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TD d'algèbre générale

Jean-Romain Heu

2020

1
1 Logique
Exercice de base.
On considère les propositions suivantes :
P : le nombre 91 est un multiple de 7. Q : le polynôme X 2 + 2X + 2 n'a pas de racine réelle.
 Les traduire en langage mathématique.
 Donner leurs négations.
 Rédiger les démonstrations de P et Q (sans faire de calcul de discriminant).

Exercices du TD 1

Exercice 1 On se donne un nombre entier n, une partie non vide A de N et des fonctions f et
g dénies sur R. Traduire à l'aide de quanticateurs les propositions suivantes puis donner leur
négation.

1. L'entier n est un carré. 2. L'entier n n'est pas divisible par 7.


3. L'entier n est le minimum de la partie A. 4. La partie A de N n'a pas de maximum.
4. La fonction f est bornée. 6. Les courbes des fonctions f et g se rencontrent.
Les fonctions réelles x 7→ x2 et x 7→ cos2 (x)+2 sont-elles bornées ? Leurs graphes s'intersectent-ils ?
Rédiger des démonstrations.

Exercice 2 Traduire en langage mathématique les propositions suivantes. Les démontrer ou les
inrmer.
1. Pour qu'un nombre entier soit divisible par 12, il faut qu'il soit divisible par 2 et 3.
2. Pour qu'un nombre entier soit divisible par 12, il sut qu'il soit divisible par 2 et 3.
3. Pour qu'un nombre entier n divise le produit de deux nombres entiers il faut que n divise
l'un de ces deux entiers.
4. Pour qu'un nombre entier n divise le produit de deux nombres entiers il sut que n divise
l'un de ces deux entiers.
5. Un triangle ABC du plan est rectangle en A si et seulement si le milieu de [BC] est
équidistant aux trois points.
6. Pour qu'un quadrilatère du plan soit un losange, il faut et il sut que ses diagonales soient
orthogonales.

Exercice 3 Traduire en français usuel les propositions suivantes puis donner leur négation.
Enn, les démontrer ou les inrmer. (a|b signie  a divise b  ou encore  b est un multiple de
a , et P désigne l'ensemble des nombres premiers.)
1. ∀n ∈ N, (6|n ∧ 4|n) =⇒ 24|n
2. ∀n ∈ N, (6|n ∧ n|40) =⇒ n ∈ P
3. ∀p ∈ P, ∀a ∈ N, ∀b ∈ N, (p|a et p|b =⇒ p| a+b
2
)
4. ∀n ∈ N \ {0, 1}, ∃p ∈ P, ∃q ∈ P, 2n = p + q (Chercher Goldbach sur internet.)
5. ∀n ∈ N, 2 − 1 ∈ P =⇒ n ∈ P
n
(Raisonner par contraposée.)
6. ∀x ∈ R, x ≥ x
2

7. ∀x ∈ R, ∃!y ∈ R, xy = 1

2
Exercices du TD 2

Exercice 4
1. On considère la proposition ci-dessous :
∀x ∈ R, ∃a ∈ Z∗ , ∃b ∈ Z, ∃c ∈ Z, ax2 + bx + c = 0

On reconnaît à droite une équation polynomiale de degré 2 en x.


(a) Traduire cette proposition en langage courant.

(b) Montrer que 3 2 est un nombre irrationnel.
(c) Démontrer que la proposition est fausse.
2. On considère la proposition P suivante :
Il existe une fonction dénie sur R dont le graphe intersecte toutes les droites du plan.
(a) Soit f une fonction réelle et D la droite d'équation y = 2x + 3. Traduire en langage
mathématique le fait que le graphe de f intersecte la droite D.
(b) Traduire la proposition P en langage mathématique.
(c) Démontrer cette proposition.

Exercice 5 Notons E l'ensemble E = {f : R → R | f dérivable sur R}. Démontrer ou inrmer


les propositions suivantes.
1. ∀f ∈ E, f paire ⇔ f 0 impaire
2. ∀f ∈ E, f impaire ⇔ f 0 paire
3. ∃!f ∈ E , f 0 = f
4. ∀f ∈ E, ∀g ∈ E, f paire =⇒ g ◦ f paire
5. ∀f ∈ E, ∀g ∈ E, f paire =⇒ f ◦ g paire
Précisions : si on dénit h par ∀x ∈ R, h(x) = f (−x), alors h0 (x) = −f 0 (−x).
f ◦ g désigne la composée de g et f et est dénie par f ◦ g(x) = f (g(x)).

Exercice 6 Donner les listes des entiers n compris entre 0 et 30 vériant les propriétés suivantes.
1. ∃k ∈ N, k ≥ 2 et k 2 |n.
2. ∀k ∈ N, k|n =⇒ k 2 |n.
3. ∀k ∈ P, k|n =⇒ k 2 |n.
4. ∃k ∈ P, ∃j ∈ P, n = kj .
5. ∀k ∈ N, ∃j ∈ N, n|k ou n|(k + j).
6. ∃j ∈ N, ∀k ∈ N, n|k ou n|(k + j).

3
Exercices du TD 3

Exercice 7 Le nombre réel log10 (2) est-il rationnel ?


La fonction log10 désigne le logarithme décimal. On rappelle que c'est la fonction réciproque de
x 7→ 10x .

Exercice 8 Démontrer les propositions suivantes par récurrence.


1. ∀n ∈ N, 7 divise 32n+1 + 2n+2 .
2. ∀n ∈ N, 3 divise 4n + 5.
3. ∀n ∈ ?, 2n 6 n!.

Exercice 9 Petit théorème de Fermat


Pour n ∈ N∗ et k ∈ {0, . . . , n}, le coecient binomial nk est déni par nk = k!(n−k)!
n!
(on
 

rappelle que 0! = 1).


1. Montrer ∀n ∈ N∗ , ∀k ∈ {0, . . . , n − 1}, n+1 n n
.
  
k+1
= k
+ k+1
2. Calculer tous les coecients binomiaux pour n = 1, . . . , 10.
3. Montrer, à l'aide d'une récurrence sur n, que les coecients binomiaux sont des nombres
entiers.
4. Soit p ∈ P. Montrer ∀k ∈ {1, . . . , p − 1}, p divise kp . Est-ce encore vrai si p n'est pas


premier ?
5. En déduire le petit théorème de Fermat : soit p ∈ P et a ∈ N. Alors p divise ap − a.
Indication : on pourra procéder par récurrence sur a et utiliser la formule du binôme de
Newton.

Autres exercices

Exercice 10 Les propositions suivantes sont-elles vraies ou fausses ?


 Pour qu'un nombre entier n divise le nombre entier m, il faut que chaque facteur premier
de n soit un facteur premier de m.
 Pour qu'un nombre entier n divise le nombre entier m, il sut que chaque facteur premier
de n soit un facteur premier de m.
 Pour que deux cercles du plan n'aient pas d'intersection, il faut et il sut que la distance
entre leurs centres soit supérieure strictement à la somme de leurs rayons.
 Pour que 4 points du plan forment un parallélogramme, il faut et il sut que leurs diagonales
se coupent en leur milieu.

Exercice 11 Principe des tiroirs


Supposons que m chaussettes soient réparties dans n tiroirs. Démontrer que si m > n, alors
un des tiroirs au moins contient plusieurs chaussettes.
En déduire que si on considère n + 1 nombres réels de l'intervalle [0, 1], alors on peut toujours en
trouver deux dont la diérence est inférieure à n1 .

4
2 Arithmétique
Exercices de base.

 Division euclidienne. Soient a = 147 et b = 63. Appliquer l'algorithme d'Euclide an


de déterminer le PGCD p de a et b et des entiers u et v satisfaisant l'égalité de Bézout
au + bv = p.
Recommencer avec a = 1 111 111 111 et b = 123 456 789 (c'est moins dicile que cela en
a l'air).

 Divisibilité. Traduire en langage mathématique et démontrer la proposition suivante : si


un entier en divise deux autres, alors il divise leur somme.

 Lemme de Gauss. Adapter la preuve du lemme d'Euclide pour démontrer le lemme de


Gauss.
En déduire que si un nombre entier est divisible par 15 et par 4, alors il est divisible par
60. Généraliser.

 Calcul modulaire. Calculer chacun des restes modulaires suivants en moins de 20s.
11 − 19 mod 6, 6 × 7 + 7 mod 9, 2 × 3 × 4 mod 6, 33 mod 7, 43 × 67 mod 5, 35 × 29 mod 11.

Exercices du TD 4

Exercice 12 Déterminer les classes de congruence de 30233023 dans Z/nZ pour n = 2, 3, 4, 5.

Exercice 13 Trouver dans Z/3Z les racines des polynômes X 2 + X + 1, X 2 + 1, X 3 − X et


X 3 + 2X + 1.

Exercice 14 Équations modulaires


1. Donner la liste des valeurs de n̄2 pour n̄ ∈ Z/13Z.
2. Résoudre dans Z/13Z l'équation x2 + x + 7̄ = 0̄.
3. Résoudre de même dans Z/12Z l'équation x2 + 4̄x + 3̄ = 0.

Exercice 15 Équations diophantiennes.


Montrer que les équations suivantes n'ont pas de solutions entières, c'est-à-dire telles que x, y et
z soient des entiers.
x2 + y 2 = 4z + 3, x2 − 2y 6 = 17, x2 + y 2 = 9z + 6.
Indication : on pourra se placer dans Z/4Z, Z/7Z et Z/3Z.

Autres exercices

Exercice 16 Démontrer que si a et b sont deux nombres entiers premiers entre eux, alors les
nombres a + b et ab sont également premiers entre eux. La réciproque est-elle vraie ?

Exercice 17 Soit n un entier naturel non nul. Existe-t-il n nombres entiers consécutifs tels
qu'aucun d'entre eux ne soit premier ?

5
3 Ensembles et applications
Exercices de base.

 Parties du plan. Représenter la droite D d'équation y = 2x − 3 et le cercle C d'équation


(x − 1)2 + y 2 = 4. Déterminer, en résolvant un système, leur intersection D ∩ C .

 Inclusion. Soit x ∈ R. Démontrer l'implication |x| > 2 =⇒ |x(x2 − 3) + 1| > 1. En


déduire par contraposée que l'ensemble des racines du polynôme X 3 − 3X + 1 est inclus
dans l'intervalle ] − 2, 2[.

 Images, antécédents. On considère l'application ψ : N∗ → N∗ qui à un entier n associe


le nombre de ses diviseurs. Par exemple, 6 est divisible par 1, 2, 3 et 6, donc ψ(6) = 4.
Déterminer ψ(7), ψ(8) et ψ(9). Déterminer ψ −1 ({1}), l'ensemble de tous les antécédents de
1, i.e. les entiers n'ayant qu'un seul diviseur. Déterminer également ψ −1 ({2}). Montrer que
ψ −1 ({3}) est l'ensemble des carrés d'entiers strictement supérieurs à 1.

 Injection, surjection. On considère l'ensemble E des 10 formes géométriques suivantes.

On note N = {3, 4, 5, 6} et C = {blanc, gris, noir}. On considère l'application f : E → N


qui à un élément de E associe son nombre de côtés. Est-elle injective ? Est-elle surjective ?
On considère l'application g : E → C qui à un élément de E associe sa couleur. Est-elle
injective ? Est-elle surjective ?
On considère enn l'application h : E → N × C qui à un élément de E associe le couple de
son nombre de côtés et de sa couleur. Est-elle injective ? Est-elle surjective ?

Exercices du TD 5

Exercice 18 Représenter dans le plan les ensembles suivants.


E1 = {(a, b) ∈ R2 ; a ∈ {1, 2}, b ∈ {3, 5, 6} } E2 = {(x, x2 ) ∈ R2 ; x ∈ R}
E3 = {(x2 , x) ∈ R2 ; x ∈ [−1, 1]} E4 = {(x, y) ∈ R2 | 0 ≤ x < 1 − y}
E5 = {(x, y) ∈ R2 | x ≤ 0 et 1 < x2 + y 2 < 5} E6 = {(2 + sin(t), cos(t)); t ∈ R}.

Exercice 19 Dénir de manière cartésienne et/ou paramétrique les parties du plan suivantes.
y = 1/x

y = x2

y = 1/x y= ?

Exercice 20 Le but de cet exercice est de représenter dans le plan l'ensemble


S = {(r cos(rθ), r sin(rθ)) ; r ∈ [0, 1], θ ∈ [0, π]}.

1. Démontrer que S est inclus dans le disque unité et dans le demi-plan déni par y > 0.
2. Démontrer que le point (− 41 , 14 ) n'est pas dans S .

6
3. Représenter l'ensemble Sr = {(r cos(rθ), r sin(rθ)) ; θ ∈ [0, π]} pour r = 14 , r = 12 et r = 1.
4. Généraliser et déduire que S est une union de portions de cercle, puis le représenter.

Exercice 21 Soient A et B des parties d'un ensemble E . Démontrer les lois de Morgan :
Ā ∩ B̄ = A ∪ B et Ā ∪ B̄ = A ∩ B.

Exercices du TD 6

Exercice 22 Montrer par double inclusion les égalités d'ensembles suivantes.


1. {(x, y, z) ∈ R3 | x − y + 2z = 0} = {(λ, λ + 2µ, µ) ; (λ, µ) ∈ R2 }
2. {z ∈ C | z 5 = 1} = {e 5 ; k = 0, . . . , 4}
2ikπ

3. {(x, y) ∈ R2 | (x − 1)2 + y 2 = 1 et x 6= 0} = { 1+t 2 2t


On pourra

2 , 1+t2 ; t ∈ R}
représenter le premier ensemble ainsi que la droite d'équation y = tx et chercher leurs
intersections.

Exercice 23 Déterminer et représenter les ensembles suivants.


exp(] − ∞, 0[), ln(]0, 1[), cos([0, π[), sin([0, π[), cos−1 ([−2, 2]), sin−1 ([0, 1]).

Soit f : x 7→ x2 . Déterminer les ensembles f ([−2, 1]) et f −1 ([−2, 1]). Justier à l'aide de preuves
par double inclusion.

Exercice 24
On considère une tige métallique de longueur 2 pouvant se translater
horizontalement et tourner autour de son extrémité A. B

1. Exprimer les coordonnées de l'extrémité B en fonction des para- A θ


mètres x et θ. x

2. Déterminer le lieu décrit par le point B lorsqu'on fait varier x dans


[0, 1] et θ dans [− π4 , π4 ].

Exercices du TD 7

Exercice 25 On considère les fonctions dénies de R vers R par


f (x) = x3 + 2, g(x) = ln(x2 + 1), h(x) = 5 − 2e−x , `(x) = x2 + x, m(x) = x + ex .

Sont-elles injectives, surjectives, bijectives ?


Lorsqu'une fonction n'est pas bijective, donner des intervalles de départ et d'arrivée pour lesquelles
elle est bijective. Donner alors, si cela est possible, l'expression de sa bijection réciproque.

7
Exercice 26 Les applications suivantes sont-elles injectives, surjectives, bijectives ? Donner
leurs images.
f1 : N → N f2 : Z → Z f3 : R2 → C
,
n 7→ n + 1 n 7→ n + 1 (a, b) 7→ a + ib

f5 :  R2 → R 2
f6 :  R2 → R 2
f4 : N2 → N    
x x+y x 2x − 3y
(p, q) 7→ 2p 3q 7→ 7→
y 2x + 3y y −4x + 6y

f7 : P(N) → N ∪ {∞} f8 : Q2 → R √ f9 : R \ {1} → R


A 7→ Card(A) (a, b) 7→ a + b 2 x 7→ 2x+1
x−1

Soit g la fonction dénie sur R \ {2} par g(x) = x−2


x+1
. Calculer les composées g ◦ f9 et f9 ◦ g .
Que peut-on déduire de f9 et g , quitte à modier un peu leurs ensembles d'arrivée ?

Exercice 27 Soient E , F et G des ensembles et f : E → F et g : F → G des applications.


1. Montrer que si f et g sont injectives, alors g ◦ f est injective.
2. Montrer que si f et g sont surjectives, alors g ◦ f est surjective.
3. Montrer que si g ◦ f est injective, alors f est injective.
4. Montrer que si g ◦ f est surjective, alors g est surjective.
5. Les réciproques sont-elles vraies ?

Autres exercices

Exercice 28 Soit f une application de E dans F .


1. Montrer que pour toutes parties A et B de E , f (A ∪ B) = f (A) ∪ f (B).
2. Sous quelle condition sur f a-t-on pour toutes parties A et B de E , f (A∩B) = f (A)∩f (B) ?
3. Sous quelle condition sur f a-t-on pour toutes parties A et B de E , f (Ā) = f (A) ?

Exercice 29 Dénombrabilité
 Démontrer que si E et F sont des ensembles dénombrables, alors E ∪ F l'est aussi.
 Établir une bijection de N vers N × N : on pourra représenter N × N par un quadrillage
inni et en numéroter tous les points.
 En déduire que Q est un ensemble dénombrable.

Exercice 30 Indénombrabilité de P(N)


Soit f une application de N dans P(N).
1. Donner des exemples d'une telle application.
2. Soit A = {n ∈ N | n ∈/ f (n)}. Montrer que A n'a pas d'antécédent par f .
3. En déduire que P(N) n'est pas dénombrable.

8
4 Nombres complexes
La plupart des exercices de cette feuille peuvent être corrigés à l'aide de Maple ou Wolfram.

Exercices de base.

 Donner la forme algébrique des nombres complexes suivants.



2 + 3i (1 − i)(3 + 5i)
(2 − 3i)(1 + i), (3 + 2i)3 , , .
1−i (2 − i)3

 Donner la forme polaire de − 3 − 3i.
 Représenter les ensembles suivants : {z ∈ C | |z − i| ≤ 3}, {z ∈ C | z+i
z−1
∈ R} et
{θe2iπθ , θ ∈ R}.

 Déterminer les racines des polynômes X 2 − 3X + 5, 2X 2 + X + 2 et X 2 + 2iX − 5.


 Formule d'Euler et linéarisation.
Z Soit n ∈ N∗ et x ∈ R.
π
2
Calculer cos(kx) et cos3 (t)dt.
Pn
k=0
0

Exercices du TD 8

Exercice 31 Donner la forme algébrique des nombres complexes suivants.


π
5−i 1 + ei 3
, π .
(3 − 2i)2 1 − ei 6
Donner la forme polaire des nombres complexes suivants (θ, α et β désignent des nombres
réels).

√ 5 ( 3 + i)8
(1 + i)( 3 − i), , 3 + 7i, 4
, eiθ + 1, eiα + eiβ (faire un dessin).
(1 − i)(2 − i)(3 − i) (−1 + i)

Exercice 32
z−2
1. Résoudre dans C l'équation = i.
z−1
Soit z ∈ C \ {1} et soient A, B et M les points d'axes respectives 1, 2 et z .
z−2
2. Interpréter géométriquement le module et l'argument de .
z−1
3. Retrouver ainsi le résultat de la question 1.
4. Soit n ∈ N∗ . Montrer,
 toujours
n
à l'aide d'une interprétation géométrique, que les solutions
z−2 3
de l'équation = i ont toutes pour partie réelle .
z−1 2
5. En déduire les solutions de cette équation pour n = 2.

9
Exercice 33 Déterminer les racines des polynômes suivants.
X 2 + (2 − 2i)X − 2i, X 2 + (i − 3)X − 3i, iX 2 − X + 1, X 6 + 27, X 5 − X 4 + 4X − 4.

Résoudre dans C2 les systèmes


 
u+v = 2 u+v = 4
1
uv = −4 u
+ v1 = −4

Exercices du TD 9

Exercice 34 Le but de cet exercice est de retrouver les valeurs de cos( π6 ) et sin( π6 ). Pour cela,
nous allons déterminer de deux manières diérentes les racines du polynôme P = X 2 − 2iX − 4.

1. Déterminer les racines de P sous forme algébrique.


2. Soit z une racine du polynôme P . Montrer que z 3 = 8i.
3. Déterminer alors les racines de P sous forme trigonométrique.
4. En déduire les valeurs de cos( π6 ) et sin( π6 ).
π π
5. De la même manière, trouver deux polynômes de degré 2 ayant respectivement ei 3 et ei 4
pour racine et en déduire les expressions algébriques de cos( π3 ), sin( π3 ), cos( π4 ) et sin( π4 ).

Exercice 35 Soit x ∈ R et n ∈ N. Calculer


n
X Z π
2
sin (kx), sin4 (x)dx.
k=0 −π

Exercices du TD 10

Exercice 36 Soit P un polynôme de la forme P = X 3 + pX + q où p et q sont des nombres


réels (voire complexes). La méthode de Cardan pour déterminer les racines de P est la suivante.

 On détermine les racines A et B du polynôme X 2 + qX − 27 .


p 3

 On calcule les racines cubiques a1 , a2 , a3 de A et b1 , b2 , b3 de B .


 Les racines de P sont alors les nombres complexes ai + bj tels que ai bj = − p3 .

1. Déterminer à l'aide de cette méthode les racines des polynômes


X 3 − 3X + 1, X 3 − 6X − 4.

2. Vérier que les solutions obtenues sont bien des racines de ces polynômes (on pourra essayer
de faire disparaître les cosinus).
3. Nous allons maintenant justier la méthode. Soit P = X 3 + pX + q . On cherche une racine
de P sous la forme z = a + b, avec a, b ∈ C. On suppose de plus (pour simplier les calculs)
que 3ab + p = 0.

10
(a) Montrer que si z est racine de P , alors a3 + b3 + q = 0.
(b) En déduire avec a3 b3 = − 27p3
que a3 et b3 sont racines d'un certain polynôme de degré 2.
(c) Conclure la méthode.
4. Soit maintenant P un polynôme de degré 3 quelconque. Soit z une racine de P . Déterminer
en fonction des coecients de P un nombre complexe u tel que z − u soit racine d'un
polynôme de la forme X 3 + pX + q .
En déduire qu'il est possible de déterminer les racines de tous les polynômes de degré 3.

Exercice 37 Décrire géométriquement les transformations du plan dénies par les applications
z 7→ iz + 2, z 7→ z̄ + 3 − i, z 7→ (1 + i)z, z 7→ iz̄.

On commencera par les interpréter comme des composées de transformations géométriques élé-
mentaires puis on les identiera (rotation, symétrie, etc) en précisant leurs caractéristiques (centre,
angle, axe, etc).

Autres exercices

Exercice 38 Calcul de cos( 2π5 ).


Soit z = e 5 .
2iπ

1. Montrer que 1 + z + z 2 + z 3 + z 4 = 0.
2. En regroupant les termes conjugués, déduire que cos( 2π5 ) est racine d'un polynôme de
degré 2.
3. Déterminer la valeur de cos( 2π5 ).
4. À l'aide de ce résultat, construire à la règle et au compas un pentagone régulier inscrit dans
le cercle unité.

Exercice 39 Soient a et b des nombres réel. Montrer qu'il existe deux réels r et θ tels que pour
tout réel x
a cos(x) + b sin(x) = r cos(x + θ).
On pourra poser z = a − ib et z 0 = eix .

Exercice 40 Soit n ∈ N. On dit que n est somme de deux carrés s'il existe r ∈ N et s ∈ N
tels que n = r2 + s2 .
Soient a ∈ N et b ∈ N des sommes de deux carrés. Montrer alors que le produit ab est
également somme de deux carrés. (L'expression r2 + s2 peut faire penser à un module.)
Le vérier sur des exemples.

11
5 Groupes
Dans tous les exercices, G désignera un groupe dont la loi est notée multiplicativement et
l'élément neutre est noté e.

Exercices de base

 Soient x, y et z des éléments de G. Simplier autant que possible les expressions suivantes.

yx2 x−1 y −1 , y −1 xx−1 y, (xy −1 z)−1 , z(xy)−1 x(yz)−1 .

Recommencer en supposant de plus que le groupe G est commutatif.

 On considère le groupe des bijections du plan muni de la composition.


Soient ~u et ~v des vecteurs du plan et t~u et t~v les translations correspondantes.
Que peut-on dire de t~0 , de t~u ◦ t~v et de t~u−1 ?
En déduire que l'ensemble des translations du plan est un sous-groupe du groupe des bi-
jections du plan.

 Chercher les inverses (pour la multiplication) de 2̄ et 3̄ dans (Z/5Z)∗ , (Z/7Z)∗ et (Z/11Z)∗ .

Exercices du TD 11

Exercice 41 Manipulations dans un groupe


 Soient x, y, z dans G tels que xyz = e. Peut-on en déduire que yzx = e ou que xzy = e ?
 Soient a, b dans G et n ∈ N∗ tels que (ab)n = e. Montrer que (ba)n = e.
 Supposons que pour tout x ∈ G, x2 = e. Montrer que G est un groupe commutatif.

Exercice 42 Les structures suivantes dénissent-elles des groupes ?


 L'ensemble {(x, y) ∈ R2 | x2 = y 2 } muni de l'addition sur R2 .
 L'ensemble {xei ln(x) ; x ∈ R∗+ } muni du produit sur C∗ .
 L'ensemble des applications anes complexes z 7→ az + b (a 6= 0) muni de la composition.
 L'ensemble des fonctions réelles croissantes muni de l'addition des fonctions.

Commencer le TD 12.
Exercices du TD 12

Exercice 43 Montrer que les applications suivantes dénissent des morphismes de groupes (on
précisera pour quelles lois). Déterminer leur noyau et leur image.
A(R) désigne l'ensemble des applications anes réelles, G désigne un groupe quelconque et a
est un élément de G donné.
f1 : Z → Z/nZ f2 : C∗ → C∗ f 3 : Z → Q∗ f4 : A(R) → R∗ f5 : G→G
k 7→ k̄ z 7→ z 2 n 7→ 2n [x 7→ αx + β] 7→ α x 7→ axa−1

12
Exercice 44 Inverses
1. Chercher les inverses (pour la multiplication) de 4̄ et 5̄ dans Z/7Z, Z/11Z, Z/14Z et Z/43Z.
2. Chercher également les ordres de 4̄ et 5̄ dans les groupes multiplicatifs correspondants ainsi
que les sous-groupes qu'ils engendrent.
3. Le théorème de Lagrange est-il bien satisfait ?

√ √ √
Exercice 45 On note Q[ 2] l'ensemble Q[ 2] = {p + q 2 | p, q ∈ Q}.

1. Montrer que (Q[ 2], +) est un sous-groupe de (R, +).

2. Montrer que (Q[ 2]∗ , ×) est un sous-groupe de

(R∗ , ×).
On dénit de manière analogue l'ensemble Q[ 3] et on considère l'application
√ √
f: Q[ √2] → Q[ 3] √
p + q 2 7→ p + q 3

3. Cette application est-elle bien dénie ?


4. Montrer que f est une bijection.
√ √
5. Montrer que f est un isomorphisme entre les groupes (Q[ 2], +) et (Q[ 3], +) ?
√ 2 √ ∗
6. √ f∗ ( 2 ) ? La fonction f dénit-elle un isomorphisme entre les groupes (Q[ 2] , ×)
Que vaut
et (Q[ 3] , ×) ?

Exercices du TD 13

Exercice 46 Racines n-èmes de l'unité


Soit n ∈ N∗ . On note Un l'ensemble Un = {z ∈ C | z n = 1}.
1. Montrer que (Un , ×) est un sous-groupe de (C∗ , ×). Quel est son cardinal ?
2. Montrer qu'il est isomorphe au groupe (Z/nZ, +).
3. En déduire une condition pour qu'un élément de Un engendre Un tout entier.

Exercice 47 Système RSA


Soient p ∈ P et q ∈ P des nombres premiers distincts, soit n = pq et soit ϕ = (p − 1)(q − 1).
1. Soit k ∈ Z un nombre qui n'est multiple ni de p ni de q . Montrer que kϕ = 1 mod p et
k ϕ = 1 mod q .
2. En déduire que kϕ = 1 mod n.

Le système de cryptographie RSA repose sur les propriétés de Z/nZ et sur le fait que si n
est un très grand nombre (de l'ordre de 10200 ), il est très dicile de le factoriser, c'est-à-dire
de déterminer p et q et ainsi de connaître ϕ. Le principe est le suivant :
Deux amis, Alice et Bob souhaitent s'échanger des messages condentiels. Expliquons com-
ment Alice transmet un message à Bob.

 Bob choisit deux grands nombres premiers p et q et calcule n = pq . D'autre part, il choisit
un entier e et détermine un entier d tel que ed = 1 mod ϕ. Il ache publiquement les
nombres n et e qu'il a choisis, mais garde précieusement pour lui les valeurs de p, q , ϕ
et d.

13
 Alice veut envoyer un message numérique m inférieur à n. Elle calcule m1 = me mod n
et le transmet à Bob. Ce dernier calcule m2 = md1 . Alors le reste de la division eucli-
dienne de m2 par n redonnera le message m.

3. Justier que m2 = m mod n et comprendre pourquoi, même en ayant intercepté le message


m1 et en connaissant n et e, il est très dicile de retrouver le message m.
4. Soient p = 5 et q = 7. Soit e = 5 et m = 3. Déterminer d puis calculer m1 et m2 .

Exercices du TD 14

Le groupe symétrique
Exercice 48 Dans (S5 , ◦) posons
       
1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5
σ1 = , σ2 = , σ3 = , σ4 = .
3 2 1 5 4 5 4 2 1 3 5 4 2 3 1 1 5 2 4 3

Calculer σ1 σ2 et σ2 σ1 . Pour chacune de ces six permutations, déterminer son inverse et son ordre
dans le groupe puis la décomposer en un produit de transpositions.

Exercice 49 Isométries du carré


On considère un carré dans le plan et on note I l'ensemble des isométries du plan qui laissent
ce carré invariant : si on note C le carré et si s ∈ I , alors s(C) = C .
On rappelle qu'une isométrie est une application du plan qui préserve les distances et que les
seules isométries sont les translations, les symétries, les rotations et les symétries glissées.
1. Montrer que (I, ◦) est un sous-groupe du groupe des isométries du plan.
2. Trouver géométriquement, sans justication, tous les éléments de I .
3. Démontrer qu'une isométrie du carré permute nécessairement les sommets du carré. En
déduire qu'on peut associer à tout élément de I un élément de S4 .
4. Réciproquement, justier qu'un élément de S4 ne peut correspondre qu'à au plus un élé-
ment de I .
5. En déduire rigoureusement la liste des éléments de I et des éléments de S4 correspondants.
On a ainsi établi un isomorphisme entre un sous-groupe de S4 et I .
6. Déterminer de même les groupes d'isométries préservant un pentagone régulier et un hexa-
gone régulier et montrer qu'ils sont isomorphes à des sous-groupes de S5 et S6 .

Commencer le TD 15.

14
Autres exercices
Exercice 50 Soit x un élément de G d'ordre n ∈ N∗ . Montrer que pour tout entier a, l'ordre
de xa est n
pgcd(a,n)
.

Exercice 51 Montrer que tout sous-groupe d'un groupe cyclique est cyclique.

Exercice 52 Montrer que les groupes ayant pour seuls sous-groupes {e} et le groupe tout entier
sont les groupes nis dont le cardinal est 1 ou un nombre premier.

Exercice 53 Sous-groupes de Z
Soit H un sous-groupe de (Z, +) diérent de {0}.
1. Justier l'existence de a = min(H ∩ Z∗+ ).
2. Montrer que H = aZ = {an | n ∈ Z}.

Exercice 54 Carrés dans ( pZ


Z ∗
)
Soit p un nombre premier impair. Notons C l'ensemble des carrés du groupe (( pZ ) , ×) :
Z ∗

Z ∗ Z
C = {y ∈ ( ) | ∃x ∈ ( )∗ , y = x2 }.
pZ pZ
1. Déterminer C pour p = 3, 5, 7, 11.
2. Montrer que C est un sous-groupe de ( pZ ).
Z ∗

Z ∗
f : ( pZ ) → C
3. Soit . Montrer que f est un morphisme de groupes.
x 7→ x2
4. Montrer que f (x) = f (y) si et seulement si y = x ou y = −x.
5. En déduire qu'il y a exactement p−12
carrés dans ( pZ
Z ∗
).

Exercice 55 Soit n ∈ N∗ .
Montrer que le groupe (Sn , ◦) est engendré par l'ensemble des transpositions de la forme τ1,j pour
j = 2, . . . , n.

Exercice 56 Donner la liste des sous-groupes de S4 .


Indication : il y en a 30.

15
6 Matrices
La plupart des exercices peuvent être corrigés à l'aide de Maple ou Wolfram.

Exercice de base

Calculer toutes les sommes A + B et tous les produits matriciels AB possibles, où A et B sont
des matrices choisies dans la liste ci-dessous (éventuellement A = B ).
 
      1 4 2
1 2 3 −1 0 2 3  
−2 −1 0
 
 
4 5 6 ,  3 −2 1  ,  1  , 2 2 2 , 0 5 i 6 −2
, 
  , .
1 − i −i −3 0 0 0 3 5
7 8 9 5 0 −1 −4
1 −1 3

Donner la transposée de chacune de ces matrices. Pour chaque matrice A, calculer le pro-
duit A tA. Que constate-ton ? Est-ce une propriété générale ?

Exercices du TD 15

Exercice 57 Calculer les puissances entières des matrices suivantes.


   
2 0 0   √    1 0 0
1 1 3 √1 i −i
A = 0 −1 0 , B = , C= , D= , E = 1 1 0 .
0 1 −1 3 i i
0 0 3 1 1 1

On pourra pour chaque matrice M commencer par calculer M 2 , M 3 , M 4 , etc an de conjec-
turer l'expression de M n puis faire une preuve par récurrence.
h i
 Déterminer la matrice E −1 telle que EE −1 = I3 = .
1 0 0
0 1 0
0 0 1

 Posons F = EAE −1 . Que vaut F n pour n dans N ?


 Calculer CD et DC . En déduire les valeurs de (CD)n pour n dans N.

Exercice 58 Binôme de Newton


Soient      
1 4 2 −2 4 0 3 0 2
A = −1 5 1 , B = −1 2 0 , C = 0 3 1 .
0 0 1 0 0 0 0 0 1
1. Déterminer les puissances de B .
 
1 0 2
2. Soit P = 0 1 1 . Trouver la matrice P −1 telle que P P −1 = I3 .
0 0 −2
h i
3. Montrer que C = P DP −1 , avec D = 0 3 0 .
3 0 0
0 0 1
4. En déduire l'expression des puissances de C .
5. En déduire l'expression de An pour n ∈ N.
On n'oubliera pas de vérier certaines hypothèses avant d'utiliser la formule du binôme de
Newton.

16
Exercice 59
Soit n ∈ N∗ et soient A et B les matrices carrées de taille n suivantes.
0 ··· ··· 0 ··· ··· 0
   
1 1 0 1 0
0 1 1 0 0 0 0 1 0 0
.
 . . . . . . . . . . . . . .. 
.

. . . . . . . . . . .. 
. . . .
A = . ... ... ...  , B = . ... ...  .

 .. 0   .. 0 
 
0 0 1 1 0 0 1
0 ··· ··· ··· 0 1 0 ··· ··· ··· 0 0

1. Calculer B 2 , B 3 , etc. Déterminer les puissances de B . On montrera en particulier que pour


k ≥ n, B k = 0.
2. En déduire l'expression des puissances de A.

Exercices du TD 16

Exercice 60 Inversion de matrice


Calculer, si elles existent, les matrices inverses des matrices réelles suivantes.
 
  2 1 1 1 1
    −1 0 1 2
    0 1 5 2 0 2 1
 2 1 1 1
2 1 5 2 0 1 2 −1 
, , −4 2 3 , −1 3
   2 , 
   , 1 1 2 1 1.
3 1 1 −1 1 2 −1 0  
−2 1 2 1 −2 −1 1 1 1 2 1
2 −1 0 1
1 1 1 1 2

Recommencer en considérant que ces matrices sont à coecients dans Z/3Z. Obtient-on des
résultats cohérents avec ceux de la première partie ?
 
4 3 −3
Exercice 61 Soit A la matrice −2 −1 3 .
2 3 −1
1. Calculer A2 .
2. En déduire que :
(a) A est inversible et donner la matrice de son inverse,
(b) A + 2I3 ou A − 2I3 sont non inversibles.

Exercice 62 Matrices nilpotentes


On dit qu'une matrice A ∈ Mn (K) est nilpotente s'il existe un entier d ∈ N tel que Ad = 0.
1. Montrer qu'une matrice nilpotente n'est pas inversible.

Soient A et B des matrices nilpotentes.


2. Sous quelle condition peut-on déduire que la matrice AB est également nilpotente ?
3. Montrer que si AB = BA, alors A + B est aussi nilpotente.

17
4. Montrer que In − A est une matrice inversible.
     
−1 0 1 1 1 −2 0 1 0
Soient A = −1 −3 4, B = 1 4 −5 et C = 0 0 0.
−1 −3 4 1 4 −5 0 0 0
5. Montrer que A, B et C sont des matrices nilpotentes et vérier que les propriétés précé-
dentes sont satisfaites.
6. La dénition d'élément nilpotent se généralise à tous les anneaux, par exemple dans Z/nZ.
Donner les éléments nilpotents de (Z/nZ, +, ×) pour n = 8, 9, 10, 11, 12 et vérier que les
propriétés précédentes sont encore valables dans ce cadre.

Exercices du TD 17

Exercice 63 Inversion


 des matrices de taille 2
a b
Soit A = ∈ M2 (R).
c d
1. Déterminer des coecients réels α et β tels que A2 + αA + βI2 = 0.
2. Sous quelle conditions sur ses coecients la matrice A est-elle inversible. Décrire l'ensemble
GL2 (R).
3. Lorsqu'elle est inversible, donner les coecients de A−1 .
4. Décrire de manière analogue le groupe GL2 (Z).

Exercice 64 Système diérentiel


On souhaite résoudre le système diérentiel suivant : pour t dans R,
f 0 (t) = 3f (t) − 4g(t)


g 0 (t) = f (t) − 2g(t)


h i h 0 i
Pour cela on pose pour t dans R, X(t) = fg(t)
(t)
et X 0 (t) = fg0 (t)
(t)
.
1. Donner la matrice M de ce système, i.e. telle que X 0 (t) = M X(t).
 
1 −1
2. Soit P = . Montrer que P M P −1 est une matrice diagonale D.
1 −4
3. En déduire que P X 0 (t) = DP X(t).
h i
4. Poser P X(t) = Y (t) = α(t)
β(t) et résoudre le système diérentiel Y 0 (t) = DY (t).
5. En déduire les expressions de f et g .

Exercice 65 Soit ϕ l'application linéaire dénie de R2 vers R2 par


∀(x, y) ∈ R2 , ϕ(x, y) = (6x − 3y, 10x − 5y)

1. Donner la matrice M associée à ϕ.

18
2. Calculer M 2 . Qu'en déduit-on sur ϕ ?
Que remarque-t-on ? On dit que ϕ est un projecteur. Nous allons décrire géométriquement
l'action de ϕ.
3. Déterminer le noyau D1 de ϕ (qui est un morphisme pour l'addition dans R2 ).
Remarquer que cela revient à trouver les combinaisons des colonnes de M qui donnent [ 00 ].
4. Déterminer l'image D2 de ϕ. Remarquer le lien avec les colonnes et les lignes de M .
5. Les droites D1 et D2 obtenues forment un repère du plan. Ainsi tout vecteur X ∈ R2 peut
se décomposer de manière unique sous la forme X = X1 + X2 avec X1 ∈ D1 et X2 ∈ D2
(l'illustrer avec une gure).
Déterminer en utilisant cette écriture l'image ϕ(X) d'un vecteur X et en déduire que ϕ est
la projection sur la droite D2 dans la direction de la droite D1 .

Autres exercices

Exercice 66 Soit A ∈ Mn (R).


1. Vérier que A + t A est une matrice symétrique.
2. Montrer que A peut s'écrire comme la somme d'une matrice symétrique et d'une matrice
antisymétrique.
3. Montrer que cette écriture est unique.
4. Les résultats précédents restent-ils vrais si au lieu de considérer R, on prend un anneau
commutatif unitaire quelconque ?

 
0 1 −1
Exercice 67 Soit A = −1 2 −1.
1 −1 2
1. Calculer A2 − 3A + 2I3 .
2. En déduire que A est inversible et donner son inverse.
3. En déduire également que pour tout entier positif n, An = (2n − 1)A + (2 − 2n )I3 .

Exercice 68 Écriture matricielle des nombres


 complexes
a b
Soit G l'ensemble des matrices de la forme avec a ∈ R, b ∈ R.
−b a
1. Montrer que (G, +) est un groupe.
2. Notons G∗ = G \ {0}. Montrer que (G∗ , ×) est un groupe.
3. Montrer que (G, +, ×) est isomorphe au corps des nombres complexes. Autrement dit, G
constitue une représentation matricielle des nombres complexes.
4. Exprimer matriciellement (c'est-à-dire sous la forme [ xy ] → M [ xy ] les transformations géo-
métriques du plan suivantes : rotation de centre O, homothétie de centre O, symétrie d'axe
une droite passant pas O.

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