192 Algèbre et théorie de Galois 2005-2006
27.3 Groupes symétriques et théorème de Cayley
Définition 27.3.1 On note Snle groupe des permutations de {1, . . . , n}, c.-
à-d., des bijections de {1, . . . , n}sur lui-même. C’est un groupe de cardinal
n!, car une permutation σest déterminée par la donnée de σ(1), pour lequel
il y a nchoix, puis de σ(2), pour lequel il reste n−1choix, etc.
Notation 27.3.2 On représente en général un élément τde Snpar son
écriture « à deux lignes » : sur la première ligne, on écrit 1,2,3, . . . , n, dans
cet ordre, et sur la seconde on écrit les nombres τ(1), τ(2), τ(3), . . . , τ(n).
Ainsi, par exemple,
τ=µ123456
356124¶
est un élément de S6. Pour certaines permutations, on utilise une écriture
plus condensée, introduite ci-dessous.
Définition 27.3.3 (Transpositions et cycles) Pour i6=j, on note (ij)
la permutation qui échange iet jet laisse les autres éléments inchangés.
Plus généralement, pour r≥2, on dit que τest un r-cycle s’il existe
i1, . . . , ir, deux à deux distincts, tels que τ(j) = jpour j6∈ {i1, . . . , ir}et
τ(i1) = i2, τ(i2) = i3,··· , τ(ir−1) = ir, τ(ir) = i1.
Dans ce cas, on note τ= (i1i2···ir), et l’on dit que l’ensemble {i1, . . . , ir}
est le support du cycle τ. Par exemple, dans S6,(253) et (1635) désignent,
respectivement, les permutations suivantes :
µ123456
152436¶et µ123456
625413¶.
Si τest une transposition, il est clair que τ2=id. Plus généralement, si cest
un r-cycle, on voit que les éléments id, c, . . . , cr−1sont deux à deux distincts,
et cr=id. Par conséquent, cest d’ordre r.
Lemme 27.3.4 Soient c= (i1···ir)un r-cycle et τ∈Sn. Alors c0=τcτ−1
est le r-cycle (τ(i1)···τ(ir)).
Démonstration. C’est clair car si j6∈ {τ(i1), . . . , τ(ir)}alors cτ−1(j) =
τ−1(j)et donc c0(j) = j; d’autre part, pour tout k= 1, . . . , r on a c0(τ(ik)) =
τ(ik+1)(avec la convention ir+1 =i1). ¤