Mathématiques : 2Bac SMA-SMB

Séance 10-1-1 : Structures algébriques - Partie 1 (Cours)

 

 

Professeur : Mr CHEDDADI Haitam

 

Sommaire

 

I- Loi de composition interne

1-1/ Introduction

1-2/ Définition d'une loi de composition interne

1-3/ Partie stable - Loi induite

II- Propriétés d'une loi de composition interne

2-1/ Associativité - Commutativité

2-2/ L'élément neutre

2-3/ Symétrique d'un élément

2-4/ Élément régulier d'une loi de composition interne

III- Morphismes

3-1/ Définition d'un morphisme

3-2/ Propriétés d'un morphisme

 


I- Loi de composition interne

 

1-1/ Introduction

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1-2/ Définition d'une loi de composition interne

Définition 1

On appelle loi de composition interne sur un ensemble E, toute application de E×E dans E.

Traditionnellement, on utilise la notation x*y pour désigner l’image d'un couple (x;y)∈E×E par une loi * plutôt qu’une notation fonctionnelle.

On note E;* un ensemble E muni d'une loi de composition interne « * ».

 

 

Applications

Pour tous x et y de ℝ-12, on pose : x*y=x+y-2xy.

  1. Montrer que * est une loi de composition interne sur ℝ-12.

Sur l’intervalle I=]-1;1[, on définit la relation ⊥ par : ∀x;y∈I2  x⊥y=x+y1+xy

  1. La relation ⊥ est-elle une loi de composition interne sur I ? Justifier.

On considère l’ensemble E=f1,f2,f3,f4 où les fonctions fii∈1;2;3;4 des fonctions numériques définies de ℝ* vers ℝ* par :

f1:x↦x  ;  f2:x↦-x  ;  f3:x↦1x  ;  f4:x↦-1x

  1. Dresser la table de E;∘.
  1.  Montrer que ∘ (composition des fonctions) est une loi de composition interne sur E.

 

 

1-3/ Partie stable - Loi induite

Définition 2

Soit (E;*) un ensemble muni d'une loi de composition interne et F une partie de E.

On dit que F est stable par * si : ∀x;y∈F2  x*y∈F

La loi de composition interne alors définie sur F par F2→F(x;y)↦x*y est appelée loi induite par * sur F.

 

 

Applications

On considère l’ensemble S=x2+y2/x;y∈ℕ2

  1. Montrer que S est une partie stable de ℕ;×.
  1. L’ensemble S est-il stable pour l’addition dans ℕ ? Justifier.

On considère les ensembles A=3n×2m/n;m∈ℕ2 et B=n2/n∈ℕ

  1. Étudier la stabilité de A pour l'addition et la multiplication dans ℕ.
  1. Étudier la stabilité de B pour l'addition et la multiplication dans ℕ.

On considère l’ensemble G=100a10bc1/a;b;c∈ℝ3

  1. Montrer que G est une partie stable de M3ℝ;×

 

II- Propriétés d'une loi de composition interne

 

2-1/ Associativité - Commutativité

Définition 3

Soit E;* un ensemble muni d'une loi de composition interne.

On dit que la loi * est associative dans E;* si :

∀a;b;c∈E3  a*b*c=a*b*c

On dit que la loi * est commutative dans E;* si :

∀a;b∈E2  a*b=b*a

 

 

Remarques

La loi * n'est pas commutative dans E;* signifie que :

∃a;b∈E2  a*b≠b*a

La loi * n’est pas associative dans E;* signifie que :

∃a;b;c∈E3  a*b*c≠a*b*c

Si la loi * est associative dans E;*, alors on peut supprimer les parenthèses et écrire :

 a*b*c=a*b*c=a*b*c

 

Applications

Étudier la commutativité et l’associativité de la loi de composition interne T définie sur E=ℤ×ℤ par :

a;bTx;y=ax;ay+bx

 

 

2-2/ L'élément neutre

Définition 5

Soit E;* un ensemble muni d’une loi de composition interne.

Un élément e de E;* est dit neutre si : ∀x∈E e*x=x*e=x

 

Remarques

- Si la loi * est commutative dans E;*, alors une des relations de la définition 5 suffit.

On peut prendre alors soit  ∀x∈E e*x=x , ou bien  ∀x∈E x*e=x .

- Si S est une partie stable de E;*, et si e est neutre dans E;*, alors cela n'implique pas que e est neutre dans S;*.

À titre d'exemple : Prenons E=ℤ/6ℤ et S=0¯;2¯;4¯

1¯ est neutre dans E et 4¯ est neutre dans S.

 

Applications

On munit l’ensemble ℤ d’une loi de composition interne * définie par :

∀x;y∈ℤ2 x*y=x+y-3

  1. Montrer que ℤ;* admet un élément neutre.

On considère l’ensemble : A=αβ0α/α;β∈ℝ2

  1. Montrer que × est une loi de composition interne sur A.
  2. Est-ce-que A;× admet un élément neutre ? Justifier.

 

 

Proposition 1

Soit E;* un ensemble muni d’une loi de composition interne.

Si e et e' sont deux éléments neutres pour la loi * dans E, alors e=e'.

Autrement dit : un élément neutre pour une loi de composition interne, lorsqu’il existe, est unique.

 

 

2-3/ Symétrique d'un élément

Définition 6

Soit E;* un ensemble muni d’une loi de composition interne et possédant un élément neutre e.

Un élément a∈E est dit symétrisable (ou inversible) pour * s’il existe un élément a'∈E tel que a*a'=a'*a=e

Un tel élément a' (s’il existe) est appelé un symétrique (ou inverse) de a pour *.

 

 

Remarques

Si a' est un symétrique de a pour la loi *, alors a est un symétrique de a' pour la même loi.

Si la loi * est commutative, alors on peut se contenter de l'une des relations a*a'=e ou a'*a=e.

Si a' est un symétrique de a pour la loi *, on dit alors que a et a' sont symétriques dans E;*.

 

 

Proposition 2

Soit E;* un ensemble muni d’une loi de composition interne associative et possédant un élément neutre e.

Si un élément a∈E est symétrisable, alors, le symétrique de a est unique.

Remarques

Le symétrique d’un élément a se note :

  • a-1 pour une loi notée multiplicativement et s’appelle inverse de a.
  • -a pour une loi notée additivement et s’appelle opposé de a.

Lorsque f est une bijection de E dans E, il n’y a donc pas ambiguïté dans la notation f-1, il s’agit aussi bien de son application réciproque que de son inverse pour la loi ∘.

 

Proposition 3

Soit E;* un ensemble muni d’une loi de composition interne associative et possédant un élément neutre e.

Si a et b sont deux éléments symétrisables, alors a*b est aussi symétrisable et son symétrique est a*b'=b'*a', où a' et b' sont respectivement les symétriques de a et b.

 

 

Applications

On munit ℝ d'une loi de composition interne définie comme suit :

∀x;y∈ℝ2 x*y=x+y+12xy

  1. Montrer que la loi * est associative.
  1. Montrer que * admet un élément neutre que l’on déterminera.
  1. Déterminer les éléments symétrisables pour la loi *.
  1. Montrer que le symétrique de -1 est 2, et que le symétrique de 6 est -3.

 

 

2-4/ Élément régulier d'une loi de composition interne

Définition 7

Soit E;* un ensemble muni d'une loi de composition interne.

Un élément a∈E est dit régulier ou simplifiable si, et seulement si :

∀x;y∈E2 a*x=a*y⇒x=y 1x*a=y*a⇒x=y 2

Remarque

Si la loi * est commutative dans E, alors l’une des implications 1 ou 2 suffit pour que l’élément a soit régulier dans E;*..

 

 

Applications

On considère l’ensemble ℕ* muni de la loi de composition interne définie par a∧b=c, où c est le plus grand commun diviseur des entiers a et b.

Est-ce-que tout élément de ℕ* est régulier dans ℕ*;∧ ? Justifier.

 

III- Morphismes

 

3-1/ Définition d'un morphisme

Définition 8

Soit E;* et F;T deux ensembles munis de lois de composition interne, et soit f une application de E dans F.

On dit que f est un morphisme de E;* dans F;T lorsque :

∀x;y∈E2 fx*y=fxTfy

 

 

Définition 9

Un morphisme s'appelle aussi un homomorphisme.

Un endomorphisme de E;* est un morphisme de E;* dans lui-même.

Un isomorphisme est un morphisme bijectif.

Un automorphisme est un endomorphisme bijectif.

 

 

Applications

Soit fa l'application définie de ℝ2 dans ℝ2 par ∀x;y∈ℝ2 fax;y=ax;ya (où a∈ℝ*)

  1. Montrer que fa est une application bijective.

Soit F l’ensemble des applications fa quand a varie sur ℝ*.

  1. Déterminer l’application fa'∘fa où a;a'∈ℝ*2.
  1. En déduire que la composition des applications ∘ est une loi de composition interne sur F.

On considère l’application :

h:ℝ*→F     a↦fa

  1. Montrer que h est un morphisme de ℝ*;× dans F;∘.

 

 

3-2/ Propriétés d'un morphisme

Proposition 4

Soit f un morphisme de E;* dans F;T.

1- fE est une partie stable de F;T.

2- Si la loi * est associative dans E;*, alors la loi T est associative dans fE;T.

3- Si la loi * est commutative dans E;*, alors la loi T est commutative dans fE;T.

4- Si la loi * admet un élément neutre e dans E;*, alors fe est un élément neutre dans fE;T.

5- Si la loi * admet un élément neutre e dans E;*, et un élément x admet un symétrique x' dans E;*, alors fx admet un symétrique dans fE;T qui est fx'.

 

 

Corollaire

Si f est un isomorphisme de E;* dans F;T (c’est-à-dire morphisme bijectif), alors f transfère les propriétés de la loi * dans E;* vers la loi T de F;T, et va ainsi conserver toutes les propriétés liées à cette loi.

On exprime ce résultat en disant que E;* et F;T ont la même structure.