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Soient xx et yy deux éléments d'une K\mathbb{K}-algèbre A\mathbb{A}, supposés algébriques sur le corps K\mathbb{K}.

À quelle condition nécessaire et suffisante existe-t-il un morphisme de K\mathbb{K}-algèbres σ:K[x]K[y]\sigma : \mathbb{K}[x] \to \mathbb{K}[y] tel que σ(x)=y\sigma(x) = y ?

1.

Rappeler que tout morphisme de K\mathbb{K}-algèbres σ\sigma est entièrement déterminé par l'image de ses générateurs.

2.

Utiliser la propriété de "bonne définition" : pour que σ(P(x))=P(y)\sigma(P(x)) = P(y) définisse une application, la valeur P(y)P(y) ne doit pas dépendre du choix du polynôme PP tel que P(x)P(x) est un élément donné de K[x]\mathbb{K}[x].

3.

Faire intervenir les polynômes minimaux μx\mu_x et μy\mu_y de xx et yy sur K\mathbb{K}.

Idées clés

Caractérisation des éléments d'une algèbre monogène comme images de polynômes.

Relation entre noyau de l'évaluation et polynôme minimal.

Condition de compatibilité pour définir un morphisme sur une structure quotientée (ou ici, une structure de type K[x]\mathbb{K}[x]).

Analyse du problème.

Soit σ:K[x]K[y]\sigma : \mathbb{K}[x] \to \mathbb{K}[y] un éventuel morphisme de K\mathbb{K}-algèbres vérifiant σ(x)=y\sigma(x) = y.

Par définition d'un morphisme d'algèbres, σ\sigma est une application linéaire qui respecte le produit et l'unité. On a donc σ(1A)=1A\sigma(1_{\mathbb{A}}) = 1_{\mathbb{A}} et σ(x)=y\sigma(x) = y.

Par une récurrence immédiate, pour tout nNn \in \mathbb{N}, on doit avoir :

σ(xn)=yn\sigma(x^n) = y^n

Puis, par linéarité de σ\sigma, pour tout polynôme P=k=0dakXkK[X]P = \sum_{k=0}^d a_k X^k \in \mathbb{K}[X], on a :

σ(P(x))=σ(k=0dakxk)=k=0dakσ(xk)=k=0dakyk=P(y)\sigma(P(x)) = \sigma\left( \sum_{k=0}^d a_k x^k \right) = \sum_{k=0}^d a_k \sigma(x^k) = \sum_{k=0}^d a_k y^k = P(y)

Ainsi, si σ\sigma existe, il est unique et est nécessairement défini par la relation :

PK[X],σ(P(x))=P(y)\forall P \in \mathbb{K}[X],   \sigma(P(x)) = P(y)

Condition de validité (Existence).

Pour que cette relation définisse effectivement une application de K[x]\mathbb{K}[x] dans K[y]\mathbb{K}[y], il faut que l'image d'un élément zK[x]z \in \mathbb{K}[x] ne dépende pas du représentant PP choisi tel que z=P(x)z = P(x).

Autrement dit, on doit avoir la condition de "bonne définition" suivante :

(P,Q)K[X]2,P(x)=Q(x)    P(y)=Q(y)\forall (P, Q) \in \mathbb{K}[X]^2,   P(x) = Q(x) \implies P(y) = Q(y)

En posant R=PQR = P - Q, cette condition est équivalente à :

RK[X],R(x)=0    R(y)=0\forall R \in \mathbb{K}[X],   R(x) = 0 \implies R(y) = 0

Lien avec le polynôme minimal.

Notons μx\mu_x le polynôme minimal de xx sur K\mathbb{K} et μy\mu_y celui de yy. L'ensemble des polynômes annulateurs de xx est l'idéal principal engendré par μx\mu_x :

Ann(x)={RK[X]R(x)=0}=μxK[X]\text{Ann}(x) = \{ R \in \mathbb{K}[X] \mid R(x) = 0 \} = \mu_x \mathbb{K}[X]

La condition précédente s'écrit alors :

Ann(x)Ann(y)\text{Ann}(x) \subset \text{Ann}(y)

Ce qui équivaut, au sens de l'inclusion des idéaux principaux dans K[X]\mathbb{K}[X], à la divisibilité des générateurs :

μyμx\boxed{ \mu_y \mid \mu_x }

Conclusion.

Le morphisme σ\sigma existe si et seulement si le polynôme minimal de yy divise le polynôme minimal de xx.

σHomK-alg(K[x],K[y]),σ(x)=y    μy divise μx dans K[X]\boxed{ \exists \sigma \in \text{Hom}_{\mathbb{K}\text{-alg}}(\mathbb{K}[x], \mathbb{K}[y]),   \sigma(x)=y \iff \mu_y \text{ divise } \mu_x \text{ dans } \mathbb{K}[X] }

On pourrait être tenté de dire que μx=μy\mu_x = \mu_y. C'est la condition pour que σ\sigma soit un isomorphisme. Pour un simple morphisme, seule la divisibilité μyμx\mu_y \mid \mu_x est requise (car l'image de 0 doit être 0).