Exercice S25

Exercice Publié par admin le 10 novembre 2025
Bac Sciences MathĂ©matiques & LycĂ©e Structures algĂ©briques ÉnoncĂ© avec corrigĂ© dĂ©taillĂ©

Conseil méthodologique : Cherchez attentivement cet exercice au brouillon pendant 15 à 30 minutes avant de consulter la solution détaillée ci-dessous.

ÉnoncĂ© de l'exercice :

Soit $(A,+,\times)$ un anneau unitaire.
Un élément $~a~$ est dit nilpotent s'il existe $~n\in \mathbb N^\ast ~$ tel que: $~a^n=0$
Le plus petit entier $n\ge 1$ pour lequel $~a^n=0~$ est appelé indice de nilepotence.
Exemples:
  • $0~$ (Ă©lĂ©ment neutre pour la loi $~+$) est nilepotent d'indice 1
  • 2 est nilepotent d'indice 2 dans $\mathbb {Z}/4\mathbb Z$

  • La matrice $M=\big(\begin{smallmatrix}0 & 1 \\0 & 0\end{smallmatrix}\big)~$ est nipotente d'indice 2 dans l'anneau des matrice carrĂ©es d'ordre 2
    1. Donner les éléments nilpotents de $~\mathbb Z/24\mathbb{Z}$
    2. Montrer que si $~a~$ est un élément nilpotent alors: $~~1+a~~$ et $~~1-a~~$ sont inversibles. Donner leurs inverses.
    3. Démontrer que si $~a~$ et $~b~$ sont deux éléments nilpotents qui commutent alors: $~~a+b~~$ et $~~ab~~$ sont nilpotents.
    Solution Détaillée & Corrigé Pas à Pas Corrigé complet
    1. ÉlĂ©ments nilpotents de $\mathbb{Z}/24\mathbb{Z}$
    • Dans l'anneau $\mathbb{Z}/n\mathbb{Z}$, un Ă©lĂ©ment $\bar{x}$ est nilpotent si et seulement si tous les facteurs premiers de $n$ divisent $x$.
    • La dĂ©composition en facteurs premiers de 24 est : $24 = 2^3 \times 3$.
    • Pour que $\bar{x}$ soit nilpotent, $x$ doit ĂȘtre un multiple de $2 \times 3 = 6$.
    • Les Ă©lĂ©ments nilpotents de $\mathbb{Z}/24\mathbb{Z}$ sont donc les multiples de $\bar{6}$ : \[ \mathcal{N}(\mathbb{Z}/24\mathbb{Z}) = \{\bar{0}, \bar{6}, \bar{12}, \bar{18}\} \]

    2. Inversibilité de $1+a$ et $1-a$
    Cas de $1-a$
    • Soit $a$ un Ă©lĂ©ment nilpotent d'indice $n$. On utilise l'identitĂ© remarquable sur les puissances : \[ (1-a)(1 + a + a^2 + \dots + a^{n-1}) = 1 - a^n \]
    • Comme $a^n = 0$, on obtient : $(1-a)(\sum_{k=0}^{n-1} a^k) = 1$.
    • L'Ă©lĂ©ment $1-a$ est donc inversible et son inverse est : \[ (1-a)^{-1} = \sum_{k=0}^{n-1} a^k = 1 + a + a^2 + \dots + a^{n-1} \]
    Cas de $1+a$
    • On remplace $a$ par $-a$ dans le rĂ©sultat prĂ©cĂ©dent. Si $a$ est nilpotent, $-a$ l'est aussi.
    • L'inverse de $~1+a~$ est : \[ (1+a)^{-1} = \sum_{k=0}^{n-1} (-a)^k = 1 - a + a^2 - \dots + (-1)^{n-1}a^{n-1} \]

    3. Nilpotence de $ab$ et $a+b$ (sous l'hypothĂšse $ab=ba$)
    Nilpotence de $ab$
    • Soient $n$ et $p$ les indices de nilpotence respectifs de $a$ et $b$.
    • Puisque $a$ et $b$ commutent, on a: $$(ab)^m = a^m b^m$$
    • En prenant $~m = \max(n, p)~$, on a:
      $~a^m=0~~$ et $~b^m=0$
      Et donc:
      $~(ab)^m = 0$ et $~ab~$ est nilpotent.
    Nilpotence de $~a+b~$
    • Utilisons la formule du binĂŽme de Newton (valable car $~ab=ba~$) : \[ (a+b)^m = \sum_{k=0}^{m} \binom{m}{k} a^k b^{m-k} \]
    • Choisissons $m = n + p - 1$. Pour chaque terme de la somme :
      • Si $k \ge n$, alors $a^k = 0$, donc le terme est nul.
      • Si $k < n$, alors $m-k = (n+p-1) - k=[n-(k+1)]+p \geq p$.
        Ce qui implique $~b^{m-k} = 0~$, et le terme est nul.
    • Tous les termes de la somme sont nuls, donc $(a+b)^{n+p-1} = 0$.
      Et $~a+b~$ est alors nilpotent.