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Sous-groupes
Exercice 1 [ 02208 ] [Correction]
Soient ωCet H={a+ωb|a,bZ}.
Montrer que Hest un sous groupe de (C,+).
Exercice 2 [ 02209 ] [Correction]
Soient aCet H={an|nZ}.
Montrer que Hest un sous groupe de (C,×).
Exercice 3 [ 02210 ] [Correction]
Soit aun élément d’un ensemble E. On forme H={f∈ SE|f(a)=a}.
Montrer que Hest un sous-groupe du groupe de permutation (SE,)
Exercice 4 [ 02211 ] [Correction]
Soit (G,×) un groupe, Hun sous groupe de (G,×) et aG.
(a) Montrer que aHa1=naxa1|xHoest un sous groupe de (G,×).
(b) À quelle condition simple aH ={ax |xH}est un sous groupe de (G,×) ?
Exercice 5 [ 02212 ] [Correction]
On appelle centre d’un groupe (G,), la partie Cde Gdéfinie par
C=xG
yG,xy=yx
Montrer que Cest un sous-groupe de (G,).
Exercice 6 [ 02213 ] [Correction]
Soit fa,b:CCdéfinie par fa,b(z)=az +bavec aC,bC.
Montrer que fa,b|aC,bC,est un groupe.
Exercice 7 [ 02214 ] [Correction]
On considère les applications de E=R\{0,1}dans lui-même définies par :
i(x)=x,f(x)=1x,g(x)=1
x,h(x)=x
x1,k(x)=x1
x, `(x)=1
1x
(a) Démontrer que ce sont des permutations de E.
(b) Construire la table donnant la composée de deux éléments quelconques de
l’ensemble G={i,f,g,h,k,l}.
(c) Montrer que Gmuni de la composition des applications est un groupe non
commutatif.
Exercice 8 [ 02215 ] [Correction]
Soit Het Kdeux sous-groupes d’un groupe (G,) tels que HKen soit aussi un
sous-groupe. Montrer que HKou KH.
Exercice 9 [ 02216 ] [Correction]
Soient (G,) un groupe et Aune partie finie non vide de Gstable pour .
(a) Soient xAet ϕ:NGl’application définie par ϕ(n)=xn.
Montrer que ϕn’est pas injective.
(b) En déduire que x1Apuis que Aest un sous-groupe de (G,).
Exercice 10 [ 02217 ] [Correction]
Pour aN, on note aZ={ak |kZ}.
(a) Montrer que aZest un sous-groupe de (Z,+).
On se propose de montrer que, réciproquement, tout sous groupe de Zest de cette
forme.
(b) Vérifier que le groupe {0}est de la forme voulue.
Soit Hun sous-groupe de (Z,+) non réduit à {0}.
(c) Montrer que H+={hH|h>0}possède un plus petit élément. On note
a=min H+.
(d) Établir que aZH.
(e) En étudiant le reste de la division euclidienne d’un élément de Hpar amontrer que
HaZ.
(f) Conclure que pour tout sous-groupe Hde Z, il existe un unique aNtel que
H=aZ.
Exercice 11 [ 03354 ] [Correction]
Pour nN, on note Unl’ensemble des racines nème de l’unité :
Un={zC|zn=1}
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Montrer que
V=[
nN
Un
est un groupe multiplicatif.
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Corrections
Exercice 1 : [énoncé]
HC, 0 =0+ω.0H.
Soient x,yH. On peut écrire x=a+ωbet y=a0+ωb0avec a,b,a0,b0Zet alors
xy=(aa0)+ω(bb0)
avec aa0Zet bb0Zdonc xyH.
Ainsi Hest un sous groupe de (C,+).
Exercice 2 : [énoncé]
HC, 1 =a0H.
Soient x,yH, on peut écrire x=anet y=amavec n,mZ. On a alors
xy1=anm
avec nmZdonc xy1H.
Ainsi Hest un sous groupe de (C,×).
Exercice 3 : [énoncé]
H⊂ SE, IdEHcar IdE(a)=a.
Soient f,gH, ( fg)(a)=f(g(a)) =f(a)=adonc fgH.
Soit fH,f1(a)=acar f(a)=adonc f1H.
Ainsi Hest un sous-groupe de (SE,).
Exercice 4 : [énoncé]
(a) aHa1G,e=aea1aHa1.
Soient axa1,aya1aHa1avec x,yHon a
(axa1)(ay1a1)=a(xy1)a1aHa1
(b) eaH =a1H=aH. Inversement
aH=a1H=aH =H
La condition simple cherchée est aH.
Exercice 5 : [énoncé]
CGet eGcar
yG,ey=y=ye
Soient x,x0C. Pour tout yG
xx0y=xyx0=yxx0
donc xx0C
Soit xC. Pour tout yG,
xy1=y1x
donne
(xy1)1=(y1x)1
i.e.
yx1=x1y
donc x1C.
Ainsi Cest un sous-groupe de (G,).
Exercice 6 : [énoncé]
Posons H=fa,b|aC,bCet montrons que Hest un sous-groupe du groupe de
permutations (SC,).
IdC=f1,0H.
Z=az +bz=1
aZb
a
donc fa,b∈ SCet f1
a,b=f1/a,b/a. Ainsi H⊂ SCet
fH,f1H
Enfin fa,bfc,d(z)=a(cz +d)+b=acz +(ad +b) donc fa,bfc,d=fac,ad+b. Ainsi,
f,gH,fgH
On peut conclure.
Exercice 7 : [énoncé]
(a) Il est clair que i,fet gsont des permutations de E.
h(x)=x
x1=1+1
x1=11
1x
=f(g(f(x)))
donc h=fgfet donc h∈ SE.
De même k=fg∈ SEet `=gf∈ SE
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(b)
i f g h k `
i i f g h k `
f f i k `g h
g g `i k h f
h h k `i f g
k k h f g `i
` ` g h f i k
(c) Gest un sous groupe de (SE,)car Gcontient i, est stable par composition et par
passage à l’inverse.
De plus ce groupe n’est pas commutatif car gf,fg.
Exercice 8 : [énoncé]
Par l’absurde supposons
H1Ket K1H
Il existe hHtel que h<Ket kKtel que k<H.
On a h,kHKdonc hkHKcar HKsous-groupe.
Si hkHalors k=h1(hk)Hcar Hsous-groupe. Or ceci est exclu.
Si hkKalors h=(hk)k1Kcar Ksous-groupe. Or ceci est exclu.
Ainsi hk<HK. Absurde.
Exercice 9 : [énoncé]
(a) L’application ϕest à valeurs dans Aqui est un ensemble fini et au départ de Nqui est
infini donc ϕn’est pas injective.
(b) Par la non injectivité de ϕ, il existe nNet pNtel que ϕ(n+p)=ϕ(n).
On a alors x(n+p)=xnxp=xndonc xp=epar régularité de xnG.
Par suite x1=x(p1) A.
Aest non vide, stable pour et stable par inversion donc Aest un sous-groupe de
(G,).
Exercice 10 : [énoncé]
(a) aZZ, 0 =a.0aZ.
Soient x,yaZ, on peut écrire x=ak et y=a`avec k, ` Z.
xy=a(k`) avec k`Zdonc xyaZ.
Ainsi aZest un sous-groupe de Z.
(b) Pour a=0N,{0}=aZ.
(c) Puisque Hest non vide et non réduit à {0}, il existe hHtel que h,0.
Si h>0 alors hH+, si h<0 alors hH(car Hsous-groupe) et h>0 donc
hH+.
Dans les deux cas H+,.
H+est une partie non vide de Ndonc H+possède un plus petit élément.
(d) 0 Het aH.
Par récurrence, la stabilité de Hdonne
nN,a.n=a+· · · +aH
Par passage à l’opposé, la stabilité de Hpar passage au symétrique donne
nZ,an H
Ainsi aZH.
(e) Soit xH. La division euclidienne de xpar a,0 donne x=aq +ravec qZet
0r<a.
On a r=xaq avec xHet aq aZHdonc rH.
Si r>0 alors rH+or r<a=min H+donc cela est impossible.
Il reste r=0 ce qui donne x=aq aZ. Ainsi HaZet finalement H=aZ.
(f) L’existence est établie ci-dessus. Il reste à montrer l’unicité.
Soit a,bNtel que aZ=bZ. On a aaZ=bZdonc b|aet de même a|b, or
a,b0 donc a=b.
Exercice 11 : [énoncé]
Montrons que Vest un sous-groupe du groupe (C,×).
La partie Vest incluse dans Cet évidemment non vide.
Soient zV. Il existe nNtel que zn=1 et alors (z1)n=1 donc z1V.
Soient z,z0V. Il existe n,mNtels que zn=z0m=1. On a alors
(zz0)nm =(zn)m(z0m)n=1 et donc zz0V.
Finalement Vest bien un sous-groupe de (C,×) et donc (V,×) est un groupe.
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