Structure d'anneau de K[X]

Un anneau est un ensemble muni de deux lois de composition internes vérifiant un certain nombre de propriétés. On a déjà vu que \(K[X]\) est muni d'une addition qui en fait un groupe commutatif. Nous allons définir la deuxième loi interne : le produit de deux polynômes.

Définitiondu produit de deux polynômes

Soient \(P(X)=a_nX^n+a_{n-1}X^{n-1}+\ldots+a_1X+a_0\)

et \(Q(X)=b_sX^s+b_{s-1}X^{s-1}+\ldots+b_1X+b_0\)

deux polynômes à coefficients dans \(K\).

Alors \(P(Q)\) est le polynôme \(c_{n+s}X^{n+s}+\ldots+c_1X+c_0\) avec

\(\forall k, 0\leq k\leq n+s\), \(c_k=\displaystyle\sum_{j=0}^{j=k}a_jb_{k-j}\)

En particulier \((a_kX^k)(b_sX^s)=a_kX^{k+s}\).

Propriétédu produit des polynômes

Tous les polynômes considérés dans ces formules sont des éléments de \(K[X]\).

Alors le produit des polynômes :

  • est associatif c'est-à-dire que pour tout polynôme \(P\), \(Q\), et \(R\) on a :\((PQ)R=P(QR)\)

  • est commutatif c'est-à-dire que pour tout polynôme \(P\) et \(Q\) on a : \(PQ=QP\)

  • admet un élément neutre, qui est le polynôme constant égal à 1, puisqu'il vérifie pour tout polynôme P l'égalité : \(1P=P1=P\)

  • est distributif par rapport à l'addition c'est-à-dire que pour tout polynôme \(P\), \(Q\), et \(R\) on a :\(P(Q+R)=PQ+PR\)

L'ensemble des propriétés de l'addition et du produit des polynômes conduit au théorème de structure suivant :

ThéorèmeStructure d'anneau de K[X]

Muni de l'addition et du produit, \(K[X]\) est un anneau commutatif.

  • Degré du produit de deux polynômes

De la définition du produit de deux polynômes, on déduit immédiatement la propriété suivante

PropositionDegré du produit de deux polynômes

Soient \(P\) et \(Q\) deux éléments non nuls de \(K[X]\). Alors \(PQ\) est non nul et

\(deg(PQ)=deg(P)+deg(Q)\)

Il en résulte immédiatement la propriété importante suivante :

PropositionIntégrité de l'anneau K[X]

L'anneau des polynômes à coefficients dans un corps \(K\) est intègre, c'est-à-dire que si \(P\) et \(Q\) sont deux éléments de \(K[X]\), \(PQ=0\) implique \(P=0\) ou \(Q=0\).

Remarque

\(K[X]\) n'est pas un corps.

Il est simple de montrer, en utilisant des considérations de degré, que les seuls éléments inversibles pour le produit \(K[X\) de sont les polynômes constants non nuls.