Les groupes sont not´es multiplicativement et on note 1 l’´el´ement neutre.
Si Gest un groupe, pour tout adans G, on note hai=©ak|k∈Zªle sous groupe de Gengendr´e
par a.
Si haiest infini, on dit alors que aest d’ordre infini dans G, sinon on dit que aest d’ordre fini
dans Get l’ordre de aest θ(a) = card (hai).
Tous les groupes consid´er´es dans cette section sont finis avec au moins deux ´el´ements.
Pour tout entier naturel n≥2,on note Zn=Z/nZl’anneau des classes r´esiduelles modulo n, Z×
n
le groupe multiplicatif des ´el´ements inversibles de cet anneau et ϕ(n) le nombre d’´el´ements de Z×
n
(indicateur d’Euler). On pose ϕ(1) = 1.
Si kest un entier relatif, on note k=k+nZla classe de kdans Zn.
1. Soient Gun groupe fini et Hun sous-groupe. On rappelle que la relation gvhsi et seulement
si g−1h∈Hest une relation d’´equivalence sur G. L’ensemble quotient G
Hest l’ensemble des
classes `a gauche selon H:
gH ={gh |h∈H},
o`u gd´ecrit G. Le cardinal de G
Hest not´e [G:H] et appel´e l’indice de Hdans G.
(a) Montrer que pour tout g∈Gla classe `a gauche gH est de cardinal ´egal `a celui de H.
(b) Montrer que l’ordre de Hdivise celui de G(th´eor`eme de Lagrange).
2. Quelques applications du th´eor`eme de Lagrange.
(a) Montrer qu’un groupe fini de cardinal premier est cyclique.
(b) Petit th´eor`eme de Fermat. Soit pun nombre premier. Montrer que pour tout entier relatif
k, kp−kest divisible par p.
(c) Th´eor`eme d’Euler.
i. Montrer que pour tout entier naturel n≥2, ϕ (n) est le nombre de g´en´erateurs du
groupe cyclique (Zn,+) .
ii. Montrer que pour tout entier naturel n≥2, ϕ (n) est le nombre d’entiers compris
entre 1 et npremiers avec n.
iii. Montrer que pour tout entier relatif kpremier avec n, kϕ(n)−1 est divisible par n.
(d) Sous-groupes d’un groupe cyclique. On se donne un entier n≥2.
i. Montrer que les sous-groupes de (Zn,+) sont cycliques d’ordre un diviseur de n.
ii. Montrer que pour tout diviseur dde n, il existe un unique sous-groupe d’ordre dde
(Zn,+) .
(e) Montrer que si x, y sont deux ´el´ements d’un groupe fini Gd’ordres respectifs pet qpremiers
entre eux tels que xy =yx, alors xy est d’ordre pq. Si pet qne sont pas premiers entre
eux, xy est-il d’ordre p∨q?
(f) Soient Gun groupe commutatif et x, y deux ´el´ements de Gd’ordres respectifs pet q.
Montrer qu’il existe dans Gun ´el´ement d’ordre p∨q.
(g) Soient Gun groupe commutatif fini et µle plus grand des ordres des ´el´ements de G
(l’exposant de G). Montrer que pour tout x∈Gon a xµ= 1.
(h) Montrer que si Kest un corps commutatif, alors tout sous-groupe fini de K∗est cyclique.
En particulier, Z∗
pest cyclique pour ppremier.
(i) Diviseurs premiers des nombres de Fermat. On d´esigne par pun diviseur premier d’un
nombre de Fermat Fnet on suppose que p6=Fn.
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