AB - GROUPOÏDES ET GROUPES
Généralités
Définitions On appelle groupoïde (G, )un ensemble Gmuni d’une loi de composition
interne .
Le groupoïde sera dit associatif, si la loi est associative, et commutatif si la loi est commu-
tative.
Elément neutre
Définitions
On appelle élément neutre à droite (resp. à gauche), un élément ede Gvérifiant pour tout
xde G
xe=x(resp. ex=x).
On appelle élément neutre un élément qui est à la fois neutre à droite et à gauche.
Propriétés des éléments neutres
N1 Si dans un groupoïde il existe un neutre à droite et un neutre à gauche, ils sont égaux.
N2 Dans un groupoïde, il existe au plus un élément neutre.
N3 Si la loi est commutative, il existe au plus un élément neutre.
N1 Si eest neutre à droite et fneutre à gauche, on a à la fois
fe=fet fe=e .
Les propriétés N2 et N3 s’en déduisent immédiatement.
Remarque : on peut avoir dans un groupoïde plusieurs éléments neutres à droite distincts. Il résulte
de N1 qu’il n’y a pas alors de neutre à gauche. Par exemple si l’on définit dans un ensemble Gla loi
par
xy=x
tout élément de Gest neutre à droite.
AB 2
Elément symétrique
Définitions
Dans un groupoïde (G, )muni d’un élément neutre à droite (resp. à gauche) e, on appelle
élément symétrique à droite (resp. à gauche) de xun élément yvérifiant
xy=e(resp. yx=e).
Dans un groupoïde (G, )muni d’un élément neutre e, on appelle élément symétrique de x
un élément yà la fois sytrique de xà gauche et à droite.
Propriétés des symétriques
S1 Soit un groupoïde associatif (G, )possédant un élément neutre e. Si un élément xpossède un
symétrique à gauche et un symétrique à droite, ils sont égaux.
S2 Dans un groupoïde associatif possédant un élément neutre, un élément xpossède au plus un
symétrique.
S3 Si la loi est commutative, tout symétrique à gauche ou à droite de xest un élément symétrique
de x.
S4 Soit un groupoïde associatif (G, ). Si yest un élément symétrique à droite de xpour le neutre
à droite e, et zun élément symétrique à droite de tpour le même neutre à droite e, alors xy
est un symétrique à droite de xtpour e. (Même chose à gauche).
S5 Dans un groupoïde fini associatif et possédant un neutre e, tout symétrique à droite ou à gauche
de xest un élément symétrique de x. Il est donc unique.
S1 Si l’on a
xy=zx=e ,
on peut écrire
y=ey= (zx)y=z(xy) = ze=z .
Les propriétés S2 et S3 sont évidentes.
S4 On a
(xt)(zy) = x(t(zy))
=x((tz)y)
=x(ey)
=xy
=e .
S5 Soit xpossédant ycomme symétrique à droite. A partir de x1=x, on définit une suite de Gpar
la relation
xn=xxn1.
AB 3
Une conséquence de S4 (par récurrence) est que xnpossède yncomme symétrique à droite.
Comme Gest fini, il existe au moins deux termes de cette suite qui sont égaux. Donc, il existe des
entiers pet qtels que
xp=xq+p=xqxp.
Alors
e=xp⋆ yp=xq(xp⋆ yp) = xqe=xq.
Donc
xq=xq1x=xxq1=e ,
Il en résulte que xq1est le symétrique de x. Alors d’après S1
xq1=y .
Remarque : on peut trouver un groupoïde associatif possédant un élément neutre, et tel qu’un de ses
éléments xpossède deux symétriques à droite. D’après ce qui précède Gest infini, l’élément xne peut
posséder de symétrique à gauche et la loi n’est pas commutatif.
Exemple Soit E={a, b, c}un ensemble à trois éléments. Notons Fl’ensemble {(a, b),(a, c)}. Pour
n2, soit Enle sous-ensemble de Enformé des nuplets (x1,...,xn)tels que, pour tout icompris
entre 1et n1, le couple (xi, xi+1)n’appartienne pas à F. On note aussi
E0={( )}et E1={(a),(b),(c)}
et l’on pose
G=[
n0
En.
L’ensemble Gest l’ensemble de mots formés à partir des lettres a,bet cdans lesquels on ne trouve
jamais ab et ac.
On définit dans cet ensemble, une loi de composition interne, notée de la manière suivante : soit
x= (x1,...,xp)et y= (y1,...,yq). On pose
x⋆y =
(x1,...,xps, ys+1,...,yq)si (xp, y1),...,(xps+1, ys)sont dans Fet (xps, ys+1)n’y est pas
(x1,...,xpq)si (xp, y1),...,(xpq+1, yq)sont dans Fet p > q
(yp,...,yq)si (xp, y1),...,(x1, yp)sont dans Fet p < q
( ) si (xp, y1),...,(x1, yp)sont dans Fet p=q
Enfin, pour tout xde G, on pose
x( ) = ( ) x=x .
Le mot xyest donc la concaténation de xet de ydans laquelle on supprime tous les doublets ab et ac.
Il résulte de cette définition que la loi est associative admet pour neutre ( ), et que
(a)(b) = (a)(c) = ( ) .
Donc (a)possède deux symétriques à droite.
AB 4
Elément absorbant
Définitions
On appelle élément absorbant à droite (resp. à gauche), un élément ade Gvérifiant pour
tout xde G
xa=a(resp. ax=a).
On appelle élément absorbant un élément qui est à la fois absorbant à droite et à gauche.
Propriétés des éléments absorbants
A1 Si dans un groupoïde il existe un absorbant à droite et un absorbant à gauche, ils sont égaux.
A2 Dans un groupoïde, il existe au plus un élément absorbant.
A3 Si la loi est commutative, il existe au plus un élément absorbant.
A4 Un élément absorbant possède un symétrique si et seulement si Gest un singleton
A1 Si aest absorbant à droite et bà gauche, on a à la fois
ba=aet ba=b .
Les propriétés A2 et A3 s’en déduisent immédiatement.
A4 Soit aabsorbant, el’élément neutre et xle symétrique de a. On a
a=ax=e .
Alors si yest un élément de G,
y=ye=ya=a ,
et donc
G={a}.
Trois manières de définir un groupe
Proposition Soit (G, )un groupoïde associatif. Les propriétés suivantes sont équivalentes :
1) U1il existe un élément neutre e
V1tout élément de Gpossède un symétrique
2) U2il existe un élément neutre à droite e
V2tout élément de Gpossède un symétrique à droite
3) U3quel que soit xet ydans G, il existe ztel que xz=y
V3quel que soit xet ydans G, il existe ttel que tx=y .
On dit dans ce cas que le groupoïde (G, )est un groupe .
AB 5
Remarque : dans 2) on peut remplacer “à droite” par “à gauche”. Il suffit en fait d’avoir les propriétés
d’un seul côté pour les avoir des deux côtés.
La proposition est évidente si Gne contient qu’un seul élément xcar dans ce cas la loi est définie par
xx=x , et toutes les propriétés sont vraies. On suppose désormais que Gcontient au moins deux
éléments.
2) 1)
Soit xdans G,yun symétrique à droite de xet zun symétrique à droite de y. Alors, d’après S4, yz
est symétrique à droite de yx, donc eest symétrique à droite de yx, ce qui implique
yx=e .
Alors
ex= (xy)x=x(yx) = xe .
Donc eest neutre à gauche. Et on a aussi
xy=yx=e .
Donc tout élément admet un symétrique.
1) 3)
Soit xet ydans G, et ule symétrique de x. Si l’on pose
z=uy ,
on a
xz=x(uy) = (xu)y=ey=y .
De même, en posant
t=yu ,
obtient-on
tx=y .
3) 2)
Soit xdans G. Soit uun autre élément de G. D’après V3, il existe idans Gtel que
iu=u
et d’après U3 il existe jdans Gtel que
xj=x .
Puis, successivement en utilisant U3 ou V3, il existe k,l,m,ndans Gtels que
kj=i l x=k i m=j u n=m .
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