Rappels

Les notions suivantes ont été traitées dans les cours d’algèbre de L3.

Structures algébriques

Dans ce cours

  • corps = corps de nombres (et extensions de corps = espaces vectoriels)

  • anneaux = anneaux de polynômes

  • groupes = groupes de permutations de racines

Groupes

Groupe \((G,\times)\) : on peut effectuer et simplifier une opération

Exemple

\((\Z,+)\), \((\Z/n\Z,+)\), \(\gS_n\), \(GL_n(\R)\)

notions de groupe abélien, de groupe cyclique

ordre d’un élément, générateurs

Anneaux

Anneau \((A,+,\times)\) : groupe abélien + opération distributive avec unité

Exemple

\((\Z,+,\times)\), \((\Z/n\Z,+,\times)\), \(M_n(\R)\), \(\R[x]\), \(\Z[i]\)

unités, notions d’anneau commutatif, d’anneau intègre, d’anneau principal

caractéristique d’un anneau

Exemple

  • \(\Z\) est de caractéristique nulle

  • \(\Z/n\Z\) de caractéristique \(n\)

  • \(\Z/4\Z\times\Z/6\Z\) de caractéristique… \(12\) (le ppcm).

notation

\(A[x]\), anneau engendré par \(x\) sur \(A\) (toutes les expression polynomiales en \(x\) à coefficients dans \(A\)).

Corps

Corps \(K\) : existence d’inverses multiplicatifs

Exemple

  • \(\Q\), \(\R\), \(\C\)

  • \(\F_2=\Z/2\Z\)

  • \(\F_p=\Z/p\Z\)

  • \(\F_9=\F_3[i]\)\(i^2=-1\).

  • \(\F_4=\F_2[\alpha]\) avec \(\alpha^2=\alpha+1\)

notation

\(K(x)\), corps engendré par \(x\) (corps de toutes les fractions)

Remarque

\(\F_3[i]=\F_3(i)\) puisque \(\F_3[i]\) est déjà un corps.

K-espace vectoriel, K-algèbre, A-module

  • \(K\)-espace vectoriel = groupe + action linéaire de \(K\)

  • \(K\)-algèbre = anneau + action linéaire de \(K\) = espace vectoriel + multiplication

  • notion de \(A\)-module que l’on verra (action d’un anneau sur un groupe)

Sous-structures

sous-groupe, sous-anneau, sous-corps, sous-espace vectoriel,…

Exemple

les sous-groupes de \(\Z\) sont les \(n\Z\)

idéal : moins que pas sous-anneau, manque l’unité multiplicative

Exemple

\(3\Z\) est un idéal de \(\Z\), ce n’est pas un sous-anneau

Définition

  • idéal principal

  • idéal premier si \(ab\in \gp\) implique \(a\in\gp\) ou \(b\in\gp\), ie \(A/\gp\) est intègre.

Morphismes

application qui respecte la structure et envoie unités sur unités : morphismes de groupes, d’anneaux, de corps, d’espaces vectoriels, de \(K\)-algèbre…

  • morphisme = homomorphisme

  • morphisme injectif, surjectif

  • isomorphisme = morphisme bijectif

  • endomorphisme

  • automorphisme = endomorphisme bijectif

Remarque

il suffit de définir un morphisme sur les générateurs

notions de noyau, d’image (qui héritent de la structure, et sont respectivement des sous-groupes, idéaux, sous-corps ou 0, sous-espaces-vectoriels…)

Exemple

  • \(\exp:(\R,+)\to(\R^\ast,\times)\), noyau \(\set{0}\)

  • signature d’une permutation

  • pour tout anneau \(A\), unique morphisme d’anneaux \(\Z\to A\) dont le noyau donne la caractéristique.

  • évaluation en \(a\) \(\phi_a:K[x]\to K\), noyau \(\langle x-a\rangle\).

Quotients

Définition

Soit \(G\) un groupe et \(H\) un sous-groupe. On définit une relation d’équivalence \(x\cR y\Leftrightarrow xH=yH\Leftrightarrow x^{-1}y\in H\)

On note \(G/H\) l’ensemble quotient = ensemble des classes à gauche.

On pourrait procéder “à droite” avec la relation \(x\cR' y\Leftrightarrow Hx=Hy\), on noterait \(H\backslash G\) le quotient obtenu.

Théorème

(Galois)

Soit \(G\) un groupe et \(H\) un sous-groupe. Il existe une structure de groupe sur l’ensemble \(G/H\) compatible avec la loi de \(G\) (c-à-d. telle que la surjection soit un morphisme)

  • si et seulement si \(\cR=\cR'\)

  • si et seulement si pour tout \(x\), \(x^{-1}Hx=x\)

  • si et seulement si \(H\) est un sous-groupe distingué de \(G\)

Démonstration

la surjection est un morphisme ssi pour tous \(x,y\) \(xyH=xHyH\). en prenant \(x=e\) on obtient \(yH=Hy\) soit \(y^{-1}Hy=H\). Réciproquement cette condition assure que \(xHyH=xyHH=xyH\).

Remarque

il suffit de vérifier que \(x^{-1}Hx\subset H\) pour tout \(x\), en effet dans ce cas on a aussi \(xHx^{-1}\subset H\) donc \(H\subset x^{-1}Hx\).

On a pareil avec anneau/idéal.

Remarque: le noyau d’un morphisme est toujours un sous-groupe distingué/un idéal, en fait c’est équivalent via la surjection dans le quotient.

un autre théorème utile, la correspondance entre sg du quotient et les sg du groupe initial

Théorème de correspondance

Soit \(H\) un sous-groupe distingué de \(G\), alors l’application quotient induit une bijection

\[\set{ K\text{ s.g. de }G, H\subset K } \to \set{ \text{ s.g. de }G/H }\]

pour laquelle

\[K\triangleleft G \Leftrightarrow K/H\triangleleft G/H.\]

Démonstration

  • d’abord, si \(H\triangleleft G\) alors a fortiori \(H\triangleleft K\) donc on obtient bien un groupe qui contient la classe \(H\), donc un sg de \(G/H\).

  • injectivité : si \(K_1/H=K_2/H\), alors pour tout \(k_1\in K_1\), il existe \(k_2\in K_2\) tel que \(k_1H=k_2H\), en particulier \(k_1\in k_2H\subset K_2\) puisque \(H\subset K_2\). De même \(K_2\subset K_1\) donc on a égalité.

  • surjectivité : soit \(M\) un s.g. de \(G/H\), on pose \(K=\set{g\in G, gH\in M}\) de sorte que \(K/H=M\). Alors \(K\) est un sg de \(G\) qui contient \(H\).

  • cas des sg distingués : pour tout \(kH\in K/H\), pour tout \(gH\in G/H\), \((gH)^{-1}(kH)(gH) = g^{-1}kgH\), donc \(K/H\) distingué ssi pour tout \(k\), \(g^{-1}kg\in K\), ssi \(K\) disitngué dans \(G\).

Remarque

pareil avec idéaux du quotient.

Le théorème de factorisation (premier th d’isomorphisme)

Soit \(f:G\to H\) un morphisme de groupes, notons \(K\) son noyau. Alors les éléments du noyau n’interviennent pas dans la valeur prise, donc l’image d’un élément est bien définie modulo les éléments du noyau, en d’autres termes \(f\) est défini sur les classes d’éléments module \(K\).

Théorème de factorisation

Soit \(f:G\to G'\) un morphisme de groupes, alors \(f\) induit un isomorphisme \(G/\ker(f)\to f(G)\).

Propriété universelle du quotient

Soit \(f=G\to G'\) un morphisme, \(H\) un sous-groupe distingué de \(G\) et \(\pi\) la surjection \(G\to G/H\). Alors il existe un morphisme \(f^\ast:G/H\to G'\) tel que \(f=f^\ast\circ \pi\) si et seulement si \(H\subset\ker(f)\).

Démonstration

c’est un résultat sur les applications :

  • il existe \(f^\ast\)

  • ssi \(\pi(x)=\pi(y)\Rightarrow f(x)=f(y)\),

  • ssi \(x^{-1}y\in\ker \pi \Rightarrow x^{-1}y\in\ker f\)

  • ssi \(\ker \pi=H\subset \ker f\).

Remarque

si \(H\) n’est pas distingué, on a juste une application.

Exemple

\(\R^\ast\simeq \Gl_n(\R)/\Sl_n(\R)\)

Exemple

si \(x\) est d’ordre \(n\), \(\langle x\rangle\simeq \Z/n\Z\)

pareil à nouveau avec un idéal d’un anneau.

Exemple

  • \(\mu_n(\C)\simeq \Z/n\Z\)

  • \(\C\simeq \R[x]/(x^2+1)\)

  • \(K\simeq K[x]/(x-α)\)

Complément bonus : suites exactes

Définition

soient \(A,B,C\) des groupes et \(f:A\to B\), \(g:B\to C\) des morphismes de groupes. On note \(A\to^f B\to ^g C\) cette situation, et on dit que la suite est exacte si \(\Im(f)=\ker(g)\).

Exemple

  • \(A\to B\to 1\) est exacte si et seulement si \(f\) est un morphisme surjectif

  • \(1\to A\to B\) est exacte si et seulement si \(f\) est un morphisme injectif.

  • \(1\to A\to B \to 1\) est exacte ssi \(f\) est un isomorphisme

  • \(1\to A\to B\to C\to 1\) est exacte ssi \(g\) induit un isomorphisme \(B/f(A)\to C\).

Exemple

  • \(1\to \Sl_n\to \Gl_n\to K^\ast\to 1\)

  • \(1 \to n\Z \to \Z \to \langle x\rangle\to 1\) si \(x\) d’ordre \(n\).

  • pour \(p\) impair, \(1\to \pm1 \to \F_p^\ast \to (\F_p^\ast)^2\to 1\)

  • pour \(p\) impair, \(1\to (1+p\Z)/(p^k\Z)\to (\Z/p^k\Z)^\ast \to \F_p^\ast \to 1\)

Trois théorèmes fondamentaux

Groupes : le théorème de Lagrange

Théorème

Soit \(G\) un groupe fini et H un sous groupe de G. Alors \(\card G = \card H \times \card(G/H)\). En particulier \(\card H\mid\card G\).

Corollaire

  • l’ordre d’un élément divise l’ordre du groupe

  • un groupe d’ordre premier est cyclique

Exemple

RSA avec \(\varphi(n)\)

Anneaux : le théorème chinois

somme, produit de deux idéaux

idéaux premiers entre eux si \(\ga+\gb=A\).

Remarque

dans ce cas, et si l’anneau est commutatif, le produit est l’intersection

Théorème

Soit \(A\) un anneau commutatif et \(\ga_1,\dots \ga_r\) des idéaux de \(A\) deux à deux premiers entre eux. Alors la projection induit un isomorphisme

\[\begin{split}A/\prod \ga_i \simeq \prod A/\ga_i \\ x\mapsto x\mod \ga_i\end{split}\]

d’inverse

\[x_i\bmod \ga_i \mapsto \sum_i u_i x_i \bmod \cap\ga_i\]

\(u_i+v_i=1\), \(u_i\in \ga_i\), \(v_i\in\cap_{j\neq i} \ga_j\).

Démonstration

via la formule on a bien un morphisme surjectif, de noyau \(\cap \ga_i\).

Corps/espaces vectoriels : base

Théorème

  • toute famille libre peut être complétée en base

  • de toute famille liée on peut extraire une base

  • existence de base, toutes les bases ont le même cardinal

Exemple

  • \(1,i\) est une \(\R\)-base de \(\C\), décomposition en forme cartésienne

  • \(1,x,\dots x^n\) base de \(K_n[x]\)

utilisation: décomposition unique sur une base