Développement: Théorème de Frobenius-Zolotarev
Adrien Fontaine
4 avril 2013
Référence : Objectif Agrégation
Théorème 1
Soit p≥3un nombre premier et Vun Fpespace vectoriel de dimension finie. Alors, tout
u∈GL(V)est une permutation de Vdont on note ε(u)la signature. Le théorème de Frobenius-
Zolotarev affirme que
ε(u) = det(u)
p!
où (.
p)désigne le symbole de Legendre ((x
p)=1si xest un carré dans Fpet −1sinon).
Démonstration : On sait que la restriction de εàGL(V)est un morphisme de groupes à valeurs
dans {−1,1}. Montrons le lemme suivant :
Lemme 1
Tout morphisme de GL(V)→ {−1,1}se factorise de manière unique par le déterminant.
Démonstration : Soit Φun morphisme de GL(V)dans {−1,1}. Comme p≥3, le groupe
dérivé de GL(V)est SL(V). Ainsi, on a Φ(SL(V)) = 1. En effet, soit v∈SL(V) =
D(GL(V)).vs’écrit par définition du groupe dérivé, sous la forme v=v1...vnoù les
visont des commutateurs (i.e de la forme vi=figif−1
ig−1
i). Par conséquent, Φ(vi) =
Φ(fi)Φ(gi)Φ(fi)−1Φ(gi)−1. Comme Z/2Zest commutatif, on a Φ(vi)=1et donc Φ(v)=1.
Donc, SL(V)⊂Ker(Φ).
SL(V) = D(GL(V)) donc SL(V)est distingué dans GL(V). Notons Πla surjection ca-
nonique de GL(V)dans SL(V). D’après le premier théorème d’isomorphisme, il existe un
morphisme Φ : Gl(V)/SL(V)→Z/2Ztel que Φ = Φ ◦Π.
Il s’agit maintenant d’exprimer Πen fonction du déterminant. On sait que le noyau du
déterminant est (par définition) SL(V).det étant un morphisme surjectif de GL(V)dans
F∗
p, on a, toujours d’après le premier théorème d’isomorphisme, l’existence d’un isomor-
phisme f:GL(V)/SL(V)→F∗
ptel que det =f◦Π. Et fétant un isomorphisme, on a
donc Π = f−1◦Π.
En conclusion, on a donc Φ = (Φ ◦f−1)◦det. En posant, g= Φ ◦f−1, on a donc montré
l’existence d’un g:F∗
p→Z/2Ztel que Φ = g◦det,i.e qui factorise Φpar le déterminant.
Prouvons maintenant l’unicité de g. On a Φ = g◦det. Soit g0tel que Φ = g0◦det. Soit
x∈F∗
p. Par surjectivité du déterminant, il existe a∈GL(V)tel que x=det(a). Alors,
g(x) = g◦det(a) = Φ(a) = g0◦det(a) = g0(x).
Le lemme que l’on vient de démontrer nous permet d’affirmer l’existence d’un unique morphisme
g:F∗
p→Z/2Ztel que ε=g◦det. Le lemme suivant nous permet de voir que gest soit le
morphisme trivial, soit le symbole de Legendre.
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