Morphisme d'anneaux

Un morphisme d'anneaux est une application entre deux anneaux (unitaires) A et B, compatible avec les lois de ces anneaux et qui envoie le neutre multiplicatif de A sur le neutre multiplicatif de B.

Définition

Un morphisme d'anneaux est une application f entre deux anneaux (unitaires) A et B qui vérifie les trois propriétés suivantes :

Pour tous a, b dans A :

f(a+b)=f(a)+f(b)

f(a.b)=f(a).f(b)

f(1_A)=1_B.

Exemples

• L'inclusion de l'anneau des entiers relatifs Z dans l'anneau des nombres réels R (c'est-à-dire l'application i entre ces deux ensembles définie par i(n)=n) est un morphisme injectif ;
• Pour n entier strictement positif, la projection de Z sur l'anneau Z/nZ est un morphisme surjectif ;
• La conjugaison complexe est un morphisme bijectif du corps commutatif C des nombres complexes sur lui-même ;
• Étant donné un anneau de fonctions, par exemple l'anneau des fonctions continues de R vers R et un point c de l'ensemble de départ, l'application qui à une fonction f associe la valeur f(c) est un morphisme, dit morphisme d'évaluation ;
• De la même façon, A étant un anneau commutatif et c un élément de A, l'application qui associe à un polynôme P de l'anneau A[X] sa valeur A(c) est un morphisme de A[X] vers A ;
• Si P est une matrice inversible dans l'anneau des matrices carrées à coefficients dans un anneau R, l'application qui associe à une matrice carrée M la matrice PMP^-1 est un automorphisme de l'anneau des matrices.
• Si R est un anneau et E un module (à gauche) sur R, on considère pour chaque a de R l'application f_a de E vers E définie par f_a(x)=ax, qui est un endomorphisme du groupe abélien E. L'application qui à a associe f_a est alors un morphisme d'anneaux de l'anneau R vers l'anneau des endomorphismes de groupe de E.

En revanche, les exemples suivants ne sont pas des morphismes :

• L'application nulle (sauf si l'anneau d'arrivée est l'anneau trivial) : bien qu'elle préserve les deux opérations, et soit à ce titre un morphisme de pseudo-anneaux, elle ne vérifie pas la condition relative aux neutres multiplicatifs.
• Dans le même esprit, l'application de Z vers l'anneau des matrices (2,2) à coefficients entiers qui associe à un entier n la matrice $\begin{bmatrix} n&0\\ 0&0 \end{bmatrix}$ préserve les deux opérations, mais n'est pas un morphisme faute d'envoyer l'entier 1 sur la matrice unité.

Propriétés liées à une seule opération

Un morphisme d'anneaux est en particulier un morphisme de groupes entre les groupes additifs sous-jacents. On récupère donc quelques propriétés connues pour ceux-ci en général :

• f(0_A)=0_B
• pour tout a de A, f(-a)=-f(a)
• on peut introduire le noyau du morphisme, défini comme l'image réciproque de {0_B} et noté Ker(f). Un morphisme f est injectif si et seulement si son noyau est réduit à {0_A}.

De même, f étant un morphisme de monoïdes multiplicatifs, on en déduit que si a est inversible dans A, f(a) l'est aussi et :

• f(a^-1)=[f(a)]^-1.

Composition de morphismes

• L'application identique de n'importe quel anneau A est un morphisme.
• La composée de deux morphismes est un morphisme.

Ainsi, munis de leurs morphismes, les anneaux constituent une catégorie.

• De plus, si un morphisme d'anneaux est bijectif, sa réciproque est également un morphisme.

On appelle isomorphisme d'anneaux un morphisme bijectif (automorphisme lorsque les anneaux de départ et d'arrivée sont les mêmes). Deux anneaux entre lesquels il existe un isomorphisme sont dits isomorphes.

Plongements et extensions

Lorsqu'on dispose d'un morphisme injectif entre deux anneaux, soit i de A vers S, il est courant d'oublier la distinction entre l'ensemble A et son image A¹=i(A). On identifie les structures isomorphes A et A¹ au point d'oublier volontairement la distinction entre ces deux ensembles, et d'utiliser des notations qui ne les distinguent pas.

Par exemple, si on construit les nombres complexes par la construction de Hamilton, le nombre complexe 3 est par définition le couple de réels (3,0) et n'est pas égal au réel 3. Utiliser des notations les distinguant serait fort peu praticable, et on les « identifie ». Ainsi on déclare que R est un « sous-ensemble » de C alors qu'en toute rigueur il n'est qu'un ensemble muni d'un morphisme injectif vers C.

Dans ce type de contextes, on dit souvent que A est plongé dans S, ou que S est une extension de A^[1].

Morphismes, sous-anneaux, idéaux

Les morphismes d'anneaux se comportent avec les sous-anneaux comme les morphismes de groupes avec les sous-groupes^[2] :

• L'image réciproque d'un sous-anneau de B par un morphisme est un sous-anneau de A.
• L'image directe d'un sous-anneau de A par un morphisme est un sous-anneau de B.

Avec les idéaux, comme avec les sous-groupes distingués, on ne peut conclure que dans un sens :

• L'image réciproque d'un idéal à gauche (resp. à droite, resp. bilatère) de B par un morphisme est un idéal à gauche (resp. à droite, resp. bilatère) de A. C'est en particulier le cas du noyau, image réciproque de l'idéal bilatère nul.
• En ce qui concerne l'image directe d'un idéal de A, on peut seulement conclure que c'est un idéal (de même nature) du sous-anneau f(A).

Morphismes de corps commutatifs

Un morphisme de corps commutatifs est par définition un morphisme d'anneaux entre deux corps commutatifs.

Tout morphisme de corps est injectif, son noyau étant un idéal, et un corps n'ayant d'autres idéaux que l'idéal nul et lui-même. C'est donc un isomorphisme si et seulement s'il est surjectif.

Tout ceci ce généralise aux corps gauches.

Morphismes du point de vue des catégories

Dans la catégorie des anneaux (unitaires), les monomorphismes sont exactement les morphismes injectifs. En revanche, si tout morphisme surjectif est un épimorphisme (comme dans toute sous-catégorie de la catégorie des ensembles), la réciproque n'est pas vraie : l'injection de Z dans Q est un épimorphisme non surjectif^[3].

Références

1. ↑ Cette exposition des plongements et extensions est issue de la consultation de David M. Burton, A first course in rings and ideals, Addison Wesley, 1970 , p. 31 et Paul Cohn (en), Algebra, t. 1, Wiley, 1974 (ISBN 0-471-16430-5) , p. 137-138
2. ↑ Pour l'ensemble de la section "Morphismes, sous-anneaux, idéaux", voir D. M. Burton, op. cit., p. 27-28 (cet ouvrage ne suppose pas les anneaux unitaires, mais cela ne change rien pour ces énoncés)
3. ↑ (en) Louis Rowen, Ring theory, vol. 1, Academic Press, 1988 (ISBN 0-12-599841-4) , p. 15. L'exemple de l'inclusion de Z dans Q est pour Rowen la « tragédie » de la catégorie des anneaux.