Exercices de Anneaux et arithmétique en maths Spé (prépa) (page 2) | The Maths Tailor
Exercices de Anneaux et arithmétique, Spé (prépa) (page 2)
103 exercices de Anneaux et arithmétique pour les maths Spé (prépa), avec tous les énoncés en accès libre. 2 corrigés sont offerts ; les autres corrigés sont réservés aux abonnés. Au programme du chapitre : Compléments sur les anneaux, Anneaux usuels, Structure d'algèbre.
On se propose d'établir qu'il n'existe pas d'entiers n≥2 tels que n divise 2n−1. On raisonne par l'absurde et on suppose qu'un tel entier n existe. On introduit p un facteur premier de n.
Q1-Montrer que la classe de 2 est élément du groupe des inversibles de Z/pZ et que son ordre divise n et p−1.
On note Z[3] l'ensemble des réels de la forme a+b3 avec a,b∈Z.
Q1-Montrer que Z[3] est un sous-anneau de (R,+,×).
Q2-Montrer que 3 est irrationnel. On pourra raisonner par l'absurde en écrivant 3 sous la forme d'une fraction irréductible qp i.e. avec (p,q)∈Z×Z∗ tel que p∧q=1.
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1. Tout d'abord 1=1+03∈Z[3]. Soient z1=a1+b13 avec (a1,b1)∈Z2 et z2=a2+b23 avec (a2,b2)∈Z2. Alorsz1−z2=(a1−a2)+(b1−b2)3∈Z[3]etz1z2=(a1a2+3b1b2)+(a1b2+a2b1)3∈Z[3]Z[3] est donc un sous-anneau de R. 2. a. On reprend les notations de l'énoncé. On a donc p2=3q2. Ainsi 3 divise p2. Comme 3 est premier, 3 divise p. Il existe donc k∈Z tel que p=3k. On a alors 9k2=3q2 i.e. 3k3=q2. On prouve comme précédement que 3 divise q. Ainsi p et q ont un facteur premier commun, ce qui contredit p∧q=1. En conclusion, 3∈/Q. b. On vérifie aisément que pour tout (a,b,c,d)∈Z4, f((a,b)+(c,d))=f((a,b))+f((c,d)), ce qui prouve que f est bien un morphisme de groupes. Soit (a,b)∈kerf. On a donc a+b3=0. Si on avait b=0, 3 serait rationnel, ce qui n'est pas. Ainsi b=0 puis a=0. On a donc montré que kerf={(0,0)}. Ainsi f est injective. f est surjective par définition de Z[3]. 3. a. Puisque 1=1+03, g(1)=1~=1−03=1. Soient z1=a1+b13 avec (a1,b1)∈Z2 et z2=a2+b23 avec (a2,b2)∈Z2. Alors z1+z2=(a1+a2)+(b1+b2)3 et doncg(z1+z2)=z1+z2=(a1+a2)−(b1+b2)3=(a1−b13)+(a2−b23)=z~1+z~2=g(z1)+g(z2)De plus, z1z2=(a1a2+3b1b2)+(a1b2+a2b1)3 doncg(z1z2)=z1z2=(a1a2+3b1b2)−(a1b2+a2b1)3=(a1−b13)(a2−b23)=z~1z~2=g(z1)g(z2)Ainsi f est un endomorphisme d'anneau. De plus, f∘f=IdZ[3] donc f est bijectif : c'est un automorphisme d'anneau. b. On a N(xy)=xyxy=xx~yy~=N(x)N(y). c. Si x est inversible, il existe y∈Z[3] tel que xy=1. On a donc N(x)N(y)=N(1)=1. Or N(x) et N(y) sont des entiers donc N(x)=±1. Si N(x)=1, alors xx~=1, ce qui prouve que x est inversible d'inverse x~. Si N(x)=−1, alors x(−x~)=1, ce qui prouve que x est inversible d'inverse −x~.
48.Centrale-Supélec MP 2019
On dit qu'un anneau A est régulier si, et seulement si, pour tout x appartenant à A, il existe un u appartenant à A tel que xux=x. 1. a. L'anneau (Z,+,×) est-il régulier ? b. Si A est un corps, A est-il régulier ? c. Montrer que (L(E),+,∘) est un anneau régulier. 2. Soit A la matrice n'ayant que des 0, sauf sur la sur-diagonale où il n'y a que des 1. Exhiber U telle que AUA=A. 3. Donner une condition nécessaire et suffisante pour que (Z/nZ,+,×) soit un anneau régulier.
Soit (A,+,×) un anneau tel que ∀x∈A,x3=x. 1. Montrer que ∀x∈A,3(x2+x)=0A. 2. Montrer que ∀x∈A,6x=0A. 3. Montrer que ∀(x,y)∈A2,3(xy+yx)=0A puis que 3(xy−yx)=0A. 4. Montrer que ∀(x,y)∈A2,2(xy−yx)=0A. On pourra commencer par développer (x+y)3+(x−y)3. 5. En déduire que A est un anneau commutatif.
Soit (A,+,×) un anneau. Un élément a de A est dit nilpotent s'il existe n∈N tel que an=0A. 1. Soit (x,y)∈A2. Montrer que si x×y est nilpotent, alors y×x est nilpotent. 2. Soit (x,y)∈A2. Montrer que si x et y commutent et que l'un des deux est nilpotent, alors x×y est nilpotent. 3. Soit (x,y)∈A2. Montrer que si x et y sont nilpotents et commutent, alors x+y est nilpotent. 4. Soit x∈A. Montrer que si x est nilpotent, alors 1A−x est inversible et calculer son inverse.
Soit E un ensemble non vide. Pour A,B∈P(E), on définit la différence de A et B parAΔB=(A∖B)∪(B∖A).1. Montrer que (P(E),Δ,∩) est un anneau commutatif. Préciser les éléments neutres pour Δ et ∩. 2. Quels sont les éléments de P(E) inversibles pour ∩ ? 3. L'anneau (P(E),Δ,∩) est-il intègre ?
On note Q[3] l'ensemble des réels de la forme a+b3 avec (a,b)∈Q2. Montrer que Q[3] est un corps.
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On montre que Q[3] est un sous-corps de R. • 1=1+03∈Q[3]. • Soient x=a+b3 et x′=a′+b′3 des éléments de Q[3]. Alors x−x′=(a−a′)+(b−b′)3∈Q[3]. • On a également xx′=(aa′+3bb′)+(ab′+a′b)3∈Q[3]. • Supposons x=0. On a alorsx1=a2−3b2a−b3=a2−3b2a−a2−3b2b3∈Q[3]Mais il aurait fallu montrer auparavant que a2−3b2=0. Supposons a2−3b2=0. En notant a=qp et b=sr avec p,q,r,s entiers, on a donc p2s2−3r2q2=0. Il existe donc des entiers m et n tels que m2=3n2. Quitte à les diviser par leur pgcd, on peut les supposer premiers entre eux. On a alors toujours la relation m2=3n2. En particulier, 3 divise m2. Mais 3 étant premier 3 divise m. Il existe donc k∈Z tel que m=3k. On en déduit 9k2=3n2 i.e. 3k2=n2 donc 3 divise n2 et donc n. Ceci contredit le fait que m et n sont premiers entre eux. Finalement a2−3b2=0.
56.Intègre fini via bijection x↦ax
Soit A un anneau intègre commutatif fini. 1. Soit a un élément non nul de A. Montrer que l'application φ:{A⟶Ax⟼ax est bijective. 2. En déduire que A est un corps.
Soit A un anneau commutatif. Pour tout idéal I de A, on noteR(I)={x∈A,∃n∈N,xn∈I}L'ensemble R(I) est appelé radical de I. 1. Soit I un idéal de A. Montrer que R(I) est un idéal de A contenant I. 2. Soit I un idéal de A. Montrer que R(R(I))=R(I). 3. Soient I et J deux idéaux de A. Montrer que R(I∩J)=R(I)∩R(J).
On note D l'ensemble des nombres décimaux. Vérifier que (D,+,×) est un anneau puis montrer que les idéaux (D,+,×) sont les ensembles de la forme aD avec a∈Z.
Soit (A,+,×) un anneau commutatif. 1. Rappeler la définition d'un anneau et d'un idéal. 2. Soit I un idéal de A. Montrer que si 1A∈I, alors I=A. 3. On pose Ia={ax,x∈A}. Montrer que Ia est bien un idéal de A. 4. On suppose que A n'est pas l'anneau nul. Montrer que A est un corps si et seulement si les seuls idéaux de A sont {0A} et A.
Pour un anneau A, on dit qu'un idéal I de A est premier si et seulement si :∀(x,y)∈A2,xy∈I⟹x∈I ou y∈ISoit A un anneau abélien dont tous les idéaux sont premiers. Montrer que A est un anneau intègre, puis que A est un corps.
Soit (a,b)∈Z×N∗. 1. Montrer que le quotient de la division euclidienne de a par b est ⌊ba⌋. A partir de maintenant, on suppose a∧b=1. 2. Montrer que l'application {Z/bZ⟶Z/bZk⟼ak est bijective. 3. En déduire quek=1∑b−1⌊bka⌋=2(a−1)(b−1).
Soit a et N des entiers naturels non nuls. On définit un par u0=1 et un+1=aun pour n∈N. Montrer que la suite de terme général un(modN) est stationnaire (on note a(modb) le reste de la division euclidienne de a par b).
Pour n∈N∗, on appelle n-ème nombre de Mersenne l'entier Mn=2n−1. 1. a. Soient n∈N∗ et a∈N∗ un diviseur positif de n. Montrer que 2a−1 divise Mn. b. En déduire que si Mn est un nombre premier, alors n est un nombre premier. 2. Soient p et q des nombres premiers avec p impair. On suppose que q divise Mp. a. Montrer que q est impair. En déduire que 2q−1≡1[q]. b. En considérant l'ordre de 2 dans (Z/qZ)∗, montrer que q≡1[p] puis que q≡1[2p]. 3. Soient p un nombre premier impair et n∈N∗ divisant Mp. En utilisant la décomposition en facteurs premiers de n et la question précédente, montrer que n≡1[2p].
On pose Fp=Z/pZ avec p premier et impair, C={x2,x∈Fp∖{0}}. 1. Que dire de la structure algébrique de Fp et de C ? 2. Expliciter C pour p=11. 3. Soit P un polynôme de degré strictement inférieur à d et à coefficients entiers, avec d∈N∗. Soient (a1,…,ad)∈Zd tel que les ai soient distincts modulo p et tel que p divise les P(ai). Montrer que pour tout n∈Z, p divise P(n). 4. Montrer que C={x∈Fp,x2p−1=1}.
Soit p un nombre premier distinct de 2. On pose Fp=Z/pZ et Fp∗=Fp∖{0}. 1. On pose C={x2,x∈Fp∗}. Montrer que cardC=2p−1. 2. Soit a∈Fp∗. Montrer que a2p−1=±1. 3. Montrer plus précisément quea2p−1={1−1si a∈CsinonOn admettra qu'un polynôme à coefficients dans Fp admet moins de racines dans Fp que son degré.
On note φ l'indicatrice d'Euler. Soit n∈N∗. 1. Soit d un diviseur positif de n. Montrer qu'il y a φ(d) éléments d'ordre d dans le groupe (Z/nZ,+). 2. Montrer que n=d∣n∑φ(d). 3. En déduire un programme Python permettant de calculer φ(n).
1. Soit n1,…,nk des entiers deux à deux distincts supérieurs ou égaux à 2. Montrer quei=1∏k(1−ni1)≥k+112. On note φ l'indicatrice d'Euler. Montrer que∀n∈N∗,φ(n)≥ln(n)+ln(2)nln(2)
On note μ la fonction de Möbius définie sur N∗ par∀n∈N∗,μ(n)={0(−1)ksi n est divisible par le carreˊ d’un nombre premiersi n est le produit de k nombres premiers distinctsMontrer que pour tout n∈N∗,φ(n)=d∣n∑dnμ(d)où la somme porte sur les diviseurs positifs de n.
1. Pour (i,j)∈(N∗)2, on pose ai,j=1 si j divise i et ai,j=0 sinon. Que vaut le déterminant de la matrice A=(ai,j)1≤i,j≤n ? 2. Pour (i,j)∈(N∗)2, on note di,j le nombre de diviseurs positifs communs à i et j. Que vaut le déterminant de la matrice D=(di,j)1≤i,j≤n ? 3. On pose enfin S=(i∧j)1≤i,j≤n. Monter que detS=k=1∏nφ(k). On admettra la formule classique d∣n∑φ(d)=n.
1. Le polynôme (X+1)2009+X2009+1 est-il divisible par le polynôme X2+X+1 ? 2. Pour quelles valeurs de n∈N le polynôme X2+X+1 divise-t-il le polynôme (X+1)n+Xn+1 ?
On considère les polynômes P=3X4−9X3+7X2−3X+2 et Q=X4−3X3+3X2−3X+2. 1. Décomposez P et Q en facteurs irréductibles sur R[X], puis sur C[X] (on pourra calculer les valeurs de P et Q en 1 et 2). 2. Déterminer le PPCM et le PGCD des polynômes P et Q.
Q3-Montrer que f:{Z2⟶Z[3](a,b)⟼a+b3 est un isomorphisme du groupe (Z2,+) sur le groupe (Z[3],+).
Q4-Pour tout x∈Z[3], il existe donc, d'après la question précédente, un unique couple (a,b)∈Z2 tel que x=a+b3. Pour un tel x=a+b3, on appelle conjugué de x, noté x~, le réel a−b3. Montrer que g:{Z[3]⟶Z[3]x⟼x~ est un automorphisme d'anneau.
Q5-Pour tout réel x=a+b3∈Z[3] avec (a,b)∈Z2, on pose N(x)=xx~. Vérifier que pour tout (x,y)∈(Z[3])2, N(xy)=N(x)N(y).
Q6-Montrer que x∈Z[3] est inversible si et seulement si N(x)=1 ou N(x)=−1. Que vaut alors son inverse ? On distinguera les cas N(x)=1 et N(x)=−1.
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Quel est le degré de Pn ?
Q3-Montrer que Pn a la parité de n. En déduire Pn(0) pour n impair et Pn′(0) pour n pair.
Q4-En utilisant la formule du binôme de Newton, calculer Pn(0) pour n pair et Pn′(0) pour n impair. On exprimera les résultats à l'aide de factorielles.
Q5-Vérifier que ∀n∈N,(X2−1)Qn′=2nXQn
Q6-En dérivant n+1 fois cette relation, montrer que ∀n∈N,(X2−1)Pn′′+2XPn′=n(n+1)Pn
Q7-Montrer que Qn(k)(−1)=Qn(k)(1)=0 pour tout k∈[[0,n−1]].
Q8-En appliquant le théorème de Rolle et à l'aide d'une récurrence, montrer que Pn admet exactement n racines réelles distinctes dans ]−1,1[.