Théorème de Molien
2012-2013
Référence : Eric Leichtnam, Exercices d’oraux X-ENS : tome Algèbre et
ométrie, Ellipses, 1999, p. 95.
Théorème.
Soit Vun C-espace vectoriel de dimension finie n.
Soit (e1, . . . , en)une base de V.
Soit Gun sous-groupe fini de GL(V).
On note A=C[X1, . . . , Xn]et on pose :
σ:GS(A)
g7−(P7→ P(g1.(X1, . . . , Xn)))
(X1, . . . , Xn)est identifié avec la colonne ayant pour coordonnées X1, . . . , Xn
et .est le produit matriciel.
i.e., si g1= (ui,j )1i,jn,
σ(g)(P)(X1, . . . , Xn) = P
n
X
j=1
u1,j Xj,...,
n
X
j=1
un,j Xj
Alors :
σdéfinit une action de Gsur Aet est à valeurs dans GL(A), on notera
σ(g)(P) = g·P.
Pour kN, on note Akl’espace des polynômes homogènes de Ade degré k.
L’action de Gsur Ainduit alors une action de Gsur Ak.
Finalement, on note AG
kl’ensemble des points fixes sous cette action, i.e.
AG
k={PAk| ∀gG, g ·P=P}
et ak(G) = dim AG
k.
On a alors : +
X
k=0
ak(G)Xk=1
Card GX
gG
1
det(Id Xg)
Lemme.
Soit Vun C-espace vectoriel de dimension finie net Gun groupe fini.
1
Soit ϕ:GGL(V)un morphisme de groupes.
On note :
VG=\
gG
ker(ϕ(g)Id)
Alors :
dim VG=1
Card GX
gG
Trace ϕ(g)
Démonstration. On considère :
pG=1
Card GX
gG
ϕ(g)
Montrons que pG(V) = VG:
Soit vV, h G, alors :
ϕ(h)(pG(v)) = 1
Card GX
gG
ϕ(h)ϕ(g)(v)
=1
Card GX
gG
ϕ(hg)(v)
=pG(v)
car g7→ hg est une bijection de G, donc pG(V)VG.
Réciproquement, on a pG(v) = vpour tout vVG, donc VGpG(V).
L’égalité ϕ(h)pG=pGpour tout hGmontre que pG2=pG, donc pGest un
projecteur d’image VG.
D’où :
rang pG= dim VG= Trace pG
D’où le résultat par linéarité de la trace.
Démonstration du théorème.
Montrons d’abord que σdéfinit bien une action de Gsur A. On a :
(g·(g0·P))(X1, . . . , Xn)=(g0·P)(g1.(X1, . . . , Xn))
=P((gg0)1.(X1, . . . , Xn))
= (gg0)·P
et Id ·g=g.
De plus, σ(g)est clairement linéaire, donc σ(g)GL(A).
Pour kN,g·AkAk, donc l’action de Gsur Ainduit une action de Gsur
Ak. Notons σk:GGL(Ak)le morphisme induit par σ.
2
Soit gG. Observons d’abord que gest diagonalisable. En effet, le polynôme
XCard G1annule get est scindé à racines simples.
Soit alors uGL(V)tel que la matrice de ugu1dans la base (e1, . . . , en)
soit diagonale et soit λ1, . . . , λnles valeurs propres de g.
Alors :
1
det(Id Xg)=
n
Y
i=1
1
1λiX
=
n
Y
i=1 +
X
k=0
λk
iXk!
=
+
X
k=0 X
k1+···+kn=k
λk1
1· · · λkn
n!Xk
D’autre part, si k1+· · · +kn=k, alors :
σk(ug1u1)(Xk1
1· · · Xkn
n) = λk1
1· · · λkn
nXk1
1· · · Xkn
n
Donc λk1
1· · · λkn
nest valeur propre de σk(ug1u1). Or les Xk1
1· · · Xkn
nforment
une base de Ak, donc :
Trace(σk(g1)) = Trace(σk(ug1u1)) = X
k1+···+kn=k
λk1
1· · · λkn
n
D’où :
1
det(Id Xg)=
+
X
k=0
Trace(σk(g1))Xk
En appliquant le lemme avec V=Aket ϕ=σk, on obtient :
dim AG
k=ak(G) = 1
Card GX
gG
Trace(σk(g1))
D’où :
+
X
k=0
ak(G)Xk=1
Card G
+
X
k=0 X
gG
Trace(σk(g1))Xk
=1
Card GX
gG
+
X
k=0
Trace(σk(g1))Xk
=1
Card GX
gG
1
det(Id Xg)
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