Structures mathématiques

97 Pages·2017·0.6 MB·German

Structures mathématiques
Semestred’hiver2016/2017
UniversitéduLuxembourg
GaborWiese1
[email protected]
Versiondu24septembre2017
1JeremercieAgnèsDavidpoursacollaborationàuneversionantérieure.
Table des matières
Tabledesmatières 2
Préface. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
Littérature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
I Introductionauxmathématiquesàl’université 5
1 Lesdémonstrationsetlespremiersmotsdulangagemathématique . . . . . . . . . . 5
2 Logiqueélémentaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3 Ensembles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
4 Applicationsetfonctions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
5 Relationsbinaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
II Systèmesdenombresetstructuresalgébriques 49
6 LesentiersnaturelsN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
7 Groupes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
8 Anneaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
9 L’anneaudesentiersrelatifsrevisité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
III Plussurlesgroupes 83
10 Sous-groupesetordres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
11 LethéorèmedeLagrangeetsonapplicationauxordres . . . . . . . . . . . . . . . . 88
12 Homomorphismes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
Préface
Lesmathématiquesàl’universitésontdifférentesdecequiest(habituellement)enseignéauxlycées:
à l’université, le « comment est-ce que cela marche?» est complété par « pourquoi est-ce que cela
marche?»,« commentest-cequecelasegénéralise?»,« quelleestl’idéeprincipalederrière?»
Dans vos cours de mathématiques à l’université, vous n’allez pas seulement apprendre comment on
faitcertainscalculs,vousallezplutôtêtreintroduitsàdesthéories(j’aimebienappelercelale« bâti-
mentdesmathématiques»)quidonnelieuàdesrecettesdecalculs,maissurtoutàunecompréhension
approfondied’undomaine.
2
TABLEDESMATIÈRES 3
Pour établir une théorie (pour la construction du bâtiment des mathématiques) il est essentiel de
construire solidement. C’est pour cela que tout terme doit être défini (de façon à ne pas permettre
d’ambiguïté)ettouteassertiondémontrée.
Lebutdececoursestquevousappreniezlesfondationsdulangagemathématiqueetdestechniques
etstructuresdebase.Celaestlaconditionsanslaquellelesautrescoursnepeuventêtrecompris.
Jevoussouhaitebeaucoupdeplaisiràdécouvrirlesmathématiquesetunbondébutdevosétudes!
GaborWiese
Littérature
Pour le début, qui est sans doute la partie la plus difficile, je recommande les livres suivants qui
devraientêtredisponiblesdanslabibliothèqueauKirchberg.
Schichl,Steinbauer:EinführungindasmathematischeArbeiten.
•
Scharlau:SchulwissenMathematik:EinÜberblick,Vieweg,3rded.,2001.
•
Cramer : Vorkurs Mathematik : Arbeitsbuch zum Studienbeginn in Bachelor-Studiengängen,
•
Springer,2012.
Fritzsche:MathematikfürEinsteigerSpektrum.
•
Voiciquelquesréférencespourdescoursd’algèbrelinéairesetintroductionàl’algèbrequitraiterons
cequenousfaisonsetbeaucoupplus:ceslivresdevraientégalementêtredisponiblesdanslabiblio-
thèqueauKirchberg.
Lelong-Ferrand, Arnaudiès : Cours de mathématiques, Tome 1, Algèbre. Dunod. Ce livre est
•
trèscompletettrèsdétaillé.Onpeutl’utilisercommeouvragederéférence.
Siegfried Bosch : Algebra (en allemand), Springer-Verlag. Ce livre est très complet et bien
•
lisible.
Serge Lang : Algebra (en anglais), Springer-Verlag. C’est comme une encyclopédie de l’al-
•
gèbre;onytrouvebeaucoupdesujetsrassemblés,écritsdefaçonconcise.
SiegfriedBosch:LineareAlgebra,Springer-Verlag.
•
JensCarstenJantzen,JoachimSchwermer:Algebra.
•
ChristianKarpfinger,KurtMeyberg:Algebra:Gruppen-Ringe-Körper,SpektrumAkademi-
•
scherVerlag.
GerdFischer:LehrbuchderAlgebra:MitlebendigenBeispielen,ausführlichenErläuterungen
•
undzahlreichenBildern,Vieweg+TeubnerVerlag.
Gerd Fischer : Lineare Algebra : Eine Einführung für Studienanfänger, Vieweg+Teubner Ver-
•
lag.
4 TABLEDESMATIÈRES
Gerd Fischer, Florian Quiring : Lernbuch Lineare Algebra und Analytische Geometrie : Das
•
WichtigsteausführlichfürdasLehramts-undBachelorstudium,SpringerVieweg.
Perrin:Coursd’algèbre,Ellipses.
•
Guin,Hausberger:AlgèbreI.Groupes,corpsetthéoriedeGalois,EDPSciences.
•
Fresnel:Algèbredesmatrices,Hermann.
•
Tauvel:Algèbre.
•
Combes:Algèbreetgéométrie.
•
Godement:Coursd’algèbre.
•
Chapitre I
Introduction aux mathématiques à
l’université
1 Les démonstrations et les premiers mots du langage mathématique
Objectifsdecettesection:
Comprendreleconceptdedémonstration;
•
comprendrelesconceptsdedéfinition,lemme,proposition,théorème;
•
faireconnaissanceavecdesexemplesdedémonstrationsdirectesetindirectes;
•
faireconnaissanceavecdesexemplesdedéfinitions,lemmes,propositions,théorèmes;
•
maîtriserlamanipulationd’équationssimples;
•
maîtriserl’utilisationdesindices,dessommesetdesproduits;
•
maîtriserlesdémonstrationsparrécurrence.
•
UnegrandepartieducontenudecettesectionadéjàététraitéedanslecoursdeM.Schlenkerpendant
lasemainepréparatoire.Ondonneradoncparfoismoinsdedétailsaucours.
Quelquesmotsaudébut–AllerAnfangistschwer...undleicht
Le début des études de mathématiques est (comme Schichl et Steinbauer l’écrivent dans Einführung
indasmathematischeArbeiten)
très difficile, du fait de l’abstraction (définition, proposition, démonstration) et de l’utilisation
•
d’unlangageparticulier,lelangagemathématique,
facile,carunegrandepartiedessujetsadéjàététraitéeaulycée.
•
5
6 CHAPITREI. INTRODUCTIONAUXMATHÉMATIQUESÀL’UNIVERSITÉ
Les mathématiques à l’université sont caractérisées par la certitude absolue de leurs résultats. Il
ne suffit plus – comme souvent au lycée – d’expliquer un phénomème par beaucoup d’exemples ou
d’apprendre une technique de calcul; à l’université, il s’agit de le démontrer, c’est-à-dire d’écrire
une démonstration (aussi appelée une preuve) qui, par une chaîne d’arguments faciles à suivre et
compréhensiblespourtous,nelaisseaucundoutesurlavéritéd’uneassertion.
Pour pouvoir dire qu’une assertion est vraie avec une certitude absolue, il faut que tous les mots qui
sontutilisésaientunesignificationtrèsprécisequiestlamêmepourtous.Parexemple,laphrase«La
maison est haute» a certainement une signification différente pour quelqu’un de New York et pour
quelqu’unvenantd’unpetitvillageenSibérie.
Lelangagemathématiquediffèredulangageduquotidienpar:
saprécision,touttermeaunedéfinitionprécise;
•
sonformalisme,souvent,onutilisedessymbolesetdesformules.
•
Ce cours d’algèbre commencera donc par des exemples de preuves et l’introduction du langage ma-
thématique.
Onvousconseillefortementdevousprocurerdeslivres(danslabibliothèquesursupportpapierou
danslesrépertoiresélectroniques):
spécialisés pour le grand pas entre l’école et l’université (comme Schichl/Steinbauer : Einfüh-
•
rungindasmathematischeArbeiten);
d’introductionàl’algèbreetàl’algèbrelinéaire.
•
Unmotd’explicationsur«l’algèbre»et«l’algèbrelinéaire»:àl’UniversitéduLuxembourg,cesdeux
courssontenseignésaupremiersemestre,tandisqu’enFranceetenAllemagne,lescoursd’algèbrene
commencentqu’endeuxièmeannéeetreposentsurlescoursd’algèbrelinéaire.Nesoyezpaschoqués
par ce fait (mais gardez-le à l’espritquand vous regardezdes livres – il vous faut aussides livres sur
l’algèbrelinéaire).Lecoursd’algèbrelinéaireàl’ULestencommunavecd’autresfilièresduBachelor
etlecoursd’algèbreestdestinéuniquementauxétudiantsenmathématiques.Encoursd’algèbre,nous
allons faire une grande partie de ce qui se fait habituellement dans les cours d’algèbre linéaire dans
d’autres pays, sauf que vous allez très bien vous entraîner aux calculs importants de matrices dans
votre cours d’algèbre linéaire; cela nous permettra d’aller un tout petit peu plus loin que l’algèbre
linéairedansnotrecours.
Définition,proposition,démonstration
Onutiliselesnotationssuivantes(connuesdel’école):
N,lesentiersnaturels:0,1,2,3,... ;
•
Z,lesentiersrelatifs:..., 3, 2, 1,0,1,2,3,... ;
• − − −
Q,lesnombresrationnels;
•
R,lesnombresréels;
•
1. LESDÉMONSTRATIONSETLESPREMIERSMOTSDULANGAGEMATHÉMATIQUE 7
C,lesnombrescomplexes.
•
On rappelle la notion de divisibilité dans les entiers relatifs. On dit qu’un entier relatif q = 0 divise
6
un entier relatif n (et que q est un diviseur de n) si le reste de la division de n par q est zéro, ou, dit
autrement,s’ilexisteunentierrelatifmtelquen = mq.
Enfait,lesphrasesprécédentessignifientquenousavonsdonnéunnom(«diviseur»)àunepropriété
mathématique. C’est un exemple de définition. Pour souligner le rôle essentiel des définitions en
mathématiques,nouslesformulonscommesuit.
Définition1.1. Soientn,q Z.
∈
Onditqueq estundiviseurdenetqueq divisens’ilexistem Ztelque
∈
n = mq.
Onutiliselesymboleq npoursignifierqueq divisen.
|
Définition1.2. Soitn Z.Onditquenestpairsi2divisen(ensymboles:2 n).
∈ |
Une définition n’est pas vraie ou fausse. C’est seulement un nom qu’on donne à une propriété pour
pouvoirmieuxl’utiliser.Maislesdéfinitionssontd’uneimportancefondamentalepourlesmathéma-
tiques parce qu’elles «définissent» les objets avec lesquels nous allons travailler, donc sur lesquels
nospropositionsvontporter.
Proposition1.3. Lecarréd’unnombrepairestpair.
Vocabulaire:
Unepropositionestuneassertionquiestvraieavecunecertitudeabsolue,c’est-à-direquiaété
•
démontrée.
Un théorème est un autre mot pour une assertion qui est vraie avec une certitude absolue. On
•
utilisehabituellementlemot«théorème»pourlesassertionslesplusimportantes.
Unlemmeestencoreunautremotpouruneassertionquiestvraieavecunecertitudeabsolue.
•
Leslemmesontsouventunefonctionsecondaireetauxiliaire;onlesutilisepourdémontrerdes
propositionsoudesthéorèmes.
Uncorollaireestencoreunautremotpourdésigneruneassertion.Onl’utilisepourdesénoncés
•
quisedéduisentfacilementd’unautrerésultat,engénéralunepropositionouunthéorème.Le
contenud’uncorollairepeutêtretrèsimportant,maissadémonstrationàpartirdelaproposition
ouduthéorèmeinitialestrapide.
Démonstrationdelaproposition1.3. Soit n Z pair. D’après les définitions précédentes, cela veut
∈
direqu’ilexistem Ztelque
∈
n = 2m.
Celaimpliqueque
n2 = (2m)2 = 4m2.
Donc
n2 = 2 (2m2).
·
Alors,n2 estdivisiblepar2,doncpair.
8 CHAPITREI. INTRODUCTIONAUXMATHÉMATIQUESÀL’UNIVERSITÉ
Cettedémonstrationestlapremièredanscecours.Onvoitquec’estunesuited’arguments,etchaque
étape est facile à vérifier pour tous. Donc, on peut en effet dire que la proposition est vraie avec une
certitudeabsolue.
Cette preuve est un exemple d’une démonstration directe : nous avons commencé par l’hypothèse
(nestunentierrelatifpair)etnousavonsterminéparl’assertionrecherchée.
Ilesthabitueldesignalerlafind’unepreuveparunsymbolespécialouparuneabbréviationstandard.
La fin des preuves dans ces notes sera toujours marquée par le symbole ✷. D’autres professeurs
utilisentd’autressymboles.Uneabbréviationtrèscouranteest«q.e.d.»(quoderatdemonstrandum–
cequiaétéàdémontrer).
Voiciuneautredéfinition.
Définition 1.4. Un entier relatif p Z est appelé nombre premier si p > 1 et les seuls diviseurs
∈
positifsdepsont1etp.
Nousavonsdonnécettedéfinitionetmaintenantnousvoulonsensavoirautantquepossiblesurcette
nouvellenotionquenousavonsdéfinie.Pourcommencer,lesnombrespremiersinférieursà20sont:
2,3,5,7,11,13,17,19.Vousconnaissezcertainementd’autresnombrespremiers.Unequestionvient
doncimmédiatementàl’esprit:existe-t-iluneinfinitédenombrespremiers?
LaréponseadéjàétédonnéeparEuclideilyaplusde2200ans.
Théorème1.5(Euclide). Ilexisteuneinfinitédenombrespremiers.
LadémonstrationdonnéeparEuclideestsouventconsidéréecommel’exempled’unepreuvebelleet
élégante. C’est une démonstration indirecte ou, plus précisement, démonstration par l’absurde.
Ondonned’abordladémonstrationetonexpliqueracestermesjusteaprès.
Démonstration. Supposonspourl’instantlecontrairedecequenousvoulonsdémontrer:iln’existe
qu’unnombrefini(disonsn)denombrespremiers.Onpeutalorslesnuméroter:
p ,p ,p ,...,p .
1 2 3 n
Considéronsl’entierpositif
m := p p p p +1. (1.1)
1 2 3 n
···
Nous allons maintenant utiliser le fait que tout entier positif 2 s’écrit comme produit de nombres
≥
premiers.Cetteassertiondoitêtredémontrée!Nouslefaisonsdanslelemme1.6quisuit.
Il existe alors un nombre premier p qui divise m. Le nombre premier p doit appartenir à notre liste
complètedesnombrespremiers,doncp = p pouruncertainientre1etn.
i
L’équation(1.1)montrequeladivisiondemparp laisselereste1.
i
Nous avons trouvé qu’en même temps p divise m et laisse le reste 1. Ceci est absurde, c’est une
i
contradiction.
Donc, notre hypothèse faite au début de cette preuve ne peut pas être vraie. Alors, son contraire est
vrai:ilexisteuneinfinitédenombrespremiers.
1. LESDÉMONSTRATIONSETLESPREMIERSMOTSDULANGAGEMATHÉMATIQUE 9
Leprincipedecettepreuveindirecteestdesupposervrailecontrairedel’assertionrecherchée.Puis,
on donne une suite d’arguments, comme avant, pour arriver à une assertion, dont on sait qu’elle est
fausse,absurdeetcontradictoire(dansnotrepreuve:lerestedeladivisiondemparpestàlafois0
et1).Noussavonsalorsquelecontrairedel’assertionrecherchéeestfaux.Celasignifiequel’assertion
est vraie, car une assertion est soit vraie soit fausse. Ce fait est souvent écrit en latin «Tertium non
datur»ets’appelleenfrançais«Principedutiersexclu».Onenreparleraplustard.
Lemme1.6. Soitn 2unentierrelatif.Alorsilexistedesnombrespremiersp ,...,p telsque
1 k
≥
n = p p p .
1 2 k
···
Remarquonsquedansl’énoncédulemme,lesnombrespremiersnesontpasnécessairementdistincts.
Remarquons également que, pour être encore plus précis, on aurait du écrire : «Alors il existe un
entierk 1etilexistedesnombrespremiersp ,...,p telsquen = p p p ».Ilesthabituelde
1 k 1 2 k
≥ ···
formuler l’enoncé comme nous l’avons fait, mais il faut toujours être conscient que l’existence de k
estimplicite.
Lapreuvedecelemmeestunautreexempled’unedémonstrationparl’absurde.
Démonstration(parl’absurde). Supposonsquel’énoncédulemmeestfaux.Danscecas,ilexisteun
entierpositif 2quines’écritpascommeunproduitdenombrespremiers.Soitnlepluspetitentier
≥
ayantcettepropriété.
Nousdistinguonsdescas.
1ercas:nestpremier.Danscecas,onprendk = 1etp = n,donconan = p .
1 1
2èmecas: n n’est pas un nombre premier. Alors, n possède un diviseur positif d différent de 1 et n.
Pardéfinition(dediviseur)ilexistem Ztelque
∈
n = md.
Notonsque1 < d < net1 < m < n.
Comme n est le plus petit entier positif qui ne s’écrit pas comme un produit de nombres premiers et
m,dsontstrictementpluspetits,cesdeuxnombress’écriventsouslaforme
m = p p p et d = q q q
1 2 k 1 2 ℓ
··· ···
avecdesnombrespremiersp ,...,p etq ,...,q .
1 k 1 ℓ
Celadonne:
n = md = p p p q q q .
1 2 k 1 2 ℓ
··· ···
Nous avons donc obtenu que n s’écrit comme produit de nombres premiers. Ceci contredit notre
hypothèsequel’énoncédulemmeestfaux.Alors,c’estfauxquelelemmeestfaux;donc,lelemme
estvrai.
Assertions
Nousallonsregarderlastructuredesécritsmathématiquesdeplusprès.Lerôlecentralestoccupépar
les assertions. Par exemple, une preuve est une suite d’assertions de telle sorte que la vérité d’une
assertionimpliquelavéritédel’assertionsuivante.
10 CHAPITREI. INTRODUCTIONAUXMATHÉMATIQUESÀL’UNIVERSITÉ
Uneassertionestunephrase(enmathématiques,ouailleurs)quiestsoitvraie,soitfausse,maispas
1
lesdeuxenmêmetemps.
Il n’y a donc pas de troisième possibilité (en latin : tertium non datur). Nous avons déjà vu des
exemples:
Lecarréd’unentierrelatifpairestpair.
•
Cetteassertionestvraiecommenousl’avonsvudanslaproposition1.3.
Iln’yaqu’unnombrefinidenombrespremiers.
•
Cetteassertionestfausse(voirlethéorème1.5).
D’autresexemplesd’assertions:
x = 1
•
La véracité ou non de cette assertion dépend du contexte, car nous n’avons pas précisé ce
qu’étaitx.
– Soitxunesolutiondel’équation2x = 2.Danscecontexte,l’assertion«x = 1»estvraie
(onledémontreendivisantpar2).
– Soit x une solution de l’équation 2x = 4. Dans ce contexte, l’assertion «x = 1» est
fausse.
– Soit x une solution de l’équation x2 = 1. Dans ce contexte, nous ne pouvons rien dire
quantàlavéritédel’assertion«x = 1»carxpeutêtre1ou 1.
−
Pourillustrer,onpeutaussiprendredesassertionsdenotreviequotidienne,parexemple:
•
– Ilpleut.
– Larueestmouillée.
– etc.
Implication
Si la véracité d’une assertion entraîne celle d’une autre, on parle d’une implication que nous notons
(ou selonlasituation).Lesymbole selitcomme:«implique»,«alors»,«enconséquence»,
⇒ ⇐ ⇒
«donc», «est suffisant pour» etc. Nous allons formaliser ces concepts dans la prochaine section;
maintenantnousallonsregarderdesexemples.
(1) AssertionA:«Ilpleut.»
AssertionB:«Larueestmouillée.»
Nouspouvonslescombinerpourobtenirl’assertion:
«S’ilpleut,alorslarueestmouillée.»
Ensymboles:Ilpleut. Larueestmouillée.
⇒
1Ilyadessubtilitésconcernantcettephrasequenousn’évoqueronspas(ilfautquel’assertionsoitformuléeconvenable-
ment)carvousnelesrencontrerezdansaucuncoursdevosétudes,saufsivoussuivezuncoursdelogiquemathématique.