Algebre TD PDF
Algebre TD PDF
Algebre TD PDF
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.
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
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
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
4
2 Arithmétique
Exercices de base.
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
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.
Exercices du TD 5
Exercice 19 Dénir de manière cartésienne et/ou paramétrique les parties du plan suivantes.
y = 1/x
y = x2
y = 1/x y= ?
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
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
Exercices du TD 7
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
Autres exercices
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.
8
4 Nombres complexes
La plupart des exercices de cette feuille peuvent être corrigés à l'aide de Maple ou Wolfram.
Exercices de base.
Exercices du TD 8
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.
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.
Exercices du TD 10
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
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.
Exercices du TD 11
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
Exercices du TD 13
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.
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.
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}.
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.
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
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
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
Exercices du TD 16
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.
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
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
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 .
19