WikiPrépaLivrets

Soit KK une R\mathbb{R}-algèbre associative de dimension finie n⩾2n \geqslant 2. On suppose que KK ne possède pas de diviseur de zéro, c'est-à-dire que pour tous x,y∈Kx, y \in K, l'égalité xy=0xy = 0 implique x=0x = 0 ou y=0y = 0. On identifie R\mathbb{R} à la sous-algèbre R⋅1K\mathbb{R} \cdot 1_K, où 1K1_K désigne l'unité de KK.

  1. Démontrer que tout élément non nul de KK admet un inverse pour le produit.
  2. Soit a∈Ka \in K un élément tel que a∉Ra \notin \mathbb{R}.
    1. Établir que la famille (1K,a)(1_K, a) est libre dans KK.
    2. Montrer que la famille (1K,a,a2)(1_K, a, a^2) est liée.
  3. Prouver qu'il existe un élément i∈Ki \in K tel que i2=−1Ki^2 = -1_K.
  4. On suppose dans cette question que l'algèbre KK est commutative. Montrer que KK est isomorphe à C\mathbb{C}.

1.

Pour l'inversibilité, considérer l'application de multiplication à gauche par un élément a≠0a \neq 0 et utiliser l'argument de la dimension finie.

2.

Un élément a∈Ka \in K appartient à R\mathbb{R} si et seulement s'il est colinéaire à 1K1_K. Pour la famille (1,a,a2)(1, a, a^2), considérer le morphisme d'évaluation P↦P(a)P \mapsto P(a).

3.

Utiliser le fait qu'un polynôme de degré 2 à coefficients réels sans racines réelles peut être mis sous une forme canonique faisant apparaître −1-1.

4.

Définir un morphisme de C\mathbb{C} vers KK en envoyant ii sur l'élément construit précédemment, puis montrer que ce morphisme est un isomorphisme en utilisant la structure de corps de KK.

Idées clés

•

Traduction de l'absence de diviseurs de zéro en termes d'injectivité d'endomorphismes.

•

Utilisation du polynôme minimal (ou annulateur) en dimension finie.

•

Propriétés des polynômes irréductibles sur R\mathbb{R} (degré 1 ou 2).

Résolution.

  1. Soit a∈K∖{0}a \in K \setminus \{0\}. Considérons l'application de multiplication à gauche par aa :
    La:{K→Kx↦axL_a : \begin{cases} K \to K
    x \mapsto ax \end{cases}
    Comme KK est une R\mathbb{R}-algèbre, LaL_a est clairement une application linéaire. Cherchons son noyau : si La(x)=0L_a(x) = 0, alors ax=0ax = 0. Comme a≠0a \neq 0 et que KK ne possède pas de diviseur de zéro, on en déduit x=0x = 0. Ainsi, ker⁡(La)={0}\ker(L_a) = \{0\}, donc LaL_a est injective. Puisque KK est un espace vectoriel de dimension finie, toute application linéaire injective de KK dans lui-même est bijective. Il existe donc un unique élément b∈Kb \in K tel que La(b)=1KL_a(b) = 1_K, soit ab=1Kab = 1_K. De même, en considérant la multiplication à droite Ra:x↦xaR_a : x \mapsto xa, on montre qu'il existe b′∈Kb' \in K tel que b′a=1Kb'a = 1_K. Par associativité, b′=b′(ab)=(b′a)b=bb' = b'(ab) = (b'a)b = b, donc aa est inversible.
    Tout eˊleˊment non nul de K est inversible.\boxed{\text{Tout élément non nul de } K \text{ est inversible.}}

    1. Par hypothèse, a∉Ra \notin \mathbb{R}. Comme on a identifié R\mathbb{R} à Vect(1K)\text{Vect}(1_K), cela signifie que aa n'est pas un multiple de 1K1_K. Puisque 1K≠01_K \neq 0, la famille (1K,a)(1_K, a) est donc libre.
    2. L'espace KK est de dimension nn. Considérons la famille (1K,a,a2,…,an)(1_K, a, a^2, \dots, a^n). Elle comporte n+1n+1 éléments dans un espace de dimension nn, elle est donc liée. Il existe donc un polynôme non nul P∈R[X]P \in \mathbb{R}[X] tel que P(a)=0P(a) = 0. Considérons le polynôme annulateur non nul de aa de plus petit degré, noté PaP_a. PaP_a doit être irréductible sur R\mathbb{R}. En effet, si Pa=QRP_a = QR avec deg⁡Q<deg⁡Pa\deg Q < \deg P_a et deg⁡R<deg⁡Pa\deg R < \deg P_a, alors Q(a)R(a)=0Q(a)R(a) = 0. Comme KK n'a pas de diviseurs de zéro, Q(a)=0Q(a) = 0 ou R(a)=0R(a) = 0, ce qui contredit la minimalité du degré de PaP_a. Or, les polynômes irréductibles de R[X]\mathbb{R}[X] sont de degré 1 ou 2. Si deg⁡Pa=1\deg P_a = 1, alors a∈Ra \in \mathbb{R}, ce qui est exclu. Donc deg⁡Pa=2\deg P_a = 2.
      La famille (1K,a,a2) est lieˊe.\boxed{\text{La famille } (1_K, a, a^2) \text{ est liée.}}

  2. D'après la question précédente, il existe α,β∈R\alpha, \beta \in \mathbb{R} tels que a2+αa+β⋅1K=0a^2 + \alpha a + \beta \cdot 1_K = 0. Le discriminant de ce trinôme, Δ=α2−4β\Delta = \alpha^2 - 4\beta, doit être strictement négatif car PaP_a n'a pas de racine réelle. En mettant sous forme canonique :
    (a+α2⋅1K)2+(β−α24)⋅1K=0\left( a + \frac{\alpha}{2} \cdot 1_K \right)^2 + \left( \beta - \frac{\alpha^2}{4} \right) \cdot 1_K = 0
    Posons γ=β−α24\gamma = \beta - \frac{\alpha^2}{4}. Comme Δ<0\Delta < 0, on a γ>0\gamma > 0. On peut donc écrire :
    (a+α2⋅1K)2=−γ⋅1K\left( a + \frac{\alpha}{2} \cdot 1_K \right)^2 = -\gamma \cdot 1_K
    En divisant par γ\gamma (qui est un réel strictement positif), et en posant i=1γ(a+α2⋅1K)i = \frac{1}{\sqrt{\gamma}} \left( a + \frac{\alpha}{2} \cdot 1_K \right), on obtient :
    i2=−1K\boxed{i^2 = -1_K}

  3. Supposons KK commutative. KK est alors un corps (d'après la question 1). Soit i∈Ki \in K tel que i2=−1Ki^2 = -1_K. Considérons l'application :
    ϕ:{C→Kx+iy↦x⋅1K+y⋅i\phi : \begin{cases} \mathbb{C} \to K
    x+iy \mapsto x \cdot 1_K + y \cdot i \end{cases}
    ϕ\phi est un morphisme d'algèbres. De plus, ker⁡(ϕ)\ker(\phi) est un idéal de C\mathbb{C}. Comme C\mathbb{C} est un corps, ker⁡(ϕ)={0}\ker(\phi) = \{0\} ou C\mathbb{C}. Comme ϕ(1)=1K≠0\phi(1) = 1_K \neq 0, ϕ\phi est injective. Montrons que ϕ\phi est surjective. Soit x∈Kx \in K. Si x∈R⋅1Kx \in \mathbb{R} \cdot 1_K, alors x∈Im(ϕ)x \in \text{Im}(\phi). Sinon, d'après la question 2, xx annule un polynôme Q∈R[X]Q \in \mathbb{R}[X] de degré 2, irréductible. Le polynôme QQ possède deux racines complexes conjuguées zz et zˉ\bar{z}. Dans K[X]K[X], on peut donc factoriser QQ via le morphisme ϕ\phi :
    Q(X)=(X−ϕ(z))(X−ϕ(zˉ))Q(X) = (X - \phi(z))(X - \phi(\bar{z}))
    Puisque Q(x)=0Q(x) = 0 et que KK est un corps, on a nécessairement x=ϕ(z)x = \phi(z) ou x=ϕ(zˉ)x = \phi(\bar{z}). Dans les deux cas, x∈Im(ϕ)x \in \text{Im}(\phi).
    K≅C\boxed{K \cong \mathbb{C}}

Attention à ne pas utiliser la commutativité dès la question 1. Le fait qu'un élément non nul possède un inverse à gauche et à droite suffit pour conclure à l'inversibilité par associativité, même sans commutativité (théorème de Wedderburn pour les corps finis, mais ici on est sur R\mathbb{R}).