Structures Algébriques — Centrale-Supélec

Exercices corrigés de Centrale-Supélec sur le thème « structures Algébriques », regroupés par filière.

MP–MPI


Exercice 1. (★★★★) partitions ; relations d’équivalence ; Raisonnement et ensembles
On note {B_n} le nombre de partitions de {\left\{1,\ldots,n\right\}}. Pour {\sigma\in\mathfrak S_n}, {\sigma\bullet P} est la partition formée des {\sigma(A)}, pour {A\in P}.
1) Pour {\sigma} fixée, montrer que {P\sim Q} si {Q=\sigma^k\bullet P} pour un {k\in\mathbb{Z}} définit une équivalence.
Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez : Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :
2) Si {\sigma} est un {p}-cycle, {p} premier, montrer que les classes ont pour cardinal {1} ou {p}.
Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez : Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :
3) Sur les partitions de {\left\{1,\ldots,n+p\right\}}, prendre {\sigma=(1,\ldots,p)}.

Montrer qu’une partition fixe contient soit une partie contenant {\left\{1,\ldots,p\right\}}, soit tous les singletons {\left\{1\right\},\ldots,\left\{p\right\}}.

En déduire {B_{n+p}\equiv B_n+B_{n+1}\pmod p}.

Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez : Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :

Exercice 2. (★★★) sous-groupes ; groupes produits ; groupes cycliques
Soit {G} un groupe abélien fini d’ordre {n=\prod\limits_{i=1}^r p_i^{\alpha_i}}, de neutre {e}. Pour {d\mid n}, poser {G_d=\left\{x\in G:x^d=e\right\}}.
1) Montrer que {G_d} est un sous-groupe.
Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez : Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :
2) Montrer que {(x_1,\ldots,x_r)\mapsto x_1\cdots x_r} est un isomorphisme de {\prod\limits_iG_{p_i^{\alpha_i}}} sur {G}.
Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez : Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :
3) On suppose {|G_d|\leq d} pour tout {d\mid n}.

Montrer qu’il existe un élément d’ordre {p_i^{\alpha_i}} pour chaque {i}, puis que {G} est cyclique.

Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez : Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :

Exercice 3. (★★★) conjugaison ; sous-anneaux ; dénombrabilité
Pour {\omega\in\mathbb{C}\setminus\mathbb{R}}, poser {\mathbb{Z}[\omega]=\left\{a+b\omega:a,b\in\mathbb{Z}\right\}}.
1) Montrer que cet ensemble est un sous-anneau si et seulement si {\omega^2=\alpha\omega+\beta} avec {\alpha,\beta\in\mathbb{Z}}.
Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez : Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :
2) Dans ce cas, montrer que {\mathbb{Z}[n+\omega]=\mathbb{Z}[\omega]} pour {n\in\mathbb{Z}} et que l’anneau est stable par conjugaison.
Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez : Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :
3) Construire {\omega'} engendrant le même anneau, avec {\operatorname{Im}\omega'>0} et {0\leq\operatorname{Re}\omega'\lt 1}.

Expliciter l’ensemble des {\omega'} possibles et montrer qu’il est dénombrable.

Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez : Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :

Exercice 4. (★★★) sous-corps ; dimension ; dénombrabilité
1) Montrer que {\mathbb{N}^\star}, {\mathbb{N}^2} et {\mathbb{Q}} sont dénombrables.
Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez : Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :
2) Un complexe est algébrique s’il annule un polynôme non nul de {\mathbb{Q}[X]}.

Montrer que leur ensemble {\mathcal A} est dénombrable, que {z} est algébrique si et seulement si {\mathbb{Q}[z]} est de dimension finie sur {\mathbb{Q}}, puis que {\mathcal A} est un sous-corps.

Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez : Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :
3) Trouver un polynôme annulateur de {\sqrt2+\sqrt[3]5}.
Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez : Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :

Exercice 5. (★★★) morphismes d’anneaux ; automorphismes de corps ; idéaux
Soit {A} un anneau unitaire.
1) Montrer que {f_A:k\mapsto k1_A} est l’unique morphisme d’anneaux de {\mathbb{Z}} vers {A}, et que {\ker f_A=k_A\mathbb{Z}} pour un {k_A\in\mathbb{N}}.
Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez : Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :
2) Si {A} est un corps, montrer que {k_A} vaut zéro ou est premier.

Étudier la réciproque.

Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez : Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :
3) Si {A} est un corps fini d’ordre {p^n}, montrer que {\phi:x\mapsto x^p} est un automorphisme et déterminer son ordre.
Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez : Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :

Exercice 6. (★★★) idéaux ; générateurs ; inclusion
Un anneau commutatif est noethérien si tous ses idéaux sont engendrés par un nombre fini d’éléments.
1) {\mathbb{Z}} et {\mathbb{R}[X]} sont-ils noethériens ?
Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez : Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :
2) Montrer l’équivalence avec la stationnarité de toute suite croissante d’idéaux.
Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez : Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :

Exercice 7. (★★★★) sous-groupes finis ; puissances de matrices ; diagonalisation
On note {GL_n(\mathbb{Z})} l’ensemble des matrices réelles inversibles dont la matrice et l’inverse sont entiers.

Montrer que ce sont exactement les matrices entières de déterminant {\pm1}.

Si {M^d=I} et {A=(M-I)/3}, étudier {(A^k)}.

En déduire une borne du cardinal des sous-groupes finis de {GL_n(\mathbb{Z})}.

Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez : Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :

Exercice 8. (★★★★) morphismes ; exponentielle de matrice ; diagonalisation
Déterminer les morphismes de groupes continus {\phi:\mathbb{U}\to GL_n(\mathbb{C})}.

Pour {\widetilde\phi(t)=\phi(e^{it})}, montrer que {\alpha^{-1}\int_0^\alpha\widetilde\phi(t)dt\to I}, puis que {\widetilde\phi} est dérivable et s’écrit {e^{tA}}. Conclure.

Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez : Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :

Exercice 9. (★★★) Ordre d’un élément ; Automorphismes ; Sous-groupes
Soit {G} un groupe fini commutatif ayant trois automorphismes.
1) Définir un automorphisme et montrer que {\varphi:x\mapsto x^{-1}} est un automorphisme.

Montrer que {x^2=e} pour tout {x\in G}.

Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez : Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :
2) Montrer que {G} possède un sous-groupe {V} d’ordre quatre et préciser les automorphismes de {V}.
Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez : Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :

Exercice 10. (★★★★) Idéaux ; Suites croissantes d’idéaux ; Éléments inversibles
Un anneau commutatif {A} est noethérien si tous ses idéaux sont de type fini.
1) {\mathbb{Z}} et {\mathbb{R}[X]} sont-ils noethériens ?
Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez : Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :
2) Montrer que cela équivaut à la stationnarité de toute suite croissante d’idéaux.
Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez : Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :
3) Dans un anneau non commutatif, on appelle idéal à gauche un sous-groupe additif {I} vérifiant {AI\subset I}, et définit symétriquement les idéaux à droite.

Si tous les idéaux des deux côtés sont de type fini, montrer {\forall a\in A,\quad (\exists b,\ ab=1)\Longleftrightarrow(\exists b,\ ba=1).}On pourra considérer {\varphi:x\mapsto ax}.

Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez : Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :

Exercice 11. (★★★) Ordre d’un élément ; Groupes cycliques ; Racines de polynômes
1) Dans un groupe fini commutatif, quel est l’ordre de {ab} si les ordres de {a} et {b} sont premiers entre eux ?
Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez : Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :
2) Montrer qu’il existe un élément dont l’ordre est le ppcm des ordres des éléments.
Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez : Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :
3) Pour {p} premier, montrer que {\mathbb{F}_p^\star} est cyclique.
Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez : Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :

Exercice 12. (★★★★) morphismes ; réduction modulo un entier ; générateurs
Soient {G} un groupe de type fini, {H} fini, {f:G\to G} un morphisme surjectif et {g:G\to H} un morphisme.
a) Montrer que l’ensemble des morphismes {G\to H} est fini.
Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez : Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :
b) Pour {a\in\ker f}, trouver {b_n} tel que {f^n(b_n)=a} et calculer {g(f^m(b_n))} pour {m>n}.
Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez : Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :
c) Montrer {\ker f\subset\ker g}.
Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez : Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :
d) Montrer que {\Gamma=\left\{M\in M_2(\mathbb{Z}):\det M=1\right\}} est un groupe engendré par {S=\begin{pmatrix}0&-1\\[4pt]1&0\end{pmatrix}} et {T=\begin{pmatrix}1&1\\[4pt]0&1\end{pmatrix}}.
Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez : Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :
e) Montrer que tout endomorphisme surjectif de {\Gamma} est bijectif.
Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez : Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :

Exercice 13. (★★★★) morphismes d’algèbres ; degré des fractions ; substitution
a) Rappeler les définitions d’une {\mathbb{K}}-algèbre et d’un endomorphisme de {\mathbb{K}}-algèbre.
Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez : Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :
b) Pour un tel endomorphisme {\varphi} de {\mathbb{K}(X)}, montrer {\varphi(X)\ne0}.
Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez : Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :
c) Déterminer les endomorphismes de {\mathbb{K}(X)}.
Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez : Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :
d) Déterminer ses automorphismes.
Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez : Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :

Exercice 14. (★★★★) Calcul différentiel ; règle de la chaîne ; morphismes
a) Rappeler les axiomes d’un groupe, la définition d’une différentielle et son lien avec les dérivées partielles dans le cas {C^1}.
Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez : Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :
b) Soit {*} une loi de groupe sur {\mathbb{R}}, de neutre {e}, telle que {f(x,y)=x*y} soit {C^1}.

Montrer {\partial_2f(x*y,e)=\partial_2f(x,y)\partial_2f(y,e)}, puis {\partial_2f(y,e)>0}.

Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez : Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :
c) Construire un difféomorphisme {C^1} {\varphi:\mathbb{R}\to\mathbb{R}} tel que {\varphi(x*y)=\varphi(x)+\varphi(y)}.
Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez : Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :

Exercice 15. (★★★★) morphismes de groupes ; groupes cycliques ; racines de l’unité
Soit {G} un groupe fini d’ordre {n}. Un caractère est un morphisme {\chi:G\to\mathbb{C}^\star} ; on note {\widehat G} l’ensemble des caractères.
1) Montrer que {\widehat G} est un groupe multiplicatif et que ses éléments sont à valeurs dans {\mathbb{U}_n}.
Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez : Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :
2) Si {G} est cyclique, montrer que {G\simeq\mathbb{Z}/n\mathbb{Z}} et {\widehat G\simeq G}.
Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez : Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :
3) Si {G} est abélien, {H} un sous-groupe et {\xi\in\widehat H}, montrer qu’il existe {\chi\in\widehat G} tel que {\chi_{|H}=\xi}.
Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez : Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :


Retour aux planches par thème

Author: Jean-Michel Ferrard

Professeur de mathématiques en classe préparatoire aux grandes écoles.