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Table de caractères et étude des sous-groupes distingués d’un groupe fini G.
[Pey]
Soit Gun groupe de cardinal fini et rson nombre de classes de conjuaison. On note χ1, . . . , χr,
les rcaractères irréductibles associés à (φ1, V1),...,(φr, Vr)qui sont rreprésentations irréduc-
tibles non isomorphes constituant un système de représentants des représentations irréductibles
de G. Toute représentation irréductible ρ:GGL(V)est donc isomorphe à une unique
représentation irréductible φi:GGL(Vi)pour i[[1, r]].
Proposition 1. Soit Vun C-ev, dimC(V) = net ρ:GGL(V)une représentation de G.
1. Kχ={gG|χV(G) = χV(1G) = dimC(V) = n}=Ker(ρ)et Kχ G.
2. H  G il existe ρ:GGL(V)tel que H=Ker(ρ) = KχV.
Démonstration. :
Etape 1 : montrons que Ker(ρ) = {gG|χV(G) = χV(1G)}. Soit gKer(ρ), alors ρ(g) = Id
et χV(g) = Tr(ρ(g)) = Tr(Id) = n=χV(1) = dim(V). Inversement, supposons que gGet
vérifie χV(g) = χV(1). Alors, pour gGon a :
Id =ρ(1) = ρ(gcard(G)) = ρ(g)card(G)et Xcard(G)1annule ρ(g)
Ainsi, ρ(g)est donc diagonalisable sur Ccar annulé par un polynôme scindé à racines simples de
C[X]. Les valeurs propres de ρ(g)notées λ1, . . . , λncomptées avec multiplicité sont des racines de
l’unité car des racines du polynôme annulateur Xcard(G)1. Comme
n
P
i=1
λi=χV(g) = χV(1) = n
on a |
n
P
i=1
λi|=
n
P
i=1
|λi|=net il y a égalité dans l’inégalité triangulaire. Nécessairement, pour tout
i6=j, il existe αi,j >0tel que λi=αi,j λjet par simple passage au module on a αi,j = 1. Ainsi,
tous les λisont égaux notés λet finalement
n
P
i=1
λ==n=λ= 1 =ρ(g)est semblable à Id, puis ρ(g) = Id
De plus Kχ=Ker(ρ)est distingué dans Gcomme noyau d’un morphisme de groupe.
Etape 2 : Supposons que Hsoit le noyau d’une représentation de G, alors naturellement H  G.
Inversement, supposons H  G, alors G/H est muni d’une structure de groupe et l’on note
m= [G:H]son cardinal. Considérons, la représentation régulière de G/H. En indéxant par
G/H, les éléments de la base canonique de Cm, cette représentation est on le rappelle définit
par :
ρ:G/H GL(Cm)
g7−ρ(g) : es7−eg.s
et est fidèle, i.e injective. En effet, l’égalité ρ(g) = Id implique alors : sG, g.s =s=g= 1.
En considérant la composée ρ1=ρππ:GG/H désigne la projection canonique de G
sur G/H, on a : Ker(ρ1) = {gG|ρ(g) = Id}={gG|g= 1}=H. D’où le résultat.
Le théorème suivant va préciser comment déterminer les sous-groupes distingués de G, à l’aide
de l’étude de la table de caractère :
Théorème 1. Soit Gun groupe fini. Avec les notations précédentes, les sous-groupes distingués
de Gsont exactement les intersections T
iI
Kχipour I[[1, r]].
Démonstration. :
Etape 1 : Supposons H  G. Alors il existe une représentation ρ:GGL(V)telle que
H=Ker(ρ) = KχV. Or, toute représentation se décomposant en somme directe de sous-
représentations irreductibles, il existe des sous-espaces W1, . . . , WmG-stables et irréductibles
tels que V=
m
L
i=1
Wi. Ainsi, pour x=x1+. . . +xm
m
L
i=1
Wiet gG, on a :
ρ(g)(x) = ρ1(g)(x1) + . . . +ρm(g)(xm)avec ρi:GGL(Wi)définie par ρi(g) = ρ(g)|Wi
Objectif : montrons que Ker(p) =
m
T
i=1
Ker(ρi). Pour x=x1+. . .+xmW1. . .Wmet gG
on a : ρ(g)(x) = xρ1(g)(x1)+. . .+ρm(g)(xm) = x1+. . .+xm. Par unicité de la décomposition
d’un élément dans V=W1. . . Wm, il vient : ρ(g)(x) = x⇒ ∀i[[1, m]], ρi(g)(xi) = xi
soit :
2
Ker(p) =
m
T
i=1
Ker(ρi).
Enfin, parmi les représentations (ρi, Wi), il y en a exactement ai=< χV, χi>N, isormorphes à
la représentation irréductible (φi, Vi). Deux représentations isomorphes, ayant le même caractère,
d’après la proposition 1, elles ont en particulier le même noyau et donc, dans l’intersection
définissant Ker(ρ), il y a pour j[[1, r]] exactement ajnoyaux égaux à Kχj. Il vient donc :
Ker(ρ) = KχV=T
iI
Kχipour I={i[[1, r]] |ai6= 0} ⊂ [[1, r]].
Etape 2 : Inversement si H=T
iI
Kχi, alors Hest un sous-groupe distingué de Gcomme
intersection de sous-groupes distingués de G.
Sous-groupes distingués de D4.
Application 1. La table de D4:
D4C1C2C3C4C5
nbre d’éléments 1 1 2 2 2
représentants Id r2r s sr
χ11 1 1 1 1
χ21 1 11 1
χ31 1 111
χ41 1 1 11
χ522 0 0 0
donne exactement 4groupes distingués non triviaux :
• {Id, r2, rs, sr} ' Z/2Z×Z/2Z
• {Id, r2, s, sr2} ' Z/2Z×Z/2Z
• {Id, r, r2, r3} ' Z/4Z
• {Id, r2} ' Z/2Z.
Démonstration. :
Etape 1 : (A admettre) déterminons les classes de conjugaison de D4. La structure du groupe
diédral D4nous donne :
rs =sr1=r=sr1s=sr3set r, r3sont dans la même classe de conjugaison.
• {Id}est clairement une classe de conjugaison.
s=rsr =s=rsr5=r(sr2)r3=r(sr2)r1. Ainsi set sr2sont dans la même classe de
conjugaison. On vérifie de même facilement à l’aide de la relation s=rsr que les conjugués
de spar les éléments de D4sont exactement s, sr2. Soit C(s) = {s, sr2}.
Comme s2=1=sr =srs2et sr =s(rs)sd’où sr et rs sont dans la même classe de
conjugaison.
Par la formule des classes, les classes de conjugaison, ont un ordre qui divise 8et leur cardinal
est donc à chercher parmi {1,2,4,8}et {Id}constituant une classe de conjugaison, leur cardinal
est à chercher parmi {1,2,4}. De plus, {sr, rs}et {r, r3}ne pouvant pas se trouver dans la même
classe de conjugaison car rs, sr sont de déterminant 1, alors que r, r3sont de déterminant 1,
on dénombre au total 5classes de conjugaison que sont :
C1={Id}, C2={r2}, C3={r, r3=r1}, C4={s, sr2}, C5={sr, rs}={sr =sr3}.
On a donc (à isomorphismes de représentations près) exactement 5représentations irréductibles
pour D4dont on note (χi)1i5les caractères irréductibles où χ1désigne le caractère trivial.
Etape 2 : en notant (ni)1i5les degrés des représentations irréductibles, on a
5
P
i=1
n2
i= 8
ce qui implique (n1, n2, n3, n4, n5) = (1,1,1,1,2) et il y a ainsi 4représentations irréductibles
d’ordre 1pour lesquels les caractères associés sont en particulier des éléments du dual b
D4ie
des morphismes de D4dans Cet un caractère associé à une représentation irréductible d’ordre
2, noté χ5.
Méthode : Pour établir la table des caractères, il suffit de déterminer la valeur des caractères
sur les représentants {Id, r2, r, s, sr}des 5classes de conjugaison. Les (χi)1i4étant de degré 1,
ce sont des morphismes de groupes de D4Cet on a s2=Id =χi(s)2=1=χi(s) = ±1,
de même (rs)2=Id =χ(rs)2=1=χi(rs) = ±1. De plus,
3
χi(r) = χi(rs2) = χi(rs)χi(s)et donc χi(r)2=χi(r2) = 1 =χi(r) = ±1.
Les caractères (χi)1i4étant irréductibles non isomorphes, ils ne peuvent prendre les mêmes
valeurs sur l’ensemble des représentants {Id, r2, r, s, sr}, ce qui nous donne une table de la forme :
D4C1C2C3C4C5
nbre d’éléments 1 1 2 2 2
représentants Id r2r s sr
χ11 1 1 1 1
χ21 1 11 1
χ31 1 1 1 1
χ41 1 1 11
χ52 ? ? ? ?
On détermine la ligne correspondant à χ5, grâce aux relations d’orthogonalité :
D4C1C2C3C4C5
nbre d’éléments 1 1 2 2 2
représentants Id r2r s sr
χ11 1 1 1 1
χ21 1 11 1
χ31 1 1 1 1
χ41 1 1 11
χ522 0 0 0
Ainsi, on obtient :
Kχ1=D4
Kχ2={Id, C2, C5}={Id, r2, rs, sr} ' Z/2Z×Z/2Z.
Kχ3={Id, C2, C4}={Id, r2, s, sr2} ' Z/2Z×Z/2Z.
Kχ4={Id, C2, C3}={Id, r, r2, r3} ' Z/4Z.
Kχ5={Id}.
De plus, Kχ2Kχ3=Kχ2Kχ4=Kχ3Kχ4={Id, r2}. Les autres intersections nous donnant
les groupes déjà obtenus ci-dessus.
Rappel 1. Deux représentations ρ1:GGL(V1)et ρ2:GGL(V2)sont isomorphes si et
seulement si elles ont même caractère.
Rappel 2. D4=< r, s > avec r4=Id,s2=Id et sr1=rs rdésigne par exemple la rotation
de centre Oet d’angle π
2et sune réflexion préservant le carrée unité. On a en particulier :
D4={Id, r, r2, r3=r1
| {z }
rotations
, s, sr, sr2, sr3
| {z }
réflexions
}.
Application 2. Gest simple ssi i6= 1,g6= 1 G, χi(g)6=χi(1) où on a noté χ1le caractère
associé à la représentation triviale.
Démonstration. :
Etape 1 : Supposons qu’il existe g6= 1 et i6= 1 tel que χi(g) = χi(1). Alors, Kχiest donc un
sous-groupe distingué de Gnon trivial.
Etape 2 : Si Gn’est pas simple, alors il existe g6= 1 dans un sous-groupe N  G non trivial. Par
ce qui précède, N=T
iI
Kχipour I[[1, r]] et en particulier Nétant non trivial, gKχipour
un i[[2, r]] pour lequel on a donc χi(g) = χi(1) ce qui achève de montrer le résultat.
Référence : Algèbre discrète de la transformée de Fourier. Gabriel Peyré.
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