QCM : Anneaux principaux et factoriels en L3 de maths

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Ce QCM factoriels L3 porte sur l’arithmétique des anneaux commutatifs. Il commence par les idéaux et les anneaux quotients, puis distingue idéaux premiers et maximaux et décrit le corps des fractions d’un anneau intègre. Il compare ensuite anneaux euclidiens, principaux et factoriels, avec un contre-exemple où la décomposition n’est pas unique. Les dernières questions mobilisent le lemme de Gauss, le critère d’Eisenstein et les entiers de Gauss.

Traite les douze questions sans document, en cherchant pour chaque affirmation un exemple qui la confirme ou la réfute : un quotient de \(\mathbb{Z}[X]\), une norme dans un anneau d’entiers, un polynôme réduit modulo un premier. Ensuite, lis toutes les explications : elles détaillent le bon argument et nomment la confusion derrière chaque mauvaise réponse.

Les 12 questions

Question 1

Dans l’anneau \(\mathbb{Z}\), à quel idéal est égale la somme \(4\mathbb{Z}+6\mathbb{Z}\) ?

  1. \(12\mathbb{Z}\)
  2. \(24\mathbb{Z}\)
  3. \(10\mathbb{Z}\)
  4. \(2\mathbb{Z}\)

Réponse D.

La somme de deux idéaux de \(\mathbb{Z}\) est engendrée par le pgcd des générateurs. En effet, Bézout donne \(2=6-4\), donc \(2\) appartient à la somme, et tout élément \(4a+6b\) est pair. La réponse \(12\mathbb{Z}\) est l’intersection des deux idéaux, qui correspond au ppcm. Le produit \(24\mathbb{Z}\) est l’idéal produit. Enfin, additionner les générateurs n’a pas de sens.

Question 2

Lequel de ces idéaux de \(\mathbb{Z}[X]\) est premier sans être maximal ?

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

Réponse B.

Le quotient \(\mathbb{Z}[X]/(X)\) est isomorphe à \(\mathbb{Z}\) : il est intègre mais n’est pas un corps. Donc \((X)\) est premier et non maximal. En revanche, \(\mathbb{Z}[X]/(2,X)\) est isomorphe au corps \(\mathbb{F}_2\), donc \((2,X)\) est maximal. Enfin, \((X^2)\) et \((4)\) ne sont pas premiers, car \(X\cdot X\) et \(2\cdot 2\) y appartiennent sans que leurs facteurs y soient.

Question 3

Que peut-on dire de l’anneau quotient \(\mathbb{Q}[X]/(X^2-2)\) ?

  1. C’est un anneau non intègre
  2. Il est isomorphe à l’anneau produit \(\mathbb{Q}^2\)
  3. Il est isomorphe à \(\mathbb{Q}[X]\)
  4. C’est un corps isomorphe à \(\mathbb{Q}(\sqrt{2})\)

Réponse D.

Comme \(\sqrt{2}\) est irrationnel et que \(X^2-2\) est de degré 2, ce polynôme est irréductible sur \(\mathbb{Q}\). Par conséquent, l’idéal qu’il engendre est maximal dans l’anneau principal \(\mathbb{Q}[X]\), et le quotient est un corps. L’évaluation en \(\sqrt{2}\) fournit l’isomorphisme. Le piège de l’anneau produit \(\mathbb{Q}^2\) correspond à \(X^2-1\), qui se factorise.

Question 4

Quel est le corps des fractions de l’anneau des entiers de Gauss \(\mathbb{Z}[i]\) ?

  1. \(\mathbb{C}\)
  2. \(\mathbb{Q}\)
  3. \(\mathbb{Q}(i)\)
  4. \(\mathbb{R}\)

Réponse C.

Le corps des fractions est le plus petit corps contenant l’anneau. Or tout quotient \(\frac{a+ib}{c+id}\) s’écrit \(x+iy\) avec \(x\) et \(y\) rationnels, en multipliant par le conjugué. Ainsi on obtient \(\mathbb{Q}(i)\). Le corps \(\mathbb{C}\) contient bien \(\mathbb{Z}[i]\), mais il est beaucoup trop gros : c’est le piège de la question. De plus, \(\mathbb{Q}\) et \(\mathbb{R}\) ne contiennent pas \(i\).

Question 5

Quel est le cardinal du groupe des unités de \(\mathbb{Z}[i]\) ?

  1. 2
  2. 8
  3. 4
  4. Une infinité

Réponse C.

La norme \(N(a+ib)=a^2+b^2\) est multiplicative. Donc un inversible \(u\) vérifie \(N(u)N(u^{-1})=1\), puis \(N(u)=1\). Ainsi \(a^2+b^2=1\), d’où \(u\in\{1,-1,i,-i\}\). La réponse 2 oublie \(\pm i\), comme si l’on restait dans \(\mathbb{Z}\). Le piège « une infinité » vient de \(\mathbb{Z}[\sqrt{2}]\), où \(1+\sqrt{2}\) est inversible d’ordre infini.

Question 6

Soit \(A\) un anneau principal qui n’est pas un corps. Que peut-on dire d’un idéal premier non nul de \(A\) ?

  1. Il est maximal
  2. Il n’est jamais maximal
  3. Il est engendré par un inversible
  4. Il est égal à \(A\)

Réponse A.

Écrivons l’idéal \((p)\) avec \(p\) non nul. Si \((p)\subset(a)\), alors \(p=ab\), et la primalité impose que \(p\) divise \(a\) ou \(b\). On obtient donc \((a)=(p)\) ou \((a)=A\). Cette propriété tombe hors du cadre principal : dans \(\mathbb{Z}[X]\), l’idéal \((X)\) est premier sans être maximal. Par ailleurs, un idéal premier est propre par définition, ce qui exclut les deux derniers pièges.

Question 7

Lequel de ces anneaux est factoriel sans être principal ?

  1. \(\mathbb{Q}[X]\)
  2. \(\mathbb{Z}\)
  3. \(\mathbb{Z}[i\sqrt{5}]\)
  4. \(\mathbb{Z}[X]\)

Réponse D.

Comme \(\mathbb{Z}\) est factoriel, le théorème de transfert de Gauss montre que \(\mathbb{Z}[X]\) l’est aussi. Cependant, l’idéal \((2,X)\) n’est pas principal : un générateur devrait diviser 2 et \(X\), donc valoir \(\pm1\), alors que le quotient par cet idéal est \(\mathbb{F}_2\). Les anneaux \(\mathbb{Q}[X]\) et \(\mathbb{Z}\) sont euclidiens, donc principaux. Enfin, \(\mathbb{Z}[i\sqrt{5}]\) n’est même pas factoriel.

Question 8

Dans \(\mathbb{Z}[i\sqrt{5}]\), muni de la norme \(N(a+ib\sqrt{5})=a^2+5b^2\), pourquoi l’élément 2 est-il irréductible ?

  1. Parce qu’aucun élément n’a une norme égale à 2
  2. Parce que 2 est premier dans \(\mathbb{Z}\)
  3. Parce que \(N(2)=4\) est un carré
  4. Parce que 2 divise 6

Réponse A.

Si \(2=xy\) avec \(x\) et \(y\) non inversibles, alors \(N(x)N(y)=4\) avec \(N(x)=N(y)=2\). Or l’équation \(a^2+5b^2=2\) n’a pas de solution entière. Cependant, 2 n’est pas premier dans cet anneau : il divise \(6=(1+i\sqrt{5})(1-i\sqrt{5})\) sans diviser aucun des deux facteurs. Par conséquent, l’anneau n’est pas factoriel. Le piège consiste à croire qu’un premier de \(\mathbb{Z}\) le reste partout.

Question 9

Le polynôme \(2X+4\) est-il irréductible dans \(\mathbb{Z}[X]\) ?

  1. Oui, car il est de degré 1
  2. Non, car \(2X+4=2(X+2)\) et 2 n’est pas inversible dans \(\mathbb{Z}\)
  3. Oui, car il est irréductible dans \(\mathbb{Q}[X]\)
  4. Non, car il admet la racine \(-2\) dans \(\mathbb{Z}\)

Réponse B.

Dans \(\mathbb{Z}[X]\), les inversibles sont seulement \(\pm1\). Ainsi la constante 2 est un vrai facteur, et \(2X+4\) se décompose. Le lemme de Gauss ne transfère l’irréductibilité de \(\mathbb{Q}[X]\) à \(\mathbb{Z}[X]\) que pour un polynôme primitif, or 2 divise ici tous les coefficients. Quant à la racine \(-2\), elle ne prouve rien : \(X+2\) a aussi cette racine et reste irréductible.

Question 10

Quel polynôme vérifie, pour un nombre premier bien choisi, toutes les hypothèses du critère d’Eisenstein ?

  1. \(X^4+10X+5\)
  2. \(X^4+10X+25\)
  3. \(X^3+4X+8\)
  4. \(X^3+5X^2+7\)

Réponse A.

Avec \(p=5\), 5 ne divise pas le coefficient dominant mais divise tous les autres, et le terme constant 5 n’est pas divisible par 25. Le critère s’applique donc. En revanche, pour \(X^4+10X+25\), le terme constant est divisible par 25. De même, \(X^3+4X+8\) échoue en 2, car 4 divise 8. Enfin, 5 et 7 n’ont aucun facteur premier commun.

Question 11

Parmi ces nombres premiers, lequel ne se factorise pas dans \(\mathbb{Z}[i]\) ?

  1. 2
  2. 7
  3. 5
  4. 13

Réponse B.

Un premier impair \(p\) se décompose dans \(\mathbb{Z}[i]\) si et seulement s’il est somme de deux carrés, donc si et seulement si \(p\equiv1\pmod 4\). Ainsi \(5=(2+i)(2-i)\) et \(13=(3+2i)(3-2i)\). Par ailleurs, \(2=-i(1+i)^2\) se décompose aussi. En revanche, \(7\equiv3\pmod 4\) n’est pas somme de deux carrés ; aucun élément n’a donc une norme égale à 7.

Question 12

Quelle méthode prouve que \(X^4+1\) est irréductible sur \(\mathbb{Q}\) ?

  1. Constater qu’il n’a pas de racine rationnelle
  2. Eisenstein en 2 appliqué directement
  3. Eisenstein en 2 après le changement \(X\mapsto X+1\)
  4. Le réduire modulo 2

Réponse C.

On développe \((X+1)^4+1=X^4+4X^3+6X^2+4X+2\). Les coefficients non dominants sont pairs et 2 n’est pas divisible par 4 : Eisenstein s’applique. Or une factorisation de \(P(X)\) en donnerait une de \(P(X+1)\). L’absence de racine ne suffit pas en degré 4, car deux facteurs de degré 2 restent possibles. Enfin, modulo 2, on obtient \((X+1)^4\), qui ne conclut rien.

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