Anneau à PGCD

En algèbre commutative, un anneau à PGCD, ou plus rarement anneau de Gauss[1], est un anneau commutatif unitaire dans lequel tout couple d'éléments non nuls possède un plus grand diviseur commun. Dans un anneau quelconque, l'existence d'un tel PGCD n'est pas toujours acquise. Les anneaux intègres à PGCD représentent une classe d'anneaux aux propriétés arithmétiques intéressantes à tel point qu'il est fréquent que les anneaux à PGCD ne soient étudiés que dans les anneaux intègres[1],[2],[3].

Définitions et exemplesModifier

Dans un anneau A, si a et b sont deux éléments non nuls de A, on dit que :

  • d est un PGCD (plus grand commun diviseur) de a et b si les diviseurs communs à a et b sont les diviseurs de d ;
  • m est un PPCM (plus petit commun multiple) de a et b si les multiples communs à a et b sont les mutiples de m.

L'existence d'un PGCD, qui est acquise dans l'ensemble des entiers relatifs, n'est pas une propriété générale à tout anneau : ainsi dans l'anneau ℤ[i5], les éléments a = 6 et b = 2 + 2i5 ne possèdent pas de PGCD.

Un anneau à PGCD est un anneau où cette existence est acquise.

Propriétés des anneaux intègres à PGCDModifier

PGCD et PPCMModifier

Soient a, b, c des éléments non nuls d'un anneau intègre quelconque. Le symbole ~ représente l'égalité à produit près par un inversible.

  • Si PPCM(a, b) existe alors PGCD(a, b) existe et l'on a l'égalité suivante : .La réciproque peut se révéler fausse ; ainsi dans l'anneau ℤ[i5], les éléments a = 2 + i5 et b = 3 (irréductibles) admettent 1 comme PGCD mais n'ont pas de PPCM[6],[7]. Cependant, si tous les couples (a, b) possèdent un PGCD alors ils possèdent aussi un PPCM. Un anneau intègre à PGCD est donc aussi un anneau à PPCM (et réciproquement).
  • Si PGCD(ac, bc) existe alors PGCD(a, b) existe et l'on a l'égalité suivante : .Cette égalité permet d'exprimer tout élément du corps des fractions d'un anneau à PGCD sous forme irréductible (unique).
    À nouveau, la réciproque est fausse : ainsi dans l'anneau ℤ[i5], les éléments a = 2 + i5 et b = 3 possèdent un PGCD mais 3a et 3b n'en possèdent pas[6].
  • PPCM(ac, bc) existe si et seulement si PPCM(a, b) existe[8], et l'on a donc dans ce cas : .

Un anneau intègre A est à PGCD si et seulement si son groupe de divisibilité, Frac(A)*/A×, est réticulé par les deux lois PPCM et PGCD[9]. Comme tout groupe réticulé[10], ce treillis est alors distributif, c'est-à-dire que chacune des deux lois est distributive par rapport à l'autre. Il en est donc de même pour leurs restrictions à A*/A×[11].

Lemme de Gauss et lemme d'EuclideModifier

Tout anneau intègre A à PGCD est un anneau de Schreier[12],[13] c.-à-d. qu'il est à la fois :

Idéaux principauxModifier

Par la suite, dans un anneau intègre quelconque, on notera (a) l'idéal principal engendré par a, c'est-à-dire l'ensemble des multiples de a. Ainsi :

  • un élément m est un PPCM de a et b si et seulement si  .
    Un anneau intègre est donc à PGCD si et seulement si l'intersection de deux idéaux principaux est toujours un idéal principal[14].
  • un élément d est un PGCD de a et b si et seulement si (d) est le plus petit idéal principal contenant l'idéal (a) + (b).
    • Si (a) + (b) lui-même est principal, son générateur est donc un PGCD de a et b.
    • En général, l'existence d'un PGCD n'assure pas que (a) + (b) soit principal[15] (cf. exemples ci-dessous d'anneaux à PGCD qui ne sont pas de Bézout).

Relation avec les anneaux factoriels et les anneaux de BézoutModifier

  • Un anneau pré-Schreier — en particulier un anneau intègre à PGCD, (voir supra) — est factoriel si (et seulement si) il est atomique[16].
  • Tout anneau de Bézout (et a fortiori tout anneau principal) est à PGCD (voir supra).
  • Tout anneau à PGCD intègre et noethérien est factoriel. Plus précisément, un anneau intègre est factoriel si et seulement si c'est à la fois un anneau à PGCD et un anneau dans lequel toute suite croissante d'idéaux principaux est stationnaire.
  • Il existe des anneaux intègres à PGCD qui ne sont pas factoriels (prendre un anneau de Bézout non atomique comme l'anneau des entiers algébriques).
  • Il existe des anneaux intègres à PGCD qui ne sont pas de Bézout (par exemple un anneau factoriel non principal, comme ℚ[X,Y] ou ℤ[X]).
  • Il existe même des anneaux intègres à PGCD qui ne sont ni factoriels ni de Bézout[17].

Notes et référencesModifier

  1. a et b Claude Mutafian, Le défi algébrique, t. 2, Vuibert, (ISBN 978-2-7117-2142-9, BNF 34558031), p. 30.
  2. Aviva Szpirglas, Algèbre L3 : Cours complet avec 400 tests et exercices corrigés, [détail de l’édition], p. 505, Définition 9.92.
  3. Aviva Szpirglas précise : « Les anneaux à pgcd ne sont pas [non plus] supposés intègres. Comme nous nous intéressons à leurs propriétés arithmétiques, nous ne parlerons pas du cas non intègre. » (Szpirglas 2009, p. 511).
  4. Ou plus généralement : toute algèbre d'un monoïde à PGCD sur un tel anneau : (en) Robert W. Gilmer, Commutative Semigroup Rings, University of Chicago Press, , 380 p. (ISBN 978-0-226-29392-9, lire en ligne), p. 176, Theorem 14.5, ou (en) Robert Gilmer et Tom Parker, « Divisibility properties in semigroup rings », Michigan Math. J., vol. 1, no 1,‎ , p. 65-86 (DOI 10.1307/mmj/1029001210).
  5. Inspirée de (en) Pete L. Clark, « Commutative algebra », sur alpha.math.uga.edu, , p. 284, Th. 15.27, b).
  6. a et b Extrait de Mutafian 1976, p. 78, exercice 8.
  7. Plus généralement, pour un contre-exemple analogue dans ℤ[id] avec d entier non carré ≥ 3, voir (en) Dinesh Khurana, « On GCD and LCM in Domains – A Conjecture of Gauss », Resonance, vol. 8, no 6,‎ , p. 72-79 (lire en ligne), Theorem 4.
  8. Voir par exemple cet exercice corrigé de la leçon sur les anneaux sur Wikiversité.
  9. (en) Joe L. Mott, « convex directed subgroups of a group of divisibility », Canad. J. Math., vol. 26, no 3,‎ , p. 532-542 (DOI 10.4153/CJM-1974-049-2), attribue cette remarque à Paul Jaffard, « Contribution a la théorie des groupes ordonnés », J. Math. Pures Appl., vol. 32,‎ , p. 203-280.
  10. (en) « Lattice-ordered group », dans Michiel Hazewinkel, Encyclopædia of Mathematics, Springer, (ISBN 978-1556080104, lire en ligne).
  11. Pour une preuve directe, voir cet exercice corrigé de la leçon sur les anneaux sur Wikiversité.
  12. (en) « Proof that a gcd domain is integrally closed », sur PlanetMath.
  13. (en) P. M. Cohn, « Bezout rings and their subrings », Math. Proc. Cambridge Phil. Soc., vol. 64,‎ , p. 251-264 (lire en ligne), Theorem 2.4.
  14. Szpirglas 2009, p. 509.
  15. Daniel Perrin, « Autour du ppcm et du pgcd », , p. 2, rem. 1.6.
  16. Cohn 1968, Theorem 2.3.
  17. Soit A un anneau intègre à PGCD mais non factoriel. Alors A[X] est à PGCD (voir supra). Mais il n'est pas factoriel (sinon A serait factoriel), ni de Bézout (considérer l'idéal engendré par a et Xa est un élément de A non nul et non inversible, cet idéal qui est de type fini n'est pas principal car tout générateur diviserait à la fois a et X).

Voir aussiModifier

BibliographieModifier

(en) Daniel D. Anderson, « GCD domains, Gauss' Lemma, and content of polynomials », dans Scott T. Chapman et Sarah Glaz, Non-Noetherian Commutative Ring Theory, Springer, (lire en ligne), p. 1-13

Liens externesModifier