Idéal premier

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En algèbre commutative, un idéal premier d'un anneau commutatif unitaire est un idéal tel que le quotient de l'anneau par cet idéal est un anneau intègre. Ce concept généralise la notion de nombre premier à des anneaux à la structure moins simple d'accès que l'anneau des entiers relatifs.

Ils jouent un rôle particulièrement important en théorie algébrique des nombres.

Richard Dedekind (1831-1916), formalisateur du concept d'idéal

Motivations[modifier | modifier le code]

Arithmétique[modifier | modifier le code]

En 1801, dans son livre Recherches arithmétiques, Carl Friedrich Gauss développe des arithmétiques sur d'autres anneaux que celui des entiers relatifs. Il utilise particulièrement l'anneau des polynômes à coefficients dans un corps commutatif et l'ensemble des entiers qui portent son nom.

Ces anneaux contiennent des éléments ayant les mêmes propriétés que ceux des nombres premiers, les polynômes irréductibles ou les nombres premiers de Gauss. Cette approche est particulièrement fructueuse, elle permet par exemple de démontrer beaucoup plus simplement le théorème des deux carrés de Fermat ou une conjecture particulièrement difficile pour l'époque la loi de réciprocité quadratique.

Cette approche est généralisée aux entiers algébriques. En 1847, Gabriel Lamé utilise une généralisation brutale et croit avoir démontré le grand théorème de Fermat. Ernst Kummer (1810-1893) montre que l'unicité mentionnée dans le théorème de décomposition en facteurs premiers n'est plus assurée. Il développe les nombres complexes idéaux pour retrouver une unicité à travers un nouveau concept.

Ce concept ayant pour objectif de pallier les insuffisances des propriétés des nombres, est formalisé par la notion d'idéal, à la suite des travaux de Richard Dedekind. Il existe plusieurs propriétés pour caractériser les différents idéaux. Dans les cas simples où l'anneau est principal, tout idéal correspond à un élément de l'anneau, et les idéaux premiers correspondent aux éléments de l'anneau qui sont « premiers » au sens où, comme les nombres premiers, ils vérifient le lemme d'Euclide : tout élément premier qui divise un produit divise l'un des deux facteurs. Dans un anneau factoriel, cette notion d'élément premier coïncide avec celle d'élément irréductible, caractérisation plus usuelle des nombres premiers par le fait que dans toute décomposition en deux facteurs, l'un au moins est inversible. Dans les cas plus complexes, comme les anneaux de Dedekind, le concept d'idéal premier reste opérationnel, alors que celui d'élément premier perd largement sa puissance opératoire.

Exemple de variété algébrique

Géométrie algébrique[modifier | modifier le code]

Une variété algébrique est l'objet de base de la géométrie algébrique. Elle correspond à une géométrie définie par des équations algébriques. Un des objets de la géométrie algébrique est le classement des différentes variétés. La notion d'idéal premier est à la base de ces classements.

De même qu'un polynôme peut être vu sous l'angle d'un idéal de l'anneau des polynômes, une variété algébrique peut être définie par l'idéal des polynômes qui s'annulent sur cette variété. Une variété est alors parfaitement classée par la données des idéaux premiers de polynômes qui s'annulent sur elle.

L'association de la géométrie et de l'arithmétique ouvre la voie à la démonstration de nombreux théorèmes. Elle est, par exemple, à la base de la démonstration du grand théorème de Fermat par Andrew Wiles en 1994.

Définition[modifier | modifier le code]

Soit A un anneau anneau commutatif unitaire.

  • Un idéal I de A est dit premier si le quotient de A par I est intègre.
  • Un élément a de A est dit premier si l'idéal a.A est premier et non nul.
  • Un élément a de A est dit irréductible s'il n'est ni nul, ni inversible, ni produit de deux éléments non inversibles.

Exemples[modifier | modifier le code]

Entiers relatifs[modifier | modifier le code]

Dans l'anneau ℤ des entiers relatifs, un entier non nul n est un élément premier au sens de la définition précédente si et seulement si l'anneau ℤ/n est intègre, c'est-à-dire si n est égal ou opposé à un entier naturel premier au sens usuel.

La définition d'élément premier de ℤ correspond donc à la définition usuelle de nombre premier aux inversibles près (dans ℤ, les éléments inversibles sont 1 et -1). Or tout idéal de ℤ est « associé » à deux entiers : un entier naturel et son opposé. Par convention, on choisit, comme générateur canonique de l'idéal, celui des deux qui est positif. Cette convention fournit une bijection entre idéaux premiers non nuls et nombres premiers, et permet une expression plus simple du théorème fondamental de l'arithmétique.

Polynôme[modifier | modifier le code]

Polynôme à coefficients dans un corps[modifier | modifier le code]

Dans le cas où les polynômes sont à coefficients dans un corps, l'anneau est, comme précédemment euclidien, donc principal : tout idéal est composé des multiples d'un polynôme unitaire, et les idéaux premiers non nuls sont en bijection avec les polynômes premiers unitaires.

Cependant, la tradition est de parler plutôt de polynômes irréductibles que de polynômes premiers : d'après la définition ci-dessus, un polynôme est irréductible si, et seulement s'il est non constant et si toute décomposition en deux facteurs contient un élément inversible.

En fait, ces deux notions coïncident dans cet anneau de polynômes, de même que dans celui des entiers. Cet état de fait est général dans les anneaux intègres à PGCD, en particulier (cf infra) les anneaux principaux.

Polynôme à coefficients dans ℤ[modifier | modifier le code]

Si les coefficients du polynôme sont choisis dans ℤ, alors l'anneau des polynômes n'est plus principal. Par exemple, l'idéal I engendré par X et 2 n'est pas principal. Le quotient de ℤ[X] par I est un anneau à deux éléments donc intègre. Cet idéal est premier, mais n'est pas associé à un élément de l'anneau.

Entier de Gauss[modifier | modifier le code]

Les entiers de Gauss forment un anneau euclidien. À chaque idéal correspond une classe d'association engendrant l'idéal, les notions d'idéaux premiers non nuls correspondent aux nombres premiers de Gauss, les éléments premiers – ou : irréductibles – de l'anneau.

Propriétés[modifier | modifier le code]

Propriétés équivalentes à la définition[modifier | modifier le code]

Soit A un anneau commutatif unitaire.

On dispose de la caractérisation suivante des idéaux premiers :

  • Un idéal I est premier si et seulement si c'est un idéal strictement inclus dans A tel que :
    \forall a,b\in A\quad[a.b\in I\Rightarrow(a\in I\mbox{ ou }b\in I)]
    Cette proposition rappelle le lemme d'Euclide qui s'énonce ainsi : « si un entier supérieur à 1 est premier, chaque fois qu'il divise un produit, il divise l'un des facteurs ». Par ailleurs, lorsque I est l'idéal (p) des multiples d'un élément p non nul, elle se reformule en : « l'idéal (p) est premier si et seulement si l'élément p est premier ».

De manière équivalente :

  • Un idéal propre est premier si et seulement si chaque fois qu'il contient le produit de deux idéaux, il contient l'un ou l'autre.

Cette propriété peut être affinée :

  • Un idéal propre est non premier si et seulement s'il existe deux idéaux dans lesquels il est strictement contenu et dont il contient le produit.

Par conséquent, tout idéal premier est irréductible : s'il est égal à l'intersection de deux idéaux alors il est égal à l'un ou l'autre (puisqu'il contient leur produit et qu'il est premier).

Anneau principal[modifier | modifier le code]

Dans un anneau commutatif A :

En combinant toutes ces propriétés, on obtient :

Si p est un élément non nul d'un anneau principal, les propositions suivantes sont équivalentes :

  1. (p) est premier ;
  2. p est premier ;
  3. p est irréductible ;
  4. (p) est maximal.

Image réciproque[modifier | modifier le code]

Si ψ est un morphisme d'anneaux (commutatifs et unitaires) de A dans B, et P un idéal de B, on sait que l'image réciproque Q de P par ψ est un idéal de A. Dans ces conditions, si P est premier alors Q aussi.

En effet A / Q est intègre : d'une part A / Q n'est pas l'anneau nul, autrement dit Q n'est pas A tout entier, car il ne contient pas 1A puisque ψ(1A)=1B n'appartient pas à P ; d'autre part A / Q est isomorphe à un sous-anneau de B / P, donc est, comme lui, sans diviseur de zéros.

Cette propriété s'applique le plus souvent au cas où A est un sous-anneau de B, le morphisme ψ étant alors simplement l'injection canonique. Elle se formule alors ainsi :

Si A est un sous-anneau de B et P un idéal premier de B alors PA est un idéal premier de A.

Nilradical, radical d'un idéal[modifier | modifier le code]

On définit le nilradical d'un anneau commutatif unitaire A comme l'ensemble de ses éléments nilpotents. On dispose alors de l'énoncé suivant (dont la preuve utilise l'axiome du choix) :

Le nilradical est égal à l'intersection de tous les idéaux premiers.

Plus généralement, on en déduit par un passage au quotient que[1] :

Le radical d'un idéal I est égal à l'intersection des idéaux premiers contenant I.

Note et référence[modifier | modifier le code]

  1. Michael Atiyah et Ian G. Macdonald, Introduction to Commutative Algebra, Addison-Wesley,‎ 1969 (ISBN 0-201-00361-9) p. 5 (pour le nilradical) et p. 9 (pour le radical d'un idéal)

Voir aussi[modifier | modifier le code]

Bibliographie[modifier | modifier le code]

Liens externes[modifier | modifier le code]