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Structures algébriques - fiches de révision (B)

Démontrer que pour une application f:X→Yf: X \to Y (avec X,YX, Y non vides), si ff est surjective, alors elle admet un inverse à droite. Expliquer le rôle de l'Axiome du Choix dans cette preuve.

Solution

Théorème : Une application f:X→Yf: X \to Y est surjective si et seulement si elle admet un inverse à droite (ou section), c'est-à-dire une application s:Y→Xs: Y \to X telle que f∘s=idYf \circ s = \text{id}_Y.

Preuve de l'implication (⇒)(\Rightarrow) :

  1. Hypothèse : ff est surjective. Par définition, cela signifie que pour tout élément y∈Yy \in Y, l'ensemble des antécédents de yy par ff, noté f−1({y})f^{-1}(\{y\}), est un sous-ensemble non vide de XX.

  2. Construction de l'inverse à droite : Nous devons construire une application s:Y→Xs: Y \to X telle que pour tout y∈Yy \in Y, f(s(y))=yf(s(y)) = y. Cela revient à choisir, pour chaque y∈Yy \in Y, un unique élément xx dans l'ensemble non vide f−1({y})f^{-1}(\{y\}) et à poser s(y)=xs(y) = x.

  3. Rôle de l'Axiome du Choix : L'Axiome du Choix (AC) stipule que pour toute collection d'ensembles non vides, il existe une "fonction de choix" qui sélectionne exactement un élément de chaque ensemble. Dans notre cas, la collection d'ensembles est {f−1({y})∣y∈Y}\{f^{-1}(\{y\}) \mid y \in Y\}. L'AC garantit l'existence d'une application s:Y→Xs: Y \to X telle que pour tout y∈Yy \in Y, s(y)∈f−1({y})s(y) \in f^{-1}(\{y\}).

  4. Conclusion : Par construction de ss, on a s(y)s(y) qui est un antécédent de yy pour tout y∈Yy \in Y. Donc, f(s(y))=yf(s(y)) = y. Ceci est vrai pour tout y∈Yy \in Y, ce qui signifie que f∘s=idYf \circ s = \text{id}_Y.

L'Axiome du Choix est donc essentiel pour garantir que l'on peut effectuer simultanément une infinité (potentiellement non dénombrable) de choix pour construire la section ss. Sans lui, la preuve n'est pas possible en toute généralité. □\square

Expliquer comment la propriété universelle des entiers naturels (N,S,0)(\mathbb{N}, S, 0) permet de définir rigoureusement l'addition.

Solution

La propriété universelle de (N,S:N→N,0∈N)(\mathbb{N}, S: \mathbb{N} \to \mathbb{N}, 0 \in \mathbb{N}) stipule que pour tout triplet (X,T,x0∈X)(X, T, x_0 \in X), il existe une unique application f:N→Xf : \mathbb{N} \to X telle que f(0)=x0f(0) = x_0 et le diagramme suivant commute : f∘S=T∘ff \circ S = T \circ f.

Pour définir l'addition d'un entier m∈Nm \in \mathbb{N} à n'importe quel autre entier, nous fixons mm et cherchons à définir l'application addm:N→Nadd_m: \mathbb{N} \to \mathbb{N} où addm(n)=m+nadd_m(n) = m+n.

Application de la propriété universelle :

  1. Nous choisissons le triplet (X,T,x0)(X, T, x_0) de manière stratégique. Nous voulons que l'application résultante ff opère sur les entiers naturels. Nous posons donc X=NX = \mathbb{N}.

  2. L'opération "ajouter 1" est l'opération de base de la récurrence. Nous choisissons donc l'application successeur SS pour jouer le rôle de TT. On pose T=S:N→NT = S: \mathbb{N} \to \mathbb{N}.

  3. L'élément de départ de l'addition m+nm+n pour n=0n=0 doit être mm. Nous posons donc x0=mx_0 = m.

Le triplet est donc (N,S,m)(\mathbb{N}, S, m).

Selon la propriété universelle, il existe une unique application f:N→Nf: \mathbb{N} \to \mathbb{N} telle que :

  • f(0)=mf(0) = m
  • f∘S=S∘ff \circ S = S \circ f, c'est-à-dire f(S(n))=S(f(n))f(S(n)) = S(f(n)) pour tout n∈Nn \in \mathbb{N}.

Cette unique application ff est précisément ce que nous appelons "l'addition de mm", notée addmadd_m. Si nous écrivons m+nm+n pour addm(n)add_m(n) et n+1n+1 pour S(n)S(n), les deux conditions se traduisent par :

  • m+0=mm+0 = m
  • m+(n+1)=(m+n)+1m+(n+1) = (m+n)+1

Ce sont les axiomes de Peano pour l'addition. La propriété universelle garantit non seulement l'existence mais aussi l'unicité d'une telle opération pour chaque m∈Nm \in \mathbb{N}.

Soit (M,∗,e)(M, *, e) un monoïde. Démontrer que l'ensemble de ses éléments inversibles, noté M×M^\times, muni de la loi ∗*, forme un groupe.

Solution

Soit M×={x∈M∣∃y∈M,x∗y=y∗x=e}M^\times = \{x \in M \mid \exists y \in M, x*y = y*x = e\}. Nous devons vérifier les axiomes d'un groupe pour (M×,∗,e)(M^\times, *, e).

  1. Stabilité de la loi (loi de composition interne) :

    Soient x,y∈M×x, y \in M^\times. Par définition, il existe x−1,y−1∈Mx^{-1}, y^{-1} \in M tels que x∗x−1=ex*x^{-1} = e et y∗y−1=ey*y^{-1} = e.

    Considérons le produit x∗yx*y. Pour montrer qu'il est dans M×M^\times, nous devons trouver son inverse. Posons z=y−1∗x−1z = y^{-1}*x^{-1}. En utilisant l'associativité de ∗* dans MM :

    (x∗y)∗z=(x∗y)∗(y−1∗x−1)=x∗(y∗y−1)∗x−1=x∗e∗x−1=x∗x−1=e(x*y)*z = (x*y)*(y^{-1}*x^{-1}) = x*(y*y^{-1})*x^{-1} = x*e*x^{-1} = x*x^{-1} = e.

    De même, z∗(x∗y)=(y−1∗x−1)∗(x∗y)=y−1∗(x−1∗x)∗y=y−1∗e∗y=y−1∗y=ez*(x*y) = (y^{-1}*x^{-1})*(x*y) = y^{-1}*(x^{-1}*x)*y = y^{-1}*e*y = y^{-1}*y = e.

    Donc, x∗yx*y est inversible (d'inverse y−1∗x−1y^{-1}*x^{-1}), ce qui signifie que x∗y∈M×x*y \in M^\times. La loi ∗* est bien une loi de composition interne sur M×M^\times.

  2. Associativité :

    La loi ∗* est associative sur MM. Comme M×M^\times est un sous-ensemble de MM, la loi reste associative pour les éléments de M×M^\times.

  3. Élément neutre :

    L'élément neutre ee de MM est son propre inverse car e∗e=ee*e=e. Donc, e∈M×e \in M^\times. Pour tout x∈M×x \in M^\times, e∗x=x∗e=xe*x = x*e = x, donc ee est bien l'élément neutre de (M×,∗)(M^\times, *).

  4. Inversibilité :

    Par définition même de M×M^\times, tout élément x∈M×x \in M^\times admet un inverse x−1x^{-1} dans MM. Nous devons juste nous assurer que cet inverse x−1x^{-1} est lui-même dans M×M^\times.

    Si x−1x^{-1} est l'inverse de xx, alors x∗x−1=x−1∗x=ex*x^{-1} = x^{-1}*x = e. Cette relation montre que xx est l'inverse de x−1x^{-1}. Donc x−1x^{-1} est inversible, ce qui signifie que x−1∈M×x^{-1} \in M^\times.

Tous les axiomes du groupe sont vérifiés. Par conséquent, (M×,∗,e)(M^\times, *, e) est un groupe. □\square

Dans le cadre de la théorie des catégories, comment interpréter la définition des entiers naturels par propriété universelle ?

Solution

En théorie des catégories, la construction des entiers naturels peut être formalisée de manière très élégante.

  1. La catégorie des systèmes dynamiques pointés :

    Considérons une catégorie, que nous appellerons D\mathcal{D}, dont :

    • Les objets sont des triplets (X,T,x0)(X, T, x_0) où XX est un ensemble, T:X→XT: X \to X est une application (l'endomorphisme de "dynamique"), et x0∈Xx_0 \in X est un élément distingué (le "point de départ").
    • Les morphismes ϕ:(X,T,x0)→(Y,U,y0)\phi: (X, T, x_0) \to (Y, U, y_0) sont des applications ϕ:X→Y\phi: X \to Y qui préservent la structure, c'est-à-dire qui satisfont ϕ(x0)=y0\phi(x_0) = y_0 et font commuter le diagramme suivant :
    X→TXϕ↓↓ϕY→UY \begin{CD} X @>T>> X \\ @V\phi VV @VV\phi V \\ Y @>>U> Y \end{CD}

    Autrement dit, ϕ∘T=U∘ϕ\phi \circ T = U \circ \phi.

  2. N\mathbb{N} comme objet initial :

    La propriété universelle des entiers naturels énonce que pour le triplet (N,S,0)(\mathbb{N}, S, 0), et pour tout autre triplet (X,T,x0)(X, T, x_0), il existe un unique morphisme f:(N,S,0)→(X,T,x0)f: (\mathbb{N}, S, 0) \to (X, T, x_0) dans la catégorie D\mathcal{D}.

    Un objet II dans une catégorie C\mathcal{C} est dit initial si pour tout autre objet A∈CA \in \mathcal{C}, il existe un unique morphisme de II vers AA.

    En comparant ces deux définitions, on constate que le triplet (N,S,0)(\mathbb{N}, S, 0) est précisément un objet initial dans la catégorie D\mathcal{D} des systèmes dynamiques pointés.

Conclusion : L'approche catégorique définit les entiers naturels non pas par leur contenu ("ce qu'ils sont"), mais par leur relation unique avec toutes les autres structures de même type ("ce qu'ils font"). Le fait que les objets initiaux, s'ils existent, soient uniques à isomorphisme unique près, garantit que "les" entiers naturels sont bien définis.

Soit f:G→Hf: G \to H une application entre deux groupes (G,∗G)(G, *_G) et (H,∗H)(H, *_H). Démontrer que si ff préserve l'opération de groupe, i.e., ∀g1,g2∈G,f(g1∗Gg2)=f(g1)∗Hf(g2)\forall g_1, g_2 \in G, f(g_1 *_G g_2) = f(g_1) *_H f(g_2), alors ff préserve nécessairement l'élément neutre et les inverses.

Solution

Soit eGe_G l'élément neutre de GG et eHe_H celui de HH.

1. Preuve de la préservation de l'élément neutre (f(eG)=eHf(e_G) = e_H) :

  • On part de l'identité eG=eG∗GeGe_G = e_G *_G e_G.

  • En appliquant ff, on obtient f(eG)=f(eG∗GeG)f(e_G) = f(e_G *_G e_G).

  • Par la propriété de morphisme, f(eG∗GeG)=f(eG)∗Hf(eG)f(e_G *_G e_G) = f(e_G) *_H f(e_G).

  • On a donc l'équation dans HH: f(eG)=f(eG)∗Hf(eG)f(e_G) = f(e_G) *_H f(e_G).

  • Soit y=f(eG)y = f(e_G). L'équation est y=y∗Hyy = y *_H y. Comme HH est un groupe, yy a un inverse y−1y^{-1}. En multipliant à gauche (ou à droite) par y−1y^{-1}, on obtient :

    y−1∗Hy=y−1∗H(y∗Hy)y^{-1} *_H y = y^{-1} *_H (y *_H y)

    eH=(y−1∗Hy)∗Hye_H = (y^{-1} *_H y) *_H y

    eH=eH∗Hye_H = e_H *_H y

    eH=ye_H = y

  • Donc, f(eG)=eHf(e_G) = e_H.

2. Preuve de la préservation des inverses (f(g−1)=(f(g))−1f(g^{-1}) = (f(g))^{-1}) :

  • Soit g∈Gg \in G. On part de l'identité g∗Gg−1=eGg *_G g^{-1} = e_G.
  • En appliquant ff, on a f(g∗Gg−1)=f(eG)f(g *_G g^{-1}) = f(e_G).
  • En utilisant la propriété de morphisme et le résultat précédent, on obtient : f(g)∗Hf(g−1)=eHf(g) *_H f(g^{-1}) = e_H.
  • De même, en partant de g−1∗Gg=eGg^{-1} *_G g = e_G, on obtient f(g−1)∗Hf(g)=eHf(g^{-1}) *_H f(g) = e_H.
  • Ces deux égalités, f(g)∗Hf(g−1)=eHf(g) *_H f(g^{-1}) = e_H et f(g−1)∗Hf(g)=eHf(g^{-1}) *_H f(g) = e_H, sont la définition de l'inverse d'un élément dans le groupe HH.
  • Elles prouvent que f(g−1)f(g^{-1}) est l'inverse de f(g)f(g). Autrement dit, f(g−1)=(f(g))−1f(g^{-1}) = (f(g))^{-1}. □\square

Énoncer et démontrer la propriété universelle de l'ensemble quotient E/∼E/\sim.

Solution

Théorème (Propriété Universelle du Quotient) :

Soit ∼\sim une relation d'équivalence sur un ensemble EE, et soit π:E→E/∼\pi: E \to E/\sim la projection canonique définie par π(x)=cl(x)\pi(x)=\text{cl}(x).

Pour toute application f:E→Ff: E \to F qui est constante sur les classes d'équivalence (c'est-à-dire, ∀x,y∈E,x∼y⇒f(x)=f(y)\forall x, y \in E, x \sim y \Rightarrow f(x)=f(y)), il existe une unique application fˉ:E/∼→F\bar{f} : E/\sim \to F telle que f=fˉ∘πf = \bar{f} \circ \pi.

Le diagramme suivant commute :


      f

  E -----> F

  |      /

 π|     / ∃!f̄

  |    /

  v   /

 E/~

Démonstration :

  1. Existence de fˉ\bar{f} :

    Nous devons définir fˉ(C)\bar{f}(C) pour toute classe d'équivalence C∈E/∼C \in E/\sim. Une classe CC est de la forme cl(x)\text{cl}(x) pour un certain x∈Ex \in E. Une définition naturelle pour fˉ\bar{f} est de poser fˉ(cl(x))=f(x)\bar{f}(\text{cl}(x)) = f(x).

    Pour que cette définition soit valide, nous devons nous assurer qu'elle ne dépend pas du choix du représentant xx de la classe cl(x)\text{cl}(x). Soit x′x' un autre représentant de la même classe, i.e., cl(x)=cl(x′)\text{cl}(x) = \text{cl}(x'). Par définition des classes, cela signifie que x∼x′x \sim x'.

    L'hypothèse sur ff est qu'elle est constante sur les classes d'équivalence, donc x∼x′x \sim x' implique f(x)=f(x′)f(x)=f(x').

    Ainsi, fˉ(cl(x))=f(x)=f(x′)=fˉ(cl(x′))\bar{f}(\text{cl}(x)) = f(x) = f(x') = \bar{f}(\text{cl}(x')). La définition de fˉ\bar{f} est bien fondée (cohérente).

    Par construction, pour tout x∈Ex \in E, on a (fˉ∘π)(x)=fˉ(π(x))=fˉ(cl(x))=f(x)(\bar{f} \circ \pi)(x) = \bar{f}(\pi(x)) = \bar{f}(\text{cl}(x)) = f(x). Donc, f=fˉ∘πf = \bar{f} \circ \pi.

  2. Unicité de fˉ\bar{f} :

    Supposons qu'il existe une autre application g:E/∼→Fg: E/\sim \to F telle que f=g∘πf = g \circ \pi.

    Pour toute classe C∈E/∼C \in E/\sim, il existe un x∈Ex \in E tel que C=cl(x)=π(x)C = \text{cl}(x) = \pi(x).

    Alors, g(C)=g(π(x))=(g∘π)(x)=f(x)g(C) = g(\pi(x)) = (g \circ \pi)(x) = f(x).

    Par ailleurs, notre définition de fˉ\bar{f} donne fˉ(C)=fˉ(cl(x))=f(x)\bar{f}(C) = \bar{f}(\text{cl}(x)) = f(x).

    Donc, pour toute classe C∈E/∼C \in E/\sim, nous avons g(C)=fˉ(C)g(C) = \bar{f}(C).

    Ceci prouve que g=fˉg = \bar{f}. L'application fˉ\bar{f} est donc unique. □\square

Expliquer pourquoi la notion de sous-groupe normal est une condition nécessaire et suffisante pour que la loi de composition sur l'ensemble des classes G/HG/H soit bien définie.

Solution

Soit GG un groupe et HH un sous-groupe. On souhaite définir une loi de composition sur l'ensemble des classes à gauche G/H={gH∣g∈G}G/H = \{gH \mid g \in G\} par (g1H)⋅(g2H)=(g1g2)H(g_1H) \cdot (g_2H) = (g_1g_2)H.

Le problème de la bonne définition :

La définition dépend du choix des représentants g1g_1 et g2g_2. Pour que la loi soit bien définie, il faut que si on choisit d'autres représentants, le résultat reste le même.

Soient g1′∈g1Hg'_1 \in g_1H et g2′∈g2Hg'_2 \in g_2H. On doit avoir (g1′g2′)H=(g1g2)H(g'_1g'_2)H = (g_1g_2)H.

Par définition, g1′=g1h1g'_1 = g_1h_1 et g2′=g2h2g'_2 = g_2h_2 pour certains h1,h2∈Hh_1, h_2 \in H.

Le produit devient g1′g2′=g1h1g2h2g'_1g'_2 = g_1h_1g_2h_2.

La condition est donc (g1h1g2h2)H=(g1g2)H(g_1h_1g_2h_2)H = (g_1g_2)H. Cela est équivalent à (g1g2)−1(g1h1g2h2)∈H(g_1g_2)^{-1}(g_1h_1g_2h_2) \in H.

(g2−1g1−1)(g1h1g2h2)=g2−1h1g2h2∈H(g_2^{-1}g_1^{-1})(g_1h_1g_2h_2) = g_2^{-1}h_1g_2h_2 \in H.

Puisque h2∈Hh_2 \in H et HH est un groupe, cette condition est équivalente à g2−1h1g2∈Hg_2^{-1}h_1g_2 \in H.

Cette condition doit être vraie pour tous g2∈Gg_2 \in G et tous h1∈Hh_1 \in H. En posant g=g2−1g=g_2^{-1} et h=h1h=h_1, la condition devient: ∀g∈G,∀h∈H,ghg−1∈H\forall g \in G, \forall h \in H, g h g^{-1} \in H.

Ceci est la définition d'un sous-groupe normal (ou distingué) de GG.

Conclusion :

  • Condition nécessaire : Si la loi est bien définie, alors la condition g−1hg∈Hg^{-1}hg \in H doit être satisfaite pour tous g∈G,h∈Hg \in G, h \in H. Donc HH doit être normal.

  • Condition suffisante : Si HH est normal, alors pour tous g∈G,h∈Hg \in G, h \in H, gHg−1=HgHg^{-1} = H, ce qui implique gH=HggH = Hg. Reprenons le calcul :

    (g1h1)(g2h2)=g1(h1g2)h2(g_1h_1)(g_2h_2) = g_1(h_1g_2)h_2. Comme g2H=Hg2g_2H=Hg_2, il existe h1′∈Hh'_1 \in H tel que h1g2=g2h1′h_1g_2=g_2h'_1.

    Le produit devient g1(g2h1′)h2=(g1g2)(h1′h2)g_1(g_2h'_1)h_2 = (g_1g_2)(h'_1h_2).

    Puisque h1′h2∈Hh'_1h_2 \in H, on a (g1g2)(h1′h2)∈(g1g2)H(g_1g_2)(h'_1h_2) \in (g_1g_2)H.

    Donc (g1h1g2h2)H=(g1g2)H(g_1h_1g_2h_2)H = (g_1g_2)H, ce qui montre que la loi est bien définie.

Le contre-exemple de G=S3G=S_3 et H={id,(12)}H=\{\text{id}, (12)\} illustre l'échec. Si on prend (13)H⋅(13)H(13)H \cdot (13)H, le résultat devrait être ((13)(13))H=idH=H((13)(13))H = \text{id} H=H. Mais si on choisit un autre représentant de (13)H(13)H, par exemple (13)(12)=(132)(13)(12)=(132), on a (132)H(132)H. Le calcul (132)⋅(132)=(123)(132) \cdot (132) = (123) donne la classe (123)H(123)H, qui est différente de HH. La loi n'est pas bien définie.

Démontrer que si AA est un anneau commutatif et II est un idéal de AA, alors l'anneau quotient A/IA/I est un corps si et seulement si II est un idéal maximal.

Solution

Rappel des définitions :

  • Un anneau quotient A/IA/I est un corps si 1A+I≠0A+I1_A+I \neq 0_A+I et si tout élément non nul (a+I)(a+I) admet un inverse multiplicatif. La première condition signifie 1A∉I1_A \notin I, donc I≠AI \neq A.
  • Un idéal II de AA est maximal s'il est propre (I≠AI \neq A) et s'il n'existe aucun idéal JJ tel que I⊊J⊊AI \subsetneq J \subsetneq A.

(⇒)(\Rightarrow) Supposons que A/IA/I est un corps.

D'abord, I≠AI \neq A car 1A/I≠0A/I1_{A/I} \neq 0_{A/I}.

Soit JJ un idéal de AA tel que I⊆J⊆AI \subseteq J \subseteq A. Supposons que I≠JI \neq J. Nous voulons montrer que J=AJ=A.

Puisque I≠JI \neq J, il existe un élément a∈Ja \in J tel que a∉Ia \notin I.

Comme a∉Ia \notin I, son image dans A/IA/I, la classe a+Ia+I, est non nulle.

Puisque A/IA/I est un corps, l'élément non nul a+Ia+I est inversible. Il existe donc b∈Ab \in A tel que (a+I)(b+I)=1+I(a+I)(b+I) = 1+I.

Ceci signifie que ab+I=1+Iab+I = 1+I, ce qui est équivalent à 1−ab∈I1-ab \in I.

Soit x=1−abx = 1-ab. Puisque x∈Ix \in I et I⊆JI \subseteq J, on a x∈Jx \in J.

On a a∈Ja \in J. Comme JJ est un idéal et b∈Ab \in A, on a ab∈Jab \in J.

Puisque JJ est un sous-groupe additif, 1−ab∈J1-ab \in J et ab∈Jab \in J impliquent que (1−ab)+ab=1(1-ab)+ab = 1 est aussi dans JJ.

Si l'idéal JJ contient l'élément 1A1_A, alors pour tout r∈Ar \in A, r⋅1=r∈Jr \cdot 1 = r \in J. Donc J=AJ=A.

Nous avons montré que tout idéal JJ contenant strictement II est égal à AA. Donc II est maximal.

(⇐)(\Leftarrow) Supposons que II est un idéal maximal.

Puisque II est maximal, I≠AI \neq A, donc 1∉I1 \notin I, ce qui assure que 1A/I≠0A/I1_{A/I} \neq 0_{A/I}.

Soit a+Ia+I un élément non nul de A/IA/I. Cela signifie que a∉Ia \notin I.

Considérons l'ensemble J=I+aA={i+ar∣i∈I,r∈A}J = I + aA = \{i + ar \mid i \in I, r \in A\}.

Cet ensemble JJ est un idéal de AA.

  • Il contient II (en prenant r=0r=0).
  • Il contient a=0+a⋅1a = 0+a\cdot 1, donc il contient strictement II.

Puisque II est un idéal maximal, on doit avoir J=AJ=A.

Comme J=AJ=A, l'élément 1A1_A appartient à JJ.

Il existe donc i∈Ii \in I et b∈Ab \in A tels que 1=i+ab1 = i + ab.

En passant au quotient A/IA/I, on a 1+I=(i+ab)+I1+I = (i+ab)+I.

Comme i∈Ii \in I, i+I=0+Ii+I=0+I.

Donc 1+I=(ab)+I=(a+I)(b+I)1+I = (ab)+I = (a+I)(b+I).

Ceci montre que l'élément b+Ib+I est l'inverse multiplicatif de a+Ia+I.

Tout élément non nul de A/IA/I est inversible, donc A/IA/I est un corps. □\square

Comment la construction de Grothendieck généralise-t-elle la construction de Z\mathbb{Z} à partir de N\mathbb{N} ?

Solution

La construction de Grothendieck est une méthode générale pour "compléter" un monoïde commutatif (M,+,0)(M, +, 0) en un groupe abélien, appelé le groupe de Grothendieck K(M)K(M). Elle formalise l'idée d'introduire des inverses formels.

1. La construction de Z\mathbb{Z} à partir de N\mathbb{N} :

  • On part du monoïde commutatif (N,+,0)(\mathbb{N}, +, 0).
  • On considère le produit cartésien N×N\mathbb{N} \times \mathbb{N}. Une paire (a,b)(a,b) est pensée comme la différence formelle "a-b".
  • On définit une relation d'équivalence : (a,b)∼(c,d)  ⟺  a+d=b+c(a,b) \sim (c,d) \iff a+d = b+c. Cette relation identifie les différences qui devraient être égales (e.g., 3−1=2−03-1 = 2-0, donc (3,1)∼(2,0)(3,1) \sim (2,0)).
  • L'ensemble quotient (N×N)/∼(\mathbb{N} \times \mathbb{N})/\sim est l'ensemble Z\mathbb{Z}.
  • L'addition est définie par cl(a,b)+cl(c,d)=cl(a+c,b+d)\text{cl}(a,b) + \text{cl}(c,d) = \text{cl}(a+c, b+d), ce qui correspond à (a−b)+(c−d)=(a+c)−(b+d)(a-b)+(c-d) = (a+c)-(b+d).

2. La construction de Grothendieck générale :

  • On part d'un monoïde commutatif (M,+,0)(M, +, 0) quelconque.
  • On considère le produit cartésien M×MM \times M. Une paire (a,b)(a,b) représente la différence formelle a−ba-b.
  • On définit une relation d'équivalence : (a,b)∼(c,d)  ⟺  ∃k∈M tel que a+d+k=b+c+k(a,b) \sim (c,d) \iff \exists k \in M \text{ tel que } a+d+k = b+c+k.
    • Note : Si le monoïde est simplifiable (i.e., x+k=y+k⇒x=yx+k = y+k \Rightarrow x=y), la condition se simplifie en a+d=b+ca+d=b+c, comme pour N\mathbb{N}. L'ajout de kk est nécessaire pour gérer les monoïdes non simplifiables.
  • L'ensemble quotient K(M):=(M×M)/∼K(M) := (M \times M)/\sim est le groupe de Grothendieck.
  • L'addition est définie par cl(a,b)+cl(c,d)=cl(a+c,b+d)\text{cl}(a,b) + \text{cl}(c,d) = \text{cl}(a+c, b+d).
  • L'élément neutre est cl(0,0)\text{cl}(0,0) (ou cl(m,m)\text{cl}(m,m) pour tout m∈Mm \in M).
  • L'inverse de cl(a,b)\text{cl}(a,b) est cl(b,a)\text{cl}(b,a).

Conclusion :

La construction de Z\mathbb{Z} est l'instance de la construction de Grothendieck appliquée au monoïde (N,+)(\mathbb{N},+). Cette méthode est très puissante et s'applique dans de nombreux domaines :

  • En K-théorie topologique, on l'applique au monoïde des classes d'isomorphisme de fibrés vectoriels sur un espace topologique.
  • En géométrie algébrique, on l'applique au monoïde des classes de faisceaux cohérents sur une variété.

Elle fournit une manière canonique de construire un groupe abélien à partir d'un monoïde commutatif, satisfaisant une propriété universelle : tout morphisme du monoïde MM vers un groupe abélien GG se factorise de manière unique à travers le groupe de Grothendieck K(M)K(M).

Qu'est-ce que le foncteur "unités" et quel lien établit-il entre la catégorie des monoïdes et la catégorie des groupes ?

Solution

Le foncteur "unités", souvent noté UU ou (⋅)×(\cdot)^\times, est un foncteur qui associe à chaque monoïde son groupe d'éléments inversibles.

Définition formelle :

Soit Mon la catégorie des monoïdes (les objets sont les monoïdes, les morphismes sont les morphismes de monoïdes) et Grp la catégorie des groupes (objets : groupes, morphismes : morphismes de groupes).

Le foncteur U:Mon→GrpU: \textbf{Mon} \to \textbf{Grp} est défini comme suit :

  1. Sur les objets :

    Pour tout monoïde (M,∗M,eM)(M, *_M, e_M), le foncteur associe l'objet U(M)=(M×,∗M,eM)U(M) = (M^\times, *_M, e_M), qui est le groupe des unités (éléments inversibles) de MM. Nous avons déjà prouvé que M×M^\times est bien un groupe.

  2. Sur les morphismes :

    Soit f:M→Nf: M \to N un morphisme de monoïdes. On définit le morphisme U(f):U(M)→U(N)U(f): U(M) \to U(N) comme étant la restriction de ff à M×M^\times.

    • Validité de la définition : Il faut s'assurer que l'image de M×M^\times par ff est bien dans N×N^\times. Soit x∈M×x \in M^\times, avec inverse x−1x^{-1}. Alors f(x)∗f(x−1)=f(x∗x−1)=f(eM)=eNf(x) * f(x^{-1}) = f(x*x^{-1}) = f(e_M) = e_N. De même f(x−1)∗f(x)=eNf(x^{-1})*f(x)=e_N. Donc f(x)f(x) est inversible dans NN (avec inverse f(x−1)f(x^{-1})), et f(x)∈N×f(x) \in N^\times. La restriction f∣M×f|_{M^\times} est donc bien une application de M×M^\times dans N×N^\times.
    • Propriété de morphisme de groupes : La restriction d'un morphisme de monoïdes est trivialement un morphisme de groupes, car elle préserve la loi de composition.

Propriétés du foncteur :

  • UU préserve les identités : U(idM)=idM∣M×=idM×=idU(M)U(\text{id}_M) = \text{id}_M|_{M^\times} = \text{id}_{M^\times} = \text{id}_{U(M)}.
  • UU préserve la composition : U(g∘f)=(g∘f)∣M×=g∣N×∘f∣M×=U(g)∘U(f)U(g \circ f) = (g \circ f)|_{M^\times} = g|_{N^\times} \circ f|_{M^\times} = U(g) \circ U(f).

Lien entre les catégories :

Ce foncteur établit une relation formelle entre les deux catégories. Il existe aussi un foncteur "d'oubli" F:Grp→MonF: \textbf{Grp} \to \textbf{Mon} qui "oublie" simplement que les inverses existent et considère chaque groupe comme un monoïde.

Le foncteur UU est l'adjoint à gauche du foncteur d'oubli FF. Cette relation d'adjonction est une structure fondamentale en théorie des catégories et exprime de manière concise le fait que le groupe des unités est la "meilleure approximation par un groupe" d'un monoïde, d'une certaine manière. Il capture l'idée que les groupes sont des monoïdes avec une propriété supplémentaire (l'inversibilité).

Comment un isomorphisme d'ordre préserve-t-il les éléments remarquables comme les minima/maxima ?

Solution

Soit f:(E,≤E)→(F,≤F)f: (E, \le_E) \to (F, \le_F) un isomorphisme d'ordre. Un élément remarquable est défini uniquement par la structure d'ordre. Puisque l'isomorphisme préserve parfaitement cette structure, il doit préserver ces éléments.

Preuve pour le plus petit élément (minimum) :

Soit mEm_E le plus petit élément de EE.

  • Définition de mEm_E : Pour tout x∈Ex \in E, on a mE≤Exm_E \le_E x.

Montrons que f(mE)f(m_E) est le plus petit élément de FF. Soit yy un élément quelconque de FF.

  1. Puisque ff est une bijection, il existe un unique x∈Ex \in E tel que f(x)=yf(x)=y.
  2. Par définition de mEm_E, on a mE≤Exm_E \le_E x.
  3. Puisque ff est un isomorphisme d'ordre, l'équivalence a≤Eb  ⟺  f(a)≤Ff(b)a \le_E b \iff f(a) \le_F f(b) est vraie. En l'appliquant à mE≤Exm_E \le_E x, on obtient : f(mE)≤Ff(x)f(m_E) \le_F f(x)
  4. En substituant f(x)f(x) par yy, on a f(mE)≤Fyf(m_E) \le_F y.

Ceci est vrai pour tout y∈Fy \in F, donc f(mE)f(m_E) est le plus petit élément de FF.

Argument général : Toute propriété qui peut être exprimée uniquement en termes de la relation d'ordre (e.g., "être un élément minimal", "être une borne supérieure d'un sous-ensemble", "former une chaîne") sera préservée par un isomorphisme d'ordre. L'isomorphisme agit comme une "traduction" parfaite de la structure d'ordre de EE vers FF.

Quelles sont les conditions pour que deux ensembles ordonnés finis et totalement ordonnés soient isomorphes ?

Solution

Deux ensembles finis et totalement ordonnés (E,≤E)(E, \le_E) et (F,≤F)(F, \le_F) sont isomorphes si et seulement s'ils ont le même cardinal (le même nombre d'éléments).

Preuve :

  • Sens direct (⇒\Rightarrow) : Si EE et FF sont isomorphes, il existe une bijection entre eux. Par définition, deux ensembles en bijection ont le même cardinal.

  • Sens réciproque (⇐\Leftarrow) : Supposons que ∣E∣=∣F∣=n|E| = |F| = n.

    1. Puisque EE est fini et totalement ordonné, on peut ordonner ses éléments de manière unique du plus petit au plus grand : e1<Ee2<E⋯<Eene_1 <_E e_2 <_E \dots <_E e_n.
    2. De même, on peut ordonner les éléments de FF : f1<Ff2<F⋯<Ffnf_1 <_F f_2 <_F \dots <_F f_n.
    3. On définit une application h:E→Fh: E \to F en associant le kk-ième élément de EE au kk-ième élément de FF : h(ek)=fkpour k=1,…,nh(e_k) = f_k \quad \text{pour } k=1, \dots, n
    4. hh est une bijection : C'est évident par construction. Elle associe chaque élément de EE à un unique élément de FF.
    5. hh est un isomorphisme d'ordre : On doit vérifier ei≤Eej  ⟺  h(ei)≤Fh(ej)e_i \le_E e_j \iff h(e_i) \le_F h(e_j).
      • Si ei≤Eeje_i \le_E e_j, alors i≤ji \le j. Par construction, h(ei)=fih(e_i) = f_i et h(ej)=fjh(e_j) = f_j. Comme l'ordre des indices est préservé, on a fi≤Ffjf_i \le_F f_j.
      • Réciproquement, si h(ei)≤Fh(ej)h(e_i) \le_F h(e_j), alors fi≤Ffjf_i \le_F f_j, ce qui implique i≤ji \le j, et donc ei≤Eeje_i \le_E e_j.

L'application hh est donc un isomorphisme d'ordre.

Conclusion : Pour les ensembles finis et totalement ordonnés, la structure est entièrement déterminée par le nombre d'éléments. Tout ensemble de ce type de cardinal nn est isomorphe à l'ensemble de référence ({1,2,…,n},≤)(\{1, 2, \dots, n\}, \le).