©Arnaud de Saint Julien - MPSI Lycée La Merci 2016-2017 2
3. On note Kle groupe de Klein vu ci-dessus. On définit une application fde Gsur Ken posant
f(1) = id, f(a) = sd, f(b) = sd′et f(c) = −id. Cette application est même une bijection de
Gsur K.
On f(ab) = f(c) = −id = sd◦sd′=f(a)◦f(b).
De même, f(ac) = f(b) = sd′=sd◦ − id = f(a)◦f(c). On montre de la même façon que
pour tout xet yde G, on a f(xy) = f(x)◦f(y). Cela prouve que fest un morphisme, et
comme fest bijective, c’est un isomorphisme de Gsur K.
2 Facultatif
Exercice 3 (Un théorème de Lagrange) Soit (G, ×) un groupe commutatif de cardinal n.
1. Soit g∈G. Démontrer que l’application f:G→Gdéfinie par f(x) = gx est une bijection.
Soit y∈G. On a y=f(x)⇐⇒ y=gx ⇐⇒ g−1y=x. L’application fest donc bijective.
2. En déduire que gn=een calculant de deux façons différentes le produit Y
x∈G
gx.
D’une part, Y
x∈G
gx =Y
x∈G
gY
x∈G
x=Y
x∈G
g×xn.
D’autre part, Y
x∈G
gx =Y
x∈G
f(x) = Y
y∈G
y=Y
x∈G
gcar fest une bijection de Gdans G. Ainsi
Y
x∈G
g×xn=Y
x∈G
gd’où xn=e.
3. En déduire les sous-groupes finis de C∗.
Soit Gun sous-groupe fini de C∗de cardinal n. Alors d’après le théorème de Lagrange, pour
tout zdans G, on a zn= 1, autrement dit z∈Un. Ainsi G⊂Un. Réciproquement, pour
tout n∈N∗,Unest bien un sous-groupe fini de C∗.
Exercice 4 (Groupe cyclique d’ordre 4) Soit (G, ×) un groupe de cardinal 4. On sait d’après
le théorème de Lagrange (exercice 3) que ∀x∈G, x4= 1. On appelle ordre de xle plus petit
entier k∈N∗tel que xk= 1.
1. Soit x∈Gdifférent de 1. On note pson ordre. Démontrer que p∈ {2,4}.
Comme x4= 1, on a p64. Si p= 3, alors x3= 1 et donc en multipliant par x, on obtient
x4=x, d’où 1 = x, ce qui est faux. Enfin p6= 1 car sinon x= 1, donc p∈ {2,4}.
2. Que dire du groupe Gsi tout élément de Gdifférent de 1 est d’ordre deux ? Dans ce cas,
d’après l’exercice 2, Gest isomorphe au groupe de Klein K.
3. On suppose qu’il existe x∈Gd’ordre 4.
(a) Justifier que les éléments 1, x, x2, x3de Gsont 2 à 2 distincts.
Déjà x6= 1, x26= 1 et x36= 1 car sinon l’ordre de xne serait pas égal à 4.
Si x=x2, alors en multipliant par x−1, on obtient 1 = x, ce qui est faux. De même si
x=x3, on a 1 = x2, faux. Enfin, si x2=x3, en multipliant par l’inverse de x2, on a
1 = x, faux.
Ainsi Gqui possède 4 éléments contient l’ensemble {1, x, x2, x3}lui aussi à 4 éléments.
Onen déduit que G={1, x, x2, x3}.
(b) En déduire que Gest isomorphe à U4. On considère l’application f:G→U4définie
par f(1) = 1, f(x) = i, f(x2) = −1 et f(x3) = −i.
L’application fest par construction une bijection de Gsur U4. Reste à vérifier que c’est
un morphisme.
Remarquons que −1 = i2et −i=i3. On a donc par récurrence immédiate que pour
tout k∈N,f(xk) = ik. On a donc pour tout ket ndans N:
f(xk×xn) = f(xk+n) = ik+n=ik×in=f(xk)×f(xn).
Ceci montre que fest un morphisme.
Nous avons donc achever la classification des groupes d’ordre quatre : à isomorphisme près,
ils sont de deux types : soit isomorphe au groupe de Klein, soit isomorphe au groupe des racines
4-ièmes de l’unité.