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 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 . Soit un corps commutatif contenant , qui soit de plus un espace vectoriel de dimension sur , les deux structures étant compatibles au sens où le produit d’un réel par un élément de coïncide avec le produit dans . Alors est isomorphe à .
Deux remarques. L’existence n’a pas à être démontrée : c’est le travail de construction du cours, et c’est lui-même. Et il est inutile d’exiger en plus un élément de carré dans : l’étape 2 montre que son existence est automatique dès que la dimension vaut .
Étape 1 : tout élément hors de donne une base
Comme et que y est de dimension , l’inclusion est stricte : il existe qui n’est pas réel.
La famille est libre. Soient en effet et tels que . Si , alors , ce qui est exclu ; donc , puis . Deux vecteurs libres dans un espace de dimension : c’est une base.
Étape 2 : contient un élément de carré
L’élément se décompose dans cette base : il existe et tels que . Complétons le carré en posant :
qui est un réel, notons-le .
Supposons . Alors , et , étant un corps, n’a pas de diviseur de zéro : l’un des facteurs est nul, d’où , puis , ce qui est exclu.
Donc , et l’élément
Notez que n’est pas réel (sinon le serait) : l’étape 1, appliquée à , dit que est une base de .
Étape 3 : l’application , est un isomorphisme
Soit l’unique application -linéaire de dans telle que et . Autrement dit, pour tous et , .
Elle est bijective. Une application linéaire qui envoie une base sur une base est bijective : est une base de , en est une de .
Elle respecte la somme. C’est la linéarité, par construction.
Elle respecte le produit. Pour tous réels , , , :
Développons maintenant, dans , le produit des images :
ce développement n’utilisant que la distributivité, la commutativité et la relation . Les deux résultats coïncident.
Elle respecte le reste. De on tire, pour tout non nul, , donc : les inverses suivent gratuitement, et est un isomorphisme de corps.
Un détail qui n’en est pas un : il y en a exactement deux
L’élément construit à l’étape 2 n’est pas unique : a le même carré, et il convient tout autant. Il existe donc exactement deux isomorphismes de sur qui fixent point par point, et pas davantage : un tel isomorphisme est entièrement déterminé par l’image de , laquelle doit être un élément de carré , donc une racine dans du polynôme , qui en compte au plus deux.
Vous avez démontré exactement cela à l’exercice de l’Atelier, dans le cas : au-dessus de , le corps n’a que deux symétries, l’identité et la conjugaison. L’unicité de est donc unicité à isomorphisme près, jamais à isomorphisme unique, et c’est la raison profonde pour laquelle aucune propriété mathématique ne distingue de .
La quatrième porte :
Cauchy, en 1847, propose une construction qui ne décrète rien. On ne postule pas l’existence de : on la fabrique par le mécanisme des congruences, que vous retrouverez sur les entiers au chapitre A1.
Les classes. Pour tous et , on convient que lorsque divise . C’est une relation d’équivalence, compatible avec les deux opérations : si et , alors et . On peut donc additionner et multiplier les classes sur des représentants.
Un représentant, et un seul. La division euclidienne d’un polynôme par donne avec , donc : toute classe contient un polynôme , et un seul, car deux tels polynômes congrus ont une différence de degré au plus divisible par , donc nulle. Les classes correspondent donc exactement aux couples de réels.
Le produit. Puisque , pour tous réels , , , :
C’est très exactement le produit tordu de Hamilton, coordonnée par coordonnée. Et la classe de vérifie : voilà l’élément de carré , non pas décrété, mais trouvé.
C’est un corps. Soit une classe non nulle, c’est-à-dire . Alors
et ce réel est strictement positif. La classe de est donc l’inverse cherché. Une seconde route mène au même point : n’a pas de racine réelle, il est donc irréductible sur , donc premier avec tout polynôme non nul de degré au plus , et l’identité de Bézout fournit et tels que . La classe de est l’inverse. C’est le mécanisme qui fait de un corps quand est premier, transposé aux polynômes.
Et c’est bien . L’application qui à la classe de associe le couple 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 , de dimension sur , de base les classes de et de .
Reste la troisième porte, celle des matrices
où le produit tordu est le produit matriciel et où 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 au-dessus de .
- 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.