Chapitre I Groupes : révisions et compléments Ce chapitre est divisé en six paragraphes : définitions de base, sous-groupes, sous-groupe engendré, morphismes de groupes, classes suivant un sous-groupe, sous-groupe distingué. 1 Définitions de base Définition. Un groupe G, G à-dire une application est un ensemble G muni d’une loi interne (ou loi de composition interne), c’estG G possédant les propriétés suivantes : x, y x y (i) la loi est associative : x, y, z (ii) il existe un élément e G, x y y z . x G, appelé élément neutre de G, tel que : g (iii) pour tout élément g z G, il existe g G, g e e g g. G, appelé symétrique de g, et noté g g g Théorème 1 (Propriétés élémentaires). Soit G, g g e. un groupe. ∅. (a) G (b) L’élément neutre de G est unique. (c) Si g (d) e 1 G, alors son symétrique est unique. e. (e) (règles de simplification) Pour tous x, y, z (f) Pour tout x G, x 1 1 G, z x z y x y x z y z x y. x. (g) (symétrique d’un produit) Pour tous x, y G, x y 1 1 y 1 x 1. 1, tel que : CHAPITRE I. GROUPES : RÉVISIONS ET COMPLÉMENTS 2 Démonstration. (a) Car d’après (ii), « il existe un élément e (b) Soient e, e G. . . ». G des éléments neutres. (c) Soient g , g e élément neutre e e e e e e élément neutre e e e e e, d’où e G des symétriques de g. Alors : e, donc g g g g (d) découle du fait que e e e, alors g g g g g par (i) et (ii), d’où g g car g est le symétrique de g, d’où g e g 1 x 1 x x e, x est le symétrique de x (g) On vérifie aisément que x y du symétrique. Définition. Un groupe G, g . e et l’unicité du symétrique. (e) Si z x z y, alors z 1 z x z 1 z y , donc z x y. Il en est de même pour x z y z. (f) Comme x e. y 1 x 1 y 1 1 z x z 1 z y, d’où e x e y, et 1. 1 x e. Le résultat découle de l’unicité x y est dit commutatif (ou abélien) si la loi est commutative, c’est-à-dire : pour tous x, y G, on a x y y x. Exemples. (i) , , est x. , (ii) 0 , , de x est 1 x. , , 0 , , , , sont des groupes commutatifs, d’élément neutre 0. Le symétrique de x 0 , sont des groupes commutatifs, d’élément neutre 1. Le symétrique (iii) Soit n . Si k , on note k sa classe de congruence modulo n. L’ensemble des classes de congruence de modulo n, noté n (ou n ) est un groupe commutatif pour la loi définie par k l k l. (iv) Soit A , , or . Alors l’ensemble des polynômes à coefficients dans A, noté A X , est un groupe pour l’addition des polynômes. L’élément neutre est le polynôme nul, le symétrique du polynôme P X ai X i A X est P X ai X i . (v) Soient n et K , ou . Soit GL n, K l’ensemble des matrices carrées de type n, n inversibles, c’est-à-dire de déterminant non nul. Alors muni du produit matriciel, GL n, K , est un groupe, appelé groupe linéaire. En effet : – M, N GL n, K MN GL n, K (loi interne) (car dét M – Le produit matriciel est associatif. – L’élément neutre est la matrice identité In 1 0 0 .. 0 . 0 1 . 0, dét N 0 dét MN 0). CHAPITRE I. GROUPES : RÉVISIONS ET COMPLÉMENTS 3 – Le symétrique d’une matrice M est son inverse matriciel M Pour n qui existe car dét M 2, GL n, K est non commutatif : par exemple dans GL 2, 2 1 . Alors MN 0 1 N 1 2 2 0 1 , prenons M 0. 1 1 0 1 et 2 3 . 0 1 NM Notation. • Dorénavant, lorsqu’on étudiera les propriétés d’un groupe général : – on écrira souvent G au lieu de G, . – l’élément x y sera noté plus simplement xy, et sera appelé le produit de x par y (attention à l’ordre : dans un groupe non commutatif, xy yx en général). L’élément neutre se note e ou 1, et le symétrique de g G se note g 1 , et sera appelé aussi l’inverse de g. • Si g G et n , on écrira : g0 g n g n e g si n g 1 n fois g n 1 si n 0. Nous adopterons cette notation multiplicative pour énoncer et démontrer des propriétés générales des groupes. • Toutefois, si un groupe est commutatif, on a la possibilité d’utiliser une notation additive. Dans ce cas, la loi se note , g h s’appelle le somme de g et h, l’élément neutre se note 0, et l’inverse de g se note g (et s’appelle aussi l’opposé de g). De plus, si n , on écrit : nx x x n fois Définition. Un groupe G est dit fini s’il n’a qu’un nombre fini d’éléments. Dans ce cas, le cardinal de G s’appelle l’ordre du groupe G, et se note | G | (ou #G). 2 Sous-groupes Définition. Un sous-groupe d’un groupe G, opération . est une partie H de G qui forme un groupe pour la même Proposition 2 (Propriétés élémentaires des sous-groupes). Soit G un groupe. (a) G et e sont des sous-groupes de G. (b) Si H est un sous-groupe de G, alors : (i) l’élément neutre de H coïncide avec celui de G. (ii) l’inverse d’un élément de H coïncide avec l’élément inverse dans G. CHAPITRE I. GROUPES : RÉVISIONS ET COMPLÉMENTS 4 Démonstration. Laissée en exercice. Définition. On appelle sous-groupe propre tout sous-groupe de G distinct de G et de e . Les deux résultats suivants donnent des critères pratiques que l’on utilise pour montrer qu’une partie donnée d’un groupe est (ou n’est pas) un sous-groupe. Proposition 3 (Condition nécessaire et suffisante pour être un sous-groupe). Soit H une partie d’un groupe G, . Alors H est un sous-groupe de G si et seulement si : ∅ (en général on montre que e (a) H H). (b) H est stable pour : cela signifie que pour tous x, y H, on a x y H. (c) H est stable par passage à l’inverse : cela signifie que pour tout x H, on a x 1 H. Démonstration. : découle du fait que H est un groupe muni de la loi induite . : On montre que H vérifie la définition de groupe. Le (b) implique que la loi de groupe de G induit une loi interne sur H. L’associativité découle de celle de la loi dans G. Enfin, d’après le (a), il existe x H. D’après le (c), x 1 H, d’où x x 1 e H par le (b). Des conditions (b) et (c) de la Proposition 3, on peut en faire une seule : Corollaire 4 (Une autre condition nécessaire et suffisante pour être un sous-groupe). Soit H une partie d’un groupe G, . Alors H et un sous-groupe de G si et seulement si H ∅ et x, y H, xy 1 H. Démonstration. Il suffit de démontrer que les conditions (b) et (c) de la Proposition 3 sont équivalentes à : x, y : soient x, y H. D’après le (c), y 1 : si x H, alors x x 1 H, d’où e alors y 1 H, donc x y x y H, xy 1 H. H, et d’après le (b), x y H. Comme e, x 1 1 H. H, on a x 1 H. 1 e x 1 H, d’où le (c). Si x, y H, Remarques. (a) Lorsqu’on se sert de ces deux critères, on n’oubliera pas de vérifier que H est bien une partie de G ! (b) Pour un groupe G, x y H. noté additivement, la condition du Corollaire 4 s’écrit H Exemples. (i) Pour tout n (ii) ,n na est un sous-groupe de est un sous-groupe de a , . , . ∅ et x, y H, CHAPITRE I. GROUPES : RÉVISIONS ET COMPLÉMENTS 5 (iii) Soient n , U z |z| 1 , , et Un z zn 1 , . Géométriquement, U est le cercle unité dans le plan complexe, et Un est l’ensemble des racines nièmes de l’unité. Alors U et Un sont des sous-groupes de , , et Un est un sous-groupe de U, . Proposition 5 (Une intersection quelconque de sous-groupes est un sous-groupe). Soient G, un groupe et Hi i I une famille (finie ou infinie) de sous-groupes de G. Alors i I Hi est un sous-groupe de G. Démonstration. Posons H e H, d’ou H ∅. Soient x, y xy 1 H. Hi . On applique le Corollaire 4. Comme e Hi pour tout i I, on a que H. Alors, pour tout i I, x, y Hi , donc xy 1 Hi par le Corollaire 4, d’où i I Remarque. En général, la réunion de sous-groupes n’est pas un sous-groupe. Par exemple, 2 et 3 sont des sous-groupes de , . Mais 2 3 n’est pas stable pour la loi de car 2 3 5 2 3 (5 n’est ni divisible par 2, ni par 3). Donc 2 3 n’est pas un sous-groupe de . Proposition 6 (caractérisation des sous-groupes de ). Les sous-groupes de , Démonstration. On a déjà vu que pour tout n , n est un sous-groupe de H un sous-groupe de . Montrons qu’il existe n tel que H n . sont de la forme n . , . Réciproquement, soit Si H 0 , alors H 0 . Supposons donc que H 0 . Alors il existe x H, x 0 ; x H implique x H. On en déduit que H ∅. La partie x H x 0 est donc une partie non vide de , et par conséquent il admet un plus petit élément n 0. Puisque H est un sous-groupe de , on a que n H. Réciproquement, soit x H. On effectue la division euclidienne de x par n. Il existe alors q, r ,0 r n tels que x nq r. Or, n H, donc nq H, d’où r x nq H. Puisque 0 r n, il vient de la minimalité de n que r 0, d’où x nq n , et H n . Par double inclusion, il suit que H n . 3 Sous-groupe engendré, groupe monogène Définition. Soient G, un groupe et S une partie de G. On note S (ou gr S ) l’intersection de tous les sous-groupes de G contenant S. D’après la Proposition 5, c’est un sous-groupe de G, appelé le sous-groupe de G engendré par S. Remarques. (a) Pour la relation d’ordre d’inclusion, sur G, S est le plus petit sous-groupe de G contenant S, c’est-àdire si H G et H contient S, alors S H. (b) Par convention, si S (c) Si S ∅, alors S e . x est un singleton, on écrit alors x (au lieu de x xr r ...,x x ). On a que 2 ,x 1 , e, x, x2 , . . . . Ceci étant, x est un sous-groupe commutatif de G, appelé sous-groupe engendré par x. (1) CHAPITRE I. GROUPES : RÉVISIONS ET COMPLÉMENTS Définition. S’il existe x dit qu’il est cyclique. G tel que G 6 x , on dit que le groupe G est monogène. Si de plus, G est fini, on Remarque. Lorsque le groupe G est commutatif, avec la notation additive, l’équation (1) s’écrit sous la forme : x rx r . . . , 2x, x, 0, x, 2x, . . . . Exemples. (a) Soient n et S n un singleton de . Alors n n , donc n engendre n , et n est un groupe monogène engendré par n. En particulier, 1 est monogène. ! (b) Soit n . Alors Un e2πik n ! k 0, . . . , n 1 est un groupe cyclique (car e2πik n e2πi n k ), engendré par e2πi n . (c) Soit n . Alors n est un groupe cyclique engendré par 1. Définitions. Soient G un groupe, et x G un élément. (a) On appelle ordre de l’élément x, noté o x , le cardinal du sous-groupe x engendré par x. (b) Si ce cardinal est infini, on dit que x est d’ordre infini dans G. (c) Si o x est fini, on dit que x est d’ordre fini (ou de torsion). Dans ce cas, on a que o x Exemples. | x |. (a) Dans tout groupe, e est l’unique élément d’ordre 1. (b) Dans , si n 0, alors n n , et donc n est un élément d’ordre infini dans . (c) Soit n . Alors Un est engendré par e2πi n , et est un groupe cyclique d’ordre n (car il y a exactement n racines nièmes de l’unité. Proposition 7. Soient G un groupe et x un élément de G. Les affirmations suivantes sont équivalentes : (i) L’élément x est d’ordre fini. tel que x k (ii) Il existe k inf k Dans ce cas, o x e. ! k !x e . Démonstration. Supposons d’abord que x est d’ordre fini. Alors le groupe x xn n est fini. Cela implique que toutes les puissances de x ne sont pas distinctes : il existe deux entiers p, q, avec p q, tels p q k que x x , d’où x e, avec k p q . Supposons désormais qu’il existe k tel que x k e. Soit r le plus petit entier naturel vérifiant r 1 x . Si n , effectuons la division euclidienne dans de cette condition. Il est clair que e, x, . . . , x n par r : il existe q, s , 0 s r 1 tels que n qr s. Donc xn x qr s xr q . x s eq . x s xs . e, x, . . . , xr 1 . On a donc x Notons enfin que tous les éléments de e, x, . . . , xr donc o x | x | r. 1 sont distincts en raison de la minimalité de r, Puisque 0 inclusion. s r 1, il suit que x e, x, . . . , xr 1 par double CHAPITRE I. GROUPES : RÉVISIONS ET COMPLÉMENTS 4 7 Morphismes de groupes Étant donné un groupe, on voudrait étudier ses propriétés algébriques. Pour ce faire, on pourra le comparer à un autre groupe dont on connaît déjà les propriétés. On cherche donc des applications d’un groupe dans un autre qui soient compatibles avec les lois de deux groupes : c’est la notion de morphisme. Définitions. (a) Soient G, et G , deux groupes. Un morphisme (ou homomorphisme) de groupes de G dans G est une application f : G G telle que : x, y G, f x y f y . f x (b) Un morphisme de groupes bijectif est dit isomorphisme (de groupes). Deux groupes sont dits isomorphes s’il existe un isomorphisme de G sur G . (c) Un morphisme d’un groupe G dans lui-même est appelé endomorphisme (de groupe). (d) Un isomorphisme d’un groupe G dans lui-même est appelé automorphisme de G. Proposition 8 (Propriétés élémentaires des morphismes de groupes). Tout morphisme de groupes f: G G vérifie les propriétés suivantes : (a) Soient e, e les éléments neutres respectifs de G, G . Alors f e (b) Pour tout x G, f x (c) Pour tout n et x 1 f x e. 1. G, f x n f x n. (d) Si H est un sous-groupe de G, alors f H est un sous-groupe de G . Démonstration. (a) On a que f e e f e . (b) Soit x f e e G. Alors e f e f e f e . Or, f e f x x 1 G , donc f e f x f x 1 . De même, e (c) (exercice) On effectue d’abord une récurrence lorsque n (d) Soit e et f y1 f e e , et en simplifiant, on trouve f x 1 f x , d’où le résultat. , et ensuite on applique le (b). H un sous-groupe de G. On applique le Corollaire 4. Il est clair que f H G . Ensuite, e H, f e f H , donc f H ∅. Soient y1 , y2 f H . Alors il existe x1 , x2 H tels que f x1 y1 1 1 1 x2 y2 , donc y2 f x2 par le (b). De plus, comme H G, on a x1 x2 H. Donc 1 1 1 f x1 x2 f H . Ceci prouve que f H est un sous-groupe de G . y2 f x1 f x2 Exercice. Si f : G G et g : G G sont des morphismes de groupes, montrer que la composée g f: G G est aussi un morphisme de groupes. Définitions. Soit f : G, G, un morphisme de groupes. (a) L’image de f , notée Im f , est définie par Im f y G | x G, f x x f x y . (b) Le noyau de f , noté Ker f , est défini par Ker f G e . CHAPITRE I. GROUPES : RÉVISIONS ET COMPLÉMENTS 8 Proposition 9 (Propriétés du noyau et de l’image). Soit f : G, Alors : G, un morphisme de groupes. (a) Ker f est un sous-groupe de G. En particulier, l’élément neutre e appartient toujours à Ker f . (b) Im f est un sous-groupe de G . (c) f est injectif si et seulement si Ker f e . (d) f est surjectif si et seulement si Im f G. Démonstration. (a) On applique le Corollaire 4. D’après la Proposition 8(a), e Ker f , donc Ker f ∅. Ensuite, soient 1 1 x, y Ker f . Donc f x e et f y e . Par la Proposition 8(b), f y e e , et comme f est un 1 1 1 morphisme de groupes, f xy f x f y e e e , d’où xy Ker f . (b) Le résultat découle du fait que Im f f G et la Proposition 8(d). (c) On rappelle que l’application f est injective si : x, y Supposons f injectif. Soit x Ker f e . G, f x f y Ker f . Alors f x x y. f e (Proposition 8(a)), donc x e Réciproquement, supposons Ker f e , et soient x, y G tels que f x f y . Alors e 1 1 1 1 f y f x f y f x y (Proposition 8(b)). Donc x y Ker f , d’où x y. (d) f surjectif y G, x G, f x Im f y e, d’où f x G. f G Exemples. (i) Soit n groupe . Considérons l’application f : définie par f k , dans le groupe , car pour tous k, l , f k l e2πi e2πik n e2πil k l n n e2πik n . C’est un morphisme du f k f l . L’image de f est Im f Le noyau de f est Ker f (ii) Soient n ! ! e2πik n ! k k |f k ! ! e2πik n ! k 1 k . Considérons l’application 0, 1, . . . , n ! ! 2πik !e n 1 1 Un . n . 0 , dét : GL n, A dét A . Puisque la matrice A appartient à GL n, , elle est inversible, et dét A 0. De plus, quelles que soient A, B n, , dét AB dét A dét B ; par suite, dét est un morphisme de groupes. Il est CHAPITRE I. GROUPES : RÉVISIONS ET COMPLÉMENTS 9 λ 0 surjectif car si λ 0 0 0 0 . .. .. .. . . . .. . 1 0 1 0 , alors la matrice diagonale .. 0 0 appartient à GL n, , et son 0 0 1 déterminant vaut λ. Le noyau de dét s’appelle groupe linéaire spécial et se note SL n, 5 A GL n, dét A 1 . Classes suivant un sous-groupe La notion de « structure quotient » (ensemble, groupe, espace vectoriel, anneau, . . . ) est fondamentale en algèbre et en topologie. Elle permet de regrouper les éléments par « paquets » et de doter ces derniers d’une structure analogue. Dans tout ce qui suit, G sera un groupe, et H sera un sous-groupe de G. Si x G, on pose : et xH xh h H Hx hx h H . Définitions. (a) On appelle relation à gauche modulo H (ou suivant H) la relation binaire définie par : x ∼g y x 1 y H. (b) On appelle relation à droite modulo H (ou suivant H) la relation binaire définie par : x ∼d y xy 1 H. Théorème 10 (Propriétés des relations à gauche et à droite). Soient G un groupe, et H un sous-groupe de G. (a) (propriétés de la relation ∼g ) (i) La relation ∼g est une relation d’équivalence sur G. (ii) La classe d’équivalence de x (iii) L’application h cardinal. G pour ∼g est égale à xH. xh est une bijection de H sur xH ; toutes les classes à gauche modulo H ont même (b) (propriétés de la relation ∼d ) (i) La relation ∼d est une relation d’équivalence sur G. (ii) La classe d’équivalence de x (iii) L’application h cardinal. G pour ∼d est égale à Hx. hx est une bijection de H sur Hx ; toutes les classes à droite modulo H ont même On note G H g l’ensemble quotient des classes à gauche modulo H, et G H classes à droite modulo H. (c) Les ensembles quotients G H g et G H d d l’ensemble quotient des sont en bijection. En particulier ils ont même cardinal. CHAPITRE I. GROUPES : RÉVISIONS ET COMPLÉMENTS 10 Définitions. (a) La classe d’équivalence xH de x pour la relation ∼g s’appelle la classe à gauche de x modulo H. (b) La classe d’équivalence Hx de x pour la relation ∼d s’appelle la classe à droite de x modulo H. (c) On appelle indice de H dans G, noté G : H , le cardinal de G H de G H d ). g (qui est donc aussi égal au cardinal Exemple. Soient G , ,n et H le sous-groupe n de . Dans la notation additive, la relation ∼g s’écrit x ∼g y si y x n . Donc x ∼g y si et seulement s’il existe l tel que y x nl, c’est-à-dire que x ∼g y si et seulement x et y sont congrus modulo n. La classe d’équivalence de y G pour ∼g est donc égale à y n y nl l . On constate que les classes y n , y 0, 1 . . . , n 1 forment une partition de (leur réunion vaut , et elles sont deux à deux disjointes). Les éléments de G H g sont donc ces classes, et l’indice : n vaut n. La relation ∼d s’écrit x ∼d y si x y n . Mais x y n si et seulement si y x n . La relation ∼d coïncide donc avec la relation ∼g , et par conséquent, pour tout élément y , la classe d’équivalence de y G pour ∼d est égale à la classe d’équivalence de y G pour ∼g . Démonstration du Théorème 10. (a) (i) – La relation ∼g est réflexive : pour tout x 1x G, on a x – La relation ∼g est symétrique : soient x, y x 1 y 1 y 1 x H, d’où y ∼g x. e H, donc x ∼g x. 1y G, et supposons que x ∼g y. Alors x H. Donc 1 y, y 1 z – La relation ∼g est transitive : soient x, y, z G tels que x ∼g y et y ∼g z. Alors x donc x 1 y y 1 z x 1 z H, d’où x ∼g z. H, La relation ∼g est donc une relation d’équivalence dans G. G pour la relation ∼g est : (ii) Par définition, la classe d’équivalence de x x c c c c xH. ! G ! x ∼g c ! ! G ! x 1c H ! ! G ! h H, x G| h (iii) L’application est injective, car la relation xh1 Elle est aussi surjective, car si b 1 H, c c h xh xh2 (avec h1 , h2 1b xH, alors x H, et x H) entraîne h1 1b xx 1b h2 . b. (b) se démontre de la même manière. (c) La corrrespondance f : G H effet, les équivalences xH yH x G H g 1 y H d définie par xH x 1 y 1 y 1 x Hx 1 1 montrent que f est une application et que f est injective. Si Hx f x 1H Hx, donc f est surjective. 1 H est une application bijective. En Hx 1 Hy G H d , alors x 1 1H G H g , et CHAPITRE I. GROUPES : RÉVISIONS ET COMPLÉMENTS Théorème 11 (de Lagrange). Soient G un groupe fini, et H un sous-groupe de G. Alors | G | En particulier, | H | divise | G |. 11 G: H | H |. Démonstration. Les classes d’équivalence pour la relation à gauche ∼g modulo H forment une partition de G. Elles sont finies car G est fini, et elles ont chacune le même cardinal que H d’après le Théorème 10(iii). D’où | G | | H | m, où m est le nombre de classes d’équivalence pour ∼g , c’est-à-dire le cardinal de G H g . Donc | G | | H |. G: H Corollaire 12. Soit G un groupe fini. Alors l’ordre de tout élément de G divise l’ordre du groupe. Exemple. Dans le groupe additif 4 0, 1, 2, 3 , 0 est d’ordre 1, 2 est d’ordre 2, et 1 et 3 sont d’ordre 4. Chacun de ces ordres divise 4 qui est l’ordre du groupe 4 . Démonstration du Corollaire 12. Soit x G. Puisque G est fini, x est d’ordre fini o x . Par définition, o x | x |. Mais x est un sous-groupe de G. Le résultat découle du Théorème de Lagrange. Ceci nous permet de classifier les groupes finis d’ordre premier : Corollaire 13. Soit G un groupe fini d’ordre premier p. Alors G est cyclique. Démonstration. Soit x G, x donc | x | p, et comme x e. Alors x est un sous-groupe de G, d’ordre | x | 2. Or, | x | G, on a x G, c’est-à-dire G est cyclique, engendré par x. |G| p,