1Lois de composition interne
Définition. Soit un ensemble. Une loi de composition interne sur est une application ; on note l’image du couple . Le fait que appartienne à fait partie de la définition : on dit que est stable pour .
Définition. Soit une loi sur . On dit que est
- associative si ;
- commutative si .
Un élément est neutre pour si . Si admet un neutre, celui-ci est unique.
Idée de preuve (unicité du neutre). Si et sont neutres, vaut (car est neutre) et (car est neutre), donc .
Définition. Soit une loi associative sur , de neutre . Un élément est inversible (ou symétrisable) s’il existe tel que . Un tel est alors unique, appelé symétrique (ou inverse) de ; on le note en notation multiplicative, en notation additive.
Idée de preuve (unicité du symétrique). Si et conviennent, : c’est l’associativité qui donne l’unicité.
Propriété — inverse d’un produit. Si et sont inversibles pour une loi associative, alors l’est, et (attention à l’ordre), car , et de même de l’autre côté.
Définition. Soient et deux lois sur . On dit que est distributive sur si, pour tous , et : les deux égalités sont à exiger tant que n’est pas supposée commutative.
Définition. Une partie est stable pour si . La loi induit alors une loi sur , appelée loi induite ; elle hérite automatiquement de l’associativité et de la commutativité, mais pas du neutre ni de l’inversibilité.
Un élément est absorbant si pour tout : dans , est neutre pour et absorbant pour . De même est stable pour , mais n’y est pas inversible : la stabilité ne dit rien des inverses.
Notation — table de composition. Pour une loi sur un ensemble fini, la case (ligne , colonne ) de la table contient . On y lit la commutativité (symétrie par rapport à la diagonale), le neutre (une ligne et une colonne recopiant les en-têtes) et les inverses (la présence de ) ; l’associativité, elle, ne se lit pas sur la table.
2Groupes
Définition. Un groupe est un couple où est une loi de composition interne sur telle que (i) est associative ; (ii) admet un élément neutre ; (iii) tout élément de est inversible pour . Si de plus est commutative, le groupe est dit abélien (ou commutatif). Un groupe est toujours non vide, puisqu’il contient .
Notation — puissances. En notation multiplicative, , () et ; alors, pour , , , et seulement si . En notation additive : , , .
Propriété — régularité. Dans un groupe, tout élément est régulier : et (multiplier par du bon côté) ; l’équation a l’unique solution .
Propriété — exemples usuels — à connaître.
- Groupes additifs : , , , sont abéliens. n’est pas un groupe.
- Groupes multiplicatifs : , , , , , et () sont abéliens. n’est pas un groupe ( n’est pas inversible).
- Groupe des permutations : pour non vide, l’ensemble des bijections de sur , muni de , est un groupe de neutre , l’inverse étant la bijection réciproque ; on note . Il n’est pas abélien dès que .
- Groupe produit : muni de est un groupe, de neutre et d’inverse ; il est abélien si et seulement si et le sont.
3Sous-groupes
Définition. Soit un groupe. Une partie est un sous-groupe de si est stable pour et si est lui-même un groupe (pour la loi induite).
Théorème — caractérisation d’un sous-groupe — démonstration exigible. Soit . Alors est un sous-groupe de si et seulement si
Ces trois conditions se condensent en : et .
Idée de preuve. La condition (2) donne la loi induite, (3) les inverses ; (1) et (3) donnent , et l’associativité est héritée. Le neutre de est nécessairement celui de : si , la régularité dans donne .
Propriété. Les sous-groupes et sont dits triviaux. Une intersection de sous-groupes de est un sous-groupe de ; une réunion, en général, n’en est pas un.
Théorème — les sous-groupes de — démonstration exigible. Les sous-groupes de sont exactement les ensembles
et l’entier est déterminé de façon unique par le sous-groupe.
Idée de preuve. Chaque est un sous-groupe. Réciproquement, soit un sous-groupe. Si , alors . Sinon contient un élément non nul, donc, par passage à l’opposé, un élément de : la partie non vide de admet un plus petit élément , et par stabilité. Inversement, pour , la division euclidienne () donne ; si , cela contredit la minimalité de : donc et . L’unicité vient de et .
Remarque. C’est, dans le langage des groupes, le raisonnement par division euclidienne du chapitre 11 (Bézout par le plus petit élément positif de ). On en déduit et .
4Morphismes de groupes
Définition. Soient et deux groupes. Une application est un morphisme de groupes si
Un morphisme bijectif est un isomorphisme ; deux groupes sont isomorphes s’il existe un isomorphisme de l’un sur l’autre. Un morphisme de dans est un endomorphisme, un isomorphisme de sur un automorphisme.
Propriété. Soit un morphisme de groupes. Alors
La composée de deux morphismes est un morphisme ; la bijection réciproque d’un isomorphisme est un isomorphisme.
Idée de preuve. , et la régularité dans donne ; puis .
est une conséquence, pas une hypothèse : inutile de l’exiger dans la définition. En revanche, pour montrer qu’une application n’est pas un morphisme, calculer est souvent le test le plus rapide.
Théorème — image, image réciproque. Soit un morphisme.
- Si est un sous-groupe de , alors est un sous-groupe de ; en particulier est un sous-groupe de .
- Si est un sous-groupe de , alors est un sous-groupe de ; en particulier est un sous-groupe de .
Idée de preuve (exigible pour et ). car ; si , , donc . Pour : , et .
Théorème — critère d’injectivité — démonstration exigible. Un morphisme de groupes est injectif si et seulement si . Il est surjectif si et seulement si .
Idée de preuve. Si est injective et , alors donne . Réciproquement, si et , alors , donc , soit .
Propriété — morphismes usuels — à connaître.
- est un isomorphisme, de réciproque ; .
- est un morphisme surjectif de sur , de noyau .
- est un morphisme surjectif de sur , de noyau .
- pour , est un morphisme surjectif de sur lui-même, de noyau .
- pour un groupe et , , , est un morphisme, de noyau de la forme .
Remarque — hors programme — pour aller plus loin. L’entier tel que s’appelle l’ordre de , et le sous-groupe engendré par : ces notions, comme les groupes monogènes et cycliques, ne sont pas au programme de MPSI (voir la feuille d’approfondissement).
5Anneaux
Définition. Un anneau est un triplet où
- est un groupe abélien, de neutre noté ;
- est associative, admet un élément neutre noté , et est distributive sur .
Dans ce programme, tout anneau est unitaire : l’existence de fait partie de la définition. L’anneau est commutatif si l’est. L’anneau nul est , le seul où .
Propriété — règles de calcul. Dans un anneau , pour tous et :
- ; ; ; pour ;
- formule du binôme : si et seulement si l’on sait que ;
- identité géométrique : (), là encore sous l’hypothèse ; en particulier sans aucune hypothèse, puisque commute avec .
Idée de preuve de . , et l’on simplifie dans le groupe .
Sans l’hypothèse , et rien de plus : pas de « ». L’anneau non commutatif de référence, , est étudié au chapitre 13 : c’est là que ce piège coûte le plus cher.
Définition. Un élément est inversible (on dit aussi : est une unité) s’il existe tel que . L’ensemble des inversibles de est noté (ou ).
Théorème. est un groupe, appelé groupe des inversibles de . Ce n’est presque jamais un sous-anneau de (il ne contient pas ).
Définition. Soit un anneau. Un élément est un diviseur de zéro s’il est non nul et s’il existe tel que ou . L’anneau est intègre s’il est commutatif, non nul, et sans diviseur de zéro :
Propriété. Dans un anneau intègre, tout élément non nul est régulier ( et entraînent ) ; un inversible n’est jamais diviseur de zéro.
Définition. Une partie est un sous-anneau de si est un sous-groupe de , stable pour , et contient .
Théorème — caractérisation. est un sous-anneau de si et seulement si et et .
Définition. Soient et deux anneaux. Une application est un morphisme d’anneaux si, pour tous , , et . Un morphisme bijectif est un isomorphisme. L’image d’un morphisme d’anneaux est un sous-anneau de , et envoie un inversible sur un inversible, avec .
La condition est à exiger : elle ne découle pas des deux autres. Ainsi , , est additive et multiplicative pour les lois composante par composante, mais : ce n’est pas un morphisme d’anneaux. Noter aussi que n’est pas un sous-anneau : c’est un idéal, notion hors programme.
Propriété — exemples usuels.
- , , , sont des anneaux commutatifs intègres ; , , , .
- (entiers de Gauss) et sont des sous-anneaux de et de .
- (fonctions de dans ), muni de et , est un anneau commutatif non intègre, d’inversibles les fonctions qui ne s’annulent pas ; idem pour .
- Le produit de deux anneaux, muni des lois composante par composante, est un anneau de neutres et ; il n’est jamais intègre si et sont non nuls, car .
6Corps
Définition. Un corps est un anneau commutatif tel que et dont tout élément non nul est inversible, c’est-à-dire . Dans ce programme, les corps sont commutatifs.
Propriété. Tout corps est intègre : si avec , alors . Un sous-corps de est un sous-anneau de tel que tout élément non nul de ait son inverse dans .
Propriété — exemples. , , sont des corps, et est un sous-corps de , lui-même sous-corps de ; n’est pas un corps ( n’y est pas inversible), ni . Enfin est un sous-corps de , avec .
- Vérifier qu’une loi est associative / commutative, trouver son neutre et ses inversibles ; lire une table. Montrer qu’une partie est un sous-groupe par la caractérisation (non-vacuité d’abord), ou l’infirmer par un contre-exemple ; déterminer les sous-groupes de , calculer et .
- Vérifier qu’une application est un morphisme, calculer et , en déduire injectivité et surjectivité ; construire un isomorphisme.
- Montrer qu’une partie est un sous-anneau ou un sous-corps ; déterminer ; exhiber un diviseur de zéro ; calculer dans un anneau (binôme et identité géométrique après avoir vérifié la commutation, inverse de lorsque ).
- Oublier (ou ) : vérifie (2) et (3) sans être un sous-groupe. Vérifier la stabilité par la loi et oublier celle par passage à l’inverse : dans , dans .
- Appliquer le binôme ou dans un anneau sans avoir écrit « et commutent » ; confondre neutre et élément absorbant ; croire qu’une partie stable hérite du neutre ou des inverses.
- Croire que est un sous-anneau, oublier , dire « est un corps » sans vérifier (, ), ou utiliser et les ensembles quotients (hors programme : on calcule avec les congruences du chapitre 11).