Licence 2Algèbre

Groupes, sous-groupes et morphismes

55 min15 exercicesSéquence 1.1 — Licence 2
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Durée : 55 min

Groupes, sous-groupes et morphismes

1. Loi de composition interne

Soit EE un ensemble. Une loi de composition interne sur EE est une application

∗:E×E→E,(x,y)↦x∗y.\ast : E \times E \to E, \qquad (x,y) \mapsto x \ast y.

Autrement dit, c'est une façon de combiner deux éléments de EE pour produire un troisième élément de EE (on dit que EE est stable pour ∗\ast). Exemples : ++ et ×\times sur Z\mathbb{Z}, la composition ∘\circ sur l'ensemble des bijections d'un ensemble.

2. Définition d'un groupe

Un groupe est un couple (G,∗)(G, \ast) où GG est un ensemble et ∗\ast une loi de composition interne sur GG vérifiant :

1. Associativité : pour tout x,y,z∈Gx,y,z \in G, (x∗y)∗z=x∗(y∗z)(x \ast y) \ast z = x \ast (y \ast z).
2. Existence d'un élément neutre : il existe e∈Ge \in G tel que pour tout x∈Gx \in G, e∗x=x∗e=xe \ast x = x \ast e = x.
3. Existence d'un inverse : pour tout x∈Gx \in G, il existe x−1∈Gx^{-1} \in G tel que x∗x−1=x−1∗x=ex \ast x^{-1} = x^{-1} \ast x = e.

Si de plus x∗y=y∗xx \ast y = y \ast x pour tout x,y∈Gx,y \in G, on dit que le groupe est commutatif (ou abélien).

Unicité du neutre et de l'inverse. Le neutre ee est unique : si e′e' vérifie aussi la propriété 2, alors e′=e′∗e=ee' = e' \ast e = e. De même, l'inverse de xx est unique : si yy et zz vérifient x∗y=ex \ast y = e et z∗x=ez \ast x = e, alors z=z∗e=z∗(x∗y)=(z∗x)∗y=e∗y=yz = z \ast e = z \ast (x \ast y) = (z \ast x) \ast y = e \ast y = y.

3. Exemples fondamentaux

- (Z,+)(\mathbb{Z}, +), (Q,+)(\mathbb{Q}, +), (R,+)(\mathbb{R}, +), (C,+)(\mathbb{C}, +) sont des groupes abéliens (neutre 00, inverse de xx : −x-x).
- (Q∗,×)(\mathbb{Q}^*, \times), (R∗,×)(\mathbb{R}^*, \times) sont des groupes abéliens (neutre 11, inverse de xx : 1/x1/x). Attention : (Z,×)(\mathbb{Z}, \times) n'est pas un groupe (les seuls éléments inversibles sont 11 et −1-1).
- (Z/nZ,+)(\mathbb{Z}/n\mathbb{Z}, +) : l'ensemble des classes de congruence modulo nn, muni de l'addition des classes, est un groupe abélien fini à nn éléments. C'est l'exemple de référence des groupes cycliques.
- Le groupe symétrique (Sn,∘)(\mathfrak{S}_n, \circ) : l'ensemble des permutations (bijections) de {1,…,n}\{1, \dots, n\}, muni de la composition. C'est un groupe non commutatif dès que n≥3n \geq 3, de cardinal n!n!.
- Le groupe linéaire GLn(R)GL_n(\mathbb{R}) : l'ensemble des matrices carrées n×nn\times n inversibles, muni de la multiplication matricielle. Neutre : InI_n. Non commutatif dès que n≥2n \geq 2.

4. Sous-groupes

Une partie H⊂GH \subset G est un sous-groupe de (G,∗)(G,\ast) si (H,∗)(H, \ast) est lui-même un groupe, c'est-à-dire si HH est stable pour ∗\ast, contient le neutre, et est stable par passage à l'inverse.

Critère pratique (caractérisation par 3 conditions) : HH est un sous-groupe de GG si et seulement si :
1. H≠∅H \neq \varnothing (en pratique, on vérifie souvent e∈He \in H) ;
2. pour tout x,y∈Hx,y \in H, x∗y∈Hx \ast y \in H (stabilité) ;
3. pour tout x∈Hx \in H, x−1∈Hx^{-1} \in H (stabilité par inverse).

Critère condensé. HH est un sous-groupe de GG si et seulement si H≠∅H \neq \varnothing et pour tout x,y∈Hx,y \in H, x∗y−1∈Hx \ast y^{-1} \in H.

Exemples : nZ={nk:k∈Z}n\mathbb{Z} = \{nk : k \in \mathbb{Z}\} est un sous-groupe de (Z,+)(\mathbb{Z},+) pour tout n∈Nn \in \mathbb{N} ; réciproquement, on montre que tous les sous-groupes de (Z,+)(\mathbb{Z},+) sont de cette forme. Le groupe {In}\{I_n\} et GG lui-même sont toujours des sous-groupes (dits triviaux) de GG.

5. Morphismes de groupes

Soient (G,∗)(G,\ast) et (G′,⋆)(G',\star) deux groupes. Une application f:G→G′f : G \to G' est un morphisme de groupes si pour tout x,y∈Gx,y \in G :

f(x∗y)=f(x)⋆f(y).f(x \ast y) = f(x) \star f(y).

Conséquences immédiates : f(eG)=eG′f(e_G) = e_{G'} et f(x−1)=f(x)−1f(x^{-1}) = f(x)^{-1} pour tout x∈Gx \in G.

On définit :
- le noyau : ker⁡f={x∈G:f(x)=eG′}\ker f = \{x \in G : f(x) = e_{G'}\}, c'est un sous-groupe de GG ;
- l'image : Im f={f(x):x∈G}\text{Im}\, f = \{f(x) : x \in G\}, c'est un sous-groupe de G′G'.

Un morphisme bijectif est appelé isomorphisme : les deux groupes ont alors « la même structure » (même table de multiplication, à renommage des éléments près). Un résultat fondamental : ff est injectif si et seulement si ker⁡f={eG}\ker f = \{e_G\} (si f(x)=f(y)f(x)=f(y) alors f(xy−1)=eG′f(xy^{-1}) = e_{G'} donc xy−1∈ker⁡f={eG}xy^{-1} \in \ker f = \{e_G\}, donc x=yx=y).

Exemple : f:(Z,+)→(Z/nZ,+)f : (\mathbb{Z}, +) \to (\mathbb{Z}/n\mathbb{Z}, +), k↦k‾k \mapsto \overline{k} (classe de kk modulo nn) est un morphisme surjectif de noyau nZn\mathbb{Z}.

Résumé


NotionDéfinition clé
|---|---|




Groupeloi associative, neutre, inverses
Sous-groupee∈He \in H, stable pour ∗\ast et l'inverse
Morphismef(x∗y)=f(x)⋆f(y)f(x\ast y) = f(x)\star f(y)
Noyauker⁡f={x:f(x)=e′}\ker f = \{x : f(x) = e'\}, sous-groupe de GG
Isomorphismemorphisme bijectif

Exercices

Quelles sont les trois propriétés caractérisant un groupe (G,∗)(G, \ast) ?

Vrai ou faux : (Z,×)(\mathbb{Z}, \times) est un groupe.

Dans un groupe (G,∗)(G, \ast), l'élément neutre est-il unique ?

Quel est l'ordre (cardinal) du groupe symétrique S4\mathfrak{S}_4 ?

Le groupe S3\mathfrak{S}_3 est-il commutatif ?

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