Algèbre : le grand combat: Cours et exercices

Grégory Berhuy

Utilisée dans les 25 développements suivants :

Décomposition de Dunford (version non algorithmique)
Simplicité du groupe alterné An
Théorème de Gauss (polygones constructibles)
Algorithme de Berlekamp
Invariants de similitude (réduction de Frobenius)
Réduction de Jordan d'un endomorphisme nilpotent
Générateurs de O(E)
Théorème de Sylow (version opération de groupes)
Théorème de Wedderburn
Structure des groupes abéliens finis
Générateurs de GL_n(K) et de SL_n(K)
Le dénombrement des polynômes irréductibles unitaires sur un corps fini
Des isomorphismes exceptionnels des groupes linéaires projectifs d'un corps fini
Formule de Burnside
Prolongement des caractères et classification des groupes abéliens finis
Générateurs de GL_n(K) et SL_n(K) et application à la connexité
Forme normale de Smith
Théorème de Dixon
Probabilité que deux éléments commutent dans groupe
Classification des groupes d'ordre p^2 et 2p
Exposant d'un groupe
Simplicité de A_n pour n = 3 et n ≥ 5
Théorème de Gauss-Wantzel
Sous-groupes distingués de Sn
théorème de structure des groupes abéliens finis

Utilisée dans les 33 leçons suivantes :

120 (2026) Anneaux Z/nZ. Applications.
104 (2026) Groupes finis. Exemples et applications.
156 (2026) Endomorphismes trigonalisables. Endomorphismes nilpotents.
105 (2026) Groupe des permutations d’un ensemble fini. Applications.
142 (2026) PGCD et PPCM, algorithmes de calcul. Applications.
151 (2026) Sous-espaces stables par un endomorphisme ou une famille d’endomorphismes d’un espace vectoriel de dimension finie. Applications.
155 (2026) Exponentielle de matrices. Applications.
103 (2026) Conjugaison dans un groupe. Exemples de sous-groupes distingués et de groupes quotients. Applications.
148 (2026) Dimension d’un espace vectoriel (on se limitera au cas de la dimension finie). Rang. Exemples et applications.
101 (2026) Groupe opérant sur un ensemble. Exemples et applications.
108 (2026) Exemples de parties génératrices d’un groupe. Applications.
122 (2026) Anneaux principaux. Exemples et applications.
123 (2026) Corps finis. Applications.
141 (2026) Polynômes irréductibles à une indéterminée. Corps de rupture. Exemples et applications.
144 (2026) Racines d’un polynôme. Fonctions symétriques élémentaires. Exemples et applications.
150 (2026) Polynômes d’endomorphisme en dimension finie. Réduction d’un endomorphisme en dimension finie. Applications.
152 (2026) Endomorphismes diagonalisables en dimension finie
153 (2026) Valeurs propres, vecteurs propres. Calculs exacts ou approchés d’éléments propres. Applications.
154 (2024) Exemples de décompositions de matrices. Applications.
158 (2026) Endomorphismes remarquables d’un espace vectoriel euclidien (de dimension finie).
121 (2026) Nombres premiers. Applications.
102 (2026) Groupe des nombres complexes de module 1. Racines de l’unité. Applications.
106 (2026) Groupe linéaire d’un espace vectoriel de dimension finie E, sous-groupes de GL(E). Applications.
127 (2026) Exemples de nombres remarquables. Exemples d’anneaux de nombres remarquables. Applications.
159 (2026) Formes linéaires et dualité en dimension finie. Exemples et applications.
161 (2026) Espaces vectoriels et espaces affines euclidiens : distances, isométries.
190 (2026) Méthodes combinatoires, problèmes de dénombrement.
191 (2026) Exemples d’utilisation des techniques d’algèbre en géométrie.
243 (2026) Séries entières, propriétés de la somme. Exemples et applications.
262 (2026) Convergences d’une suite de variables aléatoires. Théorèmes limite. Exemples et applications.
264 (2026) Variables aléatoires discrètes. Exemples et applications.
149 (2026) Déterminant. Exemples et applications.
125 (2026) Extensions de corps. Exemples et applications

Utilisée dans les 32 versions de développements suivants :

  • Développement :
  • Remarque :
    D'après moi pour les leçons : 106, 108, 160 et 161.

    Attention démontrer les générateurs de O(E) et de SO(E) est assez long. Pour être passé dessus en développement blanc : ne pas oublier le cas où u = id.
    Le dessin (à faire au fur et à mesure) rend d'après moi la démonstration limpide.
    Sans celui-ci, elle est indigeste.

    NB : tous mes développements sont généralement très détaillés car j'ai besoin de bien comprendre toutes les étapes. En l'état ils sont donc généralement trop longs pour tenir en 15 mins, et les parties "faciles" ne sont donc pas à mentionner ou juste à l'oral.
    J'écris assez mal également, toutes mes excuses.
  • Référence :
  • Fichier :
  • Développement :
  • Remarque :
    D'après moi pour les leçons : 151 et 157.

    Attention aux notation du livre de G. Berhuy, ce qu'il appelle une cellule de Jordan est généralement appelé bloc de Jordan (il fait une distinction entre les deux).

    NB : tous mes développements sont généralement très détaillés car j'ai besoin de bien comprendre toutes les étapes. En l'état ils sont donc généralement trop longs pour tenir en 15 mins, et les parties "faciles" ne sont donc pas à mentionner ou juste à l'oral.
    J'écris assez mal également, toutes mes excuses.
  • Référence :
  • Fichier :
  • Développement :
  • Remarque :
    D'après moi pour les leçons : 101 et 104.

    Je ne démontre que 3 des 4 théorèmes de Sylow (celui avec l'argument de Frattini étant nettement plus difficile), donc le développement se retrouve être un peu court.
    Rajouter la démonstration du théorème Cayley résout le problème.

    NB : tous mes développements sont généralement très détaillés car j'ai besoin de bien comprendre toutes les étapes. En l'état ils sont donc généralement trop longs pour tenir en 15 mins, et les parties "faciles" ne sont donc pas à mentionner ou juste à l'oral.
    J'écris assez mal également, toutes mes excuses.
  • Référence :
  • Fichier :
  • Développement :
  • Remarque :
    D'après moi pour les leçons : 102, 104, 107, 120 et très éventuellement 142 (pour la partie unicité).

    C'est vraiment bien fait dans le livre de G. Berhuy (que je trouve remarquable à titre personnel), donc si vous cherchez une bonne source n'hésitez pas à y jeter un coup d'oeil.

    Il est indispensable de savoir montrer que dans un groupe abélien fini, il existe un élément d'ordre l'exposant du groupe...

    NB : tous mes développements sont généralement très détaillés car j'ai besoin de bien comprendre toutes les étapes. En l'état ils sont donc généralement trop longs pour tenir en 15 mins, et les parties "faciles" ne sont donc pas à mentionner ou juste à l'oral.
    J'écris assez mal également, toutes mes excuses.
  • Référence :
  • Fichier :
  • Développement :
  • Remarque :
    Ce théorème n'a pas l'air d'utiliser d'outils sophistiqués mais il n'en est rien ! En effet, on utilise au tout début du développement qu'un nombre a est constructible si, et seulement si, le degré de l'extension L/Q avec L le corps de décomposition de a sur Q est une puissance de 2. Ce résultat est très puissant mais est assez difficile à démontrer : il faut utiliser le fait que l’extension est galoisienne pour en déduire que le groupe de Galois est un 2-groupe pour en déduire qu’il est résoluble (les p-groupes le sont de manière générale) puis conclure avec la correspondance de Galois. Pour la réciproque, il faut utiliser la clôture galoisienne pour montrer que l’extension C/Q est normale (avec C le corps des nombres constructibles à la règle non graduée et au compas) pour conclure grâce au théorème de l’élément primitif.

    N'hésitez pas à me contacter si vous constatez ce qui semble être une erreur (typographie, mathématique, etc).
  • Référence :
  • Fichier :
  • Développement :
  • Remarque :
    Gros document sur la réduction de Frobenius. En plus de la preuve du théorème, il y a des résultats sur le calcul pratique des invariants de similitudes mais aussi des applications de cette réduction pour l'étude du commutant et bicommutant.
    Lien pour le document:
    Voici une preuve du théorème des disques de Gershgorin topologiques. Elle utilise un résultat sur la continuité des racines d'un polynôme qui est aussi démontré sur le document. Pour que la preuve tienne en 15min pour en faire un développement il faut faire des choix sur ce qu'on démontre ou non.
    Voici le lien pour le document:
    https://perso.eleves.ens-rennes.fr/people/thomas.courant/Agr%C3%A9gation.html
  • Références :
  • Fichier :

Utilisée dans les 113 versions de leçons suivantes :

  • Leçon :
  • Remarque :
    J'ai fait une première partie sur le groupe $(\mathbb{Z}/n\mathbb{Z},+)$ car il y a vraiment des propriétés importantes, après je ne sais pas si cela est considéré comme hors-sujet étant donné que le titre de la leçon invite à se concentrer sur la notion d'anneau.
    Si j'étais tombé dessus le jour J, j'aurais enlevé la partie sur les systèmes de congruences (en laissant tout de même un exemple pour illustrer le théorème chinois) car je n'étais pas à l'aise dessus.
    Je pense que l'on peut justifier de faire un développement sur l'irréductibilité de polynômes (Eisenstein ou polynômes cyclotomiques par exemple) car on se place à de nombreuses reprises dans $\mathbb{Z}/p\mathbb{Z}$.

    Mes plans sont en général inspirés de ceux de Matilde, Hugo, Mathis Lemay, Tintin, RMaurice et Ewna. Merci à elles/eux !
    Mes plans sont personnels, ne prenez que ce que vous maitrisez : n'oubliez pas que le jour de l'oral, le jury peut vous interroger sur n'importe quel item de votre plan.
    N'hésitez pas à me signaler s'il y a des erreurs.
  • Références :
  • Fichier :
  • Leçon :
  • Remarque :
    Plan ultra classique, il y a vraiment zéro prise de risques.
    Je pense que pendant la présentation de 6 minutes, il faut insister sur l'utilité des corps de rupture et de décomposition, cela permet de faire "vivre" la leçon.
    Si j'étais passé dessus le jour J, j'aurais enlevé la sous-partie sur la clotûre algébrique par manque de place (je préférais me concentrer sur les corps finis car leur construction utilise les corps de rupture et de décomposition, on peut d'ailleurs le présenter comme développement).

    Mes plans sont en général inspirés de ceux de Matilde, Hugo, Mathis Lemay, Tintin, RMaurice et Ewna. Merci à elles/eux !
    Mes plans sont personnels, ne prenez que ce que vous maitrisez : n'oubliez pas que le jour de l'oral, le jury peut vous interroger sur n'importe quel item de votre plan.
    N'hésitez pas à me signaler s'il y a des erreurs.
  • Références :
  • Fichier :
  • Leçon :
  • Remarque :
    Plan préparé en présenté en oral blanc, en conditions réelles d'examen. Je vais essayer de faire un retour assez complet de l'oral.

    J'ai introduit le sujet en disant que les nombres premiers sont étudiés depuis l'antiquité, et pourtant ils restent encore aujourd'hui au cœur de problèmes de recherche, ce qui révèle l'étendue en la richesse des thèmes qui les entourent. Mon jury a ajouté qu'on aurait pu également dire que les étudier a un intérêt pédagogique, car il est très facile d'expliquer ce qu'est un nombre premier et de faire de l'arithmétique élémentaire avec (on le fait dès le lycée) et pourtant ça n'en est pas moins une notion profonde toujours étudiée en maths modernes.

    Par rapport au plan lui-même, il contient une inexactitude dans l'ordre des théorèmes (le lemme d'Euclide qui arrive un peu tard) ce qui a conduit au jury à me faire prouver que les anneaux principaux sont factoriels. Il y a également une erreur au niveau du critère d'Eisenstein. Mis à part ça, le jury n'a pas relevé de problème dans le fond du plan, et les deux développements ont été validés (j'ai présenté le critère de Solovey-Strassen).

    Voici une petit récapitulatif des questions que j'ai eues :
    1) Comment le critère de Solovey-Strassen s'applique-t-il concrètement ? Comment faire les calculs en pratique ? Une idée du temps de calcul ?
    2) Est-ce que l'algorithme de Solovey-Strassen finit par devenir déterministe lorsque $k$ augmente ? D'où vient le $1/2^k$ qui apparait dans la borne probabiliste ?
    3) Pouver le lemme d'Euclide (sans utiliser la décomposition en facteurs premiers puisque celle-ci recquiert le lemme d'Euclide pour sa preuve)
    4) Corriger le critère d'Eisenstein. Contre-exemple au théorème faux énoncé ?
    5) Prouver le théorème 44

    Après quoi le jury m'a donné un exercice : soit $a$ un entier tel qu'il existe $n$ tel que pour tout entier $k$ non nul, $a$ est une puissance $n$-ième modulo $k$.

    En conclusion, l'oral c'est globalement bien passé. Toutefois, il faut faire attention, particulièrement dans ce genre de leçon, à ne pas perdre de vue les démonstrations des théorèmes les plus élémentaires car le jury nous attend là-dessus, et on peut facilement les oublier une fois qu'on apprend des résultats de bien plus haut niveau. Par ailleurs, il y a pas mal de choses dont j'ai parlé dont on peut très bien se passer si on ne se sent pas à l'aise dessus (symboles de Legendre et de Jacobi, théorèmes de Sylow, etc.), il y a plein d'autres choses à faire dans cette leçon.

    Elements de réponse aux questions :
    1) La plus grosse difficulté calculatoire est de calculer les symboles de Jacobi. On peut les calculer en utilisant un algorithme très similaire à celui du calcul des symboles de Legendre, qui repose sur la loi de réciprocité quadratique (qui reste vraie pour les symboles de Jacobi). Le calcul se fait en O(log(n)^3)
    2) Enoncé ainsi, l'algorithme ne devient jamais déterministe car les entiers testés sont tirés aléatoirement avec remise. Cela dit, on pourra facilement modifier l'algo pour faire un tirage sans remise, auquel cas l'algo devient déterministe si on prend $k = n$ (mais dans ce cas l'algo est très mauvais). Le 1/2 vient du fait que l'ensemble des entiers entre 1 et n qui passent le test est un sous-groupe stricte de (Z/nZ)* si n est non premier. Son cardinal est donc majoré par n / 2.
    4) Le critère fournit l'irréductibilité sur Q. 2X + 6 est un contre-exemple (il passe le teste d'Eisenstein avec p = 3).
    5) On le prouve par récurrence sur r en utilisant le fait que le centre est non-trivial. L'astuce consiste à prendre le sous-groupe cherché dans Z(G) ou G / Z(G) (et ensuite le tirer en arrière par la projection sur le quotient).
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