Mathématiques · SMA & SMB · Coefficient 9

Structures Algébriques — Groupes, Anneaux, Corps

Groupe, groupe commutatif, anneau, corps : le chapitre qui pose le cadre théorique de l'algèbre de 2ème Bac Sciences Mathématiques A, et qui demande une vérification méthodique de chaque axiome.

Objectifs d'apprentissage

  • Reconnaître qu'un ensemble muni d'une loi de composition interne est un groupe (associativité, élément neutre, symétrique)
  • Distinguer un groupe commutatif (abélien) d'un groupe non commutatif
  • Reconnaître la structure d'anneau à partir des propriétés des deux lois + et ×
  • Reconnaître la structure de corps (anneau commutatif où tout élément non nul est inversible)
  • Vérifier méthodiquement chacun des axiomes avant de conclure à une structure algébrique
  • Distinguer l'élément neutre d'une loi du symétrique d'un élément donné

Formules et résultats clés

Groupe

Un ensemble GG muni d'une loi de composition interne * est un groupe si :

  • * est associative : a,b,cG, (ab)c=a(bc)\forall a,b,c \in G,\ (a*b)*c = a*(b*c)
  • GG possède un élément neutre ee : aG, ae=ea=a\forall a \in G,\ a*e = e*a = a
  • tout élément possède un symétrique : aG, aG, aa=aa=e\forall a \in G,\ \exists\, a' \in G,\ a*a' = a'*a = e

Le groupe est dit commutatif (ou abélien) si, de plus, * est commutative : a,bG, ab=ba\forall a,b \in G,\ a*b = b*a.

Anneau

Un ensemble AA muni de deux lois ++ et ×\times est un anneau si :

  • (A,+)(A,+) est un groupe commutatif
  • ×\times est associative
  • ×\times est distributive par rapport à ++

Corps

Un corps est un anneau commutatif dans lequel tout élément non nul possède un inverse pour ×\times.

Erreurs fréquentes

1

Oublier de vérifier une des propriétés — notamment l'existence du symétrique pour chaque élément — avant de conclure qu'une structure est un groupe.

2

Confondre l'élément neutre (qui ne change rien, unique pour toute la structure) et le symétrique d'un élément donné (qui dépend de cet élément).

Exemple corrigé — Vérifier qu'une structure est un groupe commutatif

Énoncé

Montrer que (R,+)(\mathbb{R}, +) est un groupe commutatif.

Correction

Associativité : pour tous a,b,cRa,b,c \in \mathbb{R}, (a+b)+c=a+(b+c)(a+b)+c = a+(b+c). ✓

Élément neutre : 0R0 \in \mathbb{R} vérifie a+0=0+a=aa+0 = 0+a = a pour tout aRa \in \mathbb{R}. ✓

Symétrique : pour tout aRa \in \mathbb{R}, aR-a \in \mathbb{R} vérifie a+(a)=0a+(-a) = 0. ✓

Commutativité : a+b=b+aa+b = b+a pour tous a,bRa,b \in \mathbb{R}. ✓

Les quatre propriétés étant vérifiées, (R,+)(\mathbb{R}, +) est bien un groupe commutatif.

3 exercices pour t'entraîner

Exercice 1

Facile

Vérifier que 00 est bien l'élément neutre de (R,+)(\mathbb{R}, +), puis donner le symétrique de 55 pour cette loi.

Voir la correction

00 est l'élément neutre car pour tout aRa \in \mathbb{R}, a+0=0+a=aa + 0 = 0 + a = a. Le symétrique de 55 pour ++ est 5-5, car 5+(5)=05 + (-5) = 0.

Exercice 2

Moyen

Montrer que (R,×)(\mathbb{R}^*, \times) est un groupe commutatif, où R=R{0}\mathbb{R}^* = \mathbb{R} \setminus \{0\}.

Voir la correction

×\times est associative sur R\mathbb{R}^*. L'élément neutre est 1R1 \in \mathbb{R}^*, car a×1=1×a=aa \times 1 = 1 \times a = a pour tout aRa \in \mathbb{R}^*. Pour tout aRa \in \mathbb{R}^*, 1aR\dfrac{1}{a} \in \mathbb{R}^* vérifie a×1a=1a \times \dfrac{1}{a} = 1. Enfin, ×\times est commutative sur R\mathbb{R}^*. Les quatre propriétés étant vérifiées, (R,×)(\mathbb{R}^*, \times) est un groupe commutatif.

Exercice 3

Corps

Montrer que (R,+,×)(\mathbb{R}, +, \times) est un corps.

Voir la correction

(R,+)(\mathbb{R},+) est un groupe commutatif (voir l'exemple corrigé). La multiplication ×\times est associative et distributive par rapport à ++ : a×(b+c)=a×b+a×ca \times (b+c) = a\times b + a\times c pour tous a,b,cRa,b,c \in \mathbb{R}, donc (R,+,×)(\mathbb{R},+,\times) est un anneau, commutatif car ×\times est commutative sur R\mathbb{R}. De plus, tout élément non nul de R\mathbb{R} possède un inverse pour ×\times (à savoir 1/a1/a). Donc (R,+,×)(\mathbb{R},+,\times) est un corps.

3 exercices, c'est un début.

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Questions fréquentes

Le chapitre Structures algébriques est-il important pour le Bac SMA ?

Oui, ce chapitre pose le cadre théorique de l'algèbre de 2ème Bac Sciences Mathématiques A. Il est souvent testé à travers un exercice demandant de vérifier méthodiquement, sur un exemple concret, qu'une structure donnée est bien un groupe, un anneau ou un corps.

Comment reconnaître qu'un ensemble muni d'une loi est un groupe ?

Il faut vérifier successivement trois propriétés : la loi est associative, elle possède un élément neutre, et chaque élément possède un symétrique pour cette loi. Si en plus la loi est commutative, le groupe est dit commutatif (ou abélien).

Quelle est la différence entre un anneau et un corps ?

Un anneau est muni de deux lois + et × avec (A,+) groupe commutatif et × associative et distributive par rapport à +. Un corps est un anneau commutatif où, en plus, tout élément non nul possède un inverse pour ×. Tout corps est donc un anneau, mais l'inverse n'est pas vrai : ℤ est un anneau mais pas un corps, car 2 n'a pas d'inverse entier pour ×.