mathématiques MPSI · Chapitre 8 · Exercice de TD
Un morphisme est déterminé par l'image de
Structures algébriques usuelles · C. Morphismes de groupes · niveau 2
Énoncé
a) Déterminer tous les morphismes de groupes . Lesquels sont injectifs ? surjectifs ? bijectifs ?
b) Montrer que le seul morphisme de groupes est le morphisme nul.
c) Soit . Montrer que le seul morphisme de groupes est le morphisme nul.
d) Montrer que le seul morphisme d'anneaux de dans est l'identité, et de même de dans .
Corrigé
Ce qu'on a le droit d'utiliser. La définition d'un morphisme de groupes, ses propriétés (, , en notation additive, en notation multiplicative), la caractérisation de l'injectivité par le noyau, la description avec (chapitre 3), et la définition d'un morphisme d'anneaux, qui impose . La stratégie est la même partout : l'image de commande tout, et l'on regarde ce qu'elle a le droit d'être.
a) Les morphismes de dans . Soit un morphisme, et posons . Pour , une récurrence donne : , et . Pour , . Donc pour tout . Réciproquement, pour tout , l'application est un morphisme : . Les morphismes de dans lui-même sont exactement les multiplications par un entier .
Injectivité. Le noyau de est : c'est si , et si (car est intègre). Donc est injectif si et seulement si . Surjectivité. Il faut que soit atteint : pour un entier , ce qui impose , soit ; réciproquement et sont surjectifs. Bijectivité : . Un morphisme injectif de dans n'est donc pas forcément surjectif — est injectif d'image — ce qui distingue l'infini du fini.
b) De dans . Soit un morphisme et . Pour tout entier , on a (somme de termes égaux à ), donc , où est un entier. Ainsi divise pour tout entier . Le seul entier divisible par tous les entiers est (si , prendre ). Donc . Alors, pour tout , donne , puis pour tout , . Le morphisme est nul. Moralité : est « infiniment divisible » — tout élément est un multiple -ième d'un autre pour tout — alors que dans seul l'est ; un morphisme transporte cette propriété, et elle ne peut atterrir que sur .
c) De dans . Soit un morphisme de dans , et , de sorte que . Un morphisme du groupe multiplicatif vers le groupe additif transforme les puissances en multiples : . En particulier , car et envoie le neutre sur le neutre . Comme et que est intègre, , puis pour tout . Le morphisme est nul. Ici c'est l'inverse du b) : dans , tout élément est « tué » par la puissance (on dit que le groupe est de torsion), alors que dans , force .
d) Les morphismes d'anneaux. Soit un morphisme d'anneaux. C'est en particulier un morphisme de groupes additifs, donc avec par le a). Mais la définition impose : et est l'identité. Soit maintenant un morphisme d'anneaux. Par le même calcul, pour tout . Pour : , donc . Enfin . est l'identité de . La condition , que le cours signale comme ne découlant pas des deux autres, est ici ce qui interdit le morphisme nul et propage l'identité.
Ce que l'exercice installe. Un morphisme issu de est déterminé par l'image de ; issu de , par l'image de encore, mais celle-ci doit être divisible par tout entier ; issu de , l'image de doit être annulée par . À chaque fois, une contrainte sur un seul élément décide de tout le morphisme. C'est exactement ce que dira le chapitre 12 : une application linéaire est déterminée par les images des vecteurs d'une base — et le chapitre 9 en donne déjà la version matricielle.
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