus petit idéal contenant \(A\).

Proposition

\(a|b\) si et seulement si \((b)\subset(a)\)

Preuve

  • Supposons \(a|b\). Par définition soit \(x\in A\) tel que \(b=ax\). Comme \((a)\) idéal, on en déduit que \(ax\in (a)\), donc \(b\in (a)\). Par définition de l’idéal engendré : \((b)\subset (a)\)
  • Réciproquement supposons que \((b)\subset(a)\). On a \(b\in(b)\subset(a)\), donc \(b\in (a)\). D’après la proposition précédent \(b\in aA\), donc \(b\) s’écrit \(b=ax\) avec \(x\in A\). Ainsi \(a|b\).

Définition+Proposition

Si \(a|b\) et \(b|a\) (équivaut à \((a)=(b)\)) les éléments \(a\) et \(b\) sont dits associés. De plus il existe \(u\) inversible dans \(A\) tel que \(a=ub\).

Preuve

  • \(b|a\) : soit \(u\) tel que \(a=ub\).
  • \(a|b\) : soit \(u'\) tel que \(b=u'a\).

Ainsi \(a=uu'a\), comme l’anneau \(A\) est intègre, on obtient \(uu'=1_A\), soit \(u\) inversible.

Anneau, idéal principal

Définition

Un idéal \(I\) est dit principal s’il existe \(a\in A\) tel que \(I=aA=(a)\).

Définition

Un anneau \((A,+,\cdot)\) est dit principal si \(A\) est un anneau intègre dans lequel tout idéal est principal.

Exemples

  • \((\Z,+,\cdot)\) anneau principal
  • Mais \((\mathcal{C}(\R,\R),+,\cdot)\) anneau mais \(I=\{ f \,;\, f(0)=0\}\) est un idéal non principal (exercice)

Remarque

On peut s’amuser à définir une notion de pgcd, de ppcm dans un anneau intègre avec les idéaux. Cependant c’est un peu plus compliqué et le pgcd (ou le ppcm) n’existe pas nécessairement.

Mais dans un anneau principal, c’est plus facile !

PGCD, PPCM, élément irréductible dans un anneau intègre

Si \(x\in A\), notons \(\text{Div}(x)\) l’ensemble des diviseurs de \(x\).

Définition - proposition

Soit \(a\) et \(b\) dans \(A\) (anneau principal). Un élément \(d\in A\) est un pgcd de \(a\) et \(b\) si \[ \text{Div}(a)\cap\text{Div}(b)=\text{Div}(d) \] ce qui veut dire \[ \left\{\begin{gathered} d|a \quad \text{et}\quad d|b \\ \text{tout diviseur commun à $a$ et $b$ est un diviseur de $d$} \end{gathered}\right. \] Le pgcd existe, est unique à une association près, et il existe \(u\) et \(v\) dans \(A\) tels que \[ d=au+bv \quad\text{(revoici Bezout!)} \]

Preuve

Considérons \(I\) l’idéal engendré par \(\{a,b\}\). Comme \(A\) est principal soit \(d\in A\) tel que \(I=(d)=dA\).

Montrons que \(d\) est un pgcd de \(a,b\).

  1. ?? \(d|a\) et \(d|b\) ?? Oui

\[ a\in(d) \Rightarrow \text{ $a$ multiple de $d$ }\Rightarrow \quad d|a\] \[ b\in(d) \Rightarrow \cdots \Rightarrow d|b\]

  1. Posons \(J=\{ax+by\,;\, x\in A, y\in A\}\) et montrons \(I=J\).
  • \(a, b\in I \Rightarrow J\subset I\)
  • \(J\) idéal (à vérifier) : \((J,+)\) sous groupe et on vérifie que \(z(ax+by)=a(xz)+b(yz)\in J\)

Donc \(I=(d)=J\) et comme \(d\in J\) il existe \(u\) et \(v\) tels que \(d=au+bv\).

Preuve (suite)

  1. Montrons que \(d\) est un pgcd de \(a\) et \(b\). Soit \(d'\) un diviseur commun à \(a\) et \(b\). Comme \(d=au+bv\) \[ d'|a \Rightarrow d'|au\qquad d'|b \Rightarrow d'|bu\] d’où \(d'|au+bv=d\)

  2. Si \(d'\) est un pgcd de \(a\) et \(b\) alors \(d|d'\) et \(d'|d\), donc \(d\) et \(d'\) sont associés.

Définition-proposition

Soit \(a\) et \(b\) deux éléments de \(A\). \(m\in A\) est un ppcm de \(a\) et \(b\) si \[(a)\cap (b)=(m).\] L’élément \(m\) existe et est unique à une association près.

preuve

\((a)\) et \((b)\) idéaux : \((a)\cap(b)\) idéal. \(A\) étant principal soit \(m\) tel que \((a)\cap (b)=(m)\). Ainsi \(m\) existe.

Si \(m\) et \(m'\) sont deux ppcm alors \((m)=(m')\) impliquent \(m\) et \(m'\) associés.

Définition

Deux éléments sont premiers entre eux si \(1_A\) est un PGCD.

Définition

\(a\) est irréductible si

  1. \(a\neq 0_A\)

  2. \(a\) n’est pas inversible

  3. tout diviseur de \(a\) est soit inversible, soit associé à \(a\)

Alors on peut refaire le Lemme de Gauss, Euclide, etc

Lemme de Gauss

Soit \(a,b,c\in A\) (toujours \((A,+,\cdot)\) anneau principal). Si \(a|bc\) et si \(a\) et \(b\) sont premiers entre eux alors \(a|c\).

Preuve

\(1_A\) est un pgcd de \(a\) et \(b\) : soit \(u,v\in A\) tels que \(1_A=au+bv\).

Ainsi on écrit \(c=acu+bcv\).

Clairement \(a|acu\) et comme \(a|bc\) on obtient \(a|bcv\). D’où \(a| acu+bcv=c\).

Lemme d’Euclide

Soit \(p,b,c\in A\). Supposons \(p\) irréductible et \(p|bc\). Alors nécessairement \(p|b\) ou \(p|c\).

Preuve

Si \(p\) ne divise pas \(b\), comme \(p\) est irréductible \(p\) et \(b\) sont premiers entre eux. Le lemme de Gauss permet d’en déduire \(p|c\).

Remarques

  • Pour définir le pgcd il faut ajoute un critère \[ \Z \text{ : le représentant positif}\] \[ \R[X] \text{ : le polynôme unitaire}\]
  • Et le calcul ? Il faut une division euclidienne.