Les structures algébriques (groupes, anneaux, corps) forment le socle de l'algèbre moderne. En CPGE, elles interviennent principalement en algèbre linéaire (groupes de matrices, polynômes) et en arithmétique (Z/nZ, corps finis). La maîtrise de ces structures développe la rigueur et l'abstraction.
Groupes
Définition
Un groupe est un couple (G,⋆) où G est un ensemble et ⋆ est une loi de composition interne vérifiant :
Associativité : (a⋆b)⋆c=a⋆(b⋆c)
Élément neutre : ∃e∈G,∀a∈G,a⋆e=e⋆a=a
Inverse : ∀a∈G,∃a−1∈G,a⋆a−1=a−1⋆a=e
Si de plus a⋆b=b⋆a pour tous a,b, le groupe est abélien (ou commutatif).
Exemples fondamentaux :
(Z,+) : groupe abélien, neutre 0, inverse de n est −n
(R∗,×) : groupe abélien multiplicatif
(Sn,∘) : groupe symétrique (permutations de {1,…,n}), non abélien pour n≥3
(GLn(R),×) : groupe linéaire (matrices inversibles), non abélien pour n≥2
Sous-groupes
Un sous-ensemble H⊂G est un sous-groupe si (H,⋆) est lui-même un groupe. Critère pratique : H est un sous-groupe si et seulement si :
H=∅ (ou : e∈H)
∀a,b∈H,a⋆b−1∈H
Exemple.nZ={nk∣k∈Z} est un sous-groupe de (Z,+).
Ordre d'un élément
L'ordre d'un élément a∈G est le plus petit entier n≥1 tel que an=e (s'il existe), noté ord(a). Si un tel n n'existe pas, a est d'ordre infini.
Propriété : ak=e si et seulement si ord(a)∣k.
Théorème de Lagrange
Théorème : si G est un groupe fini et H un sous-groupe de G, alors ∣H∣ divise ∣G∣.
Plus précisément : ∣G∣=∣H∣⋅[G:H] où [G:H] est l'indice de H dans G (nombre de classes à gauche).
Corollaire : l'ordre de tout élément de G divise ∣G∣. En particulier, a∣G∣=e pour tout a∈G.
Application : si ∣G∣=p est premier, alors G est cyclique (engendré par n'importe quel élément =e). En effet, l'ordre de a=e divise p, donc vaut p.
Morphismes de groupes
Un morphisme de groupes est une application φ:(G,⋆)→(G′,⋆′) telle que :
φ(a⋆b)=φ(a)⋆′φ(b)
Le noyaukerφ={a∈G∣φ(a)=e′} est un sous-groupe de G.
L'imageImφ={φ(a)∣a∈G} est un sous-groupe de G′.
φ est injectif si et seulement si kerφ={e}.
Groupes quotients
Si H est un sous-groupe distingué de G (i.e. gHg−1=H pour tout g, noté H⊴G), on peut former le groupe quotientG/H dont les éléments sont les classes gH.
Théorème d'isomorphisme : si φ:G→G′ est un morphisme, alors kerφ⊴G et G/kerφ≃Imφ.
Anneaux
Définition
Un anneau est un triplet (A,+,×) tel que :
(A,+) est un groupe abélien
× est associative et possède un élément neutre 1A
× est distributive par rapport à +
Si × est commutative, l'anneau est commutatif.
Exemples : (Z,+,×), (K[X],+,×), (Mn(K),+,×) (non commutatif pour n≥2).
Diviseurs de zéro et intégrité
Un élément a=0 est un diviseur de zéro s'il existe b=0 tel que ab=0.
Un anneau commutatif intègre est un anneau sans diviseur de zéro. Exemples : Z, K[X].
Contre-exemple : dans Z/6Z, 2ˉ⋅3ˉ=0ˉ, donc 2ˉ est diviseur de zéro.
Idéaux
Un idéal de A (commutatif) est un sous-groupe (I,+) de (A,+) tel que AI⊂I (stable par multiplication par tout élément de A).
L'idéal principal engendré par a est aA={ab∣b∈A}, noté (a).
Z est un anneau principal : tout idéal de Z est de la forme nZ. De même, K[X] est principal.
L'anneau Z/nZ
L'anneau quotient Z/nZ a pour éléments les classes 0ˉ,1ˉ,…,n−1 avec l'arithmétique modulo n.
Propriétés :
aˉ est inversible dans Z/nZ si et seulement si gcd(a,n)=1
Le groupe des inversibles (Z/nZ)× a pour cardinal φ(n) (indicatrice d'Euler)
Théorème d'Euler : si gcd(a,n)=1, alors aφ(n)≡1(modn)
Théorème chinois : si gcd(m,n)=1, alors Z/mnZ≃Z/mZ×Z/nZ (isomorphisme d'anneaux).
Corps
Définition
Un corps est un anneau commutatif (K,+,×) dans lequel tout élément non nul est inversible : K×=K∖{0}.
De manière équivalente : (K×,×) est un groupe.
Exemples : Q, R, C, Fp=Z/pZ (pour p premier).
Corps finis
Théorème : Z/nZ est un corps si et seulement si n est premier.
Plus généralement, pour tout premier p et tout entier k≥1, il existe (à isomorphisme près) un unique corps à q=pk éléments, noté Fq.
Propriété : le groupe multiplicatif Fq× est cyclique d'ordre q−1.
Application (petit théorème de Fermat) : pour p premier et a≡0(modp) :
ap−1≡1(modp)
C'est un cas particulier du théorème de Lagrange appliqué à Fp×.
Caractéristique
La caractéristique d'un corps K est le plus petit entier p>0 tel que p1+1+⋯+1=0 dans K, ou 0 si un tel entier n'existe pas.
La caractéristique est toujours 0 ou un nombre premier. Q,R,C sont de caractéristique 0. Fp est de caractéristique p.
Résumé des liens entre structures
Corps⊂Anneau inteˋgre⊂Anneau commutatif⊂Anneau
Un anneau commutatif intègre fini est nécessairement un corps (théorème important).
Un anneau principal intègre possède une arithmétique analogue à celle de Z : pgcd, ppcm, factorisation en irréductibles (unique à association près).
Préparez vos concours sur PrepaMaths — cours complets en LaTeX, exercices corrigés, annales X/ENS/Centrale/Mines, flashcards, kholles virtuelles et tuteur IA. [Essai gratuit 7 jours →](/tarifs)