QCM : Extensions et corps finis en L3 de maths

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Ce QCM extensions L3 contrôle les réflexes de base sur les extensions de corps. Il commence par la caractéristique et le sous-corps premier, puis il fait calculer des degrés par la base télescopique et chercher des polynômes minimaux. Il distingue ensuite corps de rupture et corps de décomposition, avant d’appliquer ces outils à un problème grec de construction. La dernière partie porte sur les corps finis : cardinal, construction par quotient, sous-corps et groupe multiplicatif.

Traite les douze questions sans le cours, en gardant un brouillon pour tester l’irréductibilité des polynômes. Puis lis chaque explication, y compris quand ta réponse est bonne. En effet, chacune rappelle l’argument décisif et décrit l’erreur qui mène à chaque piège, souvent une confusion entre degré et cardinal ou une hypothèse d’irréductibilité oubliée.

Les 12 questions

Question 1

Parmi ces entiers, lequel peut être la caractéristique d’un corps ?

  1. \(6\)
  2. \(9\)
  3. \(1\)
  4. \(7\)

Réponse D.

Si la caractéristique valait \(n=ab\) avec \(1<a,b<n\), on aurait \((a\cdot 1)(b\cdot 1)=0\) avec deux facteurs non nuls. Or un corps est intègre, donc la caractéristique est nulle ou première. Ainsi, 6 et 9 sont exclus ; le piège 9 vient de l’idée, fausse, qu’une puissance de premier conviendrait. Enfin, la valeur 1 imposerait \(1=0\).

Question 2

Quel est le sous-corps premier du corps fini \(\mathbb{F}_{81}\) ?

  1. \(\mathbb{F}_3\)
  2. \(\mathbb{F}_9\)
  3. \(\mathbb{F}_{81}\) lui-même
  4. \(\mathbb{Z}/81\mathbb{Z}\)

Réponse A.

Le sous-corps premier est le plus petit sous-corps, engendré par 1. Comme \(81=3^4\), la caractéristique vaut 3, donc ce sous-corps est \(\mathbb{F}_3\). Certes, \(\mathbb{F}_9\) est aussi un sous-corps, puisque 2 divise 4, mais il n’est pas minimal. Quant à \(\mathbb{Z}/81\mathbb{Z}\), ce n’est même pas un corps : la classe de 3 n’y est pas inversible.

Question 3

Quel est le degré de l’extension \(\mathbb{Q}(i,\sqrt[5]{2})\) sur \(\mathbb{Q}\) ?

  1. \(7\)
  2. \(5\)
  3. \(10\)
  4. \(20\)

Réponse C.

Le nombre \(i\) est de degré 2 et \(\sqrt[5]{2}\) de degré 5, car \(X^5-2\) est irréductible par Eisenstein. Par la base télescopique, 2 et 5 divisent le degré cherché, qui vaut au plus \(2\times 5\). Comme 2 et 5 sont premiers entre eux, le degré est 10. Additionner les degrés donne 7, ce qui confond dimension et nombre de générateurs.

Question 4

Quel est le polynôme minimal sur \(\mathbb{Q}\) de \(\alpha=1+\sqrt[3]{2}\) ?

  1. \(X^3+3X^2+3X-1\)
  2. \(X^3-3X^2+3X-3\)
  3. \(X^3-3X^2+3X+1\)
  4. \(X^3-2\)

Réponse B.

On a \((\alpha-1)^3=2\), donc \(\alpha\) annule \((X-1)^3-2=X^3-3X^2+3X-3\). Ce polynôme unitaire est irréductible, d’après le critère d’Eisenstein en 3. Le piège \(X^3+3X^2+3X-1\) développe \((X+1)^3-2\), avec une erreur de signe. Le piège \(X^3-3X^2+3X+1\) écrit \((X-1)^3+2\). Enfin, \(X^3-2\) annule \(\sqrt[3]{2}\), mais pas \(\alpha\).

Question 5

Parmi ces nombres réels ou complexes, lequel est transcendant sur \(\mathbb{Q}\) ?

  1. \(\sqrt{2}+\sqrt{5}\)
  2. \(\pi\)
  3. \(e^{i\pi/7}\)
  4. \(\cos(2\pi/9)\)

Réponse B.

Les nombres algébriques forment un corps : par conséquent, \(\sqrt{2}+\sqrt{5}\) est algébrique. De plus, \(e^{i\pi/7}\) annule \(X^{14}-1\), donc il est algébrique, et \(\cos(2\pi/9)\) l’est aussi, comme demi-somme de deux racines de l’unité. Seul \(\pi\) est transcendant (Lindemann). Le piège consiste à croire qu’un nombre écrit avec \(\pi\) est forcément transcendant.

Question 6

Soit \(N\) le corps de décomposition de \(X^3-5\) sur \(\mathbb{Q}\). Que vaut le degré \([N:\mathbb{Q}]\) ?

  1. \(6\)
  2. \(3\)
  3. \(9\)
  4. \(2\)

Réponse A.

Les racines sont \(\sqrt[3]{5}\), \(j\sqrt[3]{5}\) et \(j^2\sqrt[3]{5}\), donc \(N=\mathbb{Q}(\sqrt[3]{5},j)\). Le corps de rupture \(\mathbb{Q}(\sqrt[3]{5})\) est de degré 3, mais il est réel ; il ne contient donc pas \(j\), qui est de degré 2. Ainsi, \([N:\mathbb{Q}]=6\). Répondre 3 confond rupture et décomposition. La réponse 9 multiplie à tort trois fois par 3.

Question 7

On sait que \(c=\cos(\pi/9)\) vérifie \(8c^3-6c-1=0\). Pourquoi l’angle \(\pi/3\) ne peut-il pas être trisecté à la règle et au compas ?

  1. Car \(c\) est un nombre transcendant sur \(\mathbb{Q}\)
  2. Car \(c\) est un nombre irrationnel
  3. Car \(8X^3-6X-1\) est irréductible sur \(\mathbb{Q}\), donc \(c\) est de degré 3
  4. Car \(8X^3-6X-1\) n’a aucune racine réelle

Réponse C.

Un réel constructible a pour degré sur \(\mathbb{Q}\) une puissance de 2. Or \(8X^3-6X-1\) n’a pas de racine rationnelle, donc, en degré 3, il est irréductible ; ainsi, \(c\) est de degré 3. L’irrationalité ne suffit pas : \(\sqrt{2}\) est irrationnel et constructible. De plus, \(c\) est algébrique, puisqu’il annule ce polynôme, et c’en est bien une racine réelle.

Question 8

Parmi ces entiers, lequel peut être le cardinal d’un corps fini ?

  1. \(100\)
  2. \(125\)
  3. \(6\)
  4. \(15\)

Réponse B.

Un corps fini de caractéristique \(p\) est un espace vectoriel de dimension finie \(n\) sur \(\mathbb{F}_p\). Son cardinal vaut donc \(p^n\). Ici, seul \(125=5^3\) est une puissance d’un nombre premier. Le piège 100 vient d’une confusion avec l’anneau \(\mathbb{Z}/100\mathbb{Z}\), qui a bien 100 éléments mais n’est pas intègre. De même, 6 et 15 ont deux facteurs premiers distincts.

Question 9

Pour construire un corps à 8 éléments sous la forme \(\mathbb{F}_2[X]/(P)\), quel polynôme \(P\) faut-il choisir ?

  1. \(X^3+1\)
  2. \(X^3+X^2+X+1\)
  3. \(X^3+X\)
  4. \(X^3+X+1\)

Réponse D.

Le quotient est un corps si et seulement si \(P\) est irréductible, et il a \(2^3\) éléments si \(P\) est de degré 3. En degré 3, irréductible signifie sans racine dans \(\mathbb{F}_2\). Or \(X^3+X+1\) vaut 1 en 0 comme en 1. En revanche, 1 annule \(X^3+1\) et \(X^3+X^2+X+1\), tandis que 0 annule \(X^3+X\). Ces quotients ont donc des diviseurs de zéro.

Question 10

Lequel de ces corps n’est pas un sous-corps de \(\mathbb{F}_{64}\) ?

  1. \(\mathbb{F}_{4}\)
  2. \(\mathbb{F}_{8}\)
  3. \(\mathbb{F}_{2}\)
  4. \(\mathbb{F}_{16}\)

Réponse D.

Comme \(64=2^6\), les sous-corps de \(\mathbb{F}_{64}\) sont les \(\mathbb{F}_{2^d}\) avec \(d\) diviseur de 6. En effet, \(\mathbb{F}_{64}\) serait un espace vectoriel sur un sous-corps \(\mathbb{F}_{2^d}\), donc \(2^6\) serait une puissance de \(2^d\). Ainsi, \(\mathbb{F}_{16}\) est exclu, car 4 ne divise pas 6. Le piège consiste à comparer les cardinaux, 16 étant inférieur à 64.

Question 11

Le groupe multiplicatif \(\mathbb{F}_{13}^*\) est cyclique, d’ordre 12. Quel est l’ordre de la classe de 2 dans ce groupe ?

  1. \(6\)
  2. \(4\)
  3. \(12\)
  4. \(13\)

Réponse C.

L’ordre divise 12. Or \(2^4=16\equiv 3\) et \(2^6=64\equiv -1\) modulo 13 ; donc ni 4, ni 6, ni leurs diviseurs ne conviennent. Par conséquent, 2 est d’ordre 12 et engendre \(\mathbb{F}_{13}^*\). La réponse 6 vient d’une confusion entre \(-1\) et 1. Enfin, 13 est impossible : c’est le cardinal du corps, et non celui de son groupe multiplicatif.

Question 12

Combien existe-t-il de polynômes unitaires irréductibles de degré 2 dans \(\mathbb{F}_3[X]\) ?

  1. \(3\)
  2. \(6\)
  3. \(9\)
  4. \(2\)

Réponse A.

Un tel polynôme a ses deux racines dans \(\mathbb{F}_9\), hors de \(\mathbb{F}_3\), et elles sont conjuguées par \(x\mapsto x^3\). Or \(\mathbb{F}_9\setminus\mathbb{F}_3\) compte 6 éléments, répartis en paires ; il y a donc 3 polynômes, à savoir \(X^2+1\), \(X^2+X+2\) et \(X^2+2X+2\). La réponse 6 oublie de regrouper les racines par paires. Quant à 9, il compte tous les unitaires de degré 2.

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