Anneaux unitaires finis
Je voulais éclaircir 2-3 choses à leur sujet.
On dispose du théorème des restes chinois, qui donne $\mathbb{Z}/ n \mathbb{Z} \simeq \displaystyle \prod_{j=1}^d \mathbb{Z}/ p_j^{k_j} \mathbb{Z}$, où $n = \displaystyle \prod_{j=1}^d p_j^{k_j}$ est la décomposition de $n$ en produit de facteurs premiers. On a aussi le théorème de structure des groupes abéliens, qui restreint aux groupes abéliens finis, affirme un résultat très proche : si $G$ est un groupe fini, il existe une unique suite croissante $(p_1^{k_1},...,p_d^{k_d})$ de puissances de nombres premiers telle que $G \simeq \displaystyle \prod_{j=1}^d \mathbb{Z}/ p_j^{k_j} \mathbb{Z}$.
Soit maintenant $A$ un anneau unitaire fini quelconque. $A$ n'a aucune raison d'être isomorphe à un $\mathbb{Z}/n \mathbb{Z}$ en tant qu'anneau, mais comme c'est en particulier un groupe abélien fini, on a $A \simeq \displaystyle \prod_{j=1}^d \mathbb{Z}/ p_j^{k_j} \mathbb{Z}$ en tant que groupes.
Ma question serait, existe-t-il forcément une structure d'anneau unitaire sur $ \displaystyle \prod_{j=1}^d\mathbb{Z}/ p_j^{k_j} \mathbb{Z}$, non nécessairement égale à la structure standard d'anneau produit, qui étende l'isomorphisme de groupes précédent en un morphisme d'anneaux ? Auquel cas il "suffirait" (oui, je sais) d'identifier le nombre de multiplications distributives unitaires possibles à définir sur un groupe abélien fini pour avoir une sorte de classification des anneaux unitaires finis.
Du coup, ça reviendrait à chercher toutes les autres multiplications sur $\mathbb{Z} /n \mathbb{Z}$ qui donnent une structure d'anneau unitaire.
On dispose du théorème des restes chinois, qui donne $\mathbb{Z}/ n \mathbb{Z} \simeq \displaystyle \prod_{j=1}^d \mathbb{Z}/ p_j^{k_j} \mathbb{Z}$, où $n = \displaystyle \prod_{j=1}^d p_j^{k_j}$ est la décomposition de $n$ en produit de facteurs premiers. On a aussi le théorème de structure des groupes abéliens, qui restreint aux groupes abéliens finis, affirme un résultat très proche : si $G$ est un groupe fini, il existe une unique suite croissante $(p_1^{k_1},...,p_d^{k_d})$ de puissances de nombres premiers telle que $G \simeq \displaystyle \prod_{j=1}^d \mathbb{Z}/ p_j^{k_j} \mathbb{Z}$.
Soit maintenant $A$ un anneau unitaire fini quelconque. $A$ n'a aucune raison d'être isomorphe à un $\mathbb{Z}/n \mathbb{Z}$ en tant qu'anneau, mais comme c'est en particulier un groupe abélien fini, on a $A \simeq \displaystyle \prod_{j=1}^d \mathbb{Z}/ p_j^{k_j} \mathbb{Z}$ en tant que groupes.
Ma question serait, existe-t-il forcément une structure d'anneau unitaire sur $ \displaystyle \prod_{j=1}^d\mathbb{Z}/ p_j^{k_j} \mathbb{Z}$, non nécessairement égale à la structure standard d'anneau produit, qui étende l'isomorphisme de groupes précédent en un morphisme d'anneaux ? Auquel cas il "suffirait" (oui, je sais) d'identifier le nombre de multiplications distributives unitaires possibles à définir sur un groupe abélien fini pour avoir une sorte de classification des anneaux unitaires finis.
Du coup, ça reviendrait à chercher toutes les autres multiplications sur $\mathbb{Z} /n \mathbb{Z}$ qui donnent une structure d'anneau unitaire.
Réponses
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Il y a bien d'autres structures d'anneaux, ne serait-ce que parce qu'un anneau fini n'a aucune raison d'être commutatif. Par exemple, si tu prends $\mathcal M_2(\mathbb Z/2\mathbb Z)$, alors le groupe sous-jacent est isomorphe à $\left(\left(\mathbb Z/2\mathbb Z\right)^4, +\right)$ mais l'anneau en lui-même n'est pas commutatif, donc pas isomorphe à l'anneau $\left(\left(\mathbb Z/2\mathbb Z\right)^4, +, \times\right)$.
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Même si on se restreint au cas commutatif, des choses peuvent se passer. Exemple, sur le groupe $\mathbb{Z}/p\mathbb{Z} \times \mathbb{Z}/p\mathbb{Z}$, tu as au moins deux structures d'anneau commutatif différentes: celle d'anneau produit habituelle, et celle du corps fini à $p^2$ élément.
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Chat-maths : une troisième qui est $\mathbb F_p [X]/(X^2)$. Si je ne m'abuse, ce sont les trois seules (déjà vu la structure de groupe, c'est forcément de caractéristique $p$, donc on a $\mathbb F_p$ dedans. Ensuite, c'est un $\mathbb F_p$-ev de dimension $2$ donc engendré par $1$ et un élément $\alpha$. Reste à voir quel est le polynôme minimal de $\alpha$, et avec ça on obtient notre classification selon qu'il est à racines simples, à racine double, ou irréductible)
La réponse à la question rouge d'HT est oui, par transfert de structure: tu définis la multiplication sur ton produit de groupes par $a*b = f(f^{-1}(a)f^{-1}(b))$ où $f$ est ton isomorphisme.
Attention cependant : $A$ n'est pas forcément $\Z/n\Z$, donc il ne suffit pas de trouver les structures d'anneaux là-dessus, mais bien sur $\prod_i \Z/n_i\Z$, pour toute famille d'entiers $(n_i)$. C'est une entreprise très délicate, comme le montre le cas $\Z/p\Z \times \Z/p\Z$ :-D (même en se restreignant au cas commutatif unitaire) -
Certains vont même jusqu'à affirmer qu'il est déraisonnable d'espérer une classification complète un jour: voir Ce post sur mathoverflow.
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Poirot : je sais qu'il y a d'autres structures, c'est pour ça que je parlais de définir/chercher d'autres multiplications !
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Bah avec tous les exemples qu'on t'a donné, tu peux écrire à la main une structure d'anneau sur $\left(\mathbb Z/2\mathbb Z\right)^4$ ou sur $\left(\mathbb Z/p\mathbb Z\right)^2$ qui ne coïncide pas avec la structure usuelle.
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Bon, donc en gros : la réponse à ma question est positive en théorie, mais comme il faut à chaque fois trouver l'isomorphisme, puis bidouiller la structure avec, "en pratique" ça serait un boulot démentiel de chercher à classifier les anneaux finis comme ça.
D'accord. -
Je pense que le plus simple à dire c'est que $R$ est un anneau unitaire commutatif fini alors il a un nombre fini d'idéaux maximaux $m_j$, on remplace $R$ par $R/\bigcap m_j$ pour $r$ suffisamment grand c'est $R/\bigcap m_j=\prod_j R/m_j^r$
$R/m_j$ est un corps fini de caractéristique $p_j$,
$p_j^r\in m_j^r$ donc le groupe additif de $R/m_j^r$ est un produit de groupes cycliques d'ordre $p_j^a$ en particulier $|R/m_j^r|=p_j^{n_j}$,
soit $e_j$ le plus petit tel que $p_j^{e_j} \in m_j^r$, on a une surjection $ \Z/(p_j^{e_j})[x_1,\ldots,x_{n_j}]\to R/m_j^r$ qui est injective sur $\Z/(p_j^{e_j})$ et avec $I_j$ son noyau on a $$R/\prod m_j^r =\prod_j R/m_j^{r_j}= \prod_j \Z/p_j^{e_j}[x_1,\ldots,x_{n_j}]/I_j$$ Pour le côté classification je dirais que $R/m_j^{r_j}$ est un sous-anneau de $O_{K_j}/(\pi_j^{l_j})$ pour $K_j$ une extension finie de $\Q_{p_j}$. -
reuns : je n'ai pas encore tout déchiffré, mais à aucun moment je ne me suis restreint aux anneaux finis commutatifs. Ce qui complique évidemment les choses...
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