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Un seul corps, quatre portes

La démonstration complète du théorème d'unicité de ℂ, puis la quatrième porte, celle de Cauchy : calculer sur les polynômes modulo X² + 1, et voir le corps apparaître sans qu'on ait rien décrété.

Le chapitre a construit C\mathbb{C} comme l’ensemble des couples de réels. Wessel l’avait construit comme le plan muni d’une rotation ; on peut aussi le construire avec des matrices, ou avec des polynômes. Quatre portes, et une inquiétude légitime : ouvrent-elles bien sur la même pièce ? La réponse est oui, et c’est un théorème. Cette page en donne la démonstration complète, puis franchit la quatrième porte jusqu’au bout.

L’énoncé

Unicité de C\mathbb{C}. Soit KK un corps commutatif contenant R\mathbb{R}, qui soit de plus un espace vectoriel de dimension 22 sur R\mathbb{R}, les deux structures étant compatibles au sens où le produit d’un réel par un élément de KK coïncide avec le produit dans KK. Alors KK est isomorphe à C\mathbb{C}.

Deux remarques. L’existence n’a pas à être démontrée : c’est le travail de construction du cours, et c’est C\mathbb{C} lui-même. Et il est inutile d’exiger en plus un élément de carré 1-1 dans KK : l’étape 2 montre que son existence est automatique dès que la dimension vaut 22.

Étape 1 : tout élément hors de R\mathbb{R} donne une base

Comme dimRK=2\dim_\mathbb{R} K = 2 et que R\mathbb{R} y est de dimension 11, l’inclusion RK\mathbb{R} \subset K est stricte : il existe jKj \in K qui n’est pas réel.

La famille (1;j)(1\,;j) est libre. Soient en effet λR\lambda \in \mathbb{R} et μR\mu \in \mathbb{R} tels que λ+μj=0\lambda + \mu j = 0. Si μ0\mu \neq 0, alors j=λμRj = -\dfrac{\lambda}{\mu} \in \mathbb{R}, ce qui est exclu ; donc μ=0\mu = 0, puis λ=0\lambda = 0. Deux vecteurs libres dans un espace de dimension 22 : c’est une base.

Étape 2 : KK contient un élément de carré 1-1

L’élément j2j^2 se décompose dans cette base : il existe αR\alpha \in \mathbb{R} et βR\beta \in \mathbb{R} tels que j2=α+βjj^2 = \alpha + \beta j. Complétons le carré en posant u=jβ2u = j - \dfrac{\beta}{2} :

u2=j2βj+β24=α+β24,u^2 = j^2 - \beta j + \dfrac{\beta^2}{4} = \alpha + \dfrac{\beta^2}{4} ,

qui est un réel, notons-le rr.

Supposons r0r \geqslant 0. Alors (ur)(u+r)=0\left(u - \sqrt{r}\right)\left(u + \sqrt{r}\right) = 0, et KK, étant un corps, n’a pas de diviseur de zéro : l’un des facteurs est nul, d’où u=±rRu = \pm\sqrt{r} \in \mathbb{R}, puis j=u+β2Rj = u + \dfrac{\beta}{2} \in \mathbb{R}, ce qui est exclu.

Donc r<0r < 0, et l’élément

iK=urveˊrifieiK2=rr=1.i_K = \dfrac{u}{\sqrt{-r}} \qquad \text{vérifie} \qquad i_K^{\,2} = \dfrac{r}{-r} = -1 .

Notez que iKi_K n’est pas réel (sinon jj le serait) : l’étape 1, appliquée à iKi_K, dit que (1;iK)\left(1\,;i_K\right) est une base de KK.

Étape 3 : l’application 111 \mapsto 1, iiKi \mapsto i_K est un isomorphisme

Soit ff l’unique application R\mathbb{R}-linéaire de C\mathbb{C} dans KK telle que f(1)=1f(1) = 1 et f(i)=iKf(i) = i_K. Autrement dit, pour tous aRa \in \mathbb{R} et bRb \in \mathbb{R}, f(a+bi)=a+biKf(a + bi) = a + b\,i_K.

Elle est bijective. Une application linéaire qui envoie une base sur une base est bijective : (1;i)(1\,;i) est une base de C\mathbb{C}, (1;iK)\left(1\,;i_K\right) en est une de KK.

Elle respecte la somme. C’est la linéarité, par construction.

Elle respecte le produit. Pour tous réels aa, bb, cc, dd :

f((a+bi)(c+di))=f((acbd)+(ad+bc)i)=(acbd)+(ad+bc)iK.f\big((a+bi)(c+di)\big) = f\big((ac-bd) + (ad+bc)\,i\big) = (ac-bd) + (ad+bc)\,i_K .

Développons maintenant, dans KK, le produit des images :

(a+biK)(c+diK)=ac+adiK+bciK+bdiK2=(acbd)+(ad+bc)iK,\left(a + b\,i_K\right)\left(c + d\,i_K\right) = ac + ad\,i_K + bc\,i_K + bd\,i_K^{\,2} = (ac - bd) + (ad+bc)\,i_K ,

ce développement n’utilisant que la distributivité, la commutativité et la relation iK2=1i_K^{\,2} = -1. Les deux résultats coïncident.

Elle respecte le reste. De f(1)=1f(1) = 1 on tire, pour tout zCz \in \mathbb{C} non nul, f(z)f ⁣(z1)=1f(z)\,f\!\left(z^{-1}\right) = 1, donc f ⁣(z1)=f(z)1f\!\left(z^{-1}\right) = f(z)^{-1} : les inverses suivent gratuitement, et ff est un isomorphisme de corps.

Un détail qui n’en est pas un : il y en a exactement deux

L’élément iKi_K construit à l’étape 2 n’est pas unique : iK-i_K a le même carré, et il convient tout autant. Il existe donc exactement deux isomorphismes de C\mathbb{C} sur KK qui fixent R\mathbb{R} point par point, et pas davantage : un tel isomorphisme est entièrement déterminé par l’image de ii, laquelle doit être un élément de carré 1-1, donc une racine dans KK du polynôme X2+1X^2 + 1, qui en compte au plus deux.

Vous avez démontré exactement cela à l’exercice 2020 de l’Atelier, dans le cas K=CK = \mathbb{C} : au-dessus de R\mathbb{R}, le corps C\mathbb{C} n’a que deux symétries, l’identité et la conjugaison. L’unicité de C\mathbb{C} est donc unicité à isomorphisme près, jamais à isomorphisme unique, et c’est la raison profonde pour laquelle aucune propriété mathématique ne distingue ii de i-i.

La quatrième porte : R[X]/(X2+1)\mathbb{R}[X]/(X^2+1)

Cauchy, en 1847, propose une construction qui ne décrète rien. On ne postule pas l’existence de ii : on la fabrique par le mécanisme des congruences, que vous retrouverez sur les entiers au chapitre A1.

Les classes. Pour tous AR[X]A \in \mathbb{R}[X] et BR[X]B \in \mathbb{R}[X], on convient que ABA \equiv B lorsque X2+1X^2 + 1 divise ABA - B. C’est une relation d’équivalence, compatible avec les deux opérations : si AAA \equiv A' et BBB \equiv B', alors A+BA+BA + B \equiv A' + B' et ABABAB \equiv A'B'. On peut donc additionner et multiplier les classes sur des représentants.

Un représentant, et un seul. La division euclidienne d’un polynôme AR[X]A \in \mathbb{R}[X] par X2+1X^2 + 1 donne A=Q(X2+1)+RA = Q\left(X^2+1\right) + R avec degR1\deg R \leqslant 1, donc ARA \equiv R : toute classe contient un polynôme aX+baX + b, et un seul, car deux tels polynômes congrus ont une différence de degré au plus 11 divisible par X2+1X^2+1, donc nulle. Les classes correspondent donc exactement aux couples (a;b)(a\,;b) de réels.

Le produit. Puisque X21X^2 \equiv -1, pour tous réels aa, bb, cc, dd :

(aX+b)(cX+d)=acX2+(ad+bc)X+bd(ad+bc)X+(bdac).(aX+b)(cX+d) = acX^2 + (ad+bc)X + bd \equiv (ad+bc)\,X + (bd - ac) .

C’est très exactement le produit tordu de Hamilton, coordonnée par coordonnée. Et la classe de XX vérifie X×X1X \times X \equiv -1 : voilà l’élément de carré 1-1, non pas décrété, mais trouvé.

C’est un corps. Soit aX+baX + b une classe non nulle, c’est-à-dire (a;b)(0;0)(a\,;b) \neq (0\,;0). Alors

(aX+b)(aX+b)=a2X2+b2a2+b2,(aX+b)(-aX+b) = -a^2X^2 + b^2 \equiv a^2 + b^2 ,

et ce réel est strictement positif. La classe de aX+ba2+b2\dfrac{-aX+b}{a^2+b^2} est donc l’inverse cherché. Une seconde route mène au même point : X2+1X^2+1 n’a pas de racine réelle, il est donc irréductible sur R\mathbb{R}, donc premier avec tout polynôme non nul de degré au plus 11, et l’identité de Bézout fournit UR[X]U \in \mathbb{R}[X] et VR[X]V \in \mathbb{R}[X] tels que U(aX+b)+V(X2+1)=1U(aX+b) + V\left(X^2+1\right) = 1. La classe de UU est l’inverse. C’est le mécanisme qui fait de Z/pZ\mathbb{Z}/p\mathbb{Z} un corps quand pp est premier, transposé aux polynômes.

Et c’est bien C\mathbb{C}. L’application qui à la classe de aX+baX+b associe le couple (b;a)(b\,;a) est bijective, respecte la somme, et respecte le produit d’après le calcul ci-dessus. Le théorème d’unicité le prévoyait d’ailleurs sans qu’on ait rien à vérifier : cet objet est un corps commutatif contenant R\mathbb{R}, de dimension 22 sur R\mathbb{R}, de base les classes de 11 et de XX.

Reste la troisième porte, celle des matrices

(abba),\begin{pmatrix} a & -b \\ b & a \end{pmatrix} ,

où le produit tordu est le produit matriciel et où ii est la matrice du quart de tour. Elle vous attend au chapitre M1, et le théorème ci-dessus garantit d’avance ce que vous y trouverez.

Sources

  • Cours C1, section 4.6, parcours X : l’énoncé du théorème et l’encadré historique sur Cauchy.
  • Atelier C1, exercice 20 : les deux seules symétries de C\mathbb{C} au-dessus de R\mathbb{R}.
  • A. L. Cauchy, Mémoire sur une nouvelle théorie des imaginaires, et sur les racines symboliques des équations et des équivalences, 1847.
  • M. Romagny, Le corps des nombres complexes, notes de préparation au CAPES, université Pierre-et-Marie-Curie, 2009 : la démonstration d’unicité y figure sous cette forme.
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