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Mathématiques · Glossaire

Qu'est-ce que « Idéal » ?

Aussi appelé : anneau quotient

Définition 1.25 Mathématiques universitaires — Licence 2 · Chapitre 1 — Ensembles et structures

Soit AA un anneau commutatif. Un idéal I⊆AI \subseteq A est un sous-groupe additif tel que ax∈Ia x \in I pour tout a∈Aa \in A, x∈Ix \in I. Les noyaux de morphismes d’anneaux sont des idéaux ; I=AI = A si et seulement si 1∈I1 \in I si et seulement si II contient un inversible. L’idéal engendré par xx est xA={xa}xA = \{xa\} (un idéal principal).

Exemples

Exemple 1.27 (Un pgcd de polynômes, de deux façons)

Calculons gcd⁡(X3−1, X2−1)\gcd(X^3 - 1,\ X^2 - 1) dans Q[X]\Q[X]. Par Euclide :

X3−1=X (X2−1)+(X−1),X2−1=(X+1)(X−1)+0,X^3 - 1 = X\,(X^2 - 1) + (X - 1), \qquad X^2 - 1 = (X + 1)(X - 1) + 0 ,

donc le pgcd est X−1X - 1, et la remontée donne la relation de Bézout

X−1=1⋅(X3−1)−X⋅(X2−1).X - 1 = 1\cdot(X^3 - 1) - X\cdot(X^2 - 1).

Par les idéaux : l’idéal (X3−1)Q[X]+(X2−1)Q[X](X^3 - 1)\Q[X] + (X^2 - 1)\Q[X] est principal (Théorème 1.26) ; il contient X−1X - 1 (la formule affichée) et est contenu dans (X−1)Q[X](X - 1)\Q[X] (les deux générateurs s’annulent en 11, donc sont multiples de X−1X - 1) : le générateur unitaire est X−1X - 1. L’idée à retenir : le point de vue des idéaux identifie le pgcd sans diviser — les racines communes localisent l’idéal, et Euclide ne fait que le certifier.

Exemple 1.34 (Un morphisme d’évaluation et son noyau)

Prenons A=(0100)A = \begin{pmatrix}0 & 1\\ 0 & 0\end{pmatrix} et l’évaluation εA ⁣:R[X]→M2(R)\varepsilon_A \colon \R[X] \to \mathcal{M}_2(\R), P↦P(A)P \mapsto P(A). Puisque A2=0A^2 = 0,

P(A)=P(0) I+P′(0) A=(P(0)P′(0)0P(0)),P(A) = P(0)\,I + P'(0)\,A = \begin{pmatrix} P(0) & P'(0)\\ 0 & P(0)\end{pmatrix},

(seuls les termes constant et linéaire de PP subsistent). Donc ker⁡εA={P:P(0)=P′(0)=0}=X2 R[X]\ker\varepsilon_A = \{P : P(0) = P'(0) = 0\} = X^2\,\R[X] : un idéal principal, exactement comme le prévoit le Théorème 1.26, engendré par le polynôme unitaire X2X^2 de plus petit degré dans le noyau — le polynôme minimal de AA, vedette du Chapitre 3. L’image est l’algèbre commutative de dimension deux {aI+bA}\{aI + bA\} : les morphismes d’évaluation réduisent le R[X]\R[X] de dimension infinie à de petites algèbres calculables.

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Définition 2.1 Mathématiques universitaires — Licence 3 · Chapitre 2 — Anneaux et arithmétique

Un idéal II d’un anneau AA est un sous-groupe additif tel que AI⊆IAI \subseteq I. L’anneau quotient A/IA/I est le groupe quotient (A,+)/I(A, +)/I muni de la multiplication (a+I)(b+I)=ab+I(a + I)(b + I) = ab + I : bien définie, car changer aa en a+xa + x, bb en b+yb + y (x,y∈Ix, y \in I) change abab de ay+xb+xy∈Iay + xb + xy \in I. La projection π ⁣:A→A/I\pi \colon A \to A/I est un morphisme d’anneaux surjectif de noyau II, et les noyaux des morphismes d’anneaux sont exactement les idéaux.

Exemples

Exemple 2.20 (Un anneau sans factorisation unique)

Aucune des implications euclidien ⇒\Rightarrow PID ⇒\Rightarrow UFD n’est une équivalence, et l’échec de la dernière mérite d’être vu une fois en détail complet. Dans

A=Z[i5]={a+ib5:a,b∈Z},N(a+ib5)=a2+5b2,A = \Z[\iu\sqrt5] = \{a + \iu b\sqrt5 : a, b \in \Z\}, \qquad N(a + \iu b\sqrt5) = a^2 + 5b^2,

la norme est multiplicative et N(z)=1N(z) = 1 ssi z∈A×={±1}z \in A^\times = \{\pm1\}. Considérer

6=2⋅3=(1+i5)(1−i5).6 = 2 \cdot 3 = (1 + \iu\sqrt5)(1 - \iu\sqrt5).

Les quatre facteurs sont irréductibles : leurs normes sont 4,9,6,64, 9, 6, 6, et une factorisation propre z=z1z2z = z_1z_2 forcerait N(z1)∈{2,3}N(z_1) \in \{2, 3\} — or a2+5b2a^2 + 5b^2 ne vaut jamais 22 ni 33 (b=0b = 0 laisse les non-carrés 2,32, 3 ; ∣b∣≥1\abs b \geq 1 donne ≥5\geq 5). Pourtant 22 n’est associé ni à 1+i51 + \iu\sqrt5 ni à 1−i51 - \iu\sqrt5 (normes 4≠64 \neq 6) : deux factorisations véritablement différentes de 66 en irréductibles. De façon équivalente, irréductible ≠\neq premier ici : 22 divise le produit (1+i5)(1−i5)=6(1 + \iu\sqrt5)(1 - \iu\sqrt5) = 6 mais aucun des facteurs (normes encore). La réparation idéelliste de cet échec — factoriser les idéaux plutôt que les éléments — est la naissance de la théorie algébrique des nombres ; à notre niveau, l’exemple calibre à quel point les anneaux euclidiens Z\Z, K[X]K[X], Z[i]\Z[\iu] de ce chapitre sont spéciaux.

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