Alg`ebre 2eann´ee
Corrig´e 5
1. (a) Supposons que ](A) = n=pn1
1· · · pnr
r. Alors ϕ:A∼
=A(p1)× · · · × A(pr), avec
](A(pi)) = pni
i.
Si Aest cyclique, soit xun g´en´erateur de A. On fixe un premier pqui divise
n. Soit π:A→A(p) la projection. Soit y∈A(p). Puisque πest surjective, il
existe u∈Atel que π(u) = y. Mais u=kx, alors y=π(u) = kπ(x). Alors
π(x) engendre A(p), et A(p) est cyclique : A(p)∼
=Z/pnZ. Pour trouver un
sous-groupe d’ordre p, il faut trouver u∈Ztel que pn|pu. On pose u=pn−1.
On v´erifie que uest l’unique tel nombre entre 0 et pn−1.
Par contre, supposons qu’il existe un unique sous-groupe d’ordre p, pour tout
premier pqui divise n. Il suffit de montrer que A(p) est cyclique, puisque le
produit de groupes cyclique d’ordres premiers entre eux est encore cyclique
(voir l’exercice 4 ci-dessous). Mais A(p)∼
=Z/pn1Z× · · · Z/pnrZ. Si r > 1, alors
A(p) (et donc A) contient au moins deux sous-groupes d’ordre p, nomm´ement,
(pn1−1,0,· · · ,0) et (0, pn2−1,· · · ,0). Alors r= 1, et A(p) est cyclique.
(b) C’est 1(a) en autres termes.
2. (a) On suppose que Nest un sous-groupe stricte de G, c’est-`a-dire, que N6=
G. Si N={e}, alors on a fini. Alors on peut supposer que ](N) = p. On
choisit un ´el´ement g6=ede G, et on consid`ere hgi. Si hgi=G, alors Get
cyclique, alors ab´elien, et Z(G) = Get on a fini. Alors supposons que ]hgi=p.
Donc (G:hgi) = p2/p =p, d’o`u hgiest normal dans G. Soit x∈N. Alors
xgx−1g−1∈N∩ hgipuisque Net hgisont normaux. Mais N∩ hgi< N, et N
est de l’ordre p, alors n=](N∩ hgi) = 1 ou p. Si n=palors N=hgi, et alors
xet gcommute (tout les deux ´etant ´el´ement d’un groupe cyclique). Si n= 1
alors xgx−1g−1=e, donc xg =gx. En tout cas, x∈Z(G), donc N < Z(G).
(b) S’il existe un ´el´ement de Gd’ordre p2, alors Gest cyclique et on a fini. Sinon,
chaque x6=equi appartient `a Gest d’ordre p. Si x, y ∈G,x6=e,y6=e, alors
hxiet hyisont des sous-groupes normaux. Alors on peut argumenter comme
dans 2(a) pour montrer que xy =yx, et donc Gest ab´elien.
3. Puisque met nsont premiers entre eux, il existe des entiers ret stels que rm+sn =
1. Alors on pose x=asn+brm. On voit que x=a(1−rm)+brm =a+(br−ar)m≡
amod met que x=asn +b(1 −sn) = b+ (as −bs)n≡bmod n. Alors une solution
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