Développement: Théorème de Frobenius-Zolotarev
Adrien Fontaine
4 avril 2013
Référence : Objectif Agrégation
Théorème 1
Soit p3un nombre premier et Vun Fpespace vectoriel de dimension finie. Alors, tout
uGL(V)est une permutation de Vdont on note ε(u)la signature. Le théorème de Frobenius-
Zolotarev affirme que
ε(u) = det(u)
p!
(.
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 p3, le groupe
dérivé de GL(V)est SL(V). Ainsi, on a Φ(SL(V)) = 1. En effet, soit vSL(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=figif1
ig1
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 =fΠ. Et fétant un isomorphisme, on a
donc Π = f1Π.
En conclusion, on a donc Φ = f1)det. En posant, g= Φ f1, on a donc montré
l’existence d’un g:F
pZ/2Ztel que Φ = gdet,i.e qui factorise Φpar le déterminant.
Prouvons maintenant l’unicité de g. On a Φ = gdet. Soit g0tel que Φ = g0det. Soit
xF
p. Par surjectivité du déterminant, il existe aGL(V)tel que x=det(a). Alors,
g(x) = gdet(a) = Φ(a) = g0det(a) = g0(x).
Le lemme que l’on vient de démontrer nous permet d’affirmer l’existence d’un unique morphisme
g:F
pZ/2Ztel que ε=gdet. Le lemme suivant nous permet de voir que gest soit le
morphisme trivial, soit le symbole de Legendre.
1
2
Lemme 2
Soit p3un nombre premier. Le symbole de Legendre (.
p) : F
p→ {−1,1}est l’unique morphisme
non trivial de F
pdans {−1,1}.
Démonstration : F
pest cyclique. Soit αun générateur de F
p. Alors, un morphisme σ:F
p
{−1,1}est entièrement déterminé par σ(α). On a alors deux cas :
Si σ(α)=1, alors xF
p, σ(x)=1et donc σest le morphisme trivial.
Si σ(α) = 1, alors pour tout xF
p,σ(x)=1, si, et seulement si, xest une
puissance paire de α. Or, les puissances paires de αsont exactement les carrés de
F
p, et donc σest le symbole de Legendre.
Il reste maintenant à voir que gest non trivial, et on aura alors montré que gest le symbole de
Legendre. Si gétait trivial, alors on aurait pour tout uGL(V),ε(u) = g(det(u)) = 1. Il s’agit
donc d’exhiber un élément uGL(V)tel que ε(u) = 1.
Notons dla dimension de Ven tant que Fpespace vectoriel. Alors, si q=pd,Vet Fqsont
isomorphes en tant que Fpespaces vectoriels. Il suffit donc de trouver une bijection de Fqqui soit
Fplinéaire et de signature -1. Soit βun générateur du groupe multiplicatif F
q. La multiplication
par βest clairement une bijection Fp-linéaire. Par ailleurs, elle est égale au cycle (β, β2, ..., βq1)
qui est de taille q1, et donc de signature (1)q=1.
gest donc le symbole de Legendre et donc :
uGL(V), ε(u) = det(u)
p
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