ALGÈBRE ET GÉOMÉTRIE - FEUILLE D’EXERCICES 1 3
On divise l’ensemble des indices Ien deux parties : les itels que xiest dans
le centre (on note l’ensemble de ces indices par I1), et les itels que xin’est
pas dans le centre (on note alors i∈I2). on a donc :
G=
◦
[
i∈I1
ω(xi)∪
◦
[
i∈I2
ω(xi),
ce qui implique :
|G|=X
i∈I1
|ω(xi)|+X
i∈I2
|ω(xi)|,
On sait que |ω(xi)|= 1 si et seulement si i∈I1. Le cardinal de Pi∈I1|ω(xi)|
est donc |I1|, qui à sont tour est égale au cardinal de Z.
Par contre, si i∈I2, alors |ω(xi)|= (G: Stabxi(G)) = p`iavec 1≤`i≤n,
car en tout cas l’indice d’un sous-groupe divise l’ordre de G. On en obtient :
|G|=|Z|+X
i∈I2
p`i,
où les `isatisfont 1≤`i≤n. En réduisant l’équation ci-dessus modulo p,
on obtient zéro à gauche, et aussi zéro pour le terme Pi∈I2p`icar tous les
`isont plus grands que zéro. Donc :
|Z| ≡ 0 mod p.
Mais l’élément neutre eappartient à Zdonc |Z| ≥ 1, ce qui entraîne |Z|=pm
avec m≥1. En particulier Zn’est pas trivial, ce qui achève la démonstration
de (1).
Pour (2), on suppose que le groupe Gne soit pas abélien (le cas des groupes
abéliens est facile à traiter grâce au théorème de structure des groupe abéliens
de type fini). On sait donc que le centre Zde Gest un sous-groupe propre
de G(car Z6={e}par le point précédant et Z6=Gcar Gn’est pas abélien).
Remarquons que π:G→G/H est un morphisme de groupes surjectif. On
sait alors que |Z|=p`et |G/Z|=pmavec `, m < n. Par récurrence (sur n),
on peut supposer que l’énoncé soit vrai pour tout p-groupe d’ordre pn0avec
n0< n, en particulier pour Zet G/Z.
Maintenant, étant donné un entier 0< r < n, on cherche un sous-groupe
de Gd’ordre pr. On étudie deux cas :
a) r≤`.
b) r > `,
Dans le premier cas, il suffit de trouver un sous-groupe de Zd’ordre pr
(pourquoi un tel sous-groupe serait-il distingué ?). Mais ceci est vrai par
l’hypothèse de récurrence.
Dans le second cas, on considère un sous-groupe distingué Kde G/H
d’ordre pr−`, ce qui est possible grâce à l’hypothèse de récurrence. L’ensemble
π−1(K)est alors un sous-groupe distingué dans G(démontrez-le) et son ordre
est précisément p`(pourquoi ?). On a donc terminé.
Corrigé 6. Rappelons que Zest distingué dans Gdonc G/Z est un groupe.
(1) Dire que Z/G est cyclique revient à dire qu’il existe xdans Gtel
que la classe x=xZ engendre tout G/Z, c’est à dire que tous les
éléments de G/Z sont de la forme xn=xnZ.