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PolynĂ´me minimal

En mathĂ©matiques, le polynĂ´me minimal d'un Ă©lĂ©ment u d'une algèbre associative unifère sur un corps commutatif est, s'il existe, le « plus petit Â» polynĂ´me unitaire (non nul) P Ă  coefficients dans ce corps tel que P(u) = 0, c'est-Ă -dire de degrĂ© minimum parmi ceux qui annulent u, et Ă©galement diviseur de tous les polynĂ´mes qui annulent u.

Très souvent, on introduit directement le polynôme minimal dans des cas un peu plus particuliers :

DĂ©finition

Soit A une algèbre associative unifère sur un corps commutatif K et u un élément de A. Un polynôme P à coefficients dans K tel que P(u) = 0, est appelé polynôme annulateur de u. Les polynômes annulateurs de u forment un idéal de K[X] appelé idéal annulateur de u, et la sous-algèbre K[u] [1] de A est isomorphe au quotient de K[X] par cet idéal.

Deux cas de figure sont possibles :

  • l'idĂ©al annulateur est rĂ©duit Ă  {0}, c'est-Ă -dire qu'il n'existe pas de polynĂ´me non nul qui annule u. L'algèbre K[u] est alors isomorphe Ă  K[X], donc de dimension infinie ;
  • l'idĂ©al annulateur n'est pas rĂ©duit Ă  {0}, c'est-Ă -dire qu'il existe au moins un polynĂ´me annulateur non nul. Comme l'anneau des polynĂ´mes sur un corps commutatif est euclidien, cet idĂ©al est principal. On appelle alors polynĂ´me minimal de u (sur K) l'unique polynĂ´me unitaire qui engendre cet idĂ©al ; l'algèbre K[u] est de dimension finie, Ă©gale au degrĂ© du polynĂ´me minimal.

Le polynôme minimal de u (sur K), quand il existe — c'est-à-dire quand K[u] est de dimension finie — est donc, de façon équivalente :

  • le polynĂ´me unitaire P dans K[X] de plus petit degrĂ© tel que P(u) = 0 ;
  • l'unique polynĂ´me unitaire P de K[X] qui annule u et qui divise tous les polynĂ´mes de K[X] qui annulent u.

Une condition suffisante d'existence du polynôme minimal de u est que la K-algèbre A soit de dimension finie (puisqu'alors, il en est de même, a fortiori, de la sous-algèbre K[u]).

Algèbre linéaire

Dans l'algèbre de dimension finie des matrices carrées n×n sur un corps K, un élément M a toujours un polynôme minimal, qui est le polynôme unitaire P de plus petit degré tel que P(M) = 0. De même, tout endomorphisme d'un espace vectoriel de dimension finie possède un polynôme minimal[2].

Théorie des corps

Soit L une extension d'un corps commutatif K — L est donc une K-algèbre unifère — et x un élément de L.

  • Si l'idĂ©al annulateur de x est rĂ©duit Ă  {0}, x est dit transcendant sur K. L'extension L de K est alors de degrĂ© infini.
  • S'il existe un polynĂ´me non nul Ă  coefficients dans K qui annule x, x est dit algĂ©brique sur K. Il possède alors un polynĂ´me minimal sur K.

En théorie des corps, le polynôme minimal d'un élément algébrique sur K est toujours irréductible sur K. C'est le seul polynôme unitaire irréductible annulateur de l'élément.

Sources

On trouve la dĂ©finition du polynĂ´me minimal d'un Ă©lĂ©ment algĂ©brique dans le cas gĂ©nĂ©ral des algèbres (associatives) sur un corps dans Bourbaki, Algèbre, p A-V.15 et Algèbre commutative, V, 1, 3, p. 14. D'autres ouvrages gĂ©nĂ©ralistes se contentent de donner sĂ©parĂ©ment les dĂ©finitions en algèbre linĂ©aire en dimension finie et en thĂ©orie des corps : Godement, Cours d'algèbre, partie exercices, ou Lang, Algebra, avec dans ce dernier cas une terminologie distincte en thĂ©orie des corps oĂą Lang dĂ©finit « le polynĂ´me irrĂ©ductible d'un Ă©lĂ©ment Î± sur un corps K », qu'il note Irr(α, K, X).

Notes et références

  1. La sous-algèbre K[u] est l'ensemble des combinaisons linéaires (à coefficients dans K) de puissances de u. C'est l'image du morphisme d'algèbres qui à tout élément Q de K[X] associe l'élément Q(u) de A (morphisme dont le noyau est l'idéal annulateur de u).
  2. L'endomorphisme et sa matrice dans une base quelconque ont le même idéal annulateur, et en particulier ont le même polynôme minimal.
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