Universit´e Montpellier II Ann´ee universitaire 2013-2014
L3 Math´ematiques, GLMA501
Examen d’alg`ebre g´en´erale
vendredi 17 janvier 2014
Dur´ee : 2h
Corrig´e
Exercice 1 (10 points) Soit Gun groupe d’ordre 30.
1. On suppose que Gne poss`ede pas de sous-groupe distingu´e d’ordre 5.
(a) Montrer qu’alors Gposs`ede 24 ´el´ements d’ordre 5.
(b) En d´eduire que Gposs`ede un sous-groupe distingu´e d’ordre 3.
(a) On a |G|= 2×3×5. D’apr`es les th´eor`emes de Sylow, Gposs`ede n5∈ {1,6}sous-
groupes d’ordre 5, qui sont conjugu´es deux `a deux. L’hypoth`ese implique n56= 1.
Donc Gposs`ede 6 sous-groupes d’ordre 5; ils contiennent tous les ´el´ements de G
d’ordre 5. Comme 5 est premier, ces sous-groupes sont cycliques, et pour chacun
d’eux tout ´el´ement distinct du neutre est g´en´erateur. Donc l’intersection de deux
tels sous-groupes distincts est r´eduite `a l’´el´ement neutre, et Gposs`ede 6 ×4 = 24
´el´ements d’ordre 5.
(b) On a n3∈ {1,10}sous-groupes de Gd’ordre 3, conjugu´es deux `a deux. Si
n3= 10, alors |G| ≥ 24 + (2 ×10) >30 en ajoutant les ´el´ements d’ordre 3 `a ceux
d’ordre 5. Donc n3= 1, ce qui montre que Gposs`ede un unique sous-groupe d’ordre
3, qui est alors distingu´e (d’apr`es les th´eor`emes de Sylow).
2. Montrer que Gposs`ede toujours un sous-groupe distingu´e Hd’ordre 15.
D’apr`es la question pr´ec´edente, Gposs`ede un sous-groupe distingu´e d’ordre 5 ou
d’ordre 3. Soit Kce sous-groupe, et Lun sous-groupe de Gd’ordre 3 si Kest
d’ordre 5, et d’ordre 5 si Kest d’ordre 3. Comme plus haut on a KL={eG},
et KL =LK puisque Kest distingu´e dans G. Donc KL est un sous-groupe de G,
d’ordre |L||K|/|KL|= 15. Son indice dans G´etant ´egal `a |G|/|KL|= 2, KL est
distingu´e dans G. Le groupe H=KL convient donc.
3. Montrer que Hposs`ede deux sous-groupes distingu´es propres et non triviaux, puis
que Hest un groupe cyclique.
On v´erifie imm´ediatement que les sous-groupes Ket Lci-dessus sont distingu´es
dans H(Kparce qu’il l’est dans G, et Lpar les th´eor`emes de Sylow). Soient
kun g´en´erateur de Ket lun g´en´erateur de L(ces groupes sont d’ordre premier
donc cycliques). Montrons que kl engendre H=KL. Comme Kest distingu´e
dans H, il existe k0Ktel que lk =k0l. Une r´ecurrence imm´ediate implique que
1
pour tout entier nil existe k00 Ktel que (kl)n=klkl . . . kl =k00ln(le produit
contient nfacteurs kl). Soit n15 l’ordre de kl. Alors (kl)n=eGimplique
k00 =lnKL={eG}. Donc l’ordre de ldivise n. En utilisant de mani`ere
similaire le fait que Lest distingu´e dans H, on montre que l’ordre de kdivise n.
Les ordres de ket l´etant 3 et 5 (premiers entre eux), on d´eduit n= 15.
4. Construire un produit semi-direct de Z/15Zet Z/2Zqui ne soit pas ab´elien (penser
`a l’application g7→ g1). On exprimera ses ´el´ements en fonction de g´en´erateurs de
Z/2Zet Z/15Z, et les relations entre ces g´en´erateurs.
Notons hun g´en´erateur de Z/15Z,τun g´en´erateur de Z/2Z, 1 les ´el´ements neutres de
Z/15Zet Z/2Z(notation multiplicative), et ϕ(τ)(hn) = hn. On v´erifie imm´ediatement
que ϕ(τ) est un automorphisme de Z/15Z, et que ϕ:Z/2ZAut(Z/15Z), τ7→ ϕ(τ)
est un morphisme. Il d´efinit un produit semi-direct G0= (Z/2Z×Z/15Z,·ϕ), o`u la loi
de groupe ·ϕest d´efinie par (τa, hb)·ϕ(τc, hd) = (τa+c, hbϕ(τa)(hd)). Le groupe G0est
engendr´e par t= (τ, 1) et s= (1, h) v´erifiant les relations t2=s15 = (1,1) = eG0, et tst =
(τ, 1)(1, h)(τ, 1) = (τ, ϕ(τ)(h))(τ, 1) = (τ, h1)(τ, 1) = (τ2, h1ϕ(τ)(1)) = (1, h1) = s1.
Les ´el´ements de G0peuvent s’´ecrire de mani`ere unique sous la forme satb, avec a∈ {0,1}
et b∈ {0,...,14}.
Exercice 2 (10 points) Soit Eun espace vectoriel r´eel de dimension 3.
1. Soit uun endomorphisme nilpotent de E, ie. il existe un entier ptel que up= 0.
(a) Donner le polynˆome caract´eristique de u.
(b) Donner toutes les r´eduites de Jordan possibles de u, `a l’ordre des blocs pr`es, et
pr´eciser pour chacune le polynˆome minimal de uqui lui correspond.
(c) On suppose que le polynˆome minimal de uest mu(X) = X3. Montrer qu’il
existe un vecteur non nul xEtel que (u2(x), u(x), x)soit une base de E.
(d) Ecrire la matrice de udans cette base.
(a) Le spectre d’un endomorphisme nilpotent est toujours r´eduit `a {0}. Comme E
est de dimension n= 3, on a Pu(X) = det(uXidE) = X3.
(b) Les polynˆomes minimaux de upossibles sont mu(X) = X, X2, X3. Dans le
premier cas u= 0, sa r´eduite de Jordan est la matrice nulle. Si mu(X) = X2(resp.
mu(X) = X3), alors sa r´eduite de Jordan A(resp. B) a un bloc de Jordan de taille
2 (resp. 3), la multiplicit´e de u.`
A l’ordre des blocs pr`es on a donc
A=
0 1 0
0 0 0
0 0 0
, B =
0 1 0
0 0 1
0 0 0
.
(c) Si mu(X) = X3alors u26= 0 et donc il existe xE\Ker(u2). On a u(x), u2(x)6=
0, et la famille (u2(x), u(x), x) est libre. En effet, si λ1, λ2, λ3Rson tels que
λ1x+λ2u(x) + λ3u2(x) = 0, alors en appliquant u2on trouve λ1u2(x) = 0. Comme
u2(x)6= 0, on a λ1= 0. En appliquant alors uon d´eduit λ2= 0, puis λ3= 0. La
fammile ´etant libre et de cardinal 3 dans Ede dimension 3, c’est une base de E.
(d) La matrice de udans la base est la matrice Bci-dessus.
2
2. Soit ul’endomorphisme de R3repr´esent´e dans la base canonique par la matrice
suivante
A=
113
22 2
315
.
(a) Calculer le polynˆome caract´eristique de u. Montrer que le polynˆome minimal
de uest mu(X)=(X+ 2)3.
(b) eterminer une r´eduite de Jordan de u.
(c) Construire une base de Jordan de u.
(a) Le calcul de Pu(X) est ´el´ementaire; il peut ˆetre simplifi´e en soustrayant la 3`eme
colonne de la premi`ere dans la matrice AXI3. Pour d´eterminer mu(X) on peut
v´erifier que (A+ 2I3)26= 0. Alternativement on peut v´erifier que l’espace propre
E2est de dimension 1, ce qui implique que la r´eduite de Jordan de An’a qu’un
seul bloc de Jordan, n´ecessairement de taille 3. Cette taille est l’ordre de la matrice
nilpotente A+ 2I3, c’est- `a-dire aussi le degr´e de son polynˆome minimal.
(b) L’argument ci-dessus et les questions 1 (c)-(d) appliqu´ees `a l’endomorphisme
u+ 2idR3montrent que la r´eduite de Jordan de A+ 2I3est la matrice Bci-dessus,
donc celle de Aest
J=
210
02 1
0 0 2
.
(c) On est dans la situation de la question 1 (c). Soit xR3\Ker(A+ 2I3)2. On a
(A+ 2I3)2=
2 0 2
0 0 0
2 0 2
.
Donc Ker(A+ 2I3)2={(x1, x2, x3)tR3|x1=x3}. Prenons x= (1,0,0)t.
Posons v=u+ 2idR3. Alors la famille (v2(x), v(x), x) est une base de R3,Best la
matrice de vdans cette base, et Jcelle de udans cette base.
(c) D´eterminer la d´ecomposition de Jordan-Dunford A=D+N, o`u Dest diago-
nalisable, Nnilpotente, et DN =ND.
(d) Pour tout entier kexprimer la matrice Aken fonction de D,Net k.
(c) Soit Pla matrice de passage de la base canonique vers la base (v2(x), v(x), x).
Alors A=P JP 1=P(2I3+B)P1=D+N, o`u D=P(2I3)P1=2I3et
N=P BP 1, o`u
P=
2 3 1
0 2 0
23 0
.
(d) On a Ak= (D+N)k=Pk
j=0 Ck
jDjNkj=Dk+kDk1N+k(k1)
2Dk2N2,
puisque N3= 0.
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