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Exercices “Structures algébriques” (B)


Exercice 1

Problème : Soit f:XYf: X \to Y une application entre deux ensembles non vides. On note S(f)S(f) l’ensemble des sections (inverses à droite) de ff et P(f)P(f) l’ensemble des rétractions (inverses à gauche) de ff.

  1. Démontrer que S(f)    fS(f) \neq \emptyset \iff f est surjective.
  2. Supposons ff surjective. Pour chaque yYy \in Y, on note Fy=f1({y})F_y = f^{-1}(\{y\}) la fibre de yy. Démontrer qu’il existe une bijection entre S(f)S(f) et le produit cartésien yYFy\prod_{y \in Y} F_y.
  3. Discuter le rôle de l’Axiome du Choix dans les affirmations précédentes.
Solution

Méthode : La première partie est une application directe de la définition. Pour la deuxième partie, nous allons construire explicitement une application Φ:S(f)yYFy\Phi : S(f) \to \prod_{y \in Y} F_y et montrer qu’elle est bijective. L’Axiome du Choix est fondamental pour garantir l’existence d’une section pour toute surjection, ce qui est équivalent à affirmer que le produit cartésien d’une famille d’ensembles non vides est non vide.

Étapes :

  1. Preuve de (1) :

    • (\Rightarrow) Supposons S(f)S(f) \neq \emptyset. Il existe donc s:YXs: Y \to X telle que fs=idYf \circ s = \text{id}_Y. Pour tout yYy \in Y, posons x=s(y)x = s(y). Alors f(x)=f(s(y))=(idY)(y)=yf(x) = f(s(y)) = (\text{id}_Y)(y) = y. Donc, tout élément de YY a au moins un antécédent, ce qui signifie que ff est surjective.
    • (\Leftarrow) Supposons ff surjective. Pour chaque yYy \in Y, l’ensemble Fy=f1({y})F_y = f^{-1}(\{y\}) est non vide. L’Axiome du Choix affirme que le produit cartésien d’une famille d’ensembles non vides est non vide. Soit F={Fy}yY\mathcal{F} = \{F_y\}_{y \in Y}. Le produit yYFy\prod_{y \in Y} F_y est l’ensemble des fonctions de choix s:YyYFy=Xs: Y \to \bigcup_{y \in Y} F_y = X telles que yY,s(y)Fy\forall y \in Y, s(y) \in F_y. Une telle fonction ss est une application de YY dans XX. Par définition, s(y)Fys(y) \in F_y signifie f(s(y))=yf(s(y))=y. Donc, fs=idYf \circ s = \text{id}_Y. Une telle fonction ss est une section, donc S(f)S(f) \neq \emptyset.
  2. Construction de la bijection :

    Supposons ff surjective. Soit P=yYFyP = \prod_{y \in Y} F_y. Un élément de PP est une fonction σ:YX\sigma: Y \to X telle que yY,σ(y)Fy\forall y \in Y, \sigma(y) \in F_y.

    • Définissons Φ:S(f)P\Phi: S(f) \to P. Soit sS(f)s \in S(f). Pour tout yYy \in Y, on a f(s(y))=(fs)(y)=idY(y)=yf(s(y)) = (f \circ s)(y) = \text{id}_Y(y) = y. Ceci signifie que s(y)s(y) est un antécédent de yy, donc s(y)Fys(y) \in F_y. Par conséquent, l’application ss peut être vue comme une fonction de choix, i.e., un élément de PP. Nous posons donc Φ(s)=s\Phi(s) = s. Cette application est bien définie.
    • Φ\Phi est injective : Si Φ(s1)=Φ(s2)\Phi(s_1) = \Phi(s_2), alors s1=s2s_1=s_2 en tant que fonctions, donc Φ\Phi est injective.
    • Φ\Phi est surjective : Soit σP\sigma \in P. Par définition de PP, σ\sigma est une application σ:YX\sigma: Y \to X telle que pour tout yYy \in Y, σ(y)Fy\sigma(y) \in F_y. Cela implique f(σ(y))=yf(\sigma(y)) = y pour tout yYy \in Y, ce qui est exactement la définition de fσ=idYf \circ \sigma = \text{id}_Y. Donc σ\sigma est une section, i.e., σS(f)\sigma \in S(f). Comme Φ(σ)=σ\Phi(\sigma) = \sigma, Φ\Phi est surjective.
    • Puisque Φ\Phi est injective et surjective, c’est une bijection.
  3. Rôle de l’Axiome du Choix (AC) :

    • L’implication ”ff surjective S(f)\Rightarrow S(f) \neq \emptyset” est équivalente à l’Axiome du Choix. Sans AC, on ne peut pas garantir en général qu’une application surjective admette un inverse à droite.
    • L’ensemble yYFy\prod_{y \in Y} F_y est défini comme l’ensemble des fonctions de choix. L’affirmation que cet ensemble est non vide (dès que tous les FyF_y le sont) est précisément l’énoncé de l’AC.
    • Par conséquent, la bijection démontrée en (2) montre que l’existence d’une section est équivalente à l’existence d’un élément dans le produit cartésien des fibres, ce qui lie intimement le concept d’inverse à droite à l’AC.

Réponse : La bijection est Φ:S(f)yYf1({y})\Phi: S(f) \to \prod_{y \in Y} f^{-1}(\{y\}) définie par Φ(s)=s\Phi(s) = s. L’existence d’une telle section pour toute surjection est équivalente à l’Axiome du Choix.


Exercice 2

Problème : En utilisant exclusivement la propriété universelle du système d’entiers naturels (N,S:NN,0)(\mathbb{N}, S: \mathbb{N} \to \mathbb{N}, 0), démontrer que l’application successeur SS est injective.

Solution

Méthode : L’idée est de construire une application “prédécesseur” P:NNP: \mathbb{N} \to \mathbb{N} telle que PS=idNP \circ S = \text{id}_{\mathbb{N}}. Pour cela, on va utiliser la propriété universelle de N\mathbb{N} en choisissant astucieusement un triplet (X,T,x0)(X, T, x_0). Le choix sera (N,S,0)(\mathbb{N}, S, 0), mais appliqué de manière à “décaler” l’argument. La construction rigoureuse d’une application prédécesseur est subtile. Une approche plus directe est de construire une application f:NNf: \mathbb{N} \to \mathbb{N} telle que f(S(n))=nf(S(n)) = n pour n0n \neq 0 et de montrer que cela force l’injectivité.

Nous allons construire une application P:NNP: \mathbb{N} \to \mathbb{N} par la propriété universelle qui se comportera comme un prédécesseur.

Étapes :

  1. Considérons le triplet (X,T,x0)(X, T, x_0)X=NX = \mathbb{N}, T=idNT = \text{id}_{\mathbb{N}} et x0=0x_0 = 0. Par la propriété universelle, il existe une unique application P:NNP: \mathbb{N} \to \mathbb{N} telle que :

    • P(0)=0P(0) = 0
    • PS=idNP=PP \circ S = \text{id}_{\mathbb{N}} \circ P = P

    Cette application n’est pas le prédécesseur. Il faut une construction plus fine.

  2. Définissons l’application Prédécesseur P:NNP: \mathbb{N} \to \mathbb{N}. On veut P(0)=0P(0)=0 et P(S(n))=nP(S(n))=n.

    Utilisons la propriété universelle pour définir PP. Soit le triplet (X,T,x0)=(N,S,0)(X, T, x_0) = (\mathbb{N}, S, 0). L’unique application f:NNf: \mathbb{N} \to \mathbb{N} vérifiant f(0)=0f(0)=0 et fS=Sff \circ S = S \circ f est l’identité idN\text{id}_{\mathbb{N}}.

    Pour construire PP, il faut une astuce. Considérons une autre approche.

  3. Soient n,mNn, m \in \mathbb{N} tels que S(n)=S(m)S(n) = S(m). Nous voulons montrer que n=mn=m.

    Soit X=NX = \mathbb{N}. Définissons une application T:NNT: \mathbb{N} \to \mathbb{N} par T(x)=xT(x) = x si xnx \neq n, et T(n)=mT(n) = m.

    Nous voulons utiliser la propriété universelle pour prouver n=mn=m. Cela semble trop complexe.

  4. Revenons à l’idée de construire une rétraction pour SS.

    Considérons l’ensemble A={0}{S(n)nN}A = \{0\} \cup \{S(n) \mid n \in \mathbb{N}\}. L’axiome 1 de Peano (qui découle de la PU) dit que S(n)0S(n) \neq 0. Donc A=NA = \mathbb{N}.

    Définissons une application P:NNP: \mathbb{N} \to \mathbb{N} comme suit :

    • P(0)=0P(0) = 0
    • Pour yIm(S)=N{0}y \in \text{Im}(S) = \mathbb{N} \setminus \{0\}, yy s’écrit de manière unique (c’est ce qu’on veut prouver) S(x)S(x). Posons P(y)=xP(y) = x.

    Le problème est que cette définition suppose l’injectivité.

  5. Démonstration correcte par la propriété universelle :

    Soit mNm \in \mathbb{N} fixé. Par la propriété universelle appliquée au triplet (X,T,x0)=(N,S,S(m))(X, T, x_0) = (\mathbb{N}, S, S(m)), il existe une unique application fm:NNf_m : \mathbb{N} \to \mathbb{N} telle que fm(0)=S(m)f_m(0) = S(m) et fmS=Sfmf_m \circ S = S \circ f_m.

    Montrons par récurrence (qui découle de la PU) que fm(n)=S(n+m)=S(m+n)f_m(n) = S(n+m) = S(m+n). L’application g(n)=S(n+m)g(n)=S(n+m) vérifie g(0)=S(m)g(0)=S(m) et g(S(n))=S(S(n)+m)=S(g(n))g(S(n))=S(S(n)+m)=S(g(n)). Par unicité, fm=gf_m=g.

    Une autre application candidate est h(n)=S(m)+nh(n) = S(m) + n. On a h(0)=S(m)h(0) = S(m) et h(S(n))=S(m)+S(n)=S(S(m)+n)=S(h(n))h(S(n)) = S(m)+S(n) = S(S(m)+n) = S(h(n)). Par unicité, fm(n)=S(m)+nf_m(n) = S(m)+n.

    Donc S(m+n)=S(m)+nS(m+n) = S(m)+n. En particulier pour n=1=S(0)n=1=S(0), S(m+S(0))=S(m)+S(0)S(m+S(0)) = S(m)+S(0), i.e. S(S(m))=S(m)+1S(S(m)) = S(m)+1.

    Cette voie explore les propriétés de l’addition. Restons plus fondamentaux.

  6. Nouvelle approche : Soient n,mNn,m \in \mathbb{N} tels que S(n)=S(m)S(n)=S(m). On veut prouver n=mn=m.

    Soit C={kNjN,S(j)=S(k)j=k}C = \{ k \in \mathbb{N} \mid \forall j \in \mathbb{N}, S(j)=S(k) \Rightarrow j=k \}. On veut montrer que C=NC=\mathbb{N} par récurrence.

    Considérons la propriété P(k)P(k) : “Si un élément a S(k)S(k) pour successeur, alors cet élément est kk”. C’est circulaire.

  7. Démonstration formelle (inspirée de la théorie des catégories) :

    Soient n,mNn, m \in \mathbb{N} avec S(n)=S(m)S(n)=S(m). Définissons l’ensemble X=N{S(n)}X = \mathbb{N} \setminus \{S(n)\}.

    Définissons l’application T:XXT: X \to X par T(x)=S(x)T(x) = S(x). Cette application est bien définie, car si S(x)=S(n)S(x) = S(n), alors par hypothèse S(x)=S(m)S(x)=S(m), et nous ne pouvons pas encore conclure.

    Supposons nmn \neq m. Sans perte de généralité, n<mn < m.

    Définissons une application g:N{0,1}g : \mathbb{N} \to \{0,1\} par g(k)=0g(k) = 0 si knk \leq n et g(k)=1g(k)=1 si k>nk > n.

    Définissons une application h:N{0,1}h : \mathbb{N} \to \{0,1\} par h(k)=0h(k) = 0 si k<mk < m et h(k)=1h(k)=1 si kmk \ge m.

    Ceci est trop compliqué. Voici une preuve standard qui s’appuie sur la construction du prédécesseur.

    Soit P:NNP: \mathbb{N} \to \mathbb{N} l’unique application garantie par la PU pour le triplet (X,T,x0)=(N,idN,0)(X, T, x_0) = (\mathbb{N}, \text{id}_\mathbb{N}, 0).

    Non, ce n’est pas la bonne application.

    Le prédécesseur pp doit vérifier p(0)=0p(0)=0 et p(S(n))=np(S(n))=n.

    Soit le triplet (X,T,x0)=(N,f,0)(X,T,x_0) = (\mathbb{N}, f, 0)ff est une fonction. On cherche pp.

    L’application pp est l’unique application p:NNp: \mathbb{N} \to \mathbb{N} qui satisfait p(0)=0p(0) = 0 et pS=idNidNp \circ S = \text{id}_{\mathbb{N}} \circ \text{id}_{\mathbb{N}} ?? Non.

  8. Démonstration finale :

    Soient n,mNn, m \in \mathbb{N} tels que S(n)=S(m)S(n) = S(m). On veut prouver n=mn=m.

    Soit l’ensemble E=(N{n,m}){c}E = (\mathbb{N} \setminus \{n, m\}) \cup \{c\}cc est un nouvel élément.

    Définissons une application T:EET: E \to E par :

    • T(k)=kT(k) = k pour kN{n,m}k \in \mathbb{N} \setminus \{n,m\}
    • T(c)=cT(c) = c

    Définissons x0=0x_0 = 0 (si 0n,m0 \neq n, m).

    Cette approche est trop complexe et dépend de cas.

    La preuve la plus simple est de considérer la propriété universelle comme définissant la récursion.

    Définissons P:NNP: \mathbb{N} \to \mathbb{N} par récursion :

    • P(0)=0P(0) = 0
    • P(S(n))=nP(S(n)) = n

    Cette définition est valide grâce à la propriété universelle.

    En effet, soit le triplet (X,T,x0)(X, T, x_0)X=N×NX = \mathbb{N} \times \mathbb{N}, x0=(0,0)x_0 = (0,0) et T(a,b)=(S(a),a)T(a,b) = (S(a), a). Par la PU, il existe une unique application f:NN×Nf: \mathbb{N} \to \mathbb{N} \times \mathbb{N} telle que f(0)=(0,0)f(0)=(0,0) et fS=Tff \circ S = T \circ f. On peut montrer que f(n)=(n,preˊdeˊcesseur de n)f(n)=(n, \text{prédécesseur de } n). Soit f(n)=(π1(f(n)),π2(f(n)))f(n) = (\pi_1(f(n)), \pi_2(f(n))). On a π1(f(S(n)))=S(π1(f(n)))\pi_1(f(S(n))) = S(\pi_1(f(n))) et π1(f(0))=0\pi_1(f(0))=0, donc π1(f(n))=n\pi_1(f(n))=n. Et π2(f(S(n)))=π1(f(n))=n\pi_2(f(S(n))) = \pi_1(f(n))=n. Si on définit P=π2fP = \pi_2 \circ f, alors P(S(n))=nP(S(n))=n. De plus P(0)=π2(f(0))=0P(0) = \pi_2(f(0)) = 0.

    Maintenant, soient n,mNn, m \in \mathbb{N} tels que S(n)=S(m)S(n)=S(m). On applique PP :

    P(S(n))=P(S(m))P(S(n)) = P(S(m)).

    Par la définition de PP, on a n=mn=m. Ceci prouve l’injectivité de SS.

Réponse : L’application SS est injective. La preuve repose sur la construction d’une application prédécesseur P:NNP: \mathbb{N} \to \mathbb{N} telle que P(S(n))=nP(S(n))=n pour tout nNn \in \mathbb{N}, dont l’existence est garantie par la propriété universelle de N\mathbb{N} (principe de définition par récurrence).


Exercice 3

Problème : Soit (M,,1)(M, \cdot, 1) un monoïde fini. Un élément aMa \in M est dit régulier à gauche si l’application de multiplication à gauche La:MML_a: M \to M définie par La(x)=axL_a(x) = ax est injective. Démontrer que tout élément régulier à gauche dans un monoïde fini est inversible à gauche (et donc inversible, car un résultat similaire est valable à droite).

Solution

Méthode : L’hypothèse clé est que MM est un ensemble fini. Si La:MML_a: M \to M est une application injective d’un ensemble fini dans lui-même, alors elle est aussi surjective. L’existence d’un antécédent pour l’élément neutre 11 va nous fournir un inverse à gauche pour aa.

Étapes :

  1. Soit aMa \in M un élément régulier à gauche. Par définition, cela signifie que pour tous x,yMx, y \in M, si ax=ayax = ay, alors x=yx = y.
  2. Considérons l’application La:MML_a: M \to M définie par La(x)=axL_a(x) = ax. L’hypothèse que aa est régulier à gauche signifie précisément que LaL_a est une application injective.
  3. L’ensemble MM est fini. On a donc une application injective LaL_a d’un ensemble fini MM dans lui-même. Une propriété fondamentale des applications sur les ensembles finis est qu’une application d’un ensemble fini dans lui-même est injective si et seulement si elle est surjective, si et seulement si elle est bijective.
  4. Puisque LaL_a est injective et MM est fini, LaL_a est aussi surjective.
  5. La surjectivité de LaL_a signifie que pour tout zMz \in M, il existe un xMx \in M tel que La(x)=zL_a(x) = z, c’est-à-dire ax=zax=z.
  6. En particulier, choisissons z=1z=1, l’élément neutre du monoïde MM. Puisque LaL_a est surjective, il existe un élément bMb \in M tel que La(b)=1L_a(b) = 1.
  7. Par définition de LaL_a, cela s’écrit ab=1ab=1.
  8. Nous avons trouvé un élément bMb \in M qui est un inverse à droite pour aa. Pour montrer que aa est inversible, il faut montrer que bb est aussi un inverse à gauche, i.e., ba=1ba=1.
  9. Considérons a(ba)=(ab)a=1a=a=a1a(ba) = (ab)a = 1 \cdot a = a = a \cdot 1. Comme aa est régulier à gauche, on peut simplifier par aa : ba=1ba=1.
  10. Ainsi, bb est l’inverse de aa. L’élément aa est donc inversible. L’argument est symétrique pour la régularité à droite.

Réponse : Dans un monoïde fini, tout élément régulier à gauche est inversible. Si aM est reˊgulier aˋ gauche, La:xax est injective. Comme M est fini, La est surjective. Il existe donc bM tel que ab=1.Alors a(ba)=(ab)a=1a=a=a1. Par reˊgulariteˊ de a, on a ba=1. Donc a est inversible.\text{Si } a \in M \text{ est régulier à gauche, } L_a: x \mapsto ax \text{ est injective. Comme } M \text{ est fini, } L_a \text{ est surjective. Il existe donc } b \in M \text{ tel que } ab = 1. \text{Alors } a(ba)=(ab)a = 1a=a=a1. \text{ Par régularité de } a, \text{ on a } ba=1. \text{ Donc } a \text{ est inversible.}


Exercice 4

Problème : Démontrer le théorème de la correspondance (ou du treillis) pour les groupes. Soit ϕ:GH\phi: G \to H un morphisme de groupes surjectif, et soit K=Ker(ϕ)K = \text{Ker}(\phi). Démontrer qu’il existe une bijection, préservant l’inclusion, entre l’ensemble SK(G)\mathcal{S}_K(G) des sous-groupes de GG qui contiennent KK et l’ensemble S(H)\mathcal{S}(H) des sous-groupes de HH. De plus, pour tout ASK(G)A \in \mathcal{S}_K(G), AA est normal dans GG si et seulement si ϕ(A)\phi(A) est normal dans HH.

Solution

Méthode : On définit deux applications, une de SK(G)\mathcal{S}_K(G) vers S(H)\mathcal{S}(H) et une autre dans le sens inverse, et on montre qu’elles sont des bijections réciproques. L’application naturelle est l’image directe par ϕ\phi, et pour la réciproque on utilise l’image réciproque ϕ1\phi^{-1}. Les propriétés de préservation de la normalité se démontrent en utilisant les définitions et le fait que ϕ\phi est surjectif.

Étapes :

  1. Définition des applications.

    • Soit f:SK(G)S(H)f: \mathcal{S}_K(G) \to \mathcal{S}(H) définie par f(A)=ϕ(A)f(A) = \phi(A) pour tout ASK(G)A \in \mathcal{S}_K(G).
    • Soit g:S(H)SK(G)g: \mathcal{S}(H) \to \mathcal{S}_K(G) définie par g(B)=ϕ1(B)g(B) = \phi^{-1}(B) pour tout BS(H)B \in \mathcal{S}(H).
    • Il faut d’abord vérifier que ces applications sont bien définies. Si AA est un sous-groupe de GG, ϕ(A)\phi(A) est un sous-groupe de HH. Si BB est un sous-groupe de HH, ϕ1(B)\phi^{-1}(B) est un sous-groupe de GG. De plus, pour tout BHB \le H, eHBe_H \in B, donc K=ϕ1({eH})ϕ1(B)K = \phi^{-1}(\{e_H\}) \subseteq \phi^{-1}(B), donc gg est bien à valeurs dans SK(G)\mathcal{S}_K(G).
  2. Montrons que gf=idSK(G)g \circ f = \text{id}_{\mathcal{S}_K(G)}.

    • Soit ASK(G)A \in \mathcal{S}_K(G). On doit montrer que ϕ1(ϕ(A))=A\phi^{-1}(\phi(A)) = A.
    • L’inclusion Aϕ1(ϕ(A))A \subseteq \phi^{-1}(\phi(A)) est toujours vraie.
    • Pour l’autre inclusion, soit xϕ1(ϕ(A))x \in \phi^{-1}(\phi(A)). Alors ϕ(x)ϕ(A)\phi(x) \in \phi(A), donc il existe aAa \in A tel que ϕ(x)=ϕ(a)\phi(x) = \phi(a).
    • Ceci implique ϕ(x)ϕ(a)1=eH\phi(x)\phi(a)^{-1} = e_H, donc ϕ(xa1)=eH\phi(xa^{-1}) = e_H.
    • Par définition du noyau, xa1Kxa^{-1} \in K. Comme AA est un sous-groupe contenant KK, on a KAK \subseteq A. Donc xa1Axa^{-1} \in A.
    • Puisque aAa \in A et AA est un groupe, a1Aa^{-1} \in A. Comme xa1Axa^{-1} \in A et aAa \in A, leur produit (xa1)a=x(xa^{-1})a = x est aussi dans AA.
    • Donc ϕ1(ϕ(A))A\phi^{-1}(\phi(A)) \subseteq A. L’égalité est prouvée.
  3. Montrons que fg=idS(H)f \circ g = \text{id}_{\mathcal{S}(H)}.

    • Soit BS(H)B \in \mathcal{S}(H). On doit montrer que ϕ(ϕ1(B))=B\phi(\phi^{-1}(B)) = B.
    • L’inclusion ϕ(ϕ1(B))B\phi(\phi^{-1}(B)) \subseteq B est toujours vraie.
    • Pour l’autre inclusion, soit yBy \in B. Comme ϕ\phi est surjectif, il existe xGx \in G tel que ϕ(x)=y\phi(x) = y.
    • Puisque ϕ(x)=yB\phi(x)=y \in B, xx est un élément de ϕ1(B)\phi^{-1}(B).
    • Donc, y=ϕ(x)ϕ(ϕ1(B))y = \phi(x) \in \phi(\phi^{-1}(B)).
    • Ainsi, Bϕ(ϕ1(B))B \subseteq \phi(\phi^{-1}(B)). L’égalité est prouvée.
  4. Préservation de l’inclusion.

    • Si A1A2A_1 \subseteq A_2 avec A1,A2SK(G)A_1, A_2 \in \mathcal{S}_K(G), alors clairement ϕ(A1)ϕ(A2)\phi(A_1) \subseteq \phi(A_2).
    • Si B1B2B_1 \subseteq B_2 avec B1,B2S(H)B_1, B_2 \in \mathcal{S}(H), alors clairement ϕ1(B1)ϕ1(B2)\phi^{-1}(B_1) \subseteq \phi^{-1}(B_2).
    • La bijection préserve l’inclusion.
  5. Préservation de la normalité.

    • Soit ASK(G)A \in \mathcal{S}_K(G).
    • (\Rightarrow) Supposons AGA \trianglelefteq G. Montrons que ϕ(A)H\phi(A) \trianglelefteq H. Soit hHh \in H et yϕ(A)y \in \phi(A). On veut montrer que hyh1ϕ(A)hyh^{-1} \in \phi(A).
    • Il existe aAa \in A tel que ϕ(a)=y\phi(a)=y. Comme ϕ\phi est surjectif, il existe gGg \in G tel que ϕ(g)=h\phi(g)=h.
    • Alors hyh1=ϕ(g)ϕ(a)ϕ(g)1=ϕ(gag1)hyh^{-1} = \phi(g)\phi(a)\phi(g)^{-1} = \phi(gag^{-1}).
    • Puisque AGA \trianglelefteq G, gag1Agag^{-1} \in A. Donc ϕ(gag1)ϕ(A)\phi(gag^{-1}) \in \phi(A).
    • (\Leftarrow) Supposons ϕ(A)H\phi(A) \trianglelefteq H. Montrons que AGA \trianglelefteq G. Soit gGg \in G et aAa \in A. On veut montrer que gag1Agag^{-1} \in A.
    • Considérons ϕ(gag1)=ϕ(g)ϕ(a)ϕ(g)1\phi(gag^{-1}) = \phi(g)\phi(a)\phi(g)^{-1}.
    • Puisque ϕ(a)ϕ(A)\phi(a) \in \phi(A) et ϕ(A)H\phi(A) \trianglelefteq H, on a ϕ(g)ϕ(a)ϕ(g)1ϕ(A)\phi(g)\phi(a)\phi(g)^{-1} \in \phi(A).
    • Donc ϕ(gag1)ϕ(A)\phi(gag^{-1}) \in \phi(A). Cela signifie que gag1ϕ1(ϕ(A))gag^{-1} \in \phi^{-1}(\phi(A)).
    • D’après l’étape 2, comme AA contient KK, ϕ1(ϕ(A))=A\phi^{-1}(\phi(A))=A.
    • Donc gag1Agag^{-1} \in A. La normalité est préservée.

Réponse : L’application Aϕ(A)A \mapsto \phi(A) est une bijection de l’ensemble des sous-groupes de GG contenant Ker(ϕ)\text{Ker}(\phi) vers l’ensemble des sous-groupes de HH. Cette bijection préserve l’inclusion et la normalité.


Exercice 5

Problème : Soit AA un anneau commutatif. Le nilradical de AA, noté Nil(A)\text{Nil}(A), est l’ensemble des éléments nilpotents de AA.

  1. Démontrer que Nil(A)\text{Nil}(A) est un idéal de AA.
  2. Démontrer que l’anneau quotient A/Nil(A)A/\text{Nil}(A) est un anneau réduit (c’est-à-dire que son seul élément nilpotent est 0).
  3. Démontrer que Nil(A)\text{Nil}(A) est égal à l’intersection de tous les idéaux premiers de AA.
Solution

Méthode : Pour (1), on utilise la formule du binôme de Newton. Pour (2), on manipule les classes d’équivalence. Pour (3), qui est un résultat profond, on montre deux inclusions. Une inclusion est directe. L’autre requiert l’utilisation du lemme de Zorn pour prouver que tout idéal ne rencontrant pas une partie multiplicativement stable peut être étendu en un idéal premier.

Étapes :

  1. Nil(A)\text{Nil}(A) est un idéal.

    • 0Nil(A)0 \in \text{Nil}(A) car 01=00^1=0.

    • Stabilité par addition : Soient x,yNil(A)x, y \in \text{Nil}(A). Il existe n,mNn, m \in \mathbb{N}^* tels que xn=0x^n=0 et ym=0y^m=0.

      Par la formule du binôme (valable car AA est commutatif), (x+y)n+m1=k=0n+m1(n+m1k)xkyn+m1k(x+y)^{n+m-1} = \sum_{k=0}^{n+m-1} \binom{n+m-1}{k} x^k y^{n+m-1-k}.

      Dans chaque terme, soit knk \ge n, soit n+m1kmn+m-1-k \ge m. Si knk \ge n, xk=0x^k=0. Si k<nk < n, alors n+m1k>m1n+m-1-k > m-1, donc n+m1kmn+m-1-k \ge m, et yn+m1k=0y^{n+m-1-k}=0. Dans tous les cas, chaque terme de la somme est nul. Donc (x+y)n+m1=0(x+y)^{n+m-1}=0 et x+yNil(A)x+y \in \text{Nil}(A).

    • Propriété d’absorption : Soit xNil(A)x \in \text{Nil}(A) et aAa \in A. Il existe nn tel que xn=0x^n=0.

      Alors (ax)n=anxn=an0=0(ax)^n = a^n x^n = a^n \cdot 0 = 0. Donc axNil(A)ax \in \text{Nil}(A).

    • Nil(A)\text{Nil}(A) est bien un idéal.

  2. A/Nil(A)A/\text{Nil}(A) est réduit.

    • Soit I=Nil(A)I = \text{Nil}(A). Soit aˉ=a+I\bar{a} = a+I un élément de A/IA/I.
    • Supposons que aˉ\bar{a} est nilpotent. Il existe nNn \in \mathbb{N}^* tel que aˉn=0ˉ\bar{a}^n = \bar{0}.
    • Cela signifie (a+I)n=0+I(a+I)^n = 0+I, c’est-à-dire an+I=Ia^n+I=I.
    • Ceci est équivalent à anI=Nil(A)a^n \in I = \text{Nil}(A).
    • Par définition du nilradical, cela signifie qu’il existe mNm \in \mathbb{N}^* tel que (an)m=0(a^n)^m = 0.
    • Donc anm=0a^{nm}=0, ce qui implique que aa est nilpotent, i.e., aNil(A)=Ia \in \text{Nil}(A) = I.
    • Si aIa \in I, alors sa classe aˉ=a+I\bar{a} = a+I est l’élément nul 0ˉ\bar{0} dans A/IA/I.
    • L’anneau quotient est donc bien réduit.
  3. Nil(A)=p premierp\text{Nil}(A) = \bigcap_{\mathfrak{p} \text{ premier}} \mathfrak{p}.

    • (\subseteq) Soit xNil(A)x \in \text{Nil}(A). Il existe nn tel que xn=0x^n=0. Soit p\mathfrak{p} un idéal premier quelconque de AA. Puisque 0p0 \in \mathfrak{p}, on a xnpx^n \in \mathfrak{p}. Comme p\mathfrak{p} est premier, xxn1pxpx \cdot x^{n-1} \in \mathfrak{p} \Rightarrow x \in \mathfrak{p} ou xn1px^{n-1} \in \mathfrak{p}. Par une récurrence immédiate, on conclut que xpx \in \mathfrak{p}. Ceci étant vrai pour tout idéal premier, xx est dans leur intersection.

    • (\supseteq) Soit xp premierpx \in \bigcap_{\mathfrak{p} \text{ premier}} \mathfrak{p}. Supposons, par l’absurde, que xx n’est pas nilpotent.

      Ceci signifie que xn0x^n \neq 0 pour tout nNn \in \mathbb{N}^*.

      Considérons l’ensemble S={xnnN}S = \{x^n \mid n \in \mathbb{N}^*\}. C’est une partie multiplicativement stable de AA (i.e., 1S1 \in S si on inclut x0x^0, et s1,s2Ss1s2Ss_1,s_2 \in S \Rightarrow s_1s_2 \in S). De plus, 0S0 \notin S.

      Considérons l’ensemble I\mathcal{I} des idéaux de AA qui ne rencontrent pas SS. Cet ensemble est non vide car l’idéal (0)(0) en est un. Ordonné par l’inclusion, c’est un ensemble inductif.

      Par le lemme de Zorn, il existe un élément maximal dans I\mathcal{I}, disons m\mathfrak{m}.

      On peut montrer qu’un tel idéal maximal est nécessairement premier. (C’est un résultat standard : si abmab \in \mathfrak{m} avec a,bma,b \notin \mathfrak{m}, alors les idéaux m+(a)\mathfrak{m}+(a) et m+(b)\mathfrak{m}+(b) rencontrent SS. Leur produit aussi, ce qui mène à une contradiction).

      Nous avons donc construit un idéal premier m\mathfrak{m} tel que mS=\mathfrak{m} \cap S = \emptyset.

      En particulier, x=x1Sx = x^1 \in S, donc xmx \notin \mathfrak{m}.

      Ceci contredit l’hypothèse que xx appartient à l’intersection de tous les idéaux premiers.

      L’hypothèse de départ ( xx non nilpotent) est donc fausse. xNil(A)x \in \text{Nil}(A).

Réponse : Le nilradical Nil(A)\text{Nil}(A) est un idéal, le quotient A/Nil(A)A/\text{Nil}(A) est réduit, et Nil(A)\text{Nil}(A) est l’intersection de tous les idéaux premiers de AA.


Exercice 6

Problème : Démontrer le théorème de Cantor-Bernstein-Schröder : S’il existe une injection f:XYf: X \to Y et une injection g:YXg: Y \to X entre deux ensembles XX et YY, alors il existe une bijection h:XYh: X \to Y.

Solution

Méthode : La preuve consiste à partitionner l’ensemble XX en trois sous-ensembles en fonction de “l’origine” de ses éléments. Pour chaque xXx \in X, on peut tracer sa lignée d’antécédents en appliquant alternativement g1g^{-1} et f1f^{-1} (là où c’est possible). Cette chaîne d’ancêtres peut s’arrêter dans XX, s’arrêter dans YY, ou ne jamais s’arrêter. On définit la bijection hh différemment sur chacune de ces trois parties.

Étapes :

  1. Pour chaque xXx \in X, on définit sa chaîne d’ancêtres comme la suite x0=x,x1=g1(x0),x2=f1(x1),x3=g1(x2),x_0=x, x_1=g^{-1}(x_0), x_2=f^{-1}(x_1), x_3=g^{-1}(x_2), \dots tant que les inverses sont définis (les inverses sont bien définis car ff et gg sont injectives, mais ils ne le sont que sur les images de ff et gg).

  2. Un élément xXx \in X a une chaîne d’ancêtres qui peut :

    • Se terminer par un élément de XX qui n’est pas dans l’image de gg. On note l’ensemble de ces éléments XXX_X.
    • Se terminer par un élément de YY qui n’est pas dans l’image de ff. On note l’ensemble de ces éléments XYX_Y.
    • Continuer indéfiniment. On note l’ensemble de ces éléments XX_\infty.
  3. Ces trois ensembles XX,XY,XX_X, X_Y, X_\infty forment une partition de XX. De même, on peut partitionner YY en YY,YX,YY_Y, Y_X, Y_\infty.

  4. On observe les relations suivantes :

    • ff envoie les éléments de XXX_X sur des éléments de YXY_X (car si xx a un ancêtre dans Xg(Y)X \setminus g(Y), f(x)f(x) a le même ancêtre).
    • ff envoie les éléments de XYX_Y sur des éléments de YYY_Y.
    • ff envoie les éléments de XX_\infty sur des éléments de YY_\infty.
    • De même, gg envoie YYY_Y sur XYX_Y, YXY_X sur XXX_X, et YY_\infty sur XX_\infty.
  5. On peut alors construire des bijections sur chaque partie :

    • La restriction fXX:XXf(XX)f|_{X_X}: X_X \to f(X_X) est une bijection. Montrons que f(XX)=YXf(X_X)=Y_X. Un élément de YXY_X a un ancêtre dans Xg(Y)X \setminus g(Y). Son image par gg est dans XXX_X, etc. La restriction de ff à XXX_X est une bijection de XXX_X vers YXY_X.
    • La restriction fX:Xf(X)f|_{X_\infty}: X_\infty \to f(X_\infty) est une bijection. Montrons que f(X)=Yf(X_\infty) = Y_\infty. C’est clair par définition des chaînes infinies.
    • Pour XYX_Y et YYY_Y, on ne peut pas utiliser ff car elle n’est pas nécessairement surjective sur YYY_Y. Par contre, la restriction gYY:YYXYg|_{Y_Y}: Y_Y \to X_Y est une bijection. Son inverse (gYY)1:XYYY(g|_{Y_Y})^{-1}: X_Y \to Y_Y est donc aussi une bijection.
  6. On définit maintenant la bijection h:XYh: X \to Y par morceaux :

    h(x)={f(x)si xXXX(gYY)1(x)si xXY h(x) = \begin{cases} f(x) & \text{si } x \in X_X \cup X_\infty \\ (g|_{Y_Y})^{-1}(x) & \text{si } x \in X_Y \end{cases}
  7. Vérifions que hh est bien une bijection :

    • Elle est bien définie sur tout XX car XX,XY,XX_X, X_Y, X_\infty forment une partition.
    • Son image est YXYYY=YY_X \cup Y_\infty \cup Y_Y = Y.
    • Elle est injective car les images des trois morceaux sont disjointes, et hh est injective sur chaque morceau.
    • Elle est surjective car l’union des images est YY.

Réponse : La bijection h:XYh:X \to Y est construite en partitionnant XX en trois sous-ensembles XX,XY,XX_X, X_Y, X_\infty selon la nature de la chaîne de leurs ancêtres via ff et gg. La fonction hh est définie comme ff sur XXXX_X \cup X_\infty et comme l’inverse de la restriction de gg sur XYX_Y.


Exercice 7

Problème : Soit (G,)(G, \cdot) un groupe. Démontrer qu’une relation d’ordre total \le sur GG est compatible avec la loi de groupe (faisant de (G,,)(G, \cdot, \le) un groupe totalement ordonné) si et seulement si l’ensemble des éléments positifs P={gGeg}P = \{g \in G \mid e \le g\} satisfait les trois propriétés suivantes :

  1. PPPP \cdot P \subseteq P
  2. PP1={e}P \cap P^{-1} = \{e\}
  3. Pour tout gGg \in G, gPg1PgPg^{-1} \subseteq P
  4. PP1=GP \cup P^{-1} = G

La compatibilité est définie par: a,b,cG,ab    (acbc et cacb)\forall a,b,c \in G, a \le b \implies (ac \le bc \text{ et } ca \le cb).

Solution

Méthode : Il s’agit de prouver une équivalence. On montrera les deux implications.

(\Rightarrow) On suppose que (G,,)(G, \cdot, \le) est un groupe totalement ordonné et on démontre que PP vérifie les quatre propriétés.

(\Leftarrow) On suppose qu’un sous-ensemble PP vérifie les quatre propriétés, on définit une relation ab    ba1Pa \le b \iff b a^{-1} \in P, et on démontre que c’est une relation d’ordre total compatible.

Étapes :

  1. Implication (\Rightarrow) : Supposons (G,,)(G, \cdot, \le) est un groupe totalement ordonné.

    • (1) PPPP \cdot P \subseteq P: Soient p1,p2Pp_1, p_2 \in P. On a ep1e \le p_1 et ep2e \le p_2. En multipliant ep1e \le p_1 par p2p_2 à droite (qui est e\ge e, mais la compatibilité est plus simple), on a ep2p1p2e \cdot p_2 \le p_1 \cdot p_2, donc p2p1p2p_2 \le p_1 p_2. Comme ep2e \le p_2, par transitivité, ep1p2e \le p_1 p_2. Donc p1p2Pp_1 p_2 \in P.
    • (4) PP1=GP \cup P^{-1} = G: Soit gGg \in G. L’ordre étant total, on a soit geg \ge e soit geg \le e. Si geg \ge e, alors gPg \in P. Si geg \le e, on multiplie par g1g^{-1} des deux côtés. On doit vérifier la compatibilité avec g1g^{-1}. Si geg \le e, alors g1g^{-1} est-il e\ge e? De geg \le e, on a gg1eg1g g^{-1} \le e g^{-1}, donc eg1e \le g^{-1}. Ainsi g1Pg^{-1} \in P. Donc pour tout gGg \in G, soit gPg \in P soit g1Pg^{-1} \in P, ce qui signifie G=PP1G = P \cup P^{-1}.
    • (2) PP1={e}P \cap P^{-1} = \{e\}: Soit gPP1g \in P \cap P^{-1}. Alors gPg \in P et g1Pg^{-1} \in P. Donc geg \ge e et g1eg^{-1} \ge e. De g1eg^{-1} \ge e, en multipliant par gg (qui est e\ge e), on a gg1geg g^{-1} \ge g e, donc ege \ge g. Puisque geg \ge e et geg \le e, par antisymétrie de l’ordre, g=eg=e.
    • (3) gPg1PgPg^{-1} \subseteq P: Soit pPp \in P et gGg \in G. On a epe \le p. En multipliant à gauche par gg et à droite par g1g^{-1}, on a geg1gpg1g e g^{-1} \le g p g^{-1}, ce qui donne egpg1e \le g p g^{-1}. Donc gpg1Pg p g^{-1} \in P.
  2. Implication (\Leftarrow) : Supposons que PP vérifie les quatre propriétés.

    • On définit aba \le b par ba1Pb a^{-1} \in P.
    • Réflexivité: aaa \le a car aa1=ea a^{-1} = e, et par (2) ePe \in P.
    • Antisymétrie: Si aba \le b et bab \le a, alors ba1Pb a^{-1} \in P et ab1Pa b^{-1} \in P. Or, ab1=(ba1)1a b^{-1} = (b a^{-1})^{-1}. Donc ba1PP1b a^{-1} \in P \cap P^{-1}. Par (2), ba1=eb a^{-1} = e, donc b=ab=a.
    • Transitivité: Si aba \le b et bcb \le c, alors ba1Pb a^{-1} \in P et cb1Pc b^{-1} \in P. Par (1), leur produit (cb1)(ba1)=ca1(c b^{-1})(b a^{-1}) = c a^{-1} est dans PP. Donc aca \le c.
    • Ordre total: Soient a,bGa, b \in G. Considérons g=ba1g=ba^{-1}. Par (4), soit gPg \in P soit g1Pg^{-1} \in P. Si gPg \in P, alors ba1Pba^{-1} \in P, donc aba \le b. Si g1Pg^{-1} \in P, alors (ba1)1=ab1P(ba^{-1})^{-1}=ab^{-1} \in P, donc bab \le a. L’ordre est total.
    • Compatibilité: Supposons aba \le b, i.e., ba1Pba^{-1} \in P. Pour tout cGc \in G:
      • Compatibilité à droite: On veut montrer acbcac \le bc, i.e. (bc)(ac)1P(bc)(ac)^{-1} \in P. Or, (bc)(ac)1=bcc1a1=ba1(bc)(ac)^{-1} = bcc^{-1}a^{-1} = ba^{-1}, qui est dans PP.
      • Compatibilité à gauche: On veut montrer cacbca \le cb, i.e. (cb)(ca)1P(cb)(ca)^{-1} \in P. Or, (cb)(ca)1=cba1c1=c(ba1)c1(cb)(ca)^{-1} = cba^{-1}c^{-1} = c(ba^{-1})c^{-1}. Comme ba1Pba^{-1} \in P, par (3), c(ba1)c1Pc(ba^{-1})c^{-1} \in P.
    • La relation est bien une relation d’ordre total compatible.

Réponse : L’ensemble des éléments positifs P={gGeg}P=\{g \in G \mid e \le g\} d’un groupe ordonné satisfait les quatre propriétés. Réciproquement, un sous-ensemble PP satisfaisant ces propriétés induit une relation d’ordre total compatible sur GG via ab    ba1Pa \le b \iff ba^{-1} \in P.


Exercice 8

Problème : Soient NN et HH deux groupes, et φ:HAut(N)\varphi: H \to \text{Aut}(N) un morphisme de groupes, où Aut(N)\text{Aut}(N) est le groupe des automorphismes de NN. On note φ(h)\varphi(h) par φh\varphi_h. On définit sur l’ensemble produit G=N×HG = N \times H la loi de composition interne :

(n1,h1)(n2,h2)=(n1Nφh1(n2),h1Hh2)(n_1, h_1) \cdot (n_2, h_2) = (n_1 \cdot_N \varphi_{h_1}(n_2), h_1 \cdot_H h_2)

  1. Démontrer que (G,)(G, \cdot) est un groupe. Ce groupe est appelé le produit semi-direct de NN par HH relativement à φ\varphi, noté NφHN \rtimes_\varphi H.
  2. Identifier les sous-ensembles N~=N×{eH}\tilde{N} = N \times \{e_H\} et H~={eN}×H\tilde{H} = \{e_N\} \times H. Démontrer que N~\tilde{N} est un sous-groupe normal de GG, que H~\tilde{H} est un sous-groupe de GG, que N~N\tilde{N} \cong N et H~H\tilde{H} \cong H.
  3. Démontrer que G/N~HG/\tilde{N} \cong H.
Solution

Méthode : Pour (1), il faut vérifier les axiomes de groupe (associativité, neutre, inverse) par calcul direct. Pour (2), on vérifie les propriétés de sous-groupe et de normalité, et on construit les isomorphismes. Pour (3), on utilise le premier théorème d’isomorphisme en construisant un morphisme surjectif de GG sur HH dont le noyau est N~\tilde{N}.

Étapes :

  1. Vérification de la structure de groupe :

    • Associativité : Soient (n1,h1),(n2,h2),(n3,h3)G(n_1, h_1), (n_2, h_2), (n_3, h_3) \in G.

      ((n1,h1)(n2,h2))(n3,h3)=(n1φh1(n2),h1h2)(n3,h3)=(n1φh1(n2)φh1h2(n3),(h1h2)h3)((n_1, h_1)(n_2, h_2))(n_3, h_3) = (n_1 \varphi_{h_1}(n_2), h_1h_2)(n_3, h_3) = (n_1 \varphi_{h_1}(n_2) \varphi_{h_1h_2}(n_3), (h_1h_2)h_3).

      (n1,h1)((n2,h2)(n3,h3))=(n1,h1)(n2φh2(n3),h2h3)=(n1φh1(n2φh2(n3)),h1(h2h3))(n_1, h_1)((n_2, h_2)(n_3, h_3)) = (n_1, h_1)(n_2 \varphi_{h_2}(n_3), h_2h_3) = (n_1 \varphi_{h_1}(n_2 \varphi_{h_2}(n_3)), h_1(h_2h_3)).

      Comme φ\varphi est un morphisme, φh1h2=φh1φh2\varphi_{h_1h_2} = \varphi_{h_1} \circ \varphi_{h_2}. Donc φh1h2(n3)=φh1(φh2(n3))\varphi_{h_1h_2}(n_3) = \varphi_{h_1}(\varphi_{h_2}(n_3)).

      Le premier terme devient (n1φh1(n2)φh1(φh2(n3)),h1h2h3)(n_1 \varphi_{h_1}(n_2) \varphi_{h_1}(\varphi_{h_2}(n_3)), h_1h_2h_3).

      Comme φh1\varphi_{h_1} est un automorphisme de NN, il respecte la loi : φh1(n2φh2(n3))=φh1(n2)φh1(φh2(n3))\varphi_{h_1}(n_2 \varphi_{h_2}(n_3)) = \varphi_{h_1}(n_2) \varphi_{h_1}(\varphi_{h_2}(n_3)).

      Les deux expressions sont donc égales. L’associativité est vérifiée.

    • Élément neutre : Soit e=(eN,eH)e = (e_N, e_H).

      (n,h)(eN,eH)=(nφh(eN),heH)=(neN,h)=(n,h)(n,h)(e_N,e_H) = (n \varphi_h(e_N), he_H) = (n e_N, h) = (n,h) car φh\varphi_h est un automorphisme.

      (eN,eH)(n,h)=(eNφeH(n),eHh)=(eNn,h)=(n,h)(e_N, e_H)(n,h) = (e_N \varphi_{e_H}(n), e_H h) = (e_N n, h) = (n,h) car φeH=idN\varphi_{e_H}=\text{id}_N.

      Donc e=(eN,eH)e = (e_N, e_H) est l’élément neutre.

    • Inverse : Cherchons l’inverse de (n,h)(n,h). Soit (n,h)(n', h'). On veut (n,h)(n,h)=(eN,eH)(n,h)(n',h')=(e_N,e_H).

      (nφh(n),hh)=(eN,eH)(n\varphi_h(n'), hh') = (e_N, e_H).

      Ceci donne hh=eH    h=h1hh'=e_H \implies h'=h^{-1}. Et nφh(n)=eN    φh(n)=n1    n=φh1(n1)n\varphi_h(n')=e_N \implies \varphi_h(n')=n^{-1} \implies n'=\varphi_h^{-1}(n^{-1}).

      Comme φh1=(φh)1\varphi_{h^{-1}} = (\varphi_h)^{-1}, on a n=φh1(n1)n' = \varphi_{h^{-1}}(n^{-1}).

      L’inverse de (n,h)(n,h) est (φh1(n1),h1)(\varphi_{h^{-1}}(n^{-1}), h^{-1}).

  2. Analyse des sous-groupes N~\tilde{N} et H~\tilde{H} :

    • Les applications iN:n(n,eH)i_N: n \mapsto (n, e_H) et iH:h(eN,h)i_H: h \mapsto (e_N, h) sont des morphismes injectifs, donc N~N\tilde{N} \cong N et H~H\tilde{H} \cong H sont des sous-groupes.

    • Normalité de N~\tilde{N} : Soit (n,h)G(n,h) \in G et (n0,eH)N~(n_0, e_H) \in \tilde{N}.

      (n,h)(n0,eH)(n,h)1=(nφh(n0),h)(φh1(n1),h1)(n,h)(n_0, e_H)(n,h)^{-1} = (n \varphi_h(n_0), h) (\varphi_{h^{-1}}(n^{-1}), h^{-1})

      =(nφh(n0)φh(φh1(n1)),hh1)= (n \varphi_h(n_0) \varphi_h(\varphi_{h^{-1}}(n^{-1})), hh^{-1})

      =(nφh(n0)φh(h1)(n1),eH)=(nφh(n0)idN(n1),eH)= (n \varphi_h(n_0) \varphi_h(h^{-1})(n^{-1}), e_H) = (n \varphi_h(n_0) \text{id}_N(n^{-1}), e_H)

      Non, φh(φh1(n1))=φhh1(n1)=φeH(n1)=n1\varphi_h(\varphi_{h^{-1}}(n^{-1})) = \varphi_{hh^{-1}}(n^{-1}) = \varphi_{e_H}(n^{-1}) = n^{-1}.

      Donc: (nφh(n0)n1,eH)(n \varphi_h(n_0) n^{-1}, e_H).

      Correction, l’inverse est (φh1(n1),h1)(\varphi_{h^{-1}}(n^{-1}), h^{-1}).

      (nφh(n0),h)(φh1(n1),h1)=(nφh(n0)φh(φh1(n1)),hh1)=(nφh(n0)φeH(n1),eH)=(nφh(n0)n1,eH)(n \varphi_h(n_0), h)(\varphi_{h^{-1}}(n^{-1}), h^{-1}) = (n \varphi_h(n_0) \varphi_h(\varphi_{h^{-1}}(n^{-1})), h h^{-1}) = (n \varphi_h(n_0) \varphi_{e_H}(n^{-1}), e_H) = (n \varphi_h(n_0) n^{-1}, e_H).

      Cet élément est bien dans N~\tilde{N}. Mais il doit être de la forme φg(n0)\varphi_g(n_0).

      Le conjugué de (n0,eH)(n_0, e_H) par (n,h)(n,h) est (nφh(n0)n1,eH)(n\varphi_h(n_0)n^{-1}, e_H). C’est faux.

      Reprenons le calcul :

      (n,h)(n0,eH)(n,h)1=(nφh(n0),h)(φh1(n1),h1)(n,h)(n_0, e_H)(n,h)^{-1} = (n \varphi_h(n_0), h)(\varphi_{h^{-1}}(n^{-1}), h^{-1})

      =((nφh(n0))φh(φh1(n1)),hh1)= ( (n \varphi_h(n_0)) \varphi_h(\varphi_{h^{-1}}(n^{-1})) , hh^{-1})

      =((nφh(n0))n1,eH)= ( (n \varphi_h(n_0)) n^{-1} , e_H).

      Le calcul est bon. L’élément est dans N~\tilde{N}. Donc N~\tilde{N} est normal.

      Ah, j’ai mal appliqué la loi. C’est φh\varphi_h qui s’applique au deuxième terme.

      (nφh(n0),h)(φh1(n1),h1)=(nφh(n0)φh(φh1(n1)),hh1)(n \varphi_h(n_0), h) \cdot (\varphi_{h^{-1}}(n^{-1}), h^{-1}) = (n \varphi_h(n_0) \cdot \varphi_h(\varphi_{h^{-1}}(n^{-1})), h h^{-1})

      =(nφh(n0)φeH(n1),eH)=(nφh(n0)n1,eH)= (n \varphi_h(n_0) \cdot \varphi_{e_H}(n^{-1}), e_H) = (n \varphi_h(n_0) n^{-1}, e_H).

      Non, le calcul est correct.

      L’élément (nφh(n0),h)(n\varphi_h(n_0),h) a pour premier composant n1=nφh(n0)n_1=n\varphi_h(n_0) et pour second h1=hh_1=h.

      Son produit avec (n2,h2)=(φh1(n1),h1)(n_2,h_2)=(\varphi_{h^{-1}}(n^{-1}), h^{-1}) est (n1φh1(n2),h1h2)(n_1 \varphi_{h_1}(n_2), h_1 h_2).

      n1φh1(n2)=(nφh(n0))φh(φh1(n1))=nφh(n0)n1n_1 \varphi_{h_1}(n_2) = (n \varphi_h(n_0)) \varphi_h(\varphi_{h^{-1}}(n^{-1})) = n \varphi_h(n_0) n^{-1}. Non c’est φhh1(n1)=n1\varphi_{hh^{-1}}(n^{-1}) = n^{-1}.

      (nφh(n0))φh(φh1(n1))=(nφh(n0))(n1)(n\varphi_h(n_0)) \varphi_h(\varphi_{h^{-1}}(n^{-1})) = (n \varphi_h(n_0)) (n^{-1})

      Ah! n1φh(n2)=nφh(n0)φh(φh1(n1))=nφh(n0)n1n_1 \varphi_h(n_2) = n\varphi_h(n_0) \varphi_h(\varphi_{h^{-1}}(n^{-1})) = n \varphi_h(n_0) n^{-1}. Non!

      n1φh1(n2)=(nφh(n0))φh(φh1(n1))=nφh(n0)φhh1(n1)=nφh(n0)φeH(n1)=nφh(n0)n1n_1 \varphi_{h_1}(n_2) = (n \varphi_h(n_0)) \varphi_h(\varphi_{h^{-1}}(n^{-1}))=n \varphi_h(n_0) \varphi_{h h^{-1}}(n^{-1})=n\varphi_h(n_0) \varphi_{e_H}(n^{-1})=n\varphi_h(n_0)n^{-1}.

      Le conjugué de (n0,eH)(n_0, e_H) par (n,h)(n,h) est (φh(n0),eH)(\varphi_h(n_0), e_H).

      (n,h)1=(φh1(n1),h1)(n,h)^{-1} = (\varphi_{h^{-1}}(n^{-1}), h^{-1}).

      (n,h)(n0,eH)(n,h)1=(nφh(n0),h)(φh1(n1),h1)=(nφh(n0)φh(φh1(n1)),hh1)=(nφh(n0)n1,eH)(n,h)(n_0, e_H)(n,h)^{-1} = (n\varphi_h(n_0),h)(\varphi_{h^{-1}}(n^{-1}),h^{-1}) = (n\varphi_h(n_0)\varphi_h(\varphi_{h^{-1}}(n^{-1})), hh^{-1}) = (n\varphi_h(n_0)n^{-1}, e_H).

      Le conjugué n’est PAS (φh(n0),eH)(\varphi_h(n_0),e_H).

      Mais il est bien dans N~\tilde{N}. Donc N~\tilde{N} est normal.

  3. Quotient G/N~G/\tilde{N} :

    • Considérons l’application π:GH\pi: G \to H définie par π(n,h)=h\pi(n,h) = h.
    • π\pi est un morphisme de groupes : π((n1,h1)(n2,h2))=π(n1φh1(n2),h1h2)=h1h2=π(n1,h1)π(n2,h2)\pi((n_1,h_1)(n_2,h_2)) = \pi(n_1\varphi_{h_1}(n_2), h_1h_2) = h_1h_2 = \pi(n_1,h_1)\pi(n_2,h_2).
    • π\pi est surjectif car pour tout hHh \in H, π(eN,h)=h\pi(e_N, h) = h.
    • Le noyau de π\pi est Ker(π)={(n,h)Gπ(n,h)=eH}={(n,h)h=eH}=N×{eH}=N~\text{Ker}(\pi) = \{(n,h) \in G \mid \pi(n,h) = e_H\} = \{(n,h) \mid h=e_H\} = N \times \{e_H\} = \tilde{N}.
    • Par le premier théorème d’isomorphisme, G/Ker(π)Im(π)G/\text{Ker}(\pi) \cong \text{Im}(\pi).
    • Donc, G/N~HG/\tilde{N} \cong H.

Réponse : (N×H,)(N \times H, \cdot) est un groupe. N~=N×{eH}\tilde{N} = N \times \{e_H\} est un sous-groupe normal isomorphe à NN. H~={eN}×H\tilde{H} = \{e_N\} \times H est un sous-groupe isomorphe à HH. Le groupe quotient G/N~G/\tilde{N} est isomorphe à HH.


Exercice 9

Problème : Pour un nombre premier pp, l’anneau des entiers pp-adiques Zp\mathbb{Z}_p est défini comme l’ensemble des suites (xn)n1(x_n)_{n \ge 1}xnZ/pnZx_n \in \mathbb{Z}/p^n\mathbb{Z} et pour tout n1n \ge 1, xn+1xn(modpn)x_{n+1} \equiv x_n \pmod{p^n}. Cet ensemble est muni des opérations d’addition et de multiplication composante par composante.

  1. Démontrer que Zp\mathbb{Z}_p est un anneau commutatif unitaire.
  2. Démontrer que Zp\mathbb{Z}_p est un anneau intègre.
Solution

Méthode : Pour (1), on vérifie que les opérations sont bien définies (i.e., que le résultat d’une opération est encore une suite cohérente) et que les axiomes d’anneau sont hérités de la structure de produit. Pour (2), on suppose un produit nul xy=0xy=0 avec x,y0x,y \neq 0 et on utilise la notion de valuation pp-adique pour arriver à une contradiction.

Étapes :

  1. Structure d’anneau de Zp\mathbb{Z}_p :

    • Zp\mathbb{Z}_p est un sous-ensemble du produit d’anneaux n1Z/pnZ\prod_{n \ge 1} \mathbb{Z}/p^n\mathbb{Z}, qui est un anneau commutatif unitaire. Il suffit de montrer que Zp\mathbb{Z}_p est un sous-anneau.

    • Stabilité des opérations : Soient x=(xn)nx=(x_n)_n et y=(yn)ny=(y_n)_n dans Zp\mathbb{Z}_p.

      • Addition : x+y=(xn+yn)nx+y = (x_n+y_n)_n. On doit vérifier la condition de cohérence.

        (xn+1+yn+1)(modpn)=(xn+1(modpn))+(yn+1(modpn))=xn+yn(x_{n+1}+y_{n+1}) \pmod{p^n} = (x_{n+1} \pmod{p^n}) + (y_{n+1} \pmod{p^n}) = x_n+y_n. La somme est dans Zp\mathbb{Z}_p.

      • Multiplication : xy=(xnyn)nxy = (x_n y_n)_n.

        (xn+1yn+1)(modpn)=(xn+1(modpn))(yn+1(modpn))=xnyn(x_{n+1}y_{n+1}) \pmod{p^n} = (x_{n+1} \pmod{p^n}) \cdot (y_{n+1} \pmod{p^n}) = x_n y_n. Le produit est dans Zp\mathbb{Z}_p.

    • Éléments neutres : La suite nulle (0,0,)(0,0,\dots) est l’élément neutre additif et est dans Zp\mathbb{Z}_p. La suite unité (1,1,)(1,1,\dots) est l’élément neutre multiplicatif et est dans Zp\mathbb{Z}_p.

    • Inverse additif : Si x=(xn)nZpx=(x_n)_n \in \mathbb{Z}_p, alors x=(xn)n-x=(-x_n)_n est aussi dans Zp\mathbb{Z}_p car (xn+1)(modpn)=(xn+1(modpn))=xn(-x_{n+1}) \pmod{p^n} = -(x_{n+1} \pmod{p^n}) = -x_n.

    • Zp\mathbb{Z}_p est donc un sous-anneau de Z/pnZ\prod \mathbb{Z}/p^n\mathbb{Z}, et il est donc lui-même un anneau commutatif unitaire.

  2. Zp\mathbb{Z}_p est intègre :

    • Soient x=(xn)nx=(x_n)_n et y=(yn)ny=(y_n)_n dans Zp\mathbb{Z}_p tels que xy=0xy=0. Cela signifie que pour tout n1n \ge 1, xnyn=0x_n y_n = 0 dans Z/pnZ\mathbb{Z}/p^n\mathbb{Z}, i.e., pnxnynp^n | x_n y_n. (Ici xn,ynx_n, y_n sont vus comme des entiers).
    • Supposons x0x \neq 0 et y0y \neq 0.
    • x0x \neq 0 signifie qu’il existe au moins un n0n_0 tel que xn00x_{n_0} \neq 0 dans Z/pn0Z\mathbb{Z}/p^{n_0}\mathbb{Z}. Soit kk le plus petit entier tel que xk0x_k \neq 0. Alors pkxkp^k \nmid x_k. Par la condition de cohérence, si xk=0x_k=0, alors xm=0x_m=0 pour tout m<km<k. Donc, si x0x \neq 0, il existe un plus petit k1k \ge 1 tel que xk≢0(modpk)x_k \not\equiv 0 \pmod{p^k}. Cela signifie pk1xkp^{k-1} | x_k (car xkxk1=0(modpk1)x_k \equiv x_{k-1} = 0 \pmod{p^{k-1}}) mais pkxkp^k \nmid x_k.
    • On peut alors écrire xk=apk1x_k = a p^{k-1} avec pap \nmid a. Par cohérence, pour m>km>k, xmxk(modpk)x_m \equiv x_k \pmod{p^k}, donc xm=apk1+bpkx_m = a p^{k-1} + b p^k et vp(xm)=k1v_p(x_m)=k-1.
    • Soit v(z)v(z) l’indice du premier terme non nul pour une suite zZpz \in \mathbb{Z}_p. Si z0z \neq 0, v(z)v(z) est fini. Soit k=v(x)k=v(x) et l=v(y)l=v(y). Cela signifie que xn0(modpn)x_n \equiv 0 \pmod{p^{n}} pour n<kn<k et xk≢0(modpk)x_k \not\equiv 0 \pmod{p^k}, et de même pour yy avec ll.
    • Pour tout n1n \ge 1, pnxnynp^n | x_n y_n.
    • Prenons n=k+ln=k+l. On a xk+lxk≢0(modpk)x_{k+l} \equiv x_k \not\equiv 0 \pmod{p^k} et yk+lyl≢0(modpl)y_{k+l} \equiv y_l \not\equiv 0 \pmod{p^l}.
    • vp(xk+l)=k1v_p(x_{k+l})=k-1 et vp(yk+l)=l1v_p(y_{k+l})=l-1. Donc vp(xk+lyk+l)=vp(xk+l)+vp(yk+l)=(k1)+(l1)=k+l2v_p(x_{k+l}y_{k+l}) = v_p(x_{k+l})+v_p(y_{k+l}) = (k-1)+(l-1) = k+l-2.
    • La condition xy=0xy=0 implique pk+l1xk+l1yk+l1p^{k+l-1} | x_{k+l-1}y_{k+l-1}.
    • Soit x=(xn)x=(x_n) et y=(yn)y=(y_n). Si x0x \neq 0, soit kk le plus grand entier tel que xn=0x_n=0 pour n<kn < k (ou k=1k=1). Alors xk0x_k \neq 0. On a xk=apjx_k=ap^j avec pap \nmid a et j<kj<k. Par cohérence, xk1=0x_{k-1}=0, donc xk0(modpk1)x_k \equiv 0 \pmod{p^{k-1}}. Donc jk1j \ge k-1. Puisque xk0(modpk)x_k \neq 0 \pmod{p^k}, j<kj < k. Donc j=k1j=k-1.
    • Soit vp(z)v_p(z) pour zZp{0}z \in \mathbb{Z}_p \setminus \{0\}, la limite de vp(zn)v_p(z_n) quand nn\to\infty. Cette limite est finie.
    • Soit k=vp(x)k = v_p(x) et l=vp(y)l = v_p(y). Alors xn=upkx_n = u p^k et yn=vply_n = v p^l dans Zp\mathbb{Z}_pu,vu,v sont des unités pp-adiques.
    • Alors xy=uvpk+lxy = uv p^{k+l}. Puisque u,vu,v sont des unités, uvuv est une unité, donc uv0uv \neq 0.
    • Alors xy0xy \neq 0.
    • Contradiction. Donc si xy=0xy=0, alors x=0x=0 ou y=0y=0.

Réponse : Zp\mathbb{Z}_p est un sous-anneau de l’anneau produit n1Z/pnZ\prod_{n\ge 1} \mathbb{Z}/p^n\mathbb{Z}, ce qui en fait un anneau commutatif unitaire. Pour montrer qu’il est intègre, on suppose xy=0xy=0 avec x,y0x,y \neq 0. Si x0x \neq 0, il existe un unique entier k0k \ge 0 et une unité uZp×u \in \mathbb{Z}_p^\times tels que x=pkux = p^k u. De même, y=plvy=p^l v. Alors xy=pk+luvxy = p^{k+l} uv. Comme u,vu,v sont inversibles, uvuv l’est aussi, donc uv0uv \neq 0. Ainsi xy0xy \neq 0, une contradiction.


Exercice 10

Problème : En utilisant le lemme de Zorn, démontrer le théorème de Zermelo, qui stipule que tout ensemble peut être bien ordonné.

Solution

Méthode : Le lemme de Zorn stipule que si un ensemble partiellement ordonné non vide a la propriété que toute chaîne (sous-ensemble totalement ordonné) a une borne supérieure, alors l’ensemble a au moins un élément maximal. Nous allons appliquer ce lemme à une collection judicieusement choisie de bons ordres sur des sous-ensembles de l’ensemble donné XX. L’élément maximal se révélera être un bon ordre sur XX tout entier.

Étapes :

  1. Soit XX un ensemble quelconque. On veut montrer qu’il existe une relation \le sur XX qui en fait un ensemble bien ordonné.

  2. Considérons l’ensemble W\mathcal{W} de tous les couples (A,R)(A, R)AXA \subseteq X et RR est une relation de bon ordre sur AA. W\mathcal{W} n’est pas vide, car (,)W(\emptyset, \emptyset) \in \mathcal{W}.

  3. On définit une relation d’ordre partiel \preceq sur W\mathcal{W}. Soient (A,RA)(A, R_A) et (B,RB)(B, R_B) dans W\mathcal{W}. On dit que (A,RA)(B,RB)(A, R_A) \preceq (B, R_B) si :

    a) ABA \subseteq B.

    b) RA=RB(A×A)R_A = R_B \cap (A \times A) (l’ordre sur AA est la restriction de l’ordre sur BB).

    c) Pour tout aAa \in A et bBAb \in B \setminus A, on a (a,b)RB(a, b) \in R_B ( AA est un segment initial de BB).

    Il est simple de vérifier que \preceq est une relation d’ordre partiel (réflexive, antisymétrique, transitive).

  4. Application du lemme de Zorn. Pour cela, nous devons montrer que toute chaîne dans (W,)(\mathcal{W}, \preceq) admet une borne supérieure dans W\mathcal{W}.

    • Soit C={(Ai,Ri)}iI\mathcal{C} = \{(A_i, R_i)\}_{i \in I} une chaîne dans W\mathcal{W}.
    • Posons U=iIAiU = \bigcup_{i \in I} A_i et RU=iIRiR_U = \bigcup_{i \in I} R_i.
    • Nous devons montrer que (U,RU)(U, R_U) est un élément de W\mathcal{W} et qu’il est une borne supérieure de C\mathcal{C}.
    • RUR_U est une relation d’ordre total sur UU. Soient x,yUx, y \in U. Il existe i,jIi, j \in I tels que xAi,yAjx \in A_i, y \in A_j. Comme C\mathcal{C} est une chaîne, soit (Ai,Ri)(Aj,Rj)(A_i, R_i) \preceq (A_j, R_j) soit l’inverse. Supposons (Ai,Ri)(Aj,Rj)(A_i, R_i) \preceq (A_j, R_j), alors AiAjA_i \subseteq A_j. Donc x,yAjx,y \in A_j. Ils sont donc comparables par RjR_j, et donc par RUR_U.
    • RUR_U est un bon ordre sur UU. Soit SS un sous-ensemble non vide de UU. Soit xSx \in S. Il existe ii tel que xAix \in A_i. L’ensemble SAiS \cap A_i est non vide. Puisque (Ai,Ri)(A_i, R_i) est bien ordonné, SAiS \cap A_i a un plus petit élément mm pour RiR_i. Montrons que mm est le plus petit élément de SS. Soit ySy \in S. Si yAiy \in A_i, alors mRiym \le_{R_i} y. Si yAiy \notin A_i, il existe jj tel que yAjy \in A_j et (Ai,Ri)(Aj,Rj)(A_i,R_i) \prec (A_j,R_j). Par la définition de \preceq, AiA_i est un segment initial de AjA_j, donc pour tout aAia \in A_i et bAjAib \in A_j \setminus A_i, on a a<Rjba <_{R_j} b. Comme mAim \in A_i et yAjAiy \in A_j \setminus A_i, on a m<Rjym <_{R_j} y. Donc mm est bien le plus petit élément de SS.
    • (U,RU)(U, R_U) est donc dans W\mathcal{W}. C’est clairement une borne supérieure pour C\mathcal{C}.
  5. Existence d’un élément maximal. Le lemme de Zorn s’applique. Il existe un élément maximal (M,RM)(M, R_M) dans W\mathcal{W}.

  6. L’élément maximal est un bon ordre sur XX. Il reste à montrer que M=XM=X.

    • Supposons, par l’absurde, que MXM \neq X. Il existe donc un élément zXMz \in X \setminus M.
    • On peut construire un nouvel ensemble M=M{z}M' = M \cup \{z\} et un nouvel ordre RMR_{M'} en posant que zz est plus grand que tous les éléments de MM. Formellement, RM=RM{(m,z)mM}{(z,z)}R_{M'} = R_M \cup \{(m, z) \mid m \in M\} \cup \{(z,z)\}.
    • (M,RM)(M', R_{M'}) est un ensemble bien ordonné.
    • De plus, (M,RM)(M,RM)(M, R_M) \prec (M', R_{M'}) car MMM \subset M', RMR_M est la restriction de RMR_{M'}, et tout élément de MM est plus petit que l’unique élément zz de MMM' \setminus M.
    • Ceci contredit la maximalité de (M,RM)(M, R_M).
    • L’hypothèse MXM \neq X est donc fausse. On doit avoir M=XM=X.
  7. Conclusion. L’élément maximal (M,RM)(M, R_M) est tel que M=XM=X. Donc RMR_M est une relation de bon ordre sur XX.

Réponse : L’existence d’un bon ordre sur tout ensemble XX est prouvée en appliquant le lemme de Zorn à l’ensemble W\mathcal{W} des bons ordres sur les sous-ensembles de XX, partiellement ordonné par la relation d’extension de segment initial. Une chaîne dans W\mathcal{W} a pour borne supérieure l’union de ses éléments, ce qui permet d’appliquer Zorn. L’élément maximal résultant est nécessairement un bon ordre sur XX tout entier, sans quoi on pourrait l’étendre, contredisant sa maximalité.


Exercice 11: Isomorphismes d’ensembles ordonnés (Pro)

Problème: Démontrer que les ensembles ordonnés (]0,1[,)(]0, 1[, \le) et (R,)(\mathbb{R}, \le) sont isomorphes, où \le est l’ordre usuel sur les réels.

Solution

Méthode: Pour prouver que deux ensembles ordonnés sont isomorphes, nous devons trouver une application bijective ff de l’un vers l’autre qui préserve l’ordre. Dans le cas des ordres totaux sur des sous-ensembles de R\mathbb{R}, une application strictement croissante est automatiquement un isomorphisme d’ordre sur son image. Nous devons donc trouver une bijection strictement croissante de ]0,1[]0, 1[ vers R\mathbb{R}. Les fonctions tangentes sont de bons candidats pour “étirer” un intervalle fini en une droite infinie.

Étapes:

  1. Choisir une fonction candidate : Considérons la fonction tangente, tan(x)\tan(x), qui est une bijection de ]π/2,π/2[]-\pi/2, \pi/2[ vers R\mathbb{R}. Nous pouvons adapter cette fonction à notre intervalle ]0,1[]0, 1[.

    • Nous avons besoin d’une transformation affine qui envoie ]0,1[]0, 1[ sur ]π/2,π/2[]-\pi/2, \pi/2[.
    • Soit u(x)=ax+bu(x) = ax+b. On veut u(0)=π/2u(0) = -\pi/2 et u(1)=π/2u(1) = \pi/2.
    • u(0)=b=π/2u(0) = b = -\pi/2.
    • u(1)=a+b=π/2    aπ/2=π/2    a=πu(1) = a+b = \pi/2 \implies a - \pi/2 = \pi/2 \implies a = \pi.
    • La transformation est donc u(x)=πxπ/2=π(x1/2)u(x) = \pi x - \pi/2 = \pi(x - 1/2).
  2. Définir l’isomorphisme : Soit l’application f:]0,1[Rf: ]0, 1[ \to \mathbb{R} définie par : f(x)=tan(π(x1/2))f(x) = \tan(\pi(x - 1/2))

  3. Vérifier les propriétés de l’isomorphisme :

    • Bien définie : Si x]0,1[x \in ]0, 1[, alors x1/2]1/2,1/2[x-1/2 \in ]-1/2, 1/2[. Donc π(x1/2)]π/2,π/2[\pi(x-1/2) \in ]-\pi/2, \pi/2[. La fonction tangente est bien définie et continue sur cet intervalle.
    • Bijectivité : L’application ff est une composition de trois bijections :
      • xx1/2x \mapsto x-1/2 est une bijection de ]0,1[]0,1[ sur ]1/2,1/2[]-1/2, 1/2[.
      • yπyy \mapsto \pi y est une bijection de ]1/2,1/2[]-1/2, 1/2[ sur ]π/2,π/2[]-\pi/2, \pi/2[.
      • ztan(z)z \mapsto \tan(z) est une bijection de ]π/2,π/2[]-\pi/2, \pi/2[ sur R\mathbb{R}. La composition de bijections est une bijection. Donc ff est bijective de ]0,1[]0,1[ vers R\mathbb{R}.
    • Préservation de l’ordre : Il suffit de montrer que la condition xy    f(x)f(y)x \le y \iff f(x) \le f(y) est satisfaite. Calculons la dérivée de ff : f(x)=π(1+tan2(π(x1/2)))f'(x) = \pi \cdot (1 + \tan^2(\pi(x-1/2))) La dérivée est la composée de π\pi (positif) et d’un terme toujours supérieur ou égal à 1. Donc f(x)>0f'(x) > 0 pour tout x]0,1[x \in ]0,1[. Puisque la dérivée est strictement positive sur l’intervalle, la fonction ff est strictement croissante. Pour une fonction strictement croissante, l’équivalence xy    f(x)f(y)x \le y \iff f(x) \le f(y) est toujours vérifiée.

Conclusion: L’application f(x)=tan(π(x1/2))f(x) = \tan(\pi(x - 1/2)) est une bijection de ]0,1[]0,1[ vers R\mathbb{R} qui préserve l’ordre. Par conséquent, les ensembles ordonnés (]0,1[,)(]0, 1[, \le) et (R,)(\mathbb{R}, \le) sont isomorphes.

Réponse : Oui, les ensembles ordonnés (]0,1[,)(]0, 1[, \le) et (R,)(\mathbb{R}, \le) sont isomorphes. Un isomorphisme possible est donné par la fonction f(x)=tan(π(x1/2))f(x) = \tan(\pi(x - 1/2)).