L’homomorphisme ϕinduit un isomorphisme entre les groupes PGL2(k)et Autk(K).
Théorème 1
Remarque. À partir de ce résultat, on peut facilement décrire le groupe Autk(K)des automor-
phismes σde Ktels que σ(k) = k. En effet, il existe un homomorphisme (injectif) canonique
Aut(k)→Aut(K)obtenu en étendant un automorphisme σde ken un automorphisme de K, en
posant σ(X) = X. Dans ce cas, Autk(K)est isomorphme au produit semi-direct Aut(k)nAutk(K).
Dans la plus grande généralité, la description du groupe Aut(K)est bien plus difficile. Par exemple,
en prenant k=C(X), de telle sorte que K=C(X, T )est le corps des fractions de l’anneau de
polynômes C[X, T ], la structure du groupe Aut(K), appelé groupe de Cremona, est encore peu
comprise.
2 Une démonstration directe
Il suffit de montrer que l’homomorphisme ϕest surjectif. Soit donc σun k-automorphisme de
K, induit par un élément non constant Y=fg−1=σ(T)∈K, avec f, g ∈k[T]premiers entre
eux. Notre but est de montrer que fet gsont de degré inférieur ou égal à 1. Comme il a déjà été
remarqué dans le premier paragraphe, la surjectivité de σimplique (et est d’ailleurs équivalente)
à l’existence de deux polynômes R, S ∈k[Y], que l’on supposera premiers entre eux, tels que
T=RS−1. En posant
R=a0+a1Y+· · · +anYnet S=b0+b1Y+· · · +bnYn
avec (a0, b0)et (an, bn)tous deux différents de (0,0), on obtient alors les idéntités
T=a0+a1fg−1+· · · +anfng−n
b0+b1fg−1+· · · +bnfng−n=a0gn+a1fgn−1+· · · +anfn
b0gn+b1fgn−1+· · · +bnfn,
ce qui amène à la relation
T(b0gn+b1fgn−1+· · · +bnfn) = a0gn+a1fgn−1+· · · +anfn,
et finalement
(b0T−a0)gn=fh,
avec h∈k[T]. On en déduit que le polynôme fdivise (b0T−a0)gn. Les polynômes fet gétant
premiers entre eux, il s’en suit que fdivise b0T−a0. L’inégalité (a0, b0)6= (0,0) permet finalement
d’affirmer que le degré de fest inférieur ou égal à 1. De manière symétrique, on montre que g
divise (bnT−an)fn, ce qui implique que le degré de gest également inférieur ou égal à 1, ce qui
permet de conclure.
3 Une approche plus conceptuelle
Commençons par des considérations générales : soit Aun anneau factoriel, de corps des fractions
L. Le pgcd des coefficient d’un polynôme non nul f∈A[X]est défini à une constante de A×près ;
son image c(f)dans le groupe L×/A×est bien définie, on l’appelle contenu de f. Le polynôme f
est primitif si c(f) = 1, ce qui revient à affirmer que ses coefficients sont (globalement) premiers
entre eux. Pour tout a∈Anon nul, on a clairement la relation c(af) = ac(f). On étend cette
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