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Corrigé détaillé · Agrégation interne

Des congruences et de Bézout à la décomposition d’un anneau en coordonnées indépendantes · Congruences et PGCD · Anneaux Z/nZ et éléments inversibles · Diviseurs de zéro et idéaux · Théorème des restes chinois · Indicatrice d’Euler, idempotents et équations polynomiales

Anneaux Z/nZ, éléments inversibles et théorème des restes chinois

Après avoir cherché le sujet, comparez votre démarche avec cette correction et repérez les écarts de méthode, de précision ou de rédaction.

I — Multiplier modulo NN

(a) Pour a=5a=5, les valeurs successives de 5x5x modulo 1212, pour x=0,,11x=0,\ldots,11, sont

0,5,10,3,8,1,6,11,4,9,2,7.0,5,10,3,8,1,6,11,4,9,2,7.

Les douze restes apparaissent exactement une fois : T5T_5 est bijective.

(b) Pour a=8a=8,

8x0,8,4,0,8,4,(mod12).8x\equiv0,8,4,0,8,4,\ldots\pmod{12}.

L'image est {0,4,8}\{0,4,8\} et chacun de ces trois éléments possède quatre antécédents.

(c) On obtient

5x7(mod12)    x11(mod12),5x\equiv7\pmod{12}\iff x\equiv11\pmod{12}, 8x4(mod12)    x2,5,8,11(mod12),8x\equiv4\pmod{12}\iff x\equiv2,5,8,11\pmod{12},

tandis que 8x2(mod12)8x\equiv2\pmod{12} n'a aucune solution. La distinction suggérée est

PGCD(5,12)=1,PGCD(8,12)=4.\operatorname{PGCD}(5,12)=1,\qquad \operatorname{PGCD}(8,12)=4.

(a) Si PGCD(u,v)=1\operatorname{PGCD}(u,v)=1, Bézout fournit r,sZr,s\in\mathbb Z tels que ru+sv=1ru+sv=1. En multipliant par ww,

ruw+svw=w.ruw+svw=w.

Si vuwv\mid uw, alors vv divise les deux termes du membre de gauche ; donc vwv\mid w.

(b) Écrivons a=da0a=da_0 et N=dN0N=dN_0, avec PGCD(a0,N0)=1\operatorname{PGCD}(a_0,N_0)=1. Alors

axay(modN)    Na(xy)    dN0da0(xy)    N0a0(xy).\begin{aligned} ax\equiv ay\pmod N &\iff N\mid a(x-y)\\ &\iff dN_0\mid da_0(x-y)\\ &\iff N_0\mid a_0(x-y). \end{aligned}

D'après (a), ceci équivaut à N0xyN_0\mid x-y, soit

axay(modN)    xy(modN/d).\boxed{ax\equiv ay\pmod N\iff x\equiv y\pmod{N/d}.}

(c) Pour un xx fixé, les yy ayant la même image sont exactement ceux qui satisfont yx(modN/d)y\equiv x\pmod{N/d}. Modulo NN, ils sont représentés par

x,x+Nd,,x+(d1)Nd.x,\quad x+\frac Nd,\quad\ldots,\quad x+(d-1)\frac Nd.

Il y en a exactement dd. Ainsi TaT_a est injective, donc bijective sur un ensemble fini de cardinal NN, si et seulement si d=1d=1. Par conséquent

Ta est bijective    PGCD(a,N)=1.\boxed{T_a\text{ est bijective}\iff\operatorname{PGCD}(a,N)=1.}
  1. Supposons d'abord axb(modN)ax\equiv b\pmod N. Alors b=axkNb=ax-kN pour un certain kZk\in\mathbb Z ; tout diviseur commun de aa et NN divise donc bb. Ainsi dbd\mid b.

Réciproquement, si dbd\mid b, écrivons a=da0a=da_0, N=dN0N=dN_0, b=db0b=db_0, avec PGCD(a0,N0)=1\operatorname{PGCD}(a_0,N_0)=1. La congruence équivaut à

a0xb0(modN0).a_0x\equiv b_0\pmod{N_0}.

Bézout donne un inverse de a0a_0 modulo N0N_0, donc au moins une solution x0x_0.

Si xx est une autre solution, alors axax0(modN)ax\equiv ax_0\pmod N. La question 2 donne

xx0(modN/d).x\equiv x_0\pmod{N/d}.

Les solutions modulo NN sont donc exactement

x0+kNd,k=0,,d1.\boxed{x_0+k\frac Nd,\qquad k=0,\ldots,d-1.}

Il y en a dd.

  1. La congruence ax1(modN)ax\equiv1\pmod N admet une solution si et seulement si PGCD(a,N)1\operatorname{PGCD}(a,N)\mid1, donc si et seulement si PGCD(a,N)=1\operatorname{PGCD}(a,N)=1. Dans ce cas, la question 3 donne une unique solution modulo NN.

L'algorithme d'Euclide donne

101=2×37+27,37=27+10,27=2×10+7,10=7+3,7=2×3+1.\begin{aligned} 101&=2\times37+27,\\ 37&=27+10,\\ 27&=2\times10+7,\\ 10&=7+3,\\ 7&=2\times3+1. \end{aligned}

En remontant,

1=11×10130×37.1=11\times101-30\times37.

Ainsi 30-30 est un inverse de 3737 modulo 101101, soit

37171(mod101).37^{-1}\equiv71\pmod{101}.

Puis

x71×2317(mod101).x\equiv71\times23\equiv17\pmod{101}.

II — Les classes modulo NN

(a) La relation est réflexive puisque NaaN\mid a-a, symétrique puisque NabN\mid a-b implique NbaN\mid b-a, et transitive puisque NabN\mid a-b et NbcN\mid b-c impliquent NacN\mid a-c. C'est donc une relation d'équivalence.

(b) Pour tout aZa\in\mathbb Z, la division euclidienne donne a=qN+ra=qN+r avec 0r<N0\leqslant r<N. Donc ar(modN)a\equiv r\pmod N et a=r\overline a=\overline r.

Si r=s\overline r=\overline s avec 0r,s<N0\leqslant r,s<N, alors NrsN\mid r-s. Comme rs<N|r-s|<N, on a r=sr=s. Il y a donc exactement NN classes.

(a) Si aa(modN)a\equiv a'\pmod N et bb(modN)b\equiv b'\pmod N, alors

(a+b)(a+b)=(aa)+(bb)(a+b)-(a'+b')=(a-a')+(b-b')

est divisible par NN, donc a+b=a+b\overline{a+b}=\overline{a'+b'}. De plus

abab=a(bb)+b(aa)ab-a'b'=a(b-b')+b'(a-a')

est divisible par NN, donc ab=ab\overline{ab}=\overline{a'b'}. Les deux classes sont donc indépendantes des représentants choisis, et les deux lois sont bien définies sur Z/NZ\mathbb Z/N\mathbb Z.

(b) Les propriétés d'associativité, de commutativité et de distributivité sont héritées de celles des entiers. Les éléments neutres sont 0\overline0 et 1\overline1, et l'opposé de a\overline a est a\overline{-a}. Ainsi Z/NZ\mathbb Z/N\mathbb Z est un anneau commutatif unitaire.

(a) Si a=a+kNa'=a+kN, les diviseurs communs de aa' et NN sont exactement les diviseurs communs de aa et NN. Donc PGCD(a,N)=PGCD(a,N)\operatorname{PGCD}(a',N)=\operatorname{PGCD}(a,N).

(b) La classe a\overline a est inversible si et seulement s'il existe bb tel que ab1(modN)ab\equiv1\pmod N. Par la question 4,

a(Z/NZ)×    PGCD(a,N)=1.\boxed{\overline a\in(\mathbb Z/N\mathbb Z)^\times\iff\operatorname{PGCD}(a,N)=1.}

(c) 1\overline1 est inversible. Si uu et vv sont inversibles, alors uvuv l'est, d'inverse v1u1v^{-1}u^{-1}. L'inverse d'un élément inversible est lui-même inversible et l'associativité est héritée de l'anneau. Ainsi (Z/NZ)×(\mathbb Z/N\mathbb Z)^\times est un groupe multiplicatif.

(a) Soit a0\overline a\neq\overline0 et d=PGCD(a,N)>1d=\operatorname{PGCD}(a,N)>1. Comme NaN\nmid a, on a d<Nd<N. La classe de b=N/db=N/d est donc non nulle et

ab=aNd=adN,ab=a\frac Nd=\frac ad\,N,

donc ab=0\overline a\,\overline b=0. Ainsi a\overline a est un diviseur de zéro.

Réciproquement, si ab=0\overline a\,\overline b=0 avec b0\overline b\neq0 et si PGCD(a,N)=1\operatorname{PGCD}(a,N)=1, alors a\overline a est inversible. En multipliant par son inverse, on obtiendrait b=0\overline b=0, contradiction. Ainsi

a0(a diviseur de zeˊro    PGCD(a,N)>1).\boxed{\overline a\neq0\Longrightarrow\bigl(\overline a\text{ diviseur de zéro}\iff\operatorname{PGCD}(a,N)>1\bigr).}

(b) Si NN est premier, tout entier a{1,,N1}a\in\{1,\ldots,N-1\} est premier avec NN ; toute classe non nulle est donc inversible. Un élément inversible ne pouvant être un diviseur de zéro, il n'existe alors aucun diviseur de zéro non nul.

Si NN est composé, écrivons N=rsN=rs avec 1<r,s<N1<r,s<N. Alors r\overline r et s\overline s sont non nulles et rs=0\overline r\,\overline s=\overline0 : il existe donc un diviseur de zéro non nul. De plus PGCD(r,N)=r>1\operatorname{PGCD}(r,N)=r>1, si bien que r\overline r n'est pas inversible d'après la question 7. Les trois propriétés proposées sont ainsi équivalentes. En particulier,

Z/NZ est un corps    N est premier.\boxed{\mathbb Z/N\mathbb Z\text{ est un corps}\iff N\text{ est premier}.}

III — Réductions naturelles et idéaux

(a) La formule [x]r[x]s[x]_r\mapsto[x]_s définit une application si [x]r=[y]r[x]_r=[y]_r implique [x]s=[y]s[x]_s=[y]_s, c'est-à-dire si rxyr\mid x-y implique sxys\mid x-y pour tous x,yx,y. C'est vrai lorsque srs\mid r.

Réciproquement, si l'application est bien définie, [0]r=[r]r[0]_r=[r]_r doit donner [0]s=[r]s[0]_s=[r]_s, donc srs\mid r. Ainsi

ρr,s est bien deˊfinie    sr.\boxed{\rho_{r,s}\text{ est bien définie}\iff s\mid r.}

(b) Lorsque srs\mid r, pour toutes classes [x]r,[y]r[x]_r,[y]_r,

ρr,s([x]r+[y]r)=[x+y]s=[x]s+[y]s,\rho_{r,s}([x]_r+[y]_r)=[x+y]_s=[x]_s+[y]_s, ρr,s([x]r[y]r)=[xy]s=[x]s[y]s.\rho_{r,s}([x]_r[y]_r)=[xy]_s=[x]_s[y]_s.

De plus ρr,s([0]r)=[0]s\rho_{r,s}([0]_r)=[0]_s et ρr,s([1]r)=[1]s\rho_{r,s}([1]_r)=[1]_s. Ainsi ρr,s\rho_{r,s} est un morphisme d'anneaux. Enfin, toute classe [y]s[y]_s est l'image de [y]r[y]_r : le morphisme est surjectif.

(c) On a

[x]rkerρr,s    [x]s=0    sx.[x]_r\in\ker\rho_{r,s}\iff [x]_s=0\iff s\mid x.

Si r=qsr=qs, le noyau est

{[0]r,[s]r,,[(q1)s]r}.\{[0]_r,[s]_r,\ldots,[(q-1)s]_r\}.

Ces qq classes sont distinctes : si [is]r=[js]r[is]_r=[js]_r avec 0i,j<q0\leqslant i,j<q, alors qs(ij)sqs\mid(i-j)s, donc qijq\mid i-j, ce qui impose i=ji=j. D'où

kerρr,s=rs.\boxed{|\ker\rho_{r,s}|=\frac rs.}
  1. Fixons N2N\geqslant2. (a) Pour un morphisme f:ABf:A\to B, on a f(0)=0f(0)=0. Si x,ykerfx,y\in\ker f, alors f(xy)=f(x)f(y)=0f(x-y)=f(x)-f(y)=0. Enfin, pour aAa\in A et xkerfx\in\ker f, f(ax)=f(a)f(x)=0f(ax)=f(a)f(x)=0. Le noyau est donc un idéal.

(b) Comme dNd\mid N, ρN,d\rho_{N,d} est définie et

kerρN,d={[x]Ndx}=Id.\ker\rho_{N,d}=\{[x]_N\mid d\mid x\}=I_d.

(c) Soit II un idéal. Si I={0}I=\{0\}, alors I=INI=I_N. Supposons I{0}I\neq\{0\} et choisissons le plus petit entier d{1,,N1}d\in\{1,\ldots,N-1\} tel que [d]NI[d]_N\in I.

Écrivons N=qd+rN=qd+r avec 0r<d0\leqslant r<d. Dans Z/NZ\mathbb Z/N\mathbb Z,

[r]N=[N]Nq[d]N=q[d]NI.[r]_N=[N]_N-q[d]_N=-q[d]_N\in I.

La minimalité de dd impose r=0r=0, donc dNd\mid N.

Si [a]NI[a]_N\in I avec 0a<N0\leqslant a<N, écrivons a=qd+ra=qd+r avec 0r<d0\leqslant r<d. Alors [r]N=[a]Nq[d]NI[r]_N=[a]_N-q[d]_N\in I, donc r=0r=0. Ainsi dad\mid a et IIdI\subset I_d.

Réciproquement, [d]NI[d]_N\in I et la stabilité par multiplication donne [kd]NI[kd]_N\in I pour tout kk, donc IdII_d\subset I. Finalement

{ideˊaux de Z/NZ}={Id:dN, d>0}.\boxed{\{\text{idéaux de }\mathbb Z/N\mathbb Z\}=\{I_d:d\mid N,\ d>0\}.}

L'unicité de dd découle du choix du plus petit représentant positif, avec le cas IN={0}I_N=\{0\} séparé.

IV — Deux congruences à la fois

(a) Si [x]mn=[y]mn[x]_{mn}=[y]_{mn}, alors mnxymn\mid x-y. En particulier mxym\mid x-y et nxyn\mid x-y, donc

[x]m=[y]m,[x]n=[y]n.[x]_m=[y]_m,\qquad [x]_n=[y]_n.

La valeur de Φm,n([x]mn)\Phi_{m,n}([x]_{mn}) ne dépend donc pas du représentant choisi.

Vérifions ensuite les opérations. Pour x,yZx,y\in\mathbb Z,

Φm,n([x]mn+[y]mn)=Φm,n([x+y]mn)=([x+y]m,[x+y]n)=([x]m+[y]m,[x]n+[y]n)=Φm,n([x]mn)+Φm,n([y]mn),\begin{aligned} \Phi_{m,n}([x]_{mn}+[y]_{mn}) &=\Phi_{m,n}([x+y]_{mn})\\ &=([x+y]_m,[x+y]_n)\\ &=([x]_m+[y]_m,[x]_n+[y]_n)\\ &=\Phi_{m,n}([x]_{mn})+\Phi_{m,n}([y]_{mn}), \end{aligned}

et

Φm,n([x]mn[y]mn)=Φm,n([xy]mn)=([xy]m,[xy]n)=([x]m[y]m,[x]n[y]n)=Φm,n([x]mn)Φm,n([y]mn).\begin{aligned} \Phi_{m,n}([x]_{mn}[y]_{mn}) &=\Phi_{m,n}([xy]_{mn})\\ &=([xy]_m,[xy]_n)\\ &=([x]_m[y]_m,[x]_n[y]_n)\\ &=\Phi_{m,n}([x]_{mn})\Phi_{m,n}([y]_{mn}). \end{aligned}

Enfin Φm,n(0)=(0,0)\Phi_{m,n}(0)=(0,0) et Φm,n(1)=(1,1)\Phi_{m,n}(1)=(1,1). Ainsi Φm,n\Phi_{m,n} est un morphisme d'anneaux.

(b) Posons =PPCM(m,n)\ell=\operatorname{PPCM}(m,n). On a

[x]mnkerΦm,n    mx et nx    x.[x]_{mn}\in\ker\Phi_{m,n} \iff m\mid x\text{ et }n\mid x \iff \ell\mid x.

Le noyau est donc constitué exactement des classes [k]mn[k\ell]_{mn}, avec kZk\in\mathbb Z. Il y a mn/mn/\ell telles classes distinctes. La relation classique

PGCD(m,n)PPCM(m,n)=mn\operatorname{PGCD}(m,n)\operatorname{PPCM}(m,n)=mn

donne donc

kerΦm,n=PGCD(m,n).\boxed{|\ker\Phi_{m,n}|=\operatorname{PGCD}(m,n).}

(c) Pour un morphisme d'anneaux ff, l'égalité f(x)=f(y)f(x)=f(y) équivaut à f(xy)=0f(x-y)=0. Ainsi ff est injectif si et seulement si kerf={0}\ker f=\{0\}. D'après (b),

Φm,n injective    PGCD(m,n)=1.\boxed{\Phi_{m,n}\text{ injective}\iff\operatorname{PGCD}(m,n)=1.}

(a) Comme PGCD(m,n)=1\operatorname{PGCD}(m,n)=1, le théorème de Bézout assure l'existence de u,vZu,v\in\mathbb Z tels que

um+vn=1.um+vn=1.

Fixons désormais un tel couple et les éléments em=[vn]mne_m=[vn]_{mn} et en=[um]mne_n=[um]_{mn}.

(b) L'identité de Bézout donne vn1(modm)vn\equiv1\pmod m et vn0(modn)vn\equiv0\pmod n, donc

Φm,n(em)=(1,0).\Phi_{m,n}(e_m)=(1,0).

De même,

Φm,n(en)=(0,1).\Phi_{m,n}(e_n)=(0,1).

(c) Pour tous a,bZa,b\in\mathbb Z, on identifie dans Z/mnZ\mathbb Z/mn\mathbb Z l'entier aa à sa classe [a]mn[a]_{mn}, et de même pour bb. Le caractère multiplicatif et additif de Φm,n\Phi_{m,n} donne alors

Φm,n([a]mnem+[b]mnen)=([a]m,[a]n)Φm,n(em)+([b]m,[b]n)Φm,n(en)=([a]m,[a]n)(1,0)+([b]m,[b]n)(0,1)=([a]m,0)+(0,[b]n)=([a]m,[b]n).\begin{aligned} \Phi_{m,n}([a]_{mn}e_m+[b]_{mn}e_n) &=([a]_m,[a]_n)\Phi_{m,n}(e_m)+([b]_m,[b]_n)\Phi_{m,n}(e_n)\\ &=([a]_m,[a]_n)(1,0)+([b]_m,[b]_n)(0,1)\\ &=([a]_m,0)+(0,[b]_n)\\ &=([a]_m,[b]_n). \end{aligned}

Or

[a]mnem+[b]mnen=[avn+bum]mn.[a]_{mn}e_m+[b]_{mn}e_n=[avn+bum]_{mn}.

Ainsi la classe [avn+bum]mn[avn+bum]_{mn} a bien pour image ([a]m,[b]n)([a]_m,[b]_n).

(d) La question (c) montre que Φm,n\Phi_{m,n} est surjective. Comme PGCD(m,n)=1\operatorname{PGCD}(m,n)=1, la question 11 donne son injectivité. Donc

Z/mnZZ/mZ×Z/nZ.\boxed{\mathbb Z/mn\mathbb Z\simeq\mathbb Z/m\mathbb Z\times\mathbb Z/n\mathbb Z.}

(e) On a d'abord

em+en=[vn+um]mn=1,emen=[uvmn]mn=0.e_m+e_n=[vn+um]_{mn}=1, \qquad e_me_n=[uvmn]_{mn}=0.

Puis 1em=en1-e_m=e_n, donc em(1em)=emen=0e_m(1-e_m)=e_me_n=0 et ainsi em2=eme_m^2=e_m. De même, en2=ene_n^2=e_n.

Si Φm,n(x)=(xm,xn)\Phi_{m,n}(x)=(x_m,x_n), alors

Φm,n(xem)=Φm,n(x)Φm,n(em)=(xm,xn)(1,0)=(xm,0),\Phi_{m,n}(xe_m)=\Phi_{m,n}(x)\Phi_{m,n}(e_m)=(x_m,x_n)(1,0)=(x_m,0),

et de même

Φm,n(xen)=(xm,xn)(0,1)=(0,xn).\Phi_{m,n}(xe_n)=(x_m,x_n)(0,1)=(0,x_n).

Les deux idempotents isolent donc les deux composantes de xx.

  1. Posons d=PGCD(m,n)d=\operatorname{PGCD}(m,n) et =PPCM(m,n)\ell=\operatorname{PPCM}(m,n). (a) S'il existe xx tel que xa(modm)x\equiv a\pmod m et xb(modn)x\equiv b\pmod n, alors, puisque dd divise mm et nn, on a ab(modd)a\equiv b\pmod d.

Réciproquement, supposons dbad\mid b-a et écrivons m=dmm=dm', n=dnn=dn', avec PGCD(m,n)=1\operatorname{PGCD}(m',n')=1. Cherchons x=a+mtx=a+mt. La seconde congruence devient

mtbad(modn).m't\equiv\frac{b-a}{d}\pmod{n'}.

Comme PGCD(m,n)=1\operatorname{PGCD}(m',n')=1, la question 7 montre que [m]n[m']_{n'} est inversible. Si cc est un inverse de mm' modulo nn', on peut prendre par exemple

tcbad(modn).t\equiv c\,\frac{b-a}{d}\pmod{n'}.

Il existe donc bien un entier tt satisfaisant la congruence, et x=a+mtx=a+mt fournit une solution du système. Ainsi

([a]m,[b]n)ImΦm,n    ab(modd).\boxed{([a]_m,[b]_n)\in\operatorname{Im}\Phi_{m,n}\iff a\equiv b\pmod d.}

Cette condition est bien indépendante des représentants : si l'on remplace aa par a+kma+km, alors dmd\mid m donne a+kma(modd)a+km\equiv a\pmod d ; de même b+qnb(modd)b+qn\equiv b\pmod d puisque dnd\mid n.

(b) Si xx et yy sont deux solutions, mm et nn divisent xyx-y, donc =PPCM(m,n)\ell=\operatorname{PPCM}(m,n) divise xyx-y. Réciproquement, si x0x_0 est une solution, alors x0+kx_0+k\ell reste congru à x0x_0 modulo mm et modulo nn pour tout kZk\in\mathbb Z. Les solutions sont donc exactement les entiers

xx0(mod).x\equiv x_0\pmod\ell.

Modulo mnmn, les classes de solutions sont

[x0]mn, [x0+]mn,,[x0+(d1)]mn,[x_0]_{mn},\ [x_0+\ell]_{mn},\ldots,[x_0+(d-1)\ell]_{mn},

puisque mn=dmn=d\ell. Elles sont distinctes et la suivante, obtenue pour k=dk=d, revient à [x0]mn[x_0]_{mn}. Il y a donc exactement dd classes de solutions modulo mnmn.

(c) Si d=1d=1, toute paire est compatible et la solution est unique modulo mnmn : Φm,n\Phi_{m,n} est un isomorphisme. Si d>1d>1, le couple ([0]m,[1]n)([0]_m,[1]_n) n'est pas compatible modulo dd, donc Φm,n\Phi_{m,n} n'est pas surjective. Ainsi

Φm,n est un isomorphisme    PGCD(m,n)=1.\boxed{\Phi_{m,n}\text{ est un isomorphisme}\iff\operatorname{PGCD}(m,n)=1.}

(d) Pour m=4m=4 et n=6n=6, d=2d=2. Le système x0(mod4)x\equiv0\pmod4, x1(mod6)x\equiv1\pmod6 imposerait à la fois x0(mod2)x\equiv0\pmod2 et x1(mod2)x\equiv1\pmod2 : il est impossible.

Pour

x1(mod4),x3(mod6),x\equiv1\pmod4,\qquad x\equiv3\pmod6,

les deux restes sont congrus modulo 22. On vérifie que x=9x=9 convient. Les solutions vérifient x9(mod12)x\equiv9\pmod{12}. Modulo 2424, on obtient exactement

[9]24et[21]24.\boxed{[9]_{24}\quad\text{et}\quad[21]_{24}.}

V — Lire des propriétés dans la décomposition

  1. Fixons N2N\geqslant2. (a) Si (a,b)(a,b) est inversible dans A×BA\times B, il existe (c,d)(c,d) tel que
(a,b)(c,d)=(ac,bd)=(1A,1B).(a,b)(c,d)=(ac,bd)=(1_A,1_B).

Ainsi ac=1Aac=1_A et bd=1Bbd=1_B : aa et bb sont inversibles. Réciproquement, si a1a^{-1} et b1b^{-1} existent, alors

(a,b)(a1,b1)=(1A,1B),(a,b)(a^{-1},b^{-1})=(1_A,1_B),

donc (a,b)(a,b) est inversible, d'inverse (a1,b1)(a^{-1},b^{-1}).

(b) Supposons PGCD(m,n)=1\operatorname{PGCD}(m,n)=1. D'après la question 12, Φm,n\Phi_{m,n} est un isomorphisme. Si xx est inversible dans Z/mnZ\mathbb Z/mn\mathbb Z, avec inverse yy, alors

Φm,n(x)Φm,n(y)=Φm,n(xy)=Φm,n(1)=(1,1),\Phi_{m,n}(x)\,\Phi_{m,n}(y)=\Phi_{m,n}(xy)=\Phi_{m,n}(1)=(1,1),

donc Φm,n(x)\Phi_{m,n}(x) est inversible dans le produit. Réciproquement, si Φm,n(x)\Phi_{m,n}(x) est inversible, son inverse possède un unique antécédent yy par la bijectivité de Φm,n\Phi_{m,n} ; alors

Φm,n(xy)=Φm,n(x)Φm,n(y)=(1,1)=Φm,n(1).\Phi_{m,n}(xy)=\Phi_{m,n}(x)\Phi_{m,n}(y)=(1,1)=\Phi_{m,n}(1).

L'injectivité de Φm,n\Phi_{m,n} donne xy=1xy=1, donc xx est inversible.

La question 14(a) identifie les unités du produit aux couples d'unités. La restriction de Φm,n\Phi_{m,n} donne donc une bijection compatible avec la multiplication

(Z/mnZ)×(Z/mZ)××(Z/nZ)×.(\mathbb Z/mn\mathbb Z)^\times\simeq(\mathbb Z/m\mathbb Z)^\times\times(\mathbb Z/n\mathbb Z)^\times.

En prenant les cardinaux,

φ(mn)=φ(m)φ(n).\boxed{\varphi(mn)=\varphi(m)\varphi(n).}

(c) Dans Z/pαZ\mathbb Z/p^\alpha\mathbb Z, les classes non inversibles sont exactement celles représentées par un multiple de pp. Parmi 0,1,,pα10,1,\ldots,p^\alpha-1, il y en a pα1p^{\alpha-1}. Ainsi

φ(pα)=pαpα1.\boxed{\varphi(p^\alpha)=p^\alpha-p^{\alpha-1}.}

(d) Si N=i=1rpiαiN=\prod_{i=1}^r p_i^{\alpha_i} est sa décomposition en facteurs premiers, les facteurs piαip_i^{\alpha_i} sont deux à deux premiers entre eux. Par multiplicativité,

φ(N)=i=1r(piαipiαi1)=Ni=1r(11pi).\varphi(N)=\prod_{i=1}^r\left(p_i^{\alpha_i}-p_i^{\alpha_i-1}\right) =N\prod_{i=1}^r\left(1-\frac1{p_i}\right).

Donc

φ(N)=Ni=1r(11pi).\boxed{\varphi(N)=N\prod_{i=1}^r\left(1-\frac1{p_i}\right).}

(a) Le cas de deux facteurs est la question 12. Si le résultat est établi pour r1r-1 facteurs, alors n1nr1n_1\cdots n_{r-1} est premier avec nrn_r, et le théorème des restes chinois donne

Z/(n1nr)ZZ/(n1nr1)Z×Z/nrZ.\mathbb Z/(n_1\cdots n_r)\mathbb Z\simeq\mathbb Z/(n_1\cdots n_{r-1})\mathbb Z\times\mathbb Z/n_r\mathbb Z.

Par l'hypothèse de récurrence,

Z/(n1nr1)Zi=1r1Z/niZ.\mathbb Z/(n_1\cdots n_{r-1})\mathbb Z\simeq\prod_{i=1}^{r-1}\mathbb Z/n_i\mathbb Z.

En remplaçant le premier facteur par ce produit dans l'isomorphisme précédent, on obtient

Z/(n1nr)Zi=1rZ/niZ.\mathbb Z/(n_1\cdots n_r)\mathbb Z\simeq\prod_{i=1}^{r}\mathbb Z/n_i\mathbb Z.

(b) Soit e=[a]pαe=[a]_{p^\alpha} idempotent. L'égalité e2=ee^2=e s'écrit

e(e1)=0.e(e-1)=0.

Si pap\nmid a, alors PGCD(a,pα)=1\operatorname{PGCD}(a,p^\alpha)=1 ; la question 7 montre que ee est inversible. En multipliant e(e1)=0e(e-1)=0 par e1e^{-1}, on obtient e1=0e-1=0, donc e=1e=1.

Si pap\mid a, alors pa1p\nmid a-1, donc PGCD(a1,pα)=1\operatorname{PGCD}(a-1,p^\alpha)=1 et e1e-1 est inversible. En multipliant cette fois e(e1)=0e(e-1)=0 par (e1)1(e-1)^{-1}, on obtient e=0e=0. Les seuls idempotents sont donc 00 et 11.

(c) Dans la décomposition

Z/NZi=1rZ/piαiZ,\mathbb Z/N\mathbb Z\simeq\prod_{i=1}^r\mathbb Z/p_i^{\alpha_i}\mathbb Z,

un élément est idempotent si et seulement si chaque composante l'est. Chacune offre deux choix, 00 ou 11. Il y a donc

2r\boxed{2^r}

idempotents.

(d) Comme 60=4×3×560=4\times3\times5,

Z/60ZZ/4Z×Z/3Z×Z/5Z.\mathbb Z/60\mathbb Z\simeq\mathbb Z/4\mathbb Z\times\mathbb Z/3\mathbb Z\times\mathbb Z/5\mathbb Z.

Cherchons les trois idempotents qui sélectionnent une seule coordonnée. On vérifie directement

451(mod4),450(mod3),450(mod5),45\equiv1\pmod4,\quad45\equiv0\pmod3,\quad45\equiv0\pmod5, 400(mod4),401(mod3),400(mod5),40\equiv0\pmod4,\quad40\equiv1\pmod3,\quad40\equiv0\pmod5, 360(mod4),360(mod3),361(mod5).36\equiv0\pmod4,\quad36\equiv0\pmod3,\quad36\equiv1\pmod5.

Les classes [45]60[45]_{60}, [40]60[40]_{60} et [36]60[36]_{60} correspondent donc respectivement à (1,0,0)(1,0,0), (0,1,0)(0,1,0) et (0,0,1)(0,0,1).

Dans le produit, un idempotent est un triplet dont chaque coordonnée vaut 00 ou 11. Il s'obtient donc en additionnant une sous-famille de ces trois sélecteurs. Les huit sommes, réduites modulo 6060, sont

0,1,16,21,25,36,40,45(mod60).\boxed{0,1,16,21,25,36,40,45\pmod{60}.}

(a) Écrivons

P(X)=a0+a1X++arXr,a0,,arZ.P(X)=a_0+a_1X+\cdots+a_rX^r,\qquad a_0,\ldots,a_r\in\mathbb Z.

Soit xZ/mnZx\in\mathbb Z/mn\mathbb Z et supposons

Φm,n(x)=(xm,xn).\Phi_{m,n}(x)=(x_m,x_n).

Dans Z/mnZ\mathbb Z/mn\mathbb Z, la définition donnée dans l'énoncé s'écrit

P(x)=[a0]mn+[a1]mnx++[ar]mnxr.P(x)=[a_0]_{mn}+[a_1]_{mn}x+\cdots+[a_r]_{mn}x^r.

Comme Φm,n\Phi_{m,n} est un morphisme d'anneaux, il préserve les sommes et les produits. Par récurrence sur kk,

Φm,n(xk)=Φm,n(x)k=(xmk,xnk).\Phi_{m,n}(x^k)=\Phi_{m,n}(x)^k=(x_m^k,x_n^k).

De plus, pour tout entier aa, la classe de aa dans Z/mnZ\mathbb Z/mn\mathbb Z est envoyée sur ([a]m,[a]n)([a]_m,[a]_n). Par conséquent

Φm,n(P(x))=Φm,n([a0]mn+[a1]mnx++[ar]mnxr)=([a0]m,[a0]n)+([a1]m,[a1]n)(xm,xn)++([ar]m,[ar]n)(xmr,xnr)=(k=0r[ak]mxmk,  k=0r[ak]nxnk)=(P(xm),P(xn)).\begin{aligned} \Phi_{m,n}(P(x)) &=\Phi_{m,n}([a_0]_{mn}+[a_1]_{mn}x+\cdots+[a_r]_{mn}x^r)\\ &=([a_0]_m,[a_0]_n)+([a_1]_m,[a_1]_n)(x_m,x_n)+\cdots\\ &\qquad+([a_r]_m,[a_r]_n)(x_m^r,x_n^r)\\ &=\left(\sum_{k=0}^r[a_k]_m x_m^k,\;\sum_{k=0}^r[a_k]_n x_n^k\right)\\ &=(P(x_m),P(x_n)). \end{aligned}

Ainsi

Φm,n(P(x))=(P(xm),P(xn)).\boxed{\Phi_{m,n}(P(x))=(P(x_m),P(x_n)).}

Supposons maintenant PGCD(m,n)=1\operatorname{PGCD}(m,n)=1. Comme Φm,n\Phi_{m,n} est alors bijective,

P(x)=0    Φm,n(P(x))=(0,0)    P(xm)=0 et P(xn)=0.P(x)=0 \iff \Phi_{m,n}(P(x))=(0,0) \iff P(x_m)=0\text{ et }P(x_n)=0.

À toute racine xx modulo mnmn correspond donc un couple de racines (xm,xn)(x_m,x_n). Réciproquement, tout couple de racines possède, par le théorème des restes chinois, un unique antécédent xx modulo mnmn, et l'égalité précédente impose alors P(x)=0P(x)=0. On obtient bien une bijection entre les deux ensembles de racines.

(b) Posons N=n1nrN=n_1\cdots n_r et considérons

Ψ:Z/NZi=1rZ/niZ,Ψ([x]N)=([x]n1,,[x]nr).\Psi:\mathbb Z/N\mathbb Z\longrightarrow\prod_{i=1}^r\mathbb Z/n_i\mathbb Z, \qquad \Psi([x]_N)=([x]_{n_1},\ldots,[x]_{n_r}).

La question 15(a) affirme que Ψ\Psi est un isomorphisme lorsque les nin_i sont deux à deux premiers entre eux. Le même calcul qu'en (a), effectué composante par composante, donne

Ψ(P(x))=(P(x1),,P(xr))\Psi(P(x))=(P(x_1),\ldots,P(x_r))

dès que Ψ(x)=(x1,,xr)\Psi(x)=(x_1,\ldots,x_r). Par bijectivité de Ψ\Psi,

P(x)=0    P(xi)=0pour tout i{1,,r}.P(x)=0\iff P(x_i)=0\quad\text{pour tout }i\in\{1,\ldots,r\}.

Ainsi

{xZ/NZ:P(x)=0}i=1r{xiZ/niZ:P(xi)=0}.\boxed{ \{x\in\mathbb Z/N\mathbb Z:P(x)=0\} \simeq \prod_{i=1}^{r}\{x_i\in\mathbb Z/n_i\mathbb Z:P(x_i)=0\}. }

(c) Comme 105=3×5×7105=3\times5\times7, la question (b) permet de résoudre séparément l'équation modulo 33, 55 et 77. Dans chacun des trois corps Z/pZ\mathbb Z/p\mathbb Z,

x2=1    x21=0    (x1)(x+1)=0.x^2=1\iff x^2-1=0\iff(x-1)(x+1)=0.

Un corps n'ayant pas de diviseur de zéro, on obtient nécessairement x=1x=1 ou x=1x=-1. Il y a donc 2×2×2=82\times2\times2=8 triplets de solutions, donc huit solutions modulo 105105.

Pour reconstruire explicitement ces huit classes, cherchons les sélecteurs des trois coordonnées. On vérifie

701(mod3),700(mod5),700(mod7),70\equiv1\pmod3,\quad70\equiv0\pmod5,\quad70\equiv0\pmod7, 210(mod3),211(mod5),210(mod7),21\equiv0\pmod3,\quad21\equiv1\pmod5,\quad21\equiv0\pmod7, 150(mod3),150(mod5),151(mod7).15\equiv0\pmod3,\quad15\equiv0\pmod5,\quad15\equiv1\pmod7.

Ainsi le triplet (ε3,ε5,ε7)(\varepsilon_3,\varepsilon_5,\varepsilon_7), avec chaque εp{1,1}\varepsilon_p\in\{-1,1\}, correspond à la classe

x70ε3+21ε5+15ε7(mod105).x\equiv70\varepsilon_3+21\varepsilon_5+15\varepsilon_7\pmod{105}.

En évaluant les huit choix de signes puis en réduisant modulo 105105, on obtient

x1,29,34,41,64,71,76,104(mod105).\boxed{x\equiv1,29,34,41,64,71,76,104\pmod{105}.}

La décomposition fournie par le théorème des restes chinois ne sert pas seulement à résoudre simultanément plusieurs congruences : elle transporte les opérations et donc les équations polynomiales vers un produit d'anneaux plus simples. Lorsque les facteurs sont premiers, ces anneaux sont des corps Z/pZ\mathbb Z/p\mathbb Z, ce qui ouvre naturellement l'étude des phénomènes polynomiaux propres à la caractéristique pp.