Caracteristique d'un anneau

Caracteristique d'un anneau

Caractéristique d'un anneau

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En algèbre, la caractéristique d'un anneau unitaire A est par définition l'ordre pour la loi additive de l'élément neutre de la loi multiplicative.

On note, pour un anneau unitaire[1] (A, + ,\times), 0A l'élément neutre de «  +  » et 1A celui de « \times ».

La caractéristique d'un anneau \ A est donc le plus petit entier naturel non-nul \ n tel que \scriptstyle{\ n.1_A~=~\underbrace{\scriptstyle 1_A+1_A+\cdots+1_A }_{n\; termes}~=~0_A}
Si un tel entier n'existe pas, on dit que la caractéristique est nulle (\scriptstyle \ n\; = \; 0).

Sommaire

L'homomorphisme de Z dans A

Il existe un unique homomorphisme d'anneaux unitaires f de \mathbb{Z} dans \ A~ ( ~ \mathbb{Z} \; est en effet un objet initial de la catégorie des anneaux). Par définition, si n est un nombre entier strictement positif, on a :

f(n)=1_A+\cdots+1_A\,,

1A est répété n fois. Comme \mathbb{Z} est un anneau euclidien, le noyau de f est principal et, par définition, la caractéristique de A est son générateur positif. Plus explicitement, c'est l'unique nombre entier positif ou nul c tel que le noyau de f soit l'idéal c\mathbb{Z}.

Propriétés sur les anneaux

En effet, si la caractéristique d'un anneau unitaire A est un entier non nul p > 0 divisible, elle peut s'écrire : p = n \times mn et m sont strictement supérieurs à 1. En reprenant les notations ci-dessus, comme f est un homomorphisme d'anneaux, f(n\times m)=f(n)\times f(m)=0. Si A est intègre, l'un des facteurs f(n) ou f(m) est nul. Cela contredit la définition de p, qui, comme générateur positif du noyau de f est le plus petit entier positif annulé par f. Donc p n'est pas divisible, il est premier.

  • Si la caractéristique d'un anneau est nulle, celui-ci est infini, car il contient un sous-anneau isomorphe à \mathbb Z .

L'homomorphisme f est injectif. Il induit un isomorphisme sur son image qui est un sous-anneau unitaire.

  • Si B est un sous-anneau unitaire de A, alors A et B ont même caractéristique.

L'homomorphisme \mathbb Z\rightarrow A se factorise évidemment à travers l'inclusion A\rightarrow B.

  • Pour tout homomorphisme d'anneaux unitaires g:A\rightarrow B, la caractéristique de B divise celle de A.

En effet, la composée des homomorphismes g.f est l'unique homomorphisme d'anneaux unitaires \mathbb Z\rightarrow B. Son noyau est l'image réciproque par f du noyau de g. Il contient notamment le noyau de f. Si p et q sont les caractéristiques de A et de B, q Z contient p Z. Donc, q divise p.

  • Si A est un anneau commutatif, et si sa caractéristique est un nombre premier p, alors pour tous éléments x,y dans A, on a (x + y)p = xp + yp. L'application définie par f(x) = xp est un endomorphisme d'anneau injectif appelé endomorphisme de Frobenius.

Le résultat découle immédiatement de la formule de Newton et de ce que p divise dans Z les coefficients binomiaux apparaissant dans le développement.

Propriétés sur les corps

  • Si un corps K est de caractéristique nulle, il contient une copie de Q. S'il est de caractéristique p, il contient une copie de Z/pZ

Comme pour tout anneau intègre, la caractéristique de K est soit nulle soit un nombre premier p. Dans le premier cas, l'unique homomorphisme d'anneaux unitaires \mathbb Z \rightarrow \mathbb K est injectif ; comme K est un corps, il induit une injection du corps des fractions de Z, à savoir le corps des rationnels Q (par définition des rationnels). Dans le deuxième cas, l'unique homomorphisme d'anneaux unitaires \mathbb Z \rightarrow \mathbb K induit une injection de Z/pZ dans K. Or, comme p est premier, Z/pZ est un corps fini ; c'est l'unique corps fini Fp à p éléments.

  • Tout corps fini a pour cardinal une puissance d'un nombre premier, qui en est sa caractéristique.

Si K est un corps fini, pour des raisons de cardinalité, il ne peut pas contenir une copie de Q. Par ce qui précède, il est de caractéristique finie p et contient donc une copie du corps Fp. De fait, K est un espace vectoriel sur Fp ; sa dimension est nécessairement finie. Donc son cardinal est p à la puissance sa dimension.

  • Il existe des corps infinis possédant une caractéristique non nulle p, celle-ci étant un nombre premier.

C'est le cas par exemple du corps des fonctions rationnelles sur \mathbb Z/p\mathbb Z ou de la clôture algébrique de \mathbb Z/p\mathbb Z.

En effet, l'unique homomorphisme \mathbb Z \rightarrow \mathbb K est croissant. Tout entier strictement positif est envoyé sur un élément strictement positif du corps, a fortiori différent de 0.

C'est donc le cas des corps des nombres rationnels \mathbb Q, et donc de ceux des nombres réels \R et complexes \mathbb C (puisque \mathbb Q est un sous-anneau de ces deux anneaux).

Références

Ouvrages

Notes

  1. Le cas de l'anneau nul est exclu, donc \scriptstyle 1_A ~ \neq ~ 0_A ~, c'est-à-dire : la caractéristique n'est pas égale à 1.
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