Université de Bordeaux I – 2010/11 MHT411
Feuille de TD no4
Groupes (suite)
Exercice 1 (DS 2010)
Soit Gun groupe cyclique engendré par un élément g. On note End(G)l’ensemble des endomorphismes de G.
1. Montrer que l’application ψ:End(G)G
f7−f(g)est une bijection.
2. Soit Aut(G)l’ensemble des automorphismes de G.
a) Montrer que Aut(G)est un groupe.
b) Soit fEnd(G). Montrer que fAut(G)si et seulement si ψ(f)est un générateur de G.
3. Déterminer Aut(Z).
Exercice 2
Soit (G, ·)un groupe. On définit le centre de Gcomme Z(G) = {aG, xG, ax =xa}.
1. Montrer que (Z(G),·)est un groupe abélien.
2. On définit une application ide (G, ·)dans (Aut(G),)de la manière suivante : si aG, alors
i(a) : GG
x7−axa1.
Montrer que iest bien définie, que c’est un morphisme de groupes. L’image de inotée Int(G)est le
groupe des automorphismes intérieurs de G.
3. Montrer que Z(G)est un sous-groupe distingué de G.
4. Trouver une réalisation pratique du quotient (G/Z(G),·).
5. Ce groupe quotient est-il toujours abélien ?
6. Soit (H, ·)un sous-groupe de (G, ·)contenu dans (Z(G),·). Montrer que si le groupe quotient (G/H, ·)est
monogène, alors (G, ·)est abélien. On pourra par exemple prouver qu’un représentant d’un générateur
du groupe quotient est dans le centre de (G, ·).
Exercice 3
Soit (G, ·)un groupe. Pour g1et g2appartenant à G, on définit leur commutateur par
[g1, g2] = g1g2g1
1g1
2.
Soit (D(G),·)le groupe endendré par les commutateurs de G. On l’appelle groupe dérivé de G.
1. Montrer que (D(G),·)est un sous-groupe distingué de (G, ·).
2. Soit (H, ·)un sous-groupe de (G, ·). Montrer que
(Hest distingué dans Get G/H est abélien)(HD(G)) .
Exercice 4
Soient Get Hdes groupes, et f:GHun morphisme de groupes.
1. Montrer que si Lest un sous-groupe distingué de H, alors f1(L)est un sous-groupe distingué de G.
2. Montrer que si Kest un sous-groupe distingué de Get fest surjective, alors f(K)est un sous-groupe
distingué de H. Qu’en est-il si fn’est pas surjective ?
3. Soit aun élément d’ordre 2de G. Montrer que haiest un sous-groupe distingué de Gsi et seulement si
aest dans le centre de G.
4. En déduire que hτ1,2in’est pas un sous-groupe distingué de (S3,).
1er mars 2011 – feuille de TD no41 / 2
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Exercice 5
Soit pun nombre premier. Montrer que la multiplication dans Zinduit une structure de groupe sur Z/pZ\0.
Exercice 6 nombres de Mersenne.
Soit nun entier supérieur à 3.
1. Montrer que si 2n1est premier, alors nl’est aussi.
2. Supposons npremier. Soit pun diviseur premier de 2n1. Prouver que 2ndivise p1.
Indication : on pourra considérer l’ordre de 2dans le groupe (Z/pZ)?.
3. L’entier npeut-il être premier sans que 2n1le soit ?
Exercice 7 groupe des homomorphismes.
Soient (G, ·)un groupe et (A, +) un groupe abélien. On note Hom (G, A)l’ensemble des homomorphismes de
Gdans Aet AGle groupe (abélien) des applications de Gdans A.
1. Montrer que Hom (G, A)est un sous-groupe de AG.
2. Soit nun entier supérieur à 1. Établir un isomorphisme entre Hom (Z/nZ, A)et {xA, nx = 0}.
3. Soient net mdeux entiers supérieurs à 1. Déterminer le groupe Hom (Z/nZ,Z/mZ).
Exercice 8 lemme de Frobenius.
Soient Gun groupe fini et Hun sous-groupe de Gd’indice m. On pose X=G/H \ {H}.
1. Soit hH. Construire une bijection f(h) : XXqui à xH associe hxH pour tout xG\H.
2. Vérifier que f:HS(X)est un morphisme de groupes.
3. Montrer que tout diviseur premier de # (Im f)est inférieur à m1.
4. Supposons que tout diviseur premier de #Hest supérieur à m. Montrer que Hest distingué dans G.
Exercice 9
Soient Gun groupe et Nun sous-groupe de Gd’indice 2. Soit Hun sous-groupe simple de Gd’ordre supérieur
à3.
1. Montrer que Nest un sous-groupe distingué de G.
2. En déduire que HNest un sous-groupe distingué de G.
3. Prouver que HN.
Exercice 10 normalisateur.
Soient Gun groupe et Hun sous-groupe de G. On note Nl’ensemble des gGtels que gHg1=H.
1. Vérifier que Nest un sous-groupe de Gcontenant Het que Hest distingué dans N.
2. Soit Kun sous-groupe de Gcontenant H. Montrer que KNsi et seulement si Hest distingué dans
K.
Exercice 11
Soient dN?et Gun groupe fini. On désigne par Xl’ensemble des gGtels que gd= 1. Soit Hun
sous-groupe distingué de G.
1. La partie Xest-elle un sous-groupe de G?
2. Montrer que si [G:H]et dsont premiers entre eux, alors XH.
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