L'anneau $\mathbb{Z}[\sqrt 2]$

Bonsoir, je bloque sur quelques questions d'un problème dont voici l'énoncé.

On se place dans l'anneau $\Z[\sqrt 2]$ noté $(A,+,*)$ défini par $A=\{a+b\sqrt2\mid (a,b)\in \mathbb{Z}^2\}$.
On note $\bar{z}=a-b\sqrt2$ et $N(z)=z\bar{z}$.
1) Soit $z\in A$. Montrer que pour tout $\epsilon>0 $, il existe $x\in\mathbb{R},\ |x-z|\leq\epsilon$.
2) Montrer que $z$ est inversible si et seulement $N(z)=\pm1$.
3) On suppose $a\geq0$ et $b\geq0$. Montrer que $z\geq1$.
On suppose $a\leq0$ et $b\leq0$.Montrer que $z\leq-1$.
On suppose $ab\leq0$. Que dire de $\bar{z}$, en déduire que $|z|\leq1$.
On note $U^+=\{z\in A\mid z>1,\ N(z)=1\}.$
4) Soit $z\in A$. Montrer que $a>0$ et $b>0$.
5) Montrer que $U^+$ possède un plus petit élément que l'on calculera explicitement.

1) Il faut montrer que $A$ est dense dans $\mathbb R$, j'ai réussi à montrer que pour tous $x,y$ appartenant à $\mathbb R$ tels que $x<y$, il existe $z$ appartenant à $A$ tel que $x<z<y$, avec la propriété d'Archimède. Les 2 propriétés sont équivalentes mais j'ai une fonction python à écrire à propos de cette question et il me faut démontrer la propriété de l'énoncé pour l'écrire mais je ne vois pas ...
2) En utilisant la définition de l'élément inversible pour $+$, je ne sais pas comment aboutir.
3)4)5) Je bloque sur ces questions, je ne vois pas comment procéder.

Il y a d'ailleurs sûrement un parallèle à tirer de cet anneau avec $(\C,+,*)$, $(\R,+,*)$ ou des propriétés sur ses éléments inversibles donc vu le niveau mathématique des personnes de ce forum si quelqu'un pouvait étendre ma culture mathématique, ça serait avec plaisir.
Merci beaucoup si vous prenez du temps pour répondre.

[En $\LaTeX$, c'est toutes les expressions mathématiques que l'on encadre, pas seulement quelques termes. ;-) AD]

Réponses

  • Ta première question est très certainement mal recopiée. Telle qu'elle est écrite, tu cherches à montrer que $\mathbb R$ est dense dans $A$ ! L'énoncé correct (que tu cherches à démontrer dans ta tentative) est une conséquence de l'exercice classique qui donne la structure des sous-groupes de $\mathbb R$ : ils sont ou bien de la forme $a \mathbb Z$, ou bien dense dans $\mathbb R$.

    Pour la seconde question on ne te parle pas d'inversibilité pour $+$, ce qui est évidemment vérifié par tout élément de $A$, mais d'inversibilité pour $\times$ (on est dans un anneau). Il aurait peut-être mieux valu faire commencer l'exercice par la démonstration que $(A, +, \times)$ est bien un anneau.

    On parlera des autres questions plus tard.
  • Bonsoir,
    1)la question est en effet mal recopiée.. J'avais en effet oublié cet argument, j'ai donc réussi à conclure.

    2)Oups, je me suis encore trompé dans le recopiage c'est l'inverse pour$\times$
    J'ai passé quelques questions du problème que j'ai réussi à faire dans lesquelles on demande de montrer que $(A,+,\times)$ est un anneau, N(z)$\in \mathbb{Z}$ et N(z*z')=N(z)N(z').
    3)4)5)On demandait de montrer que (U,+) est un groupe avec U={z$\in$A, N(z)=$\pm$1}, question que j'ai également réussie à faire.

    Merci de votre aide
  • Ok, allons-y pour la question 2) alors. Il s'agit de revenir à la définition et de procéder par double implication.

    Si $x \in A$ est inversible alors... Puis penser à utiliser la norme.

    Réciproquement, si $N(x) = x \overline{x} = \pm 1$, est-ce qu'on ne peut pas en déduire que $x$ est inversible dans $A$ ?
  • En effet, la première question telle quelle est idiote : $x=z$ convient !
    En fait il faut prouver que pour tout $x\in \mathbb R$ et tout réel $\varepsilon >0$, il existe $z \in A$ tel que $|z-x| \le \varepsilon$. On peut résoudre cette question 1 spécifiquement pour cet anneau, ou même pour tout sous-anneau de $\mathbb R$, sans recourir au résultat général sur les sous-groupes additifs de $\mathbb R$. Il suffit de montrer que pour tout $\varepsilon >0$, il existe $z \in A$ tel que $|z| \le \varepsilon$, et la structure d'anneau simplifie la démonstration de ce fait.
    Bonne nuit.
    Fr. Ch.
  • @Chaurien : je suis intéressé par ta démonstration utilisant la structure d'anneau.
  • @ Poirot

    \( (\sqrt2 - 1)^n \) peut-être ?

    amicalement,

    e.v.
    Personne n'a raison contre un enfant qui pleure.


  • Ici, comme il y a des inversibles arbitrairement grands (les grandes puissances positives de $1+\sqrt2$), il y en a qui sont arbitrairement petits (leurs inverses).

    Pour un anneau général, je suis intrigué aussi.
  • @n12345
    On a encore ici un énoncé mal foutu pour déterminer le groupe multiplicatif des unités de cet anneau, c'est une vraie pitié. La question 1 est inutile pour la suite, on peut l'oublier.
    Par contre, la question 2 est importante. Utilise l'analogie que tu as vue avec $\mathbb C$. Dans l'anneau $A$ aussi on a : $\overline{zz'}=\overline{z}\overline{z'}$, et si $z \in A$, alors $N(z) \in \mathbb Z$.
    Bon courage.
    Fr. Ch.
  • Un sous-anneau $A$ de $\mathbb R$ autre que $\mathbb R$ et $\mathbb Z$ est dense et d'intérieur vide.
    Attention je parle d'un anneau d'aujourd'hui, avec élément-unité, d'où $\mathbb Z \subset A$.
    Démonstration. Il y a dans $A$ un élément $x \notin \mathbb Z$, donc $k<x<k+1$, $k \in \mathbb Z$. Soit $q=x-k$, alors $0<q<1$ et $q \in A$. Pour tout $n \in \mathbb N$, on a : $q^n \in A$. Suite de limite nulle, donc il y a des éléments de $A$ dans tout $]0,\varepsilon[$, $\varepsilon >0$, et on a la densité de $A$.
    Pour l'intérieur vide, ce n'est pas difficile. Un sous-groupe additif de $\mathbb R$ qui contient un intervalle non trivial $[a,b]$, $a<b$, est $\mathbb R$ tout entier
    Bonne nuit.
    Fr. Ch.
  • @ Chaurien,

    Pendant que tu es lancé dans la descente, tu pourrais aussi bien faire remarquer qu'il serait judicieux de démontrer que les $a\in\Z$ et $b\in\Z$ qui définissent $z := a+b\sqrt2 \in A$ sont uniques.
    Sinon la question 4) risque d'être de guingois.

    e.v.
    Personne n'a raison contre un enfant qui pleure.


  • @ev
    En effet, déjà la définition de $\bar{z}$ est de guingois, comme tu dis joliment.
  • Une fois n'est pas coutume, je vais me permettre de donner un énoncé qui me semble plus conforme à son but.
    Et là, bonne nuit une fois pour toutes.
    Fr. Ch.115592
  • Chaurien a écrit:
    Il y a dans $A$ un élément $x \notin \mathbb Z$, donc $k<x<k+1$, $k \in \mathbb Z$. Soit $q=x-k$, alors $0<q<1$ et $q\in A$. Pour tout $n \in \mathbb N$, on a : $q^n\in A$. Suite de limite nulle, donc il y a des éléments de $A$ dans tout $\left]0,\varepsilon\right[$, $\varepsilon >0$, et on a la densité de $A$.
    Merci, c'est très clair !
  • Bonjour à tous,
    non Chaurien c'est moi qui ai mal recopié, puisqu'il y avait toute une partie il fallait trouver $\forall\epsilon>0,\ \exists z'\in A,\ 0<z'<\epsilon$, que j'ai faite en considérant aussi $(\sqrt 2-1)^n$.
    Et la question suivante, celle mal recopiée, était :
    soient $x\in\mathbb{R}$ et $\epsilon>0$, montrer qu'il existe $z''\in A$ tel que $|x-z''|\leq\epsilon$.

    J'ai réussi la question 2 Poirot.
    Merci de votre aide.

    [En $\LaTeX$, c'est toutes les expressions mathématiques que l'on encadre, pas seulement quelques termes. ;-) AD]
  • C'est également vrai que la question 1 peut paraître hors contexte mais j'ai en réalité regroupé les questions qui me posaient problème sans tenir compte des parties, l'énoncé est en réalité beaucoup plus rigoureux que cela.
    L'unicité du couple est aussi une question antérieure, merci chaurien et ev pour vos aides, je vais regarder tout ça.
  • n12345 a écrit:
    non Chaurien c'est moi qui est mal recopié

    Bien le bonjour à ton jumeau/jumelle et félicitations (tardives) à ta maman.

    e.v.
    Personne n'a raison contre un enfant qui pleure.


  • 2) Soit $z\in A$.
    Supposons $z$ inversible d'inverse $z^{-1}$
    Alors $N(zz^{-1})=N(1)=1$. D'où, $N(z)N(z^{-1})=1$,
    Or $N\in\mathbb{Z}$ donc $N(z)=\pm{1}$.
    Inversement supposons $N(z)=\pm{1}$.
    En multipliant $z^{-1}$ par $\bar{z}$, on obtient, $\pm{a-b\sqrt 2}$ donc $z$ est inversible d'inverse $\pm\bar{z}$.

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    [Clique sur "Citer" pour voir le code tel que je l'ai corrigé. AD]
  • Auriez vous des indications pour les questions 3,4 et 5 s'il vous plait?
  • Pour la question 3)

    Tu peux considérer les quatre nombres \( \pm a + \pm b\sqrt2 \) et les quatre nombres
    \( z, z^{-1}, \overline z, \overline z^{-1} \), sachant que quatre peut se résumer à deux voire à un.

    e.v.
    Personne n'a raison contre un enfant qui pleure.


  • Ok je pense avoir réussi 3) et 4)
    auriez-vous une idée pour la 5)?
    Merci
  • Un élément de \( z \in U^+ \) s'écrit \( z = a + b\sqrt2 \) avec \( a\geqslant 0 \) et \( b\geqslant 0 \).
    De plus \( 1 + \sqrt2 \in U^+ \).

    e.v.
    Personne n'a raison contre un enfant qui pleure.


  • Ok 1+$b\sqrt(2)$=min U+

    Il me reste 3 petites questions où je bloque. Soit z$\in$U+

    6)Montrer qu'il existe un unique entier naturel n tel que $\omega$n$\leq$z<$\omega$n+1.
    7)Que dire de z$\omega$-n?En déduire que z=wn.
    D'après la question 6 $\omega$z-n=$\pm$1 donc $\omega$-n est l'inverse de z et z=$\omega$n?
    8)Montrer que U={$\pm\omega$n,n$\in\mathbb{Z}$}
    Inclusion de droite à gauche: ok
    Inclusion de gauche à droite: Auriez vous une indication s'il vous plait?
    Merci

    [Comment faut-il l'écrire pour que tu le lises et en tiennes compte ? AD]
    [large][En LATEX, c'est toutes les expressions mathématiques que l'on encadre, pas seulement quelques termes. AD][/large]
  • Merci Chaurien.
  • J'ai posé ça naguère en début d'année scolaire en prépa-HEC, où les notions de groupes-anneaux-corps sont hors-programme (ce qui est scandaleux !), avec application aux nombres carrés triangulaires, et j'ai donné l'énoncé, très détaillé, ici
    http://www.les-mathematiques.net/phorum/read.php?5,1890426,1890688#msg-1890688
    Bonne après-midi.
    Fr. Ch.
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