Monoïde

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En mathématiques, un monoïde est une des structures algébriques utilisées en algèbre générale. C'est un ensemble muni d'une loi de composition interne associative et d'un élément neutre. Autrement dit, c'est un magma associatif et unifère, c'est-à-dire un demi-groupe unifère.

Préambule[modifier | modifier le code]

Il arrive parfois qu'une structure composée d'un ensemble et d'une unique opération soit relativement pauvre en éléments inversibles, par exemple un anneau où l'on considère uniquement la multiplication. Une telle structure est appelée monoïde. L'apparente pauvreté de l'opération donne naissance à une théorie spécifique, comme les relations de Green pour les monoïdes ou les idéaux dans les anneaux même non commutatifs. Une autre technique, lorsque l'on est en présence d'une opération simplifiable, consiste à « enrichir » le monoïde pour en faire un groupe.

Parfois au contraire, la structure de monoïde est parfaitement adéquate. Tel est le cas pour l'algèbre des polynômes en plusieurs indéterminées : on la construit comme l'algèbre d'un monoïde particulier, engendré par un ensemble d'indices.

Définition[modifier | modifier le code]

Un monoïde est un magma unifère associatif.

Formellement, (E, ✻, e) est un monoïde lorsque, pour tous éléments x, y et z de E :

  • (loi interne) ;
  • (associativité) ;
  • (e est neutre).

Un monoïde E est dit simplifiable à gauche, ou encore régulier à gauche, (resp. à droite) si

(resp. )

Un monoïde est dit commutatif si ses éléments sont permutables, c'est-à-dire si :

Composé d'une séquence (finie) d'éléments[modifier | modifier le code]

Soit E un monoïde. Notons sa loi de composition sous forme multiplicative, c'est-à-dire que nous écrirons pour désigner le composé noté plus haut. L'élément neutre est alors désigné par 1.

On peut définir par récurrence sur n le produit d'un n-uplet d'éléments de E par :

  • le produit du 0-uplet est égal à  ;
  • .

En étendant cette définition au composé (« produit » dans notre notation) d'une séquence d'éléments de E[1] — c'est-à-dire d'une famille indexée par un ensemble fini totalement ordonné —, on démontre :

  • un théorème d'associativité[2] selon lequel, dans un monoïde, un produit , évalué par cette définition ou en plaçant les parenthèses de n'importe quelle autre façon, donnera le même résultat (par exemple : ).
  • un théorème de commutativité[3] selon lequel, dans un monoïde commutatif (ou plus généralement, pour une famille dont les éléments commutent deux à deux) le composé d'une famille finie ne dépend pas de l'ordre choisi sur l'index de cette famille.

Un corollaire est que pour tout (n + 1)-uplet d'éléments de E,

.

Cette formule (2), jointe à la condition (0) ci-dessus, est l'autre définition courante de par récurrence sur n. Le corollaire permet de prouver l'équivalence de ces deux définitions, par récurrence sur le nombre de facteurs.

Sous-monoïde[modifier | modifier le code]

Un sous-monoïde d'un monoïde (E, ✻, e) est un sous-ensemble F de E vérifiant :

  • (stable) ;

Toute intersection de sous-monoïdes est un sous-monoïde.

Un sous-demi-groupe d'un monoïde M peut être un monoïde sans être un sous-monoïde de M. Par exemple, si M est le monoïde formé par l'ensemble ℤ/6ℤ muni de sa multiplication, les classes résiduelles des nombres pairs forment un sous-demi-groupe D de M et l'on vérifie facilement que la classe résiduelle de 4 est élément neutre de ce sous-demi-groupe. Pourtant, D n'est pas un sous-monoïde de M, car l'élément neutre de M (la classe résiduelle de 1) n'appartient pas à D.

Famille génératrice d'un sous-monoïde[modifier | modifier le code]

Soit P une partie d'un monoïde (E, ✻, e). On appelle sous-monoïde engendré par P (noté P*) l'intersection des sous-monoïdes de E contenant P. C'est donc le plus petit sous-monoïde de de E contenant P. Il peut être décrit par :

(l'élément e fait bien partie de cet ensemble : c'est le produit vide, correspondant à n = 0[4],[5],[6]).

P est appelé une famille génératrice de P*.

On peut toujours trouver une famille génératrice à tout monoïde, la plus triviale étant lui-même.

Bases et monoïdes libres[modifier | modifier le code]

Une partie P d'un monoïde (E, ✻, e) est appelée base de E si c'est une famille génératrice de E dans laquelle tout élément se décompose de façon unique, c'est-à-dire si

Un monoïde est dit libre s'il admet une base. Dans ce cas, la base est unique.

  • e n'appartient jamais à la base, sans quoi les éléments auraient une infinité de décompositions possibles.
  • Si A est un ensemble (appelé parfois alphabet), l'ensemble des suites finies d'éléments de A (appelées mots) muni de l'opération de concaténation est un monoïde libre noté A* et appelé monoïde libre (en) sur A. Sa base est l'ensemble des mots de longueur un, et donc assimilable naturellement à l'alphabet.
  • Deux monoïdes libres sur des alphabets finis sont isomorphes si et seulement si leurs bases ont même cardinal.
  • Dans un monoïde libre, l'élément neutre est le seul élément symétrisable.

Exemples[modifier | modifier le code]

  • L'ensemble ℕ des entiers naturels muni de l'addition est un monoïde libre, dont 0 est l'élément neutre et 1 l'unique élément de la base.
  • ℕ muni de la multiplication est un monoïde d'élément neutre 1. L'élément 0 n'est pas simplifiable .
  • ℕ muni de la loi max qui à deux entiers associe le plus grand des deux est un monoïde de neutre 0.
  • L'ensemble des parties d'un ensemble E, muni de l'union ensembliste, est un monoïde, dont l'ensemble vide est l'élément neutre. Le même ensemble muni de l'intersection ensembliste est aussi un monoïde dont E est l'élément neutre.
  • L'ensemble des applications d'un ensemble dans lui-même, muni de la composition, est un monoïde dont le neutre est l'application identité, les éléments simplifiables à gauche sont les injections et ceux simplifiables à droite sont les surjections.
  • La deuxième loi d'un anneau possède une structure de monoïde.

Morphisme de monoïdes[modifier | modifier le code]

Soient (E, ✻, e) et (F, ✮, f) deux monoïdes. On appelle morphisme de (E, ✻, e) vers (F, ✮, f) toute application φ de E vers F telle que

La première propriété est celle de morphisme de magmas.

  • La composée de deux morphismes de monoïdes est un morphisme de monoïdes.
  • Le réciproque d'un morphisme bijectif de monoïdes est un morphisme de monoïdes. En conséquence, un morphisme bijectif est qualifié d'isomorphisme.
  • Tout morphisme de magmas d'un monoïde vers un monoïde simplifiable est un morphisme de monoïdes[7].
  • Si l'on munit l'ensemble des entiers naturels de la loi max, l'application nn + 1 est un morphisme de magmas mais n'est pas un morphisme de monoïdes.
  • Tout morphisme de magmas surjectif entre deux monoïdes est un morphisme de monoïdes.
  • On appelle noyau d'un morphisme de monoïdes l'ensemble des antécédents de l'élément neutre. Si le morphisme est injectif alors son noyau est réduit à l'élément neutre, mais la réciproque est fausse en général (contrairement au cas d'un morphisme de groupes) : par exemple le morphisme qui à tout mot associe sa longueur, d'un monoïde libre sur (au moins) deux éléments vers (ℕ, +), n'est pas injectif.

Produit direct de monoïdes[modifier | modifier le code]

  • Soient (E, ✻, e) et (F, ✮, f) deux monoïdes. On peut munir le produit cartésien et d'une structure de monoïde en introduisant une nouvelle loi de la façon suivante :
.
C'est un monoïde de neutre .
  • Les deux projections de dans et de dans sont des morphismes de monoïde. Et le triplet vérifie la propriété universelle du produit direct.
  • Plus généralement, soit un ensemble et une famille de monoïdes. On construit la structure de produit direct sur le produit cartésien par la formule
.

Symétrique d'un élément[modifier | modifier le code]

  • Soient (E, ✻, e) un monoïde et x un élément de E. On dit que :
    • x est symétrisable à droite s'il existe un élément y dans E tel que xy = e. On dit alors que y est un symétrique à droite de x ;
    • x est symétrisable à gauche s'il existe un élément z dans E tel que zx = e. On dit alors que z est un symétrique à gauche de x ;
    • x est symétrisable s'il est symétrisable à droite et à gauche.
  • Lorsque x est symétrisable, il admet un unique symétrique à droite et un unique symétrique à gauche et ceux-ci sont égaux.En effet, avec les notations ci-dessus, y = ey = (zx)✻y = z✻(xy) = ze = z.Cet unique élément est appelé symétrique de x et généralement noté x−1.
  • L'ensemble I(E) des éléments symétrisables du monoïde forme un groupe, car il est stable :
    • par passage au symétrique : pour tout xI(E), x−1I(E) et (x−1)−1 = x ;
    • par produit : pour tous x, yI(E), xyI(E) et (xy)−1 = y−1x−1.En effet, (y−1x−1)✻(xy) = y−1✻(x−1x)✻y = y−1ey = y−1y = e donc aussi (en posant a = y−1 et b = x−1) (xy)✻(y−1x−1) = (b−1a−1)✻(ab) = e.
  • Par restriction, tout morphisme φ : (E, ✻, e) → (F, ✮, f) entre deux monoïdes induit un morphisme de groupes de I(E) dans I(F)[7].
    En théorie des catégories, on interprète ce fait en disant que I est un foncteur de la catégorie des monoïdes dans celle des groupes (c'est l'adjoint à droite du foncteur d'oubli M : Grp → Mon).

Symétrisation[modifier | modifier le code]

Article détaillé : Symétrisation.

On généralise la construction des entiers relatifs à partir des entiers naturels, en associant canoniquement à tout monoïde commutatif M = (S, +, 0) un groupe abélien G(M), appelé son groupe de Grothendieck, muni d'un morphisme de monoïdes de M dans G(M).

Le procédé de construction est appelé la symétrisation du monoïde. On considère pour cela la relation d'équivalence ∼ sur S × S définie par :

Le groupe G(M) a pour éléments les classes d'équivalence de ∼ et le morphisme naturel de M dans G(M) associe à tout élément x de S la classe de (x, 0). Ce morphisme est injectif si et seulement si M est simplifiable ; dans ce cas, la relation ∼ peut être décrite plus simplement :

Applications[modifier | modifier le code]

Le monoïde est un cadre propice pour définir les itérés d'un élément.

En informatique théorique, les monoïdes et plus particulièrement le monoïde libre sont parmi les structures les plus utilisées, notamment dans la théorie des codes et dans la théorie des langages.

Le terme "monoïde" a fait son entrée dans l'art contemporain dans la décennie 1970 avec le peintre Jean-Claude Bédard qui s'en justifie dans son livre Pour un art schématique : étude d'un monoïde graphique, Éditions de Beaune et Goutal-Darley, 1978.

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. Cette section est beaucoup plus détaillée dans le chapitre « Composé d'une séquence » de la leçon sur les monoïdes sur la Wikiversité.
  2. N. Bourbaki, Algèbre, chapitres 1 à 3, Springer, , ch. I, § 1, no 3, p. 4 et § 2, no 1, p. 13.
  3. Bourbaki 2007, ch. I, § 1, théor. 2, p. 8.
  4. Bourbaki 2007, ch. I, § 2, no 1, p. 13.
  5. (en) Arjeh M. Cohen, Hans Cuypers et Hans Sterk, Algebra Interactive!: Learning Algebra in an Exciting Way, Springer, (lire en ligne), p. 71.
  6. (en) Henri Bourlès et Bogdan Marinescu, Linear Time-Varying Systems: Algebraic-Analytic Approach, Springer, (lire en ligne), p. 30.
  7. a et b Pour une démonstration, voir par exemple le corrigé de l'exercice correspondant sur la Wikiversité.

Bibliographie[modifier | modifier le code]

(en) Alfred H. Clifford et Gordon B. Preston, The Algebraic Theory of Semigroups, vol. 1 (2e éd. 1964) et vol. 2 (réimpr. 1988), AMS