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On s’inspire de la r´eponse `a l’exercice 5 de la s´erie 4. Une isom´etrie
fde Pnenvoie un sommet de Pnsur un sommet de Pn. La restriction
des isom´etries du plan `a l’ensemble E:= {A1,· · · , An}des sommets de
Pnd´efinit donc un homomorphisme de groupe ϕ: Isom(Pn)−→ S(E).
Soit f∈ker(ϕ). Comme ϕ(f) est une bijection de E, l’isom´etrie flaisse
invariant l’isobarycentre Ode Pn. Comme ϕ(f) est l’identit´e, la matrice de
fdans le rep`ere (O, −−→
OA1,−−→
OA2) est la matrice identit´e. Par cons´equent f
est l’identit´e. Ainsi ϕest injectif. Le groupe Isom(Pn) est donc en bijection
avec l’image de ϕ, dont on va borner le cardinal.
Une isom´etrie fde Pnenvoie le sommet A1sur un sommet Aide Pn. On
a au plus npossibilit´es pour f(A1). L’isom´etrie fenvoie l’arˆete [A1, A2]
sur une arˆete de Pn. Par cons´equent, f(A2) est soit Ai−1soit Ai+1. l’image
de A1´etant fix´ee, on a donc au plus 2 choix pour l’image de A2. De mˆeme
[f(A2), f(A3)] est une arˆete de Pndiff´erente de [f(A1), f(A2)]. Ainsi si les
images de A1et A2ont ´et´e fix´ees, on a un seul choix pour l’image de A3.
De mˆeme, par r´ecurrence, on montre que si les images de Ai−1et Aiont
´et´e fix´ees, alors on a un seul choix pour l’image de Ai+1. On en d´eduit
donc que Isom(Pn) a au plus 2n´el´ements.
(2) On consid`ere un rep`ere orthonorm´e du plan de centre l’isobarycentre de
Pnet dont un axe est la m´ediatrice du segment [An, A1].La matrice Rest
la matrice de la rotation de centre Oet d’angle 2π
nqui est une isom´etrie de
Pn. La matrice Sest la matrice de la sym´etrie axiale d’axe la m´ediatrice
du segment [An, A1] qui est une isom´etrie de Pn. Par cons´equent Dnest
bien isomorphe `a un sous-groupe Gde Isom(Pn).
La matrice Rest d’ordre n, la matrice Sest d’ordre 2 et n’appartient pas
au groupe engendr´e par R. D’apr`es le th´eor`eme de Lagrange, le cardinal
de Dnest donc au moins 2n. Comme le cardinal de Isom(Pn) est au plus
2n, les groupes Get Isom(Pn) doivent ˆetre ´egaux.
Exercice 6 (Indice d’un sous-groupe).
Soient Het Kdeux sous-groupes d’un groupe G.
(1) Soit x∈G. Montrer que la classe `a gauche de xmodulo H∩Kest
l’intersection de la classe `a gauche de xmodulo Het de la classe `a gauche
de xmodulo K.
(2) Montrer que, si Kest d’indice fini dans G, alors [H:H∩K]≤[G:K].
(3) Montrer que, si Het Ksont tous deux d’indices finis dans G, alors on a
[G:H∩K]≤[G:H].[G:K].
(4) On suppose [G:H] = 2. Soit x∈G. Montrer que x2∈H.
(5) Soit Aune partie non vide de G. Montrer qu’on a ´equivalence entre :
•il existe un sous-groupe Hde Gtel que Asoit une classe `a droite
modulo H;
•il existe c∈Gtel que pour tout a, b ∈Aon ait ab−1c∈A.