Retour au blog
Algèbre10 min de lecture15 mars 2026

Groupes, anneaux, corps : structures algébriques

groupesanneauxcorps
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\mathbb{Z}/n\mathbb{Z}, corps finis). La maîtrise de ces structures développe la rigueur et l'abstraction.

Groupes

Définition

Un groupe est un couple (G,)(G, \star)GG est un ensemble et \star est une loi de composition interne vérifiant :

  • Associativité : (ab)c=a(bc)(a \star b) \star c = a \star (b \star c)
  • Élément neutre : eG,aG,ae=ea=a\exists e \in G, \forall a \in G, \, a \star e = e \star a = a
  • Inverse : aG,a1G,aa1=a1a=e\forall a \in G, \exists a^{-1} \in G, \, a \star a^{-1} = a^{-1} \star a = e
  • Si de plus ab=baa \star b = b \star a pour tous a,ba, b, le groupe est abélien (ou commutatif).

    Exemples fondamentaux :

    • (Z,+)(\mathbb{Z}, +) : groupe abélien, neutre 00, inverse de nn est n-n
    • (R,×)(\mathbb{R}^*, \times) : groupe abélien multiplicatif
    • (Sn,)(\mathfrak{S}_n, \circ) : groupe symétrique (permutations de {1,,n}\{1, \ldots, n\}), non abélien pour n3n \geq 3
    • (GLn(R),×)(GL_n(\mathbb{R}), \times) : groupe linéaire (matrices inversibles), non abélien pour n2n \geq 2

    Sous-groupes

    Un sous-ensemble HGH \subset G est un sous-groupe si (H,)(H, \star) est lui-même un groupe. Critère pratique : HH est un sous-groupe si et seulement si :

    • HH \neq \emptyset (ou : eHe \in H)
    • a,bH,ab1H\forall a, b \in H, \, a \star b^{-1} \in H

    Exemple. nZ={nkkZ}n\mathbb{Z} = \{nk \mid k \in \mathbb{Z}\} est un sous-groupe de (Z,+)(\mathbb{Z}, +).

    Ordre d'un élément

    L'ordre d'un élément aGa \in G est le plus petit entier n1n \geq 1 tel que an=ea^n = e (s'il existe), noté ord(a)\text{ord}(a). Si un tel nn n'existe pas, aa est d'ordre infini.

    Propriété : ak=ea^k = e si et seulement si ord(a)k\text{ord}(a) \mid k.

    Théorème de Lagrange

    Théorème : si GG est un groupe fini et HH un sous-groupe de GG, alors H|H| divise G|G|.

    Plus précisément : G=H[G:H]|G| = |H| \cdot [G : H][G:H][G : H] est l'indice de HH dans GG (nombre de classes à gauche).

    Corollaire : l'ordre de tout élément de GG divise G|G|. En particulier, aG=ea^{|G|} = e pour tout aGa \in G.

    Application : si G=p|G| = p est premier, alors GG est cyclique (engendré par n'importe quel élément e\neq e). En effet, l'ordre de aea \neq e divise pp, donc vaut pp.

    Morphismes de groupes

    Un morphisme de groupes est une application φ:(G,)(G,)\varphi : (G, \star) \to (G', \star') telle que :

    φ(ab)=φ(a)φ(b)\varphi(a \star b) = \varphi(a) \star' \varphi(b)

    Le noyau kerφ={aGφ(a)=e}\ker \varphi = \{a \in G \mid \varphi(a) = e'\} est un sous-groupe de GG.

    L'image Imφ={φ(a)aG}\text{Im} \, \varphi = \{\varphi(a) \mid a \in G\} est un sous-groupe de GG'.

    φ\varphi est injectif si et seulement si kerφ={e}\ker \varphi = \{e\}.

    Groupes quotients

    Si HH est un sous-groupe distingué de GG (i.e. gHg1=HgHg^{-1} = H pour tout gg, noté HGH \trianglelefteq G), on peut former le groupe quotient G/HG/H dont les éléments sont les classes gHgH.

    Théorème d'isomorphisme : si φ:GG\varphi : G \to G' est un morphisme, alors kerφG\ker \varphi \trianglelefteq G et G/kerφImφG/\ker \varphi \simeq \text{Im} \, \varphi.

    Anneaux

    Définition

    Un anneau est un triplet (A,+,×)(A, +, \times) tel que :

  • (A,+)(A, +) est un groupe abélien
  • ×\times est associative et possède un élément neutre 1A1_A
  • ×\times est distributive par rapport à ++
  • Si ×\times est commutative, l'anneau est commutatif.

    Exemples : (Z,+,×)(\mathbb{Z}, +, \times), (K[X],+,×)(\mathbb{K}[X], +, \times), (Mn(K),+,×)(\mathcal{M}_n(\mathbb{K}), +, \times) (non commutatif pour n2n \geq 2).

    Diviseurs de zéro et intégrité

    Un élément a0a \neq 0 est un diviseur de zéro s'il existe b0b \neq 0 tel que ab=0ab = 0.

    Un anneau commutatif intègre est un anneau sans diviseur de zéro. Exemples : Z\mathbb{Z}, K[X]\mathbb{K}[X].

    Contre-exemple : dans Z/6Z\mathbb{Z}/6\mathbb{Z}, 2ˉ3ˉ=0ˉ\bar{2} \cdot \bar{3} = \bar{0}, donc 2ˉ\bar{2} est diviseur de zéro.

    Idéaux

    Un idéal de AA (commutatif) est un sous-groupe (I,+)(I, +) de (A,+)(A, +) tel que AIIAI \subset I (stable par multiplication par tout élément de AA).

    L'idéal principal engendré par aa est aA={abbA}aA = \{ab \mid b \in A\}, noté (a)(a).

    Z\mathbb{Z} est un anneau principal : tout idéal de Z\mathbb{Z} est de la forme nZn\mathbb{Z}. De même, K[X]\mathbb{K}[X] est principal.

    L'anneau Z/nZ\mathbb{Z}/n\mathbb{Z}

    L'anneau quotient Z/nZ\mathbb{Z}/n\mathbb{Z} a pour éléments les classes 0ˉ,1ˉ,,n1\bar{0}, \bar{1}, \ldots, \overline{n-1} avec l'arithmétique modulo nn.

    Propriétés :

    • aˉ\bar{a} est inversible dans Z/nZ\mathbb{Z}/n\mathbb{Z} si et seulement si gcd(a,n)=1\gcd(a, n) = 1
    • Le groupe des inversibles (Z/nZ)×(\mathbb{Z}/n\mathbb{Z})^\times a pour cardinal φ(n)\varphi(n) (indicatrice d'Euler)
    • Théorème d'Euler : si gcd(a,n)=1\gcd(a, n) = 1, alors aφ(n)1(modn)a^{\varphi(n)} \equiv 1 \pmod{n}

    Théorème chinois : si gcd(m,n)=1\gcd(m, n) = 1, alors Z/mnZZ/mZ×Z/nZ\mathbb{Z}/mn\mathbb{Z} \simeq \mathbb{Z}/m\mathbb{Z} \times \mathbb{Z}/n\mathbb{Z} (isomorphisme d'anneaux).

    Corps

    Définition

    Un corps est un anneau commutatif (K,+,×)(K, +, \times) dans lequel tout élément non nul est inversible : K×=K{0}K^\times = K \setminus \{0\}.

    De manière équivalente : (K×,×)(K^\times, \times) est un groupe.

    Exemples : Q\mathbb{Q}, R\mathbb{R}, C\mathbb{C}, Fp=Z/pZ\mathbb{F}_p = \mathbb{Z}/p\mathbb{Z} (pour pp premier).

    Corps finis

    Théorème : Z/nZ\mathbb{Z}/n\mathbb{Z} est un corps si et seulement si nn est premier.

    Plus généralement, pour tout premier pp et tout entier k1k \geq 1, il existe (à isomorphisme près) un unique corps à q=pkq = p^k éléments, noté Fq\mathbb{F}_q.

    Propriété : le groupe multiplicatif Fq×\mathbb{F}_q^\times est cyclique d'ordre q1q - 1.

    Application (petit théorème de Fermat) : pour pp premier et a≢0(modp)a \not\equiv 0 \pmod{p} :

    ap11(modp)a^{p-1} \equiv 1 \pmod{p}

    C'est un cas particulier du théorème de Lagrange appliqué à Fp×\mathbb{F}_p^\times.

    Caractéristique

    La caractéristique d'un corps KK est le plus petit entier p>0p > 0 tel que 1+1++1p=0\underbrace{1 + 1 + \cdots + 1}_{p} = 0 dans KK, ou 0 si un tel entier n'existe pas.

    La caractéristique est toujours 0 ou un nombre premier. Q,R,C\mathbb{Q}, \mathbb{R}, \mathbb{C} sont de caractéristique 0. Fp\mathbb{F}_p est de caractéristique pp.

    Résumé des liens entre structures

    CorpsAnneau inteˋgreAnneau commutatifAnneau\text{Corps} \subset \text{Anneau intègre} \subset \text{Anneau commutatif} \subset \text{Anneau}

    Un anneau commutatif intègre fini est nécessairement un corps (théorème important).

    Un anneau principal intègre possède une arithmétique analogue à celle de Z\mathbb{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)

    Articles similaires

    Prêt à réussir vos concours ?

    Cours complets en LaTeX, 616 exercices corrigés, annales X/ENS/Centrale/Mines, flashcards et tuteur IA. Essai gratuit 7 jours.