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L’algèbre et la théorie des groupes :
Al jabr tiré du titre d’un livre d’Al Khawarizmi
Étude de la résolution des équations algébriques et étude
des transformations géométriques.
Théorie basée sur la notion d’opération
Type de structures très utilisées en informatique :
arithmétique, arithmétique modulaire (taille des nombres
limitée), cryptographie, …
Bibliographie :
Eléments de théorie des groupes, J. Calais, PUF
Algèbre fondamentale et Arithmétique, G. Gras & M.N. Gras,
Ellipses
Loi interne : soit E un ensemble non vide. On appelle loi
interne sur E une application de E×E dans E. On note
généralement une loi interne + (ou .) et l’image d’un couple
(x,y) par cette loi est notée x+y (ou x.y) et non +(x,y).
L’ensemble E doté d’une loi interne + est noté (E,+) (et parfois
appelé magma).
Exemples : - sur N, f(x,y)=x+y est une loi interne, g(x,y)=x ×y aussi
- sur N, f(x,y)=x-y n’est pas une loi interne
Notes : - un ensemble peut admettre plusieurs lois internes
- une loi peut être externe
Une loi interne + de E est une relation ternaire R sur E×E×E et
une application (tout couple d'éléments de E a une image
unique) : x+y=z
(x,y,z)
R
Une loi externe + de E×E dans F est une relation ternaire R sur
E×E×F et une application : x+y=z
(x,y,z)
R
Attention : toute relation ternaire n'est pas une loi, car la loi a un
caractère applicatif, c'est-à-dire que tout couple d'éléments de
E a une image unique!
Commutativi: + sur E est commutative ssi pour tout x,y de
E, x+y=y+x
Associativi: + sur E est associative ssi pour tout x,y,z de E,
x+(y+z)=(x+y)+z
Distributivité : + sur E est distributive par rapport à ×
××
×sur E ssi
pour tout x,y,z de E, x+(y×z)=(x+y)×(x+z) (distributivité à
gauche) et (y×z)+x=(y+x)×(z+x) (distributivité à droite).
Exemples : - dans N, + est commutative, associative mais pas
distributive par rapport à
×
(par contre,
×
est
commutative, associative et distributive par rapport à +)
- dans N, L définie par xLy=2x+y n’est ni commutative ni
associative
Élément neutre :+ sur E admet un élément neutre e ssi pour
tout x de E, x+e=e+x=x
Élément inversible :+ sur E admettant un élément neutre e, x
de E est dit inversible ssi il existe x de E tel que x+x’=x’+x=e.
x’ est appelé inverse de x dans (E,+)
Exemples : - dans N muni de l’addition, l’élément neutre est 0. Aucun
élément n’est inversible
- dans Z muni de l’addition, l’élément neutre est 0 et tout
élément est inversible
- dans Q muni de la multiplication, l’élément neutre est 1, tout
élément est inversible
Théorème1 : 1- si un élément neutre existe, il est unique et est
son propre inverse
2- + étant associative, si xE est inversible, son
inverse y est unique et y est inversible
d’inverse x
Preuve : 1- si e et e’ sont éléments neutres, pour tout x,
e+e’=e+e’=e=e’
2- - si z et y inverses de x, x+y=y+x=e et x+z=z+x=e.
+ étant associative, y=y+e=y+(x+z)=(y+x)+z=e+z=z
- y+x=x+y=e
2
Monoïde : un ensemble E muni d’une opération interne +
associative et possédant un élément neutre est un monoïde
Exemple : - l’ensemble des mots écrits avec un alphabet A muni de
l’opération interne de concaténation est un monoïde
Groupe : un ensemble E muni d’une opération interne +
associative, possédant un élément neutre et pour laquelle tout
élément de E possède un inverse est un groupe
Note : - un groupe est un monoïde où tout élément est inversible
Exemples : - (N,+) et (Z,
×
) sont des monoïdes
- (Z,+) et (Q*,
×
) sont des groupes
- (Z,-) n'est pas un groupe
Groupe additif :
un groupe doté d’une loi interne notée +, nommée addition, et d’un
élément neutre noté 0 est appelé groupe additif. L’inverse d’un élément x
est noté –x et appelé l’opposé de x.
Groupe multiplicatif
un groupe doté d’une loi interne notée ., nommée multiplication, et d’un
élément neutre noté 1 est appelé groupe multiplicatif. L’inverse d’un
élément x est noté x-1 et appelé l’inverse de x.
Notes : - x0=1 et xn=x. .. . x n fois
- xn.xm=xn+m et (xn)m= xn.m
Note : - un élément (x1.x2).x3 peut être écrit x1.x2.x3 du fait de
l’associativité de .
Groupe fini –Ordre d’un groupe : un groupe est dit fini s’il a un
nombre fini d’éléments. Le cardinal d’un groupe fini est appelé
ordre du groupe (noté |G| ou o(G)).
Inverse : dans un groupe, l’inverse d’un élément x1.x2. .. .xnest
En effet, rien n'oblige dans la définition d'un groupe à ce que
l'opération soit commutative
xn-1.xn-1-1. .. .x1-1
Groupe abélien : un groupe est dit abélien (ou commutatif), si
sa loi interne est commutative
Exemple : - (N,+) est un groupe abélien
Groupe de permutations : l’ensemble des permutations d’un
ensemble E (c’est-à-dire des bijections de E dans E), noté SE,
muni de l’opération de composition est un groupe :
la composition est interne (la composition de deux permutations est une
permutation) et associative
la composition admet Id pour élément neutre
toute permutation a pour inverse -1, la permutation réciproque qui
remet les éléments dans l’ordre initial.
Pour un ensemble de n éléments, le groupe est noté Sn(il est
parfois appelé le groupe symétrique Sn).
Exemple de la permutation de 3 éléments : 123 transforme (x,y,z) en (x,y,z),
132 transforme (x,y,z) en (x,z,y), 321 transforme (x,y,z) en (z,y,x), ….
=> S3= { 123, 132, 213, 231, 321, 312}
La composition des permutations n'est pas commutative :
par exemple 132 o 231 transforme (a,b,c) en (c,b,a) mais 231 o 132 transforme
(a,b,c) en (b,a,c)
(a,b,c) 132 (a,c,b) 231 (c,b,a)
(a,b,c) 231 (b,c,a) 132 (b,a,c)
Les groupes de permutations ne sont donc pas abéliens
3
Les images des couples d’éléments d’un groupe fini (G,.) par
l’opération . peuvent être organisées dans une table.
132
231
321
123
213
312
312
213132123321312312
123231213312321321
312123132231213213
132321312213231231
231312321123132132
321213231132123123
321213231132123
o
Table de Cayley du groupe de permutations S3
Congruence : soit n entier positif. Deux éléments x et y de Z
sont dit congruents modulo n si x-y=nz où z Z. On note xy
(mod n). La relation de congruence est une relation
d’équivalence.
L’existence de la division euclidienne dans Z implique que pour
tout x de Z et n de N*, il existe p et q tels que x = pn+q. Donc, x
est congruent modulo n au reste de sa division par n.
La classe d’équivalence d’un élément x pour la relation
« modulo n » est la même que celle de son reste par la division
modulo n. Les classes d’équivalence sur Z de la relation
« modulo n » sont donc celles de 0,1, .. , n-1
Z/nZ est l’ensemble quotient de Z par la relation « modulo n ».
Z/nZ = {0,1, .. ,n-1} où i est la classe d’équivalence de i.
Exemples : - Z/2Z = {0, 1}
- Z/3Z = {0, 1, 2}
Proposition 1 : Z/nZ est un groupe abélien pour la loi interne
x+y=x+y
Preuve : montrons que + est une application (et donc une loi
interne). Si x = x’ et y = y’, k Z tel que x’ – x = kn et l Z
tel que y’ – y = ln. Donc x’ + y’ – (x + y) = (k + l)n, donc x’ + y’ =
x + y. Montrons que + dans Z/nZ est associative. x + (y + z) = x
+ (y + z) = x + (y + z) = (x + y) + z = (x + y) + z = (x + y) + z
Suite de la preuve : l’élément neutre de Z/nZ est 0 car x + 0 =
x + 0 = x. Tout élément x a pour opposé n-x : x+n–x = x+n–x =
n = 0 . Le groupe ainsi défini est abélien car (Z,+) est abélien :
x+y = x+y = y+x = y+x.
Arithmétique des ordinateurs : en considérant la représentation
des entiers sur 4 octets, soit 32 bits, avec le premier bit qui
donne le signe, on a une arithmétique sur le groupe Z/232Z,
avec pour chaque nombre, un représentant dans [-231,231-1] et
le signe.
Sous-groupe : (G,.) étant un groupe, une partie H de G est un
sous-groupe de G si pour tout x,y de H, x.y H et pour tout x
de H, x-1 H.
Notes : - la définition d’un sous-groupe implique que l’élément
neutre appartienne au sous-groupe
- tout sous-groupe d’un groupe G est un groupe pour la
loi induite par G
- un groupe G contenant plus d’un élément (l’élément
neutre e) a au moins 2 sous-groupes : G et {e}
Sous-groupe propre : on appelle sous-groupe propre d’un
groupe G tout sous-groupe différent de G
Proposition 2 : les sous-groupes de (Z,+) sont les nZ={nx, xZ}
Preuve : les nZ sont clairement des sous-groupes de G.
Montrons que tout sous-groupe de G est de cette forme. Soit G
un sous-groupe de Z. Notons a le plus petit des entiers positifs
de G. Alors, pour tout n de N, na est dans G. Supposons qu’il
existe un b dans G, positif et non multiple de a. b est donc
encadré par deux multiples de a, na < b < (n+1)a. Donc b – na
G et b – na < a, ce qui est contradictoire.
Notes : - soit deux entiers positifs a et b. aZ
bZ est un sous-groupe de Z,
donc il existe un m de N tel que aZ
bZ = mZ. m = ppcm
(a,b)
- le pgcd de a et b est le n tel que nZ = aZ+bZ={g
Z, il existe xaZ
et ybZ et g=x+y}
4
Exemple : - dans le groupe S3des permutations de 3 éléments muni de la
composition, { 123, 132} est un sous-groupe de S3
Théorème 2 : si G est un groupe et {Hi}iIune famille de sous-
groupes de G, alors iIHiest un sous-groupe de G
Preuve : posons H = iIHi. Si deux éléments x et y
appartiennent à H, ils appartiennent à tous les Hi et x.y aussi,
donc x.y appartient à H = iIHi. Si x appartient à H, il
appartient à tous les Hi, et donc x-1 appartient à tous les Hiet
donc x-1 appartient à H.
Théorème 3 : si G est un groupe et {Hi}iI une famille de sous-
groupes de G totalement ordonnée par l’inclusion, alors iI
Hiest un sous-groupe de G
Preuve : posons H = iIHi. Si x, y sont dans H, il existe i et j
dans I tels que x Hiet y x Hj. On a Hi Hj(ou HjHi)
puisque H est totalement ordonné par . Donc x.y Hj(ou Hi)
et donc à H et de même x-1 H.
Note : - (2Z,+) et (3Z,+) sont des sous-groupes de (Z,+) mais 2Z 3Z n’est
pas un sous-groupe (par exemple, 2+9=11).
Sous-groupe engendré : soit G un groupe et H une partie non-
vide de G. Le sous-groupe de G engendré par H, noté <H>, est
le plus petit sous-groupe de G contenant H.
Proposition 3 : <H> = iIHioù les Hisont les sous-groupes de
G contenant H.
Preuve : iIHiest un sous-groupe (théorème 2), et il contient
clairement H. Montrons que c’est le plus petit vérifiant cette
propriété. S’il existe M sous-groupe de G tel que H M ⊆ ∩iI
Hi, alors M est un sous-groupe contenant H et iIHiM donc
M = iIHi.
Exemple : - dans le groupe S3des permutations de 3 éléments muni de la
composition, < 231>={ 231, 312,123} et < 231,213>=S3
132
231
321
123
213
312
312
213132123321312312
123231213312321321
312123132231213213
132321312213231231
231312321123132132
321213231132123123
321213231132123
o
Théorème 4 : H étant une partie non vide d’un groupe (G,.),
<H> = {x1. .. .xn; n N* et xiou xi-1 H pour tout i}
Preuve : notons S = {x1. .. .xn; n N* et xiou xi-1 H pour tout
i}. Tout élément de H est dans S donc H S. Montrons que S
est un sous-groupe de G. Pour tout élément x1. .. .xnde S,
xn-1. .. .x1-1 est dans S par construction. Pour tout couple (x,y)
d’éléments de S, x.y est aussi dans S par construction. Donc S
est un sous-groupe de G et il contient H, donc <H> S. De
plus, tout sous-groupe de G contenant H contient
nécessairement les éléments de S, donc S <H> et donc
S=<H>.
Partie génératrice : si une partie H d’un groupe G est telle que
<H>=G, H est dite partie génératrice de G (on dit aussi que H
engendre G).
Exemple : - <231,213>=S3 donc { 231,213} est une partie génératrice de S3
Groupe monogène : si il existe dans un groupe G un élément x
tel que <x>=G, G est dit monogène (on note <x> plutôt que
<{x}>).
Exemple : - Z, pour l’addition, est un groupe monogène car <1>=Z
5
Groupe cyclique : un groupe monogène fini est dit cyclique
Ordre d’un élément : l’ordre d’un élément d’un groupe G est le
cardinal du sous-groupe qu’il engendre dans G. Cet ordre peut
être infini.
Exemples : - dans tout groupe, l’élément neutre est le seul élément d’ordre 1
- dans (Z,+), tout élément est d’ordre infini sauf 0
- dans S3, 132,321 et 213 sont d’ordre 2, 231 et 312 sont d’ordre
3
Treillis de sous-groupes : l’ensemble des sous-groupes d’un
groupe G forme un treillis pour l’inclusion. Pour H1 et H2 sous-
groupes, H1 H2 = ? et H1 H2 = ? .
L’élément minimal de ce treillis est {e} et l’élément maximal le
groupe G lui-même.
H1 H2 <H1 , H2>
H1H2
H1H2
<H1,H2>
<123>
<132><321>
<213>
<132,213 > < 132,321 > < 213,321 >
Morphisme de groupe : soit (G,.) et (H,+) deux groupes. Une
application f : GH est un morphisme si f(a.b) = f(a)+f(b) pour
tout a et b de G.
Noyau : le noyau d’un morphisme f: GH, noté Ker(f) est
l’ensemble {xG, f(x)=e} où e est l’élément neutre de H.
Image : l’image d’un morphisme f: GH, noté Img(f) est
l’ensemble {yH, x G tel que f(x)=y}
Automorphisme : un automorphisme est un isomorphisme d’un
groupe dans lui-même
Propriétés d’un morphisme de groupe f : (G,.)(H,+)
1. si e est l’élément neutre de G et e’ celui de H, f(e)=e’
2. f(x-1)=-(f(x))
3. Ker(f) est un sous-groupe de G et Im(f) est un sous-groupe
de H
4. l’image d’un sous-groupe de G par f est un sous-
groupe de
H
Preuve : soit G’ sous-groupe de G et H’ = f(G’). Soit x et y
dans G’, alors f(x)+f(y)=f(x.y). x.yG’ car G’ est un sous-
groupe donc f(x.y)H’. Si xG’, x-1G’ et f(x-1)=-(f(x))
appartient à H’. Donc H’ est bien un sous-groupe de H.
5. f surjective Im(f)=H
Preuve : immédiate d’après la définition de la surjectivité
6. f injective Ker(f)={e}
Preuve : si f injective et xKer(f). Alors f(x)=e’=f(e) donc
x=e et donc Ker(f)={e}
si Ker(f)={e} et x et x’ dans G tels que f(x)=f(x’).
Alors e’=-f(x)+f(x’)=f(x-1)+f(x’)=f(x-1.x’) et donc x-1.x’Ker(f)
et x-1.x’=e donc x’=x et donc f est injective
7. si f:GG’, g:G’G’’ sont des morphismes, fog:GG’’
aussi
Exemples : - f:ZZ/nZ telle que f(x)= x est un morphisme surjectif
(surjection canonique). Ker(f)=nZ.
- g:H G où H est sous-groupe de G et telle que g(x)=x est
un morphisme injectif (injection canonique).
Isomorphisme de groupe : un isomorphisme est un morphisme
bijectif. Deux groupes sont dits isomorphes s’il existe un
isomorphisme de l’un dans l’autre. En particulier, 2 tels groupes
finis sont de même ordre.
Notes : - si f est un isomorphisme, f-1 existe et est un isomorphisme
- l’isomorphie est une relation d’équivalence. On peut ainsi
considérer les classes d’équivalence des groupes isomorphes
et ne travailler que sur des représentants de ces classes.
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