Ivan Shishkin, Rye (1878)

Problems/General algebraUnreviewed

Division euclidienne unique et classification

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50
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  1. 1–10First steps / middle schoolPremiers pas / collège
  2. 11–25Beginner / high schoolDébutant / lycée
  3. 26–50Intermediate / undergraduateIntermédiaire / licence
  4. 51–70Advanced / graduateAvancé / master
  5. 71–90Expert / specializedExpert / spécialisé
  6. 91–100Research levelNiveau recherche
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Français

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Soit (A,+,×)(A,+,\times) un anneau commutatif intègre. On suppose AA euclidien : il existe une application t:A∖{0}→Nt:A\setminus\{0\}\to\mathbb{N} vérifiant

  • (i) ∀(a,b)∈A×(A∖{0}), ∃(q,r)∈A2,a=bq+r  et  (r=0  ou  t(r)<t(b))\forall (a,b)\in A\times(A\setminus\{0\}),\ \exists (q,r)\in A^{2},\quad a=bq+r\ \text{ et }\ \bigl(r=0\ \text{ ou }\ t(r)<t(b)\bigr) ;
  • (ii) ∀(a,b)∈(A∖{0})2,t(ab)⩾t(a)\forall (a,b)\in(A\setminus\{0\})^{2},\quad t(ab)\geqslant t(a).

1. Montrer que Z\mathbb{Z} et R[X]\mathbb{R}[X] sont euclidiens, ainsi que tout corps K\mathbb{K}.

2. Montrer que tout idéal de AA est principal.

3. On suppose t(1A)=0t(1_A)=0. Montrer que les éléments inversibles de AA sont exactement les u∈A∖{0}u\in A\setminus\{0\} tels que t(u)=0t(u)=0.

Dans toute la suite, on suppose de plus que le couple (q,r)(q,r) de la condition (i) est unique.

4. Montrer que t(a+b)⩽max⁡(t(a),t(b))t(a+b)\leqslant\max\bigl(t(a),t(b)\bigr) pour tous a,b∈A∖{0}a,b\in A\setminus\{0\} tels que a+b≠0a+b\neq 0.

5. Montrer que K:=A×∪{0}\mathbb{K}:=A^{\times}\cup\{0\} est un sous-corps de AA.

6. Montrer que AA est un corps, ou est isomorphe à K[X]\mathbb{K}[X] pour un corps K\mathbb{K}.

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Solutions

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    • Z\mathbb{Z} avec t=∣⋅∣t=|\cdot|. La division euclidienne fournit a=bq+ra=bq+r avec 0⩽r<∣b∣0\leqslant r<|b|, donc r=0r=0 ou t(r)=r<∣b∣=t(b)t(r)=r<|b|=t(b). Pour (ii), ∣ab∣=∣a∣ ∣b∣⩾∣a∣|ab|=|a|\,|b|\geqslant|a| car ∣b∣⩾1|b|\geqslant 1.
  • R[X]\mathbb{R}[X] avec t=deg⁡t=\deg. C’est la division euclidienne des polynômes, le degré du reste étant strictement inférieur à celui du diviseur. Pour (ii), deg⁡(PQ)=deg⁡P+deg⁡Q⩾deg⁡P\deg(PQ)=\deg P+\deg Q\geqslant\deg P, l’intégrité de R\mathbb{R} garantissant l’additivité des degrés.
  • Un corps K\mathbb{K} avec t≡0t\equiv 0. Pour b≠0b\neq 0, écrire a=b (b−1a)+0a=b\,(b^{-1}a)+0 : le reste est nul, la condition (i) est satisfaite. Et (ii) se lit 0⩾00\geqslant 0. □\square
  1. Soit II un idéal de AA. Si I={0}I=\{0\}, alors I=(0)I=(0). Sinon, l’ensemble t(I∖{0})⊆Nt(I\setminus\{0\})\subseteq\mathbb{N} est non vide et admet un plus petit élément : choisissons b∈I∖{0}b\in I\setminus\{0\} avec t(b)t(b) minimal.
    L’inclusion (b)⊆I(b)\subseteq I est claire. Réciproquement, soit a∈Ia\in I et a=bq+ra=bq+r la division de (i). Alors r=a−bq∈Ir=a-bq\in I puisque II est un idéal. Si r≠0r\neq 0, on aurait t(r)<t(b)t(r)<t(b) avec r∈I∖{0}r\in I\setminus\{0\}, contredisant la minimalité. Donc r=0r=0 et a∈(b)a\in(b).
    Ainsi I=(b)I=(b) : l’anneau AA est principal. □\square

Montrons deux lemmes qui ne font intervenir que (i) et (ii), pas l’unicité.
Lemme 1. t(−a)=t(a)t(-a)=t(a) pour tout a≠0a\neq 0.

Preuve. t(−a)=t(a⋅(−1))⩾t(a)t(-a)=t\bigl(a\cdot(-1)\bigr)\geqslant t(a) par (ii), et symétriquement t(a)=t((−a)⋅(−1))⩾t(−a)t(a)=t\bigl((-a)\cdot(-1)\bigr)\geqslant t(-a). □\square

Lemme 2. Pour a,b∈A∖{0}a,b\in A\setminus\{0\} :
t(ab)=t(a)  ⟺  b∈A×.t(ab)=t(a)\iff b\in A^{\times}.

Preuve. Si bb est inversible, (ii) donne t(ab)⩾t(a)t(ab)\geqslant t(a) et t(a)=t((ab)b−1)⩾t(ab)t(a)=t\bigl((ab)b^{-1}\bigr)\geqslant t(ab), d’où l’égalité.

Réciproquement, supposons t(ab)=t(a)t(ab)=t(a) et divisons aa par abab : a=abq+ra=abq+r. Si r=0r=0, alors a(1−bq)=0a(1-bq)=0, et l’intégrité jointe à a≠0a\neq 0 donne bq=1bq=1, donc b∈A×b\in A^{\times}. Sinon r≠0r\neq 0 et t(r)<t(ab)=t(a)t(r)<t(ab)=t(a) ; mais r=a(1−bq)r=a(1-bq) avec 1−bq≠01-bq\neq 0, donc (ii) impose t(r)⩾t(a)t(r)\geqslant t(a), contradiction. □\square

En prenant a=1a=1 dans le lemme 2, on obtient la forme générale de la question 3 :
A×={a∈A∖{0} : t(a)=t(1)},A^{\times}=\bigl\{a\in A\setminus\{0\}\ :\ t(a)=t(1)\bigr\},et de plus t(1)=min⁡tt(1)=\min t, puisque (ii) avec a=1a=1 donne t(b)⩾t(1)t(b)\geqslant t(1) pour tout b≠0b\neq 0.

  1. Supposons t(1)=0t(1)=0 ; la formule ci-dessus donne exactement A×={u≠0:t(u)=0}A^{\times}=\{u\neq 0: t(u)=0\}.
    Réciproquement, si t(u)=0t(u)=0 avec u≠0u\neq 0, divisons 11 par uu : 1=uq+r1=uq+r. Le cas r≠0r\neq 0 exigerait t(r)<t(u)=0t(r)<t(u)=0, impossible dans N\mathbb{N}. Donc r=0r=0 et uq=1uq=1. □\square

  2. C’est ici que l’unicité intervient.
    Soient a,b≠0a,b\neq 0 avec c:=a+b≠0c:=a+b\neq 0, et supposons par l’absurde
    t(c)>t(a)ett(c)>t(b).t(c)>t(a)\qquad\text{et}\qquad t(c)>t(b).Divisons aa par cc de deux façons :
    a=c⋅0+a,a=c⋅1+(−b),a=c\cdot 0+a,\qquad\qquad a=c\cdot 1+(-b),la seconde égalité venant de a−c=−ba-c=-b. Le premier reste vérifie a≠0a\neq 0 et t(a)<t(c)t(a)<t(c) : c’est une division valide. Le second vérifie −b≠0-b\neq 0 et, par le lemme 1, t(−b)=t(b)<t(c)t(-b)=t(b)<t(c) : elle est valide aussi.
    L’unicité du couple (q,r)(q,r) force 0=10=1, ce qui est exclu dans un anneau intègre. Donc t(c)⩽max⁡(t(a),t(b))t(c)\leqslant\max(t(a),t(b)). ■\blacksquare

a1,…,ak∈Aa_1,\dots,a_k\in A ont une somme s≠0s\neq 0, alors
t(s)⩽max⁡{t(ai) : ai≠0}.t(s)\leqslant\max\bigl\{t(a_i)\ :\ a_i\neq 0\bigr\}.Récurrence sur kk : en notant s′=a1+⋯+ak−1s'=a_1+\cdots+a_{k-1}, les cas s′=0s'=0 et ak=0a_k=0 sont immédiats, et sinon la question 4 s’applique à s=s′+aks=s'+a_k.

  1. Posons m=t(1)m=t(1), de sorte que K={0}∪{a≠0:t(a)=m}\mathbb{K}=\{0\}\cup\{a\neq 0: t(a)=m\} d’après le lemme 2.
  • 0,1∈K0,1\in\mathbb{K}.
  • Produit : un produit d’inversibles est inversible, et 0⋅x=00\cdot x=0.
  • Opposé : t(−u)=t(u)=mt(-u)=t(u)=m par le lemme 1, donc −u∈K-u\in\mathbb{K}.
  • Somme : soient u,v∈A×u,v\in A^{\times}. Si u+v=0u+v=0, la somme est dans K\mathbb{K}. Sinon, la question 4 donne t(u+v)⩽max⁡(m,m)=mt(u+v)\leqslant\max(m,m)=m, et l’on sait que t⩾mt\geqslant m partout : donc t(u+v)=mt(u+v)=m et u+v∈A×u+v\in A^{\times}. Les cas où l’un des termes est nul sont triviaux.
  • Inverses : si u∈A×u\in A^{\times}, alors u−1∈A×⊆Ku^{-1}\in A^{\times}\subseteq\mathbb{K}.

Ainsi K\mathbb{K} est un sous-anneau dont tout élément non nul est inversible dans K\mathbb{K} : c’est un sous-corps de AA. ■\blacksquare

  1. Si A=KA=\mathbb{K}, c’est un corps. Supposons donc A≠KA\neq\mathbb{K} et choisissons x∈A∖Kx\in A\setminus\mathbb{K} de valeur t(x)=:n1t(x)=:n_1 minimale. Comme xx n’est pas inversible, n1>m:=t(1)n_1>m:=t(1).
    Tout rr avec r=0r=0 ou t(r)<n1t(r)<n_1 appartient à K\mathbb{K}, par minimalité de n1n_1. Les restes des divisions par xx sont donc dans K\mathbb{K}.

Surjectivité de Φ:K[X]→A\Phi:\mathbb{K}[X]\to A, X↦xX\mapsto x. Montrons par récurrence forte sur t(a)t(a) que tout a∈Aa\in A est polynomial en xx à coefficients dans K\mathbb{K}. Le cas a∈K∪{0}a\in\mathbb{K}\cup\{0\} est acquis ; sinon t(a)⩾n1>mt(a)\geqslant n_1>m, et la division a=xq+ra=xq+r donne r∈Kr\in\mathbb{K} et q≠0q\neq 0. Or :

  • t(xq)>t(q)t(xq)>t(q) par le lemme 2, puisque x∉A×x\notin A^{\times} ;
  • t(xq)⩽t(a)t(xq)\leqslant t(a) immédiat si r=0r=0, et sinon xq=a+(−r)xq=a+(-r) avec t(r)=m<t(a)t(r)=m<t(a), donc la question 4 donne t(xq)⩽max⁡(t(a),t(r))=t(a)t(xq)\leqslant\max(t(a),t(r))=t(a).
    D’où t(q)<t(a)t(q)<t(a), et l’hypothèse de récurrence appliquée à qq conclut.

Injectivité. Le noyau de Φ\Phi est un idéal de K[X]\mathbb{K}[X], donc ker⁡Φ=(P)\ker\Phi=(P) pour un PP unitaire. Si P≠0P\neq 0, le quotient K[X]/(P)\mathbb{K}[X]/(P) est un K\mathbb{K}-espace vectoriel de dimension deg⁡P\deg P, donc fini si K\mathbb{K} l’est, argument à éviter. Plus simplement : Φ\Phi étant surjective, A≃K[X]/(P)A\simeq\mathbb{K}[X]/(P), et AA est intègre, donc (P)(P) est premier, donc PP est irréductible et AA serait un corps. Mais alors x∈A×=K×x\in A^{\times}=\mathbb{K}^{\times}, contredisant x∉Kx\notin\mathbb{K}. Donc P=0P=0 et Φ\Phi est injective.

Ainsi A≃K[X]A\simeq\mathbb{K}[X]. ■\blacksquare

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