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Licence 3 · Algèbre L3 — Actions de groupe et théorèmes de Sylow

Actions de groupe

Actions de groupe

1. Définition

Une action d'un groupe GG sur un ensemble XX est une application G×X→XG\times X\to X, (g,x)↦g⋅x(g,x)\mapsto g\cdot x, vérifiant e⋅x=xe\cdot x=x (élément neutre) et (gh)⋅x=g⋅(h⋅x)(gh)\cdot x=g\cdot(h\cdot x) pour tous g,h∈Gg,h\in G, x∈Xx\in X. De façon équivalente, c'est un morphisme G→Bij(X)G\to\text{Bij}(X) (le groupe des bijections de XX).

Exemples : G=SnG=S_n agissant sur X={1,…,n}X=\{1,\dots,n\} par permutation directe ; GG agissant sur lui-même par conjugaison : g⋅x=gxg−1g\cdot x=gxg^{-1} ; GG agissant sur lui-même par translation : g⋅x=gxg\cdot x=gx ; G=GLn(R)G=\text{GL}_n(\mathbb{R}) agissant sur X=RnX=\mathbb{R}^n par multiplication matricielle.

2. Orbites et stabilisateurs

L'orbite de x∈Xx\in X est Orb(x)={g⋅x:g∈G}⊆X\text{Orb}(x)=\{g\cdot x:g\in G\}\subseteq X. Le stabilisateur de xx est Stab(x)={g∈G:g⋅x=x}\text{Stab}(x)=\{g\in G:g\cdot x=x\}, qui est toujours un sous-groupe de GG. Les orbites partitionnent XX (relation d'équivalence x∼y  ⟺  ∃g,y=g⋅xx\sim y\iff\exists g, y=g\cdot x).

3. Théorème orbite-stabilisateur

Théorème : pour tout x∈Xx\in X (et GG fini), il existe une bijection entre Orb(x)\text{Orb}(x) et G/Stab(x)G/\text{Stab}(x) (l'ensemble des classes à gauche de Stab(x)\text{Stab}(x)), donnant :

∣Orb(x)∣=∣G∣∣Stab(x)∣soit∣G∣=∣Orb(x)∣×∣Stab(x)∣|\text{Orb}(x)| = \frac{|G|}{|\text{Stab}(x)|} \qquad\text{soit}\qquad |G| = |\text{Orb}(x)|\times|\text{Stab}(x)|

Exemple résolu. G=S3G=S_3 agit sur X={1,2,3}X=\{1,2,3\} par permutation. L'orbite de 11 est {1,2,3}\{1,2,3\} tout entier (on peut envoyer 11 sur n'importe quel élément), donc ∣Orb(1)∣=3|\text{Orb}(1)|=3. Comme ∣G∣=∣S3∣=6|G|=|S_3|=6, le théorème donne ∣Stab(1)∣=6/3=2|\text{Stab}(1)|=6/3=2 — en effet, Stab(1)={id,(2 3)}\text{Stab}(1)=\{\text{id},(2\,3)\}, les permutations fixant 11.

4. Action par conjugaison et centre

Pour l'action de GG sur lui-même par conjugaison (g⋅x=gxg−1g\cdot x=gxg^{-1}), l'orbite de xx est sa classe de conjugaison, et le stabilisateur de xx est son centralisateur CG(x)={g∈G:gx=xg}C_G(x)=\{g\in G:gx=xg\}. Le théorème orbite-stabilisateur donne ∣classe de x∣=∣G∣/∣CG(x)∣|\text{classe de }x|=|G|/|C_G(x)|.

Un élément xx a une classe de conjugaison réduite à lui seul ({x}\{x\}) si et seulement si xx commute avec tout le groupe, c'est-à-dire x∈Z(G)x\in Z(G) (le centre de GG).

5. Équation aux classes

En partitionnant GG selon ses classes de conjugaison, et en isolant celles réduites à un singleton (les éléments du centre Z(G)Z(G)) :

∣G∣=∣Z(G)∣+∑i∣G∣∣CG(xi)∣|G| = |Z(G)| + \sum_{i}\frac{|G|}{|C_G(x_i)|}

où la somme porte sur un représentant xix_i de chaque classe de conjugaison non triviale (de cardinal >1>1). C'est l'équation aux classes, outil central pour étudier la structure des groupes finis (notamment les pp-groupes, leçon suivante).

6. Exemple résolu — le centre de S3S_3

Les classes de conjugaison de S3S_3 sont : {e}\{e\} (taille 11), les 3-cycles {(123),(132)}\{(123),(132)\} (taille 22), les transpositions {(12),(13),(23)}\{(12),(13),(23)\} (taille 33). Équation aux classes : 6=1+2+36=1+2+3. Comme seule la classe de ee est un singleton, Z(S3)={e}Z(S_3)=\{e\} : S3S_3 est de centre trivial.

7. Récapitulatif


NotionDéfinition
|---|---|




Action de groupeG×X→XG\times X\to X vérifiant e⋅x=xe\cdot x=x, (gh)⋅x=g⋅(h⋅x)(gh)\cdot x=g\cdot(h\cdot x)
Orbite Orb(x)\text{Orb}(x){g⋅x:g∈G}\{g\cdot x:g\in G\}
Stabilisateur Stab(x)\text{Stab}(x){g∈G:g⋅x=x}\{g\in G:g\cdot x=x\}, sous-groupe de GG
Orbite-stabilisateur∣G∣=∣Orb(x)∣×∣Stab(x)∣|G|=|\text{Orb}(x)|\times|\text{Stab}(x)|
Équation aux classes∣G∣=∣Z(G)∣+∑i∣G∣/∣CG(xi)∣|G|=|Z(G)|+\sum_i|G|/|C_G(x_i)|

Exercices de la leçon

Exercice 1

Quelles sont les deux conditions définissant une action de groupe G×X→XG\times X\to X ?

Corrigé

Ce sont les deux axiomes définissant une action de groupe : l'identité agit trivialement, et la composition des actions correspond à la multiplication dans le groupe.

Exercice 2

Vrai ou faux : le stabilisateur Stab(x)\text{Stab}(x) est toujours un sous-groupe de GG.

Corrigé

Vrai. On vérifie facilement que Stab(x)\text{Stab}(x) contient ee, est stable par produit et par inverse — c'est un sous-groupe pour toute action.

Exercice 3

Que dit le théorème orbite-stabilisateur ?

Corrigé

Le théorème orbite-stabilisateur établit que la taille de l'orbite multipliée par la taille du stabilisateur donne exactement l'ordre du groupe.

Exercice 4

Vrai ou faux : pour l'action de conjugaison, l'orbite d'un élément xx est appelée sa classe de conjugaison.

Corrigé

Vrai. C'est la terminologie standard : l'orbite de xx sous l'action g⋅x=gxg−1g\cdot x=gxg^{-1} est exactement l'ensemble {gxg−1:g∈G}\{gxg^{-1}:g\in G\}, appelée classe de conjugaison de xx.

Exercice 5

Quel est le centre Z(S3)Z(S_3) du groupe symétrique S3S_3 ?

Corrigé

S3S_3 est non abélien et son centre est trivial, Z(S3)={e}Z(S_3)=\{e\} : aucun élément non trivial ne commute avec tous les autres (cohérent avec l'équation aux classes 6=1+2+36=1+2+3 du cours).

Exercice 6

Pour l'action de S3S_3 sur {1,2,3}\{1,2,3\}, quel est le stabilisateur de 11 ?

Corrigé

Le stabilisateur de 11 regroupe les permutations qui fixent 11 : l'identité et la transposition (23)(23) (qui échange 22 et 33 sans toucher 11). Sa taille est 2=6/32=6/3, cohérent avec orbite-stabilisateur.

Exercice 7

Si ∣G∣=20|G|=20 et que l'orbite d'un point xx a 44 éléments, quelle est la taille du stabilisateur de xx ?

Corrigé

Par orbite-stabilisateur, ∣Stab(x)∣=∣G∣/∣Orb(x)∣=20/4=5|\text{Stab}(x)|=|G|/|\text{Orb}(x)|=20/4=5.

Exercice 8

Vrai ou faux : les orbites d'une action de groupe partitionnent toujours l'ensemble XX.

Corrigé

Vrai. La relation x∼y  ⟺  ∃g∈G, y=g⋅xx\sim y\iff\exists g\in G,\,y=g\cdot x est une relation d'équivalence (réflexivité via ee, symétrie via g−1g^{-1}, transitivité via la composition), donc ses classes d'équivalence — les orbites — partitionnent XX.

Exercice 9

Pour l'action de GG sur lui-même par translation à gauche (g⋅x=gxg\cdot x=gx), quel est le stabilisateur d'un élément quelconque x∈Gx\in G ?

Corrigé

Si g⋅x=xg\cdot x=x, alors gx=xgx=x, donc g=xx−1=eg=xx^{-1}=e (en multipliant à droite par x−1x^{-1}) : le stabilisateur de tout point est toujours trivial pour l'action par translation. Cette action a une seule orbite (GG tout entier, action transitive) et est dite libre.

Exercice 10

Démontrer que pour l'action de conjugaison, le stabilisateur de xx (le centralisateur CG(x)C_G(x)) est bien un sous-groupe de GG.

Corrigé

Reformulation. CG(x)={g∈G:gxg−1=x}={g∈G:gx=xg}C_G(x)=\{g\in G:gxg^{-1}=x\}=\{g\in G:gx=xg\} (en multipliant à droite par gg).

Contient l'élément neutre. ex=xeex=xe trivialement, donc e∈CG(x)e\in C_G(x).

Stable par produit. Si g,h∈CG(x)g,h\in C_G(x) (donc gx=xggx=xg et hx=xhhx=xh), alors :

(gh)x=g(hx)=g(xh)=(gx)h=(xg)h=x(gh)(gh)x = g(hx) = g(xh) = (gx)h = (xg)h = x(gh)

donc gh∈CG(x)gh\in C_G(x).

Stable par inverse. Si g∈CG(x)g\in C_G(x), donc gx=xggx=xg, en multipliant à gauche par g−1g^{-1} et à droite par g−1g^{-1} : x=g−1xgx=g^{-1}xg, soit xg−1=g−1xxg^{-1}=g^{-1}x, donc g−1∈CG(x)g^{-1}\in C_G(x).

Conclusion. CG(x)C_G(x) contient ee, est stable par produit et par passage à l'inverse : c'est bien un sous-groupe de GG. □\square

Exercice 11

Démontrer le théorème orbite-stabilisateur : construire une bijection explicite entre Orb(x)\text{Orb}(x) et G/Stab(x)G/\text{Stab}(x).

Corrigé

Construction de l'application. Définissons φ:G/Stab(x)→Orb(x)\varphi:G/\text{Stab}(x)\to\text{Orb}(x) par φ(g⋅Stab(x))=g⋅x\varphi(g\cdot\text{Stab}(x))=g\cdot x (où g⋅Stab(x)g\cdot\text{Stab}(x) désigne la classe à gauche de gg).

Bonne définition (indépendance du représentant). Si g⋅Stab(x)=h⋅Stab(x)g\cdot\text{Stab}(x)=h\cdot\text{Stab}(x) (même classe), alors h−1g∈Stab(x)h^{-1}g\in\text{Stab}(x), donc (h−1g)⋅x=x(h^{-1}g)\cdot x=x. En appliquant hh des deux côtés (action de groupe) : g⋅x=h⋅((h−1g)⋅x)g\cdot x=h\cdot((h^{-1}g)\cdot x)... plus directement, h⋅((h−1g)⋅x)=(hh−1g)⋅x=g⋅xh\cdot((h^{-1}g)\cdot x)=(hh^{-1}g)\cdot x=g\cdot x, et comme (h−1g)⋅x=x(h^{-1}g)\cdot x=x, on a h⋅x=g⋅xh\cdot x=g\cdot x. Donc φ\varphi ne dépend pas du choix du représentant.

Injectivité. Si φ(g⋅Stab(x))=φ(h⋅Stab(x))\varphi(g\cdot\text{Stab}(x))=\varphi(h\cdot\text{Stab}(x)), c'est-à-dire g⋅x=h⋅xg\cdot x=h\cdot x, alors (h−1g)⋅x=h−1⋅(g⋅x)=h−1⋅(h⋅x)=x(h^{-1}g)\cdot x=h^{-1}\cdot(g\cdot x)=h^{-1}\cdot(h\cdot x)=x, donc h−1g∈Stab(x)h^{-1}g\in\text{Stab}(x), donc g⋅Stab(x)=h⋅Stab(x)g\cdot\text{Stab}(x)=h\cdot\text{Stab}(x).

Surjectivité. Tout élément de Orb(x)\text{Orb}(x) s'écrit g⋅xg\cdot x pour un certain g∈Gg\in G (par définition de l'orbite), donc est l'image de g⋅Stab(x)g\cdot\text{Stab}(x) par φ\varphi.

Conclusion. φ\varphi est une bijection, donc ∣Orb(x)∣=∣G/Stab(x)∣=∣G∣∣Stab(x)∣|\text{Orb}(x)|=|G/\text{Stab}(x)|=\dfrac{|G|}{|\text{Stab}(x)|} (pour GG fini). □\square

Exercice 12

Démontrer l'équation aux classes ∣G∣=∣Z(G)∣+∑i∣G∣/∣CG(xi)∣|G|=|Z(G)|+\sum_i|G|/|C_G(x_i)| à partir de la partition de GG en classes de conjugaison.

Corrigé

Partition de GG. L'action de conjugaison de GG sur lui-même partitionne GG en classes de conjugaison (les orbites de cette action). Donc ∣G∣=∑classes∣classe∣|G|=\displaystyle\sum_{\text{classes}}|\text{classe}|.

Taille de chaque classe. Par le théorème orbite-stabilisateur appliqué à l'action de conjugaison, la classe de xx a pour taille ∣G∣/∣CG(x)∣|G|/|C_G(x)| (le stabilisateur étant le centralisateur).

Identification des classes de taille 11. La classe de xx est réduite à {x}\{x\} si et seulement si gxg−1=xgxg^{-1}=x pour tout g∈Gg\in G, c'est-à-dire xx commute avec tout élément de GG — exactement la définition de x∈Z(G)x\in Z(G). Donc les classes de taille 11 correspondent bijectivement aux éléments du centre, et leur contribution totale à la somme est ∣Z(G)∣|Z(G)|.

Séparation des classes restantes. En isolant ces classes triviales de la somme totale, et en notant xix_i un représentant de chaque classe de conjugaison non triviale (taille >1>1) :

∣G∣=∣Z(G)∣+∑i∣G∣∣CG(xi)∣□|G| = |Z(G)| + \sum_i\frac{|G|}{|C_G(x_i)|} \qquad \square

Exercice 13

Vrai ou faux : si GG agit transitivement sur XX (une seule orbite), alors pour tout x∈Xx\in X, ∣X∣=∣G∣/∣Stab(x)∣|X|=|G|/|\text{Stab}(x)|.

Corrigé

Vrai. Si l'action est transitive, Orb(x)=X\text{Orb}(x)=X pour tout xx, donc le théorème orbite-stabilisateur donne directement ∣X∣=∣Orb(x)∣=∣G∣/∣Stab(x)∣|X|=|\text{Orb}(x)|=|G|/|\text{Stab}(x)|.

Exercice 14

Soit GG un groupe d'ordre p2p^2 (pp premier). Démontrer, en utilisant l'équation aux classes, que GG a un centre non trivial (Z(G)≠{e}Z(G)\neq\{e\}) — un résultat clé pour la classification des pp-groupes.

Corrigé

Équation aux classes. ∣G∣=∣Z(G)∣+∑i∣G∣∣CG(xi)∣|G|=|Z(G)|+\displaystyle\sum_i\dfrac{|G|}{|C_G(x_i)|}, où la somme porte sur les classes de conjugaison non triviales (représentants xi∉Z(G)x_i\notin Z(G)).

Étude de ∣CG(xi)∣|C_G(x_i)| pour xi∉Z(G)x_i\notin Z(G). Comme CG(xi)C_G(x_i) est un sous-groupe de G=p2G=p^2, par Lagrange ∣CG(xi)∣∈{1,p,p2}|C_G(x_i)|\in\{1,p,p^2\}. Comme xi∉Z(G)x_i\notin Z(G), CG(xi)≠GC_G(x_i)\neq G, donc ∣CG(xi)∣≠p2|C_G(x_i)|\neq p^2. De plus, CG(xi)C_G(x_i) contient toujours le sous-groupe cyclique ⟨xi⟩\langle x_i\rangle engendré par xix_i (car xix_i commute trivialement avec lui-même et ses puissances), qui a au moins pp éléments (puisque xi≠ex_i\neq e, son ordre divise p2p^2 donc vaut pp ou p2p^2, donc ≥p\geq p). Donc ∣CG(xi)∣≥p|C_G(x_i)|\geq p, ce qui élimine ∣CG(xi)∣=1|C_G(x_i)|=1. Conclusion : ∣CG(xi)∣=p|C_G(x_i)|=p exactement pour toute classe non triviale.

Calcul de chaque terme. Pour chaque classe non triviale, ∣G∣∣CG(xi)∣=p2p=p\dfrac{|G|}{|C_G(x_i)|}=\dfrac{p^2}{p}=p.

Conséquence sur l'équation aux classes. p2=∣Z(G)∣+kpp^2=|Z(G)|+kp où kk est le nombre de classes de conjugaison non triviales. Donc ∣Z(G)∣=p2−kp=p(p−k)|Z(G)|=p^2-kp=p(p-k), qui est divisible par pp.

Conclusion. Comme e∈Z(G)e\in Z(G) toujours, ∣Z(G)∣≥1|Z(G)|\geq1. Combiné à p∣∣Z(G)∣p\mid|Z(G)|, on a nécessairement ∣Z(G)∣≥p>1|Z(G)|\geq p>1 : le centre est non trivial. □\square (Ce résultat est la première étape vers la démonstration que tout groupe d'ordre p2p^2 est abélien.)

Exercice 15

Démontrer que si GG agit sur un ensemble fini XX et que x,yx,y sont dans la même orbite, alors Stab(x)\text{Stab}(x) et Stab(y)\text{Stab}(y) sont des sous-groupes conjugués (donc isomorphes).

Corrigé

Mise en place. Comme yy est dans l'orbite de xx, il existe g∈Gg\in G tel que y=g⋅xy=g\cdot x.

Inclusion g Stab(x) g−1⊆Stab(y)g\,\text{Stab}(x)\,g^{-1}\subseteq\text{Stab}(y). Soit h∈Stab(x)h\in\text{Stab}(x) (donc h⋅x=xh\cdot x=x). Calculons l'action de ghg−1ghg^{-1} sur yy :

(ghg−1)⋅y=(ghg−1)⋅(g⋅x)=(ghg−1g)⋅x=(gh)⋅x=g⋅(h⋅x)=g⋅x=y(ghg^{-1})\cdot y = (ghg^{-1})\cdot(g\cdot x) = (ghg^{-1}g)\cdot x = (gh)\cdot x = g\cdot(h\cdot x) = g\cdot x = y

Donc ghg−1∈Stab(y)ghg^{-1}\in\text{Stab}(y), ce qui montre g Stab(x) g−1⊆Stab(y)g\,\text{Stab}(x)\,g^{-1}\subseteq\text{Stab}(y).

Inclusion réciproque Stab(y)⊆g Stab(x) g−1\text{Stab}(y)\subseteq g\,\text{Stab}(x)\,g^{-1}. Soit k∈Stab(y)k\in\text{Stab}(y) (donc k⋅y=yk\cdot y=y). Calculons :

(g−1kg)⋅x=g−1⋅(k⋅(g⋅x))=g−1⋅(k⋅y)=g−1⋅y=g−1⋅(g⋅x)=x(g^{-1}kg)\cdot x = g^{-1}\cdot\big(k\cdot(g\cdot x)\big) = g^{-1}\cdot(k\cdot y) = g^{-1}\cdot y = g^{-1}\cdot(g\cdot x) = x

Donc g−1kg∈Stab(x)g^{-1}kg\in\text{Stab}(x), c'est-à-dire k∈g Stab(x) g−1k\in g\,\text{Stab}(x)\,g^{-1}.

Conclusion. Les deux inclusions donnent Stab(y)=g Stab(x) g−1\text{Stab}(y)=g\,\text{Stab}(x)\,g^{-1} : les stabilisateurs de deux points d'une même orbite sont conjugués dans GG. Comme la conjugaison par un élément fixé gg (l'application h↦ghg−1h\mapsto ghg^{-1}) est un isomorphisme de groupe, Stab(x)\text{Stab}(x) et Stab(y)\text{Stab}(y) sont isomorphes. □\square

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