Polynômes de Hall
Travail Encadré de Recherche
Susanne Reh
encadré par M. Jérôme Germoni
Université Claude Bernard Lyon 1
Master 1 Mathématiques Générales
2013-2014
Table des matières
1 Rappels 3
1.1 Groupes .............................. 3
1.2 Anneaux.............................. 8
2 Structure des groupes abéliens de type fini 9
3 Forme normale de Smith 16
4 Partitions 21
5 Fonctions symétriques 25
5.1 L’anneau des fonctions symétriques . . . . . . . . . . . . . . . 25
5.2 Fonctions symétriques élémentaires et complètes . . . . . . . . 27
5.3 FonctionsdeSchur ........................ 31
6 Polynômes de Hall 38
6.1 o-modulesnis .......................... 38
6.2 LalgèbredeHall ......................... 41
6.3 Suite LR d’un sous-module . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
6.4 Le polynôme de Hall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
Bibliographie 53
2
1 Rappels
1.1 Groupes
Définition 1.1. Soient Gun groupe abélien et (Hi)iI)6=une famille de
sous-groupes de G. Si
jI, HjX
iI,i6=j
Hi={0}
le sous-groupe PiIHiest somme directe des sous-groupes Hiet est noté
LiIHi.
Définition 1.2. Soit Gun groupe abélien et HG.Hest appelé facteur
direct de Gs’il existe un KGtel que G=HK.
Proposition 1.3. Soient Gun groupe abélien, HGet il’injection cano-
nique de Hdans G. Alors Hest un facteur direct de Gsi et seulement s’il
existe un pHom(G, H)tel que pi=idH
Démonstration. : On suppose qu’il existe pHom(G, H)tel que pi=
idHet on pose h=p(g)pour tout gG. Alors on a h=pi(h) = p(h), i.e.
(gh)Ker(p). On a g=h+ (gh)et pour xHKer(p),x=p(x) = 0.
Donc G=HKer(p).
: On suppose que G=HK. Donc tout gGs’écrit de manière
unique g=h+k,hHet kK. Si on prend p(g) = hpour p, on a le
résultat.
Définition 1.4. Un groupe abélien est dit libre s’il est somme directe de
groupes monogènes infinis.
On peut aussi dire que Gest libre si on peut trouver un ensemble Iet une
famille d’éléments de G,X={xi}iItels que
G=M
iI
hxiiet hxii
=Z,iI
On dit que Xest une base de G.
Theorème 1.5 (propriété universelle d’un groupe abélien libre).Soient G
un groupe abélien, Xune partie de Get jXl’inclusion canonique de Xdans
G. Alors Gest abélien libre de base Xsi et seulement si, pour tout groupe
3
abélien Aet toute application σ:XA, il existe un unique morphisme de
groupes f:GAtel que fjX=σ.
XjX//
σ
G
f
A
Démonstration. On suppose que le groupe abélien Gest libre de base X.
Existence de f : On note X={xi}iIla base donnée de G. Tout élément x
de Gs’écrit de manière unique x=PiInixi, où les nisont des entiers nuls
sauf pour un nombre fini de iI. Alors, si on pose f(x) = PiIniσ(xi),
cette somme est bien définie. On voit facilement que l’application fainsi
définie est un morphisme de groupes et vérifie fjX=σ.
Unicité de f : On suppose f0:GAun autre morphisme de groupes
vérifiant f0jX=σ. On a donc f(xi) = f0(xi)pour tout élément xiX,
d’où f(x) = f0(x)pour tout élément xde G.
Maintenant on suppose que le groupe abélien Gest tel que pour tout groupe
abélien Aet toute application σ:XA, il existe un unique morphisme de
groupes d:GAtel que fjX=σ. C’est en particulier vérifié si A=Z(X)
est libre de base Xet σ=iXest l’injection de Xdans Z(X). Le début de
la démonstration montre qu’il existe un morphisme de groupes g:AG
tel que giX=jX. Les morphismes fet gsont réciproques l’un de l’autre.
Donc ce sont des isomorphismes.
Corollaire 1.6. Tout groupe abélien est isomorphe à un quotient d’un groupe
abélien libre.
Démonstration. Soit Xune partie génératrice d’un groupe abélien Get σ
l’inclusion de Xdans G. On considère le groupe libre de base X,Z(X)et jX
l’inclusion de Xdans Z(X). D’après le théorème 1.5, il existe un morphisme
de groupes f:Z(X)Gtel que fjX=σ. Tout élément xde Gs’écrit
x=X
1lk
niσ(xil) = X
1lk
nlf(jX(xil)) = f X
1lk
nljX(xil)!.
Donc fest surjectif. On en déduit que le groupe Gest isomorphe au groupe
Z(X)/Ker(f).
Corollaire 1.7. Soit Gun groupe abélien, G0un groupe abélien libre et p:
GG0un homomorphisme (de groupes abéliens) surjectif. Alors il existe
un homomorphisme (de groupes abéliens) s:G0Gtel que ps=idG0. En
particulier, s(G0)est un facteur direct de G.
4
Démonstration. Soit Xune base de G0. Comme pest sujectif, il existe une
application j:XGtelle que pj=idX. D’après le théorème 1.5, il existe
un morphisme de groupes s:G0Gtel que ps=idG0. On déduit de la
proposition 1.3 que s(G0)est facteur direct dans G.
Remarque. Le morphisme sest injectif car ps=idG0et ça implique que
G0et s(G0)Gsont isomorphe. De ce fait on peut dire que G0est isomorphe
à un facteur direct du Gsous les hypothèses du corollaire 1.6.
On a G=Ker(p)s(G0)sous les hypothèses ci-dessus (cf proposition 1.3 et
corollaire 1.7).
Dans ce cas on apelle sune section de p.
Définition 1.8. On dit qu’un groupe est de type fini s’il est engendré par
une partie finie.
Définition 1.9. On appelle le cardinal d’une base d’un groupe abélien libre
Gle rang de G.
Définition 1.10. Soit Gun groupe abélien. Gest dit de torsion si tout
gGest d’ordre fini. Il est dit sans torsion si tout gG, différent de
l’élément neutre, est d’ordre infini.
Proposition 1.11. Soit Gun groupe abélien. Les éléments de Gd’ordre fini
de Gforment un sous-groupe,
On note T(G)l’ensemble des éléments d’ordre fini de Get on l’appelle le
sous-groupe de torsion de G.
Démonstration. Il y a trois cas :
Si Gest un groupe sans torsion alors T(G) = 0, si Gest un groupe de
torsion alors T(G) = G; dans ces ceux cas le résultat est trivial.
On suppose que Gsoit un groupe tel que T(G)soit distinct de Get de {0}.
Soient xet ydeux éléments de T(G); on note p(resp. q) l’ordre de x(resp.
y). On a pq(xy) = 0, donc (xy)T(G)et T(G)est un sous-groupe de
G. soit xun élément du groupe G/T (G). S’il existe pNtel que px = 0,
on a px T(G)et x= 0, d’où G/T (G)est un groupe sans torsion.
Définition 1.12. Soient Gun groupe abélien et pun nombre premier. La
composante p-primaire G(p)de Gest l’ensemble des éléments de Gdont
l’ordre est une puissance de p.
Proposition 1.13. Soient Gun groupe abélien et pun nombre premier. La
composante p-primaire G(p)est un sous-groupe de G.
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