PORTUGALIAE MATHEMATICA
Vol. 59 Fasc. 3 – 2002
Nova S´erie
CARACT´
ERISATION DES
AUTOMORPHISMES D’UN GROUPE AB´
ELIEN
AYANT LA PROPRI´
ET´
E DE L’EXTENSION
S. Abdelalim et H. Essannouni
Presented by P. Malliavin
Abstract: In this paper we show that an automorphism αof an abelian group A
can be extented to an automorphism of any abelian group which contains Aas subgroup
iff (αidA)(A) or (α+idA)(A) is a divisible subgroup of A. Then if Ais reduced, idA
and idAare the only automorphisms of Awhich have the extension property.
1 – Introduction and results
Dans [6] P.E. Schupp caract´erise les automorphismes inerieurs d’un groupe
Gde la mani`ere suivante: si αest un automorphisme de Galors αest inerieur
ssi pour tout groupe Hcontenant Gcomme sous groupe, αse prolonge en un
automorphisme de H. En particulier si Gest ab´elien alors idGest le seul automor-
phisme de Gqui poss´ede la propri´et´e de l’extension. Dans [5] M.R. Pettet montre
aussi que dans certaines classes de groupes finis les automorphismes int´erieurs
sont caract´eris´es par la propri´et´e de l’extension. Dans [3] M. Dugas et R. Gobel
donnent une autre preuve du r´esultat de Schupp. Dans [1] L. BenYakoub montre
que le r´esultat de Schupp n’est pas valable en g´en´eral pour les alg´ebres sur anneau
commutatif. On peut se demander si la propri´et´e de l’extension caract´erise aussi
les d´erivations int´erieures dans les alg´ebres associatives. Dans [2] L. BenYakoub
et M.P. Malliavin montrent que c’est le cas pour certaines alg´ebres quantiques.
Dans ce papier nous montrons qu’un automorphisme αd’un groupe ab´elien
Ase prolonge en un automorphisme dans tout groupe ab´elien B, contenant A
Received : February 14, 2001.
326 S. ABDELALIM et H. ESSANNOUNI
comme sous groupe ssi (αidA)(A) ou (α+idA)(A) est un sous groupe divisible
de A. En particulier si Aest r´eduit alors idAet idAsont les seuls automor-
phismes de Aqui poss´edent la propri´et´e de l’extension (dans la categorie des
groupes ab´eliens).
Tous les groupes que nous consid´erons dans la suite sont ab´eliens et nous
adoptons les notations de [4].
Soit Cune classe de groupe ab´elien et soit A∈ C nous voulons caract´eriser les
automorphismes αde Aayant la propri´et´e suivante:
(E) Pour tout groupe B∈ C et tout monomorphisme λ:AB, il existe
un automorphisme ˜αde Brendant le diagramme suivant:
Aλ
B
α ˜α
Aλ
B
commutatif.
Les classes de groupes ab´eliens que nous consid´erons sont (Ab): la classe de
tous les groupes ab´eliens, (Ab)t: la classe des groupes ab´eliens de torsion et (Ab)p:
la classe des p-groupes ab´eliens (pnombre premier).
Remarque 1.1. Si Aest divisible alors tous les automorphismes de Aposs´e-
dent la propri´et´e (E) relativement `a n’importe quelle classe contenant A.
Remarque 1.2. D´esignons par Cl’une des classe (Ab), (Ab)tou (Ab)p.
Soient A∈ C,Dle sous-groupe divisible maximal de A,αun auotomorphisme de
Aet αl’automorphisme de A/D induit par α. Il est facile de voir que αv´erifie
(E) relativement `a C. Donc pour l’etude de la propri´et´e (E), on peut supposer
Ar´eduit (i.e. D= 0).
2 – Carat´erisation des automorphismes ayant la propri´et´e de l’exten-
sion dans la classe des p-groupes ab´eliens
Proposition 2.1. Soient p un nombre premier et Aun p-groupe ab´elien
r´eduit. Les seuls automorphismes de Aqui v´erifient (E)relativement `a (Ab)p
sont πidAo`u πest un nombre p-adique inversible.
Preuve: Soit αun automorphisme de Av´erifiant (E) relativement `a (Ab)p.
AUTOMORPHISMES D’UN GROUPE AB ´
ELIEN 327
Soit xAtel que hxiest un facteur direct de A. Soient Eun p-groupe
divisible contenant xet A0un sous groupe de Atel que hxi ⊕ A0=A. Il existe
˜αAut(EA0) tel que ˜α(a) = α(a) pour tout aA. Comme ˜α(E)E, car
A0est r´eduit alors α(x) = ˜α(x) = kx,kZ.
A pr´esent soit Bun sous groupe de base de A.B=L
n1
Bnavec pour tout
n1, Bn= 0 ou Bnest somme directe de groupes cycliques finis chacun d’ordre
pn. Fixons n1 avec Bn6= 0. Bn=L
iI
hxiitel que o(xi) = pn,iI. Comme
Bnest un facteur direct de A(voir 32.4[4]). D’apr´es ce qui pr´ec´ede α(xi) = mixi,
miZ. Soit (i, j)I2avec i6=j, on peut ´ecrire hxii ⊕ Ai=Aavec xjAi.
Il est facile de voir que hxi+xji ⊕ Ai=Adonc α(xi+xj) = m(xi+xj) =
pn|mimj. Il existe alors knZtel que α(b) = knb,bBn. Soit (m, n)N2
avec 1 m < n, comme BmBnest un facteur direct de A(32.4[4]) alors on
peut voir facilement que pm|knkm.
Soit πle nombre p-adique d´efini par la suite (kn)n0(avec k0= 0 et kn=kn1
si Bn= 0). On a α(b) = πb, pour tout bBet comme Aest r´eduit alors
α=π idA(34.1[4]).
On en d´eduit facilement les deux corollaires suivants.
Corollaire 2.1. Soit Aun p-groupe ab´elien. les deux propri´et´es suivantes
sont ´equivalentes:
(i)αAut(A),αv´erifie (E)dans (Ab)p.
(ii)A=D⊕ hxio`u Dest un p-groupe divisible.
Corollaire 2.2. Supposons que Aest un groupe de torsion r´eduit et αun
automorphisme de Aalors les deux propri´et´es suivantes sont equivalentes:
(i)αv´erifie (E)dans (Ab)t.
(ii)La restriction de α`a toute p-composante de Aest la multiplication par
un nombre p-adique inversible.
3 – Caract´erisation des automorphismes ayant la propri´et´e de l’exten-
sion dans la classe des groupes ab´eliens
Lemme 3.1. Supposons S=L
n1
hxniavec pour tout n1,o(xn) = qn4
(q2). Il existe un groupe ab´elien Hcontenant Scomme sous groupe et pour
tout γAut(H)il existe ²∈ {−1,1}et NNtel que qn4nγ(xn) = ² qn4nxn,
nN.
328 S. ABDELALIM et H. ESSANNOUNI
Preuve: Consid´erons le produit direct Q
n1
hxniet d´esignons par fk:Q
n1
hxni →
hxki, la projection canonique (k1). Pour m1, on d´efinit l’´element emde
Q
n1
hxnipar
fn(em) = (0 si n < m
qn4m4xnsi nm .
On v´erifie directement que o(em) = qm4,xm=emq(m+1)4m4em+1 et
P
m1
hemi=L
m1
hemi. Aussi pour m1 et ξune application de Ndans {0,1}, on
d´efinit l’´element h(m, ξ) de Q
n1
hxnipar
fn(h(m, ξ)) = (0 si n < m
ξ(n)qnm+(n1)4xnsi nm .
On a pour rm:h(m, ξ) = ( r
P
n=mξ(n)qnm+(n1)4xn) + qr+1mh(r+ 1, ξ).
Soit Hle sous groupe de Q
n1
hxniengendr´e par la partie {em/m 1} ∪
{h(m, ξ)/m 1 et ξ∈ {o, 1}N}. Soit γAut(H). Montrons dans un pre-
mier temps qu’il existe N01 tel que:
(1) n > m N0=fn(qm4mγ(xm)) = 0 .
Si non, on peut trouver deux suites (mk)k1et (nk)k1telles que: pour tout
k1, mk< nk,n4
k< mk+1 et fnk(qm4
kmkγ(xmk)) 6= 0.
Soit λ:N→ {0,1}d´efinie par λ(n) = 1 si n∈ {mk/k 1}et λ(n) = 0 si non.
On peut ´ecrire qtγ(h(1, λ)) = qta
P
i=1
bih(m, ξi) o`u t0, m1, b1, ..., baZ
et ξ1, ..., ξa∈ {0,1}N.On pose pour n1, θ(n) = n4(n1)4n.k1,
qθ(mk)+1h(1, λ) = qθ(mk)+1[(
mk+11
P
n=1
λ(n)qn1+(n1)4xn) + qmk+11h(mk+1, λ)]
qn4
kHcar θ(mk) + 1 + n1 + (n1)4n4pour mkn1, λ(n) = 0
pour mk+1 > n > mket θ(mk) + mk+1 n4
k. Donc pour kassez grand
fnk(qθ(mk)+1γ(h(1, λ))) =fnk(qθ(mk)+1 a
P
i=1
bih(m, ξi))=0 et par la suite qθ(nk)θ(mk)
divise v(nk) o`u v(n) = a
P
i=1
biξi(n). Comme l’ensemble {v(n)/n N}est fini et
θ(nk)θ(mk)nkalors il existe k11 tel que v(nk) = 0,kk1.D’autre part
qθ(mk)mk+1h(1, λ)qm4
kmkxmkqn4
kH=fnk(qθ(mk)mk+1 a
P
i=1
bih(m, ξi)) 6= 0
pour kassez grand. Il existe alors k21 tel que v(nk)6= 0, kk2ce qui est
absurde.
AUTOMORPHISMES D’UN GROUPE AB ´
ELIEN 329
Ainsi il existe N0Ntel que:
qn4nγ(xn) = rnqn4nxn,nN0
o`u les rnZ. Comme T(H) = L
n1
heni(T(H) ´etant la partie de torsion de H)
et k4n4nsi k < n alors qn4nγ(en)qn4n(L
kn
heki). Fixons mN0et
posons pour nm,qn4mγ(en) = qn4mj(n)
P
k=n
tn,k ekavec qn4mtn,j(n)ej(n)6= 0.
Soit (un)nmla suite d´efinit par:
un=(0 si j(n) = n
j(n) si j(n)> n .
Comme qn4mγ(xn) = rnqn4mxnsi nmet xn=enq(n+1)4n4en+1, il est
facile de voir que unun+1,nm. Il existe alors MmN,Mmm, tel que
un= 0, nMm(car un6= 0 =un> n). On vient de prouver que mN0il
existe Mmmtel que: qn4mγ(en)qn4mheni,nMmOn peut en d´eduire
que qm|rn+1 rnpour tout mN0et tout nMm.
A pr´esent soit δ:N→ {0,1}telle que δ(n) = 1, nN. On peut ´ecrire:
qt0
γ(h(1, δ)) = qt0b
P
j=1
cjh(m0, ξj) o´u t0
, b, m0N,c1, ..., cbZet ξ1, ..., ξb{0,1}N.
On a qθ(n)n+1h(1, δ)qn4nxnqn4Hdonc pour nassez grand qn4nfn(γ(xn)) =
qθ(n)n+1fn(b
P
j=1
cjh(m0, ξj)). Il existe alors N1Ntel que qn+m0
1|qm0
1rn
w(n), nN1, o´u w(n) = b
P
j=1
cjξj(n). D’apr´es ce qui pr´ec´ede on peut en d´eduire
que si dZest tel que l’ensemble {nN/w(n+ 1) w(n) = d}est infini alors
qm|d,mN0et par la suite d= 0. L’ensemble {w(n+ 1) w(n)/n N}
´etant fini, il existe alors vZet NNtel que w(n) = qm0
1v,nN. Ainsi
on a qn4nγ(xn) = vqn4nxn,nN. De mˆeme il existe N0Net v0Ztel
que: qn4nγ1(xn) = v0qn4nxn,nN0. On a alors vv0= 1 et par la suite
v= 1 ou v=1.
Lemme 3.2. Supposons que Gest un groupe cyclique fini d’ordre qalors
sont ´equivalentes:
(i)αv´erifie (E)dans (Ab).
(ii)α=²idGo`u ²∈ {−1,1}.
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