Licence Math´ematiques 3`eme ann´ee
COURS DE THEORIE DES GROUPES
Nicolas JACON
Universit´e de Franche Comt´e
Table des mati`eres
1 Notions fondamentales sur les Groupes 3
1.1 Premi`eres d´efinitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2 Sous-groupes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.3 Homorphismes de groupes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.4 Sous-groupes engendr´es . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2 Groupes quotients 18
2.1 Relations d’´equivalence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.2 Sous-groupes normaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.3 Groupes quotients . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.4 Exemple fondamental : les groupes quotients de Z. . . . . . . 26
3 Th´eor`emes de Sylow 29
3.1 Actions de groupes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.2 Th´eor`emes de Sylow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
4 Groupes sym´etriques 37
4.1 G´en´eralit´es . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
4.2 Permutations d’un ensemble fini . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
4.3 Signature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
5 Produits directs et Produits semi-directs 46
5.1 Produits directs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
5.2 Produit semi-direct . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
5.3 Compl´ement 1 : Produit semi-direct externe . . . . . . . . . . 50
5.4 Compl´ement 2 : Le groupe di´edral . . . . . . . . . . . . . . . . 52
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Chapitre 1
Notions fondamentales sur les
Groupes
1.1 Premi`eres d´efinitions
Rappellons tout d’abord qu’une loi de composition sur un ensemble Eest
la donn´ee d’une application :
:E×EE
(x, y)7→ xy
D´efinition 1.1.1 Un groupe Gest un ensemble non vide muni d’une loi de
composition :E×EEv´erifiant :
1. “” est associative, c’est `a dire :
(x, y, z)E3,(xy)z=x(yz).
2. “ admet un ´el´ement neutre eG, c’est `a dire :
eGG, xG, eGx=xeG=x.
3. Tout ´el´ement xde Gadmet un inverse not´e x1, c’est `a dire :
xE, x1E, x x1=x1x=eG.
On dira de plus que le groupe (G, ) est commutatif (ou ab´elien) si la loi de
composition ” est commutative, c’est `a dire :
(x, y)E2, x y=yx.
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1.1. Premi`eres d´efinitions
Par abus de notation, la plupart du temps, nous noterons Gau lieu de (G, )
pour d´esigner un groupe. Il faut n´eanmoins bien avoir en tˆete que la structure
de groupe d´epend des deux donn´ees : celle de l’ensemble Get celle de la loi
de composition ”.
Remarquons que l’´el´ement neutre eGd’un groupe Gest unique ainsi que
l’inverse d’un ´el´ement. Traditionellement, la loi “ ” est souvent not´ee mul-
tiplicativement c’est `a dire qu’on remplace ” par “.” dans la d´efinition ci-
dessus (on omettra mˆeme parfois “.” de sorte que x.y sera not´e xy), l’´el´ement
neutre est alors parfois not´e 1. Cependant, dans le cas ou Gest commutatif
(et seulement dans ce cas !), on utilisera parfois une notation additive : on
remplace alors par + dans la d´efinition ci-dessus, l’´el´ement neutre est alors
not´e 0 et l’inverse d’un ´el´ement xGest not´e x.
Exemple.
1. R(rep. Q) muni de l’addition est un groupe commutatif.
2. R(rep. Q) muni de la multiplication est un groupe commutatif.
3. Zmuni de l’addition est un groupe commutatif.
4. Zmuni de la multiplication n’est pas un groupe, 2 (par exemple)
n’ayant pas d’inverse dans Z.
5. Soit E={1,··· , n}alors l’ensemble des bijections de Edans E, muni
de la loi de composition est un groupe (d’´element neutre l’identit´e), non
commutatif en g´en´eral, et appel´e groupe sym´etrique. On le note Sn.
6. L’ensemble GLn(R) des matrices carr´ees n×ninversibles `a coefficients
dans Ret muni de la multiplication est un groupe non commutatif en
g´en´eral. L’´el´ement neutre est la matrice identit´e.
7. L’ensemble Mn(R) des matrices carr´ees n×n`a coefficients dans Ret
muni de la multiplication n’est pas un groupe en g´en´eral (la matrice de
Mn(R) possedant tous ses coefficents nuls n’est pas inversible).
8. Plus g´en´eralement, si Vest un espace vectoriel sur un corps k(=Rou
C), l’ensemble des bijections lin´eaires GLk(V) muni de la composition
est un groupe, non commutatif en g´en´eral.
Parmi les exemples ci-dessus, le groupe Zposs`ede des propri´et´es parti-
culi`eres, entre autre une autre loi : la multiplication qui donne une structure
plus riche `a cet ensemble : c’est un anneau (cf le cours du 2`eme semestre).
Nous nous servirons dans la suite particuli`erement des propri´et´es suivantes
(il est ici tres important de les maˆıtriser).
Zest muni de la division euclidienne c’est `a dire que pour tout nZ
et mZ, il existe qZet rNtel que 0 r < |m|et tel que :
n=mq +r.
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1.1. Premi`eres d´efinitions
Pour nZet mZtous les deux non nuls, on note pgcd(m, n), le
plus grand (au sens de la divisibilit´e) entier positif divisant met n.
C’est aussi l’entier positif cv´erifiant :
xZ, x|met x|nx|c.
Si pgcd(m, n) = 1 alors on dit que met nsont premiers entre eux.
Le th´eor`eme de Gauss : si aest premier avec bet divise bc alors il divise
c.
Revenons `a la structure de groupe. Donnons quelques r`egles et remarques
relatives aux calculs dans un groupe G.
On a e1
G=eGet pour tout xG, on a (x1)1=x.
Pour tout (x, y, z)G3, on a :
xy =xz =y=zet yx =zx =y=z.
– Par la r`egle d’associativit´e, il est inutile de garder les parenth`eses
dans une expression. Ainsi, un produit quelconque d’´el´ements xi(i=
1,··· , n) de Gsera not´e x1x2···xn.
Si xet ysont deux ´el´ements de Galors xyy1x1=eG. Il suit que
(xy)1=y1x1qui est diff´erent de x1y1en g´en´eral (si le groupe
n’est pas commutatif).
Pour xG, on notera xnl’´el´ement x···xx
|{z }
nfois
si n est positif avec comme
convention x0=eG. Pour nn´egatif, on note xn= (x1)n. On a alors
les regles de calculs :
xmxn=xm+net (xn)m=xmn.
D´efinition 1.1.2 On dit qu’un groupe Gest fini si il comporte un nombre
fini d’´el´ements. L’ordre de Gnot´e o(G) est par d´efinition le cardinal de G.
Si Gcomporte un nombre infini d’´el´ements, on dit que Gest d’ordre infini.
Exemple.
1. Le nombre de bijections de {1,··· , n}dans {1,··· , n}´etant ´egal `a n!,
on en d´eduit que le groupe sym´etrique Snest un groupe fini d’ordre
n!.
2. On consid`ere l’ensemble {0,1}muni d’une loi interne not´ee “+” et
d´efinie par 0 + 0 = 0, 0 + 1 = 1 + 0 = 1 et 1 + 1 = 0. Il est imm´ediat
de v´erifier qu’on obtient une structure de groupe commutatif d’ordre
2. Ce groupe sera not´e Z/2Zdans la suite.
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