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Algèbre 1

Cécile Armana

Licence de mathématiques L3

Université de Franche-Comté

2018-2019

II

Table des matières

Présentation de l"unité iii

I Le cours 1

1 Permutations d"un ensemble 3

Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

1.1 Permutations et groupe symétrique . . . . . . . . . . . . . . . . .

3

1.2 Cycles et décomposition en cycles . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6

1.3 Signature d"une permutation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

11

2 Généralités sur les groupes 17

Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

2.1 Définitions et premières propriétés . . . . . . . . . . . . . . . . .

17

2.2 Morphismes de groupes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

21

2.3 Sous-groupes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

25

2.4 Sous-groupe engendré par une partie . . . . . . . . . . . . . . . .

28

2.5 Produit direct . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

30

3 Ordre d"un élément, classes modulo un sous-groupe 35

Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

3.1 Ordre d"un élément . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

35

3.2 Le groupe additifZ/nZ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .38

3.3 Classification des groupes monogènes et des groupes cycliques . .

41

3.4 Classes à gauche et à droite modulo un sous-groupe . . . . . . .

43

4 Groupes quotients, théorème d"isomorphisme 47

Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

4.1 Sous-groupes normaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

47

4.2 Groupe quotient, théorème d"isomorphisme . . . . . . . . . . . .

50

4.3 Sous-groupes d"un groupe quotient . . . . . . . . . . . . . . . . .

54

4.4 Produit semi-direct . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

55

4.5 Groupe diédral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

58
i ii Table des matières

5 Actions de groupes, théorèmes de Sylow 61

Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

5.1 Action d"un groupe sur un ensemble . . . . . . . . . . . . . . . .

61

5.2 Stabilisateurs, orbites, équation des classes . . . . . . . . . . . . .

64

5.3p-groupes et théorèmes de Sylow . . . . . . . . . . . . . . . . . .69

6 Arithmétique dansZ75

Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

6.1 L"anneauZet son arithmétique . . . . . . . . . . . . . . . . . . .75

6.2 L"anneauZ/nZet son arithmétique . . . . . . . . . . . . . . . .85

6.3 Constructions deNet deZ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .93

Annexe 1 : relation d"équivalence, ensemble quotient 99 Annexe 2 : synthèse des groupes rencontrés 103

II Les exercices 105

Exercices du chapitre 1 107

Exercices du chapitre 2 111

Exercices du chapitre 3 115

Exercices du chapitre 4 119

Exercices du chapitre 5 123

Exercices du chapitre 6 127

III Les corrigés des exercices 131

Corrigé des exercices du chapitre 1 133

Corrigé des exercices du chapitre 2 141

Corrigé des exercices du chapitre 3 151

Corrigé des exercices du chapitre 4 159

Corrigé des exercices du chapitre 5 169

Corrigé des exercices du chapitre 6 177

Présentation de l"unité

L"unitéAlgèbre 1vise à :

-d"une part acquérir des connaissances de base et avancées sur lesgroupes, qui sont des structures algébriques fondamentales; d"autre part étudier l"arithmétiquedes entiers, dans laquelle intervient la théorie des groupes, et qui fournit aussi les premiers exemples d"anneaux que sontZetZ/nZ. L"étude des anneaux sera développée et approfondie au semestre 6 avec l"unité

Algèbre 2.

Prérequis

Nous supposerons acquis les notions et résultats usuels de théorie des en- sembles, ainsi que l"arithmétique élémentaire. Pour cette dernière, une partie du chapitre 6 peut tenir lieu de rappels et être lue indépendamment des chapitres précédents. Afin de mieux comprendre les enjeux de cette unité et de la replacer dans un contexte mathématique plus général, le cours sera régulièrement illustré d"exemples et exercices faisant appel à vos connaissances antérieures d"algèbre linéaire et bilinéaire.

Le cours

Le contenu du cours s"organise selon le plan suivant :

Chapitre 1 :Permutations d"un ensemble;

Chapitre 2 :Généralités sur les groupes;

Chapitre 3 :Ordre d"un élément, classes modulo un sous-groupe; Chapitre 4 :Groupes quotients, théorème d"isomorphisme; Chapitre 5 :Actions de groupes, théorèmes de Sylow;

Chapitre 6 :Arithmétique dansZ.

Les chapitres 1 à 5 portent sur la théorie des groupes. Le chapitre 6 est consacré

à l"arithmétique des entiers. Il n"est pas tout à fait indépendant des précédents :

on y démontre certains résultats sur les groupes ou qui utilisent la théorie des groupes. Inversement, les cinq premiers chapitres peuvent faire appel à des résultats d"arithmétique élémentaire qui sont supposés connus (en cas de besoin, des rappels sont donnés dans le chapitre 6). iii iv Table des matières

Le cours est suivi de deux annexes :

-la première, page 99, reprend, sans démonstration, des prérequis sur les relations d"équivalences et leurs ensembles quotients, indispensables pour aborder cette unité; la seconde, page 103, présente une synthèse des principaux groupes et procédés de construction de groupes rencontrés dans le cours.

Les exercices

Les différents types d"exercices sont identifiés par la nomenclature suivante qui concerne la priorité d"apprentissage (et non nécessairement la difficulté) : exercice fondamental exercice important exercice d"approfondissement. Au fil de chaque chapitre seront indiqués les exercices qui peuvent être traités. Il est conseillé de travailler prioritairement tous les exercices signalés comme fondamentaux, d"application directe du cours, ou importants. Les exercices d"ap- profondissement sont aussi à étudier : ils ne sont pas toujours plus difficiles que les autres et permettent de consolider vos connaissances en vue de l"examen.

Une bibliographie

Une liste d"ouvrages couvrant les thèmes de l"unité est donnée ci-dessous. Il n"est pas indispensable de les consulter mais ils peuvent apporter à ce cours, compléments, précisions, et exercices d"entraînement supplémentaires. Josette Calais,Éléments de théorie des groupes, Presses Universitaires de

France, 1998

Jean Delcourt, Théorie des groupes, Eyrolles, 2007 Jean-Pierre Escofier, Toute l"algèbre de la licence, Dunod, 2011.

Première partie

Algèbre 1

Le cours

1

Chapitre 1

Permutations d"un ensemble

IntroductionNous commençons ce cours par l"étude d"un groupe particulier : le groupe symétrique c"est-à-dire le groupe des permutations d"un ensemble. Il joue un rôle important pour des raisons historiques (c"est par son étude que la notion de groupe abstrait a commencé à apparaître, notamment via les travaux de Galois) et mathématiques (le théorème de Cayley, qui sera démontré au chapitre 2, affirme que tout groupe peut se voir comme sous-groupe d"un groupe symétrique). Vous avez déjà rencontré le groupe symétrique à travers la notion de détermi- nant d"une matrice en algèbre linéaire. Comme il se manipule de manière concrète, c"est un exemple de groupe qui vous sera utile pour appréhender les concepts fondamentaux des chapitres suivants.

1.1 Permutations et groupe symétrique

SoitEun ensemble non vide.

Définition 1.1

Unepermutation deEest une bijection deEdansE. L"ensemble des permutations deEest notéSE, ou encoreSE, et appelé legroupe symétrique deE. Un cas particulier important est celui oùEest un ensemble fini. S"il est de cardinaln, alors quitte à numéroter ses éléments on peut supposer que E={1,...,n}et on note son groupe symétriqueSn. Les éléments du groupe symétrique, c"est-à-dire les permutations deE, sont souvent désignés par la lettre grecqueσ(sigma).

Proposition 1.2Le cardinal deSnestn!.

Démonstration.

Une permutationσde{1,...,n}est déterminée par len-uplet de ses valeurs(σ(1),...,σ(n)), qui doivent être deux à deux distinctes dans{1,...,n} 3

4 Chapitre 1. Permutations d"un ensemblepar injectivité deσ. De plus, à toutn-uplet(a1,...,an)avecai? {1,...,n}et

lesaideux à deux distincts, on associe l"applicationσ:{1,...,n} → {1,...,n} donnée parσ(i) =ai; l"applicationσest alors injective par construction, et bijective car c"est une application injective entre deux ensembles ànéléments; doncσest une permutation. DénombrerSnrevient donc à dénombrer lesn-uplets(a1,...,an)avecai?

1,...,n}et lesaideux à deux distincts. Poura1, il y anchoix possibles dans

{1,...,n}. Le choix dea1étant effectué, il y a ensuiten-1choix possibles pour a2cara2?=a1. De même il y a ensuiten-2choix possibles poura3, puisque a3?=a1eta3?=a2. On procède ainsi par récurrence surn: le nombre de choix possibles pour len-uplet(a1,...,an)estn(n-1)···1 =n!. Pour bien se rendre compte du nombre d"éléments du groupe symétriqueSn, rappelons les premières valeurs prises par la factorielle1:n12345678910 n!126241207205040403203628803628800 On représente de manière conventionnelle la permutationσsous forme d"un tableau à deux lignes comme suit : ?1 2···n

σ(1)σ(2)···σ(n)?

Exemple 1.3.Les deux éléments deS2sont :

?1 2 1 2? ,?1 2 2 1? et les six éléments deS3sont : e=?1 2 3

1 2 3?

,s

1=?1 2 3

2 3 1?

,s

2=?1 2 3

3 1 2?

t

1=?1 2 3

1 3 2?

,t

2=?1 2 3

3 2 1?

,t

3=?1 2 3

2 1 3?

Composer deux permutations d"un même ensembleEdonne à nouveau une permutation deE. La composition, notée◦et qui se lit " rond », est donc une loi interne sur l"ensembleSE.

Exemple 1.4.DansS3, on a

(s1◦t3)(1) =s1(t3(1)) =s1(2) = 3, (s1◦t3)(2) =s1(t3(2)) =s1(1) = 2, (s1◦t3)(3) =s1(t3(3)) =s1(3) = 11. On rappelle quen!se lit " factoriellen».

1.1. Permutations et groupe symétrique 5doncs1◦t3=

?1 2 3

3 2 1?

=t2. Un calcul similaire donnet3◦s1= ?1 2 3

1 3 2?

=t1. On remarque ques1◦t3?=t3◦s1donc la loi◦n"est pas commutative dansS3. Plus généralement, elle n"est pas commutative dansSndès quen≥3(cela se démontre par un calcul similaire faisant intervenir les permutationssettdeSn obtenues en prolongeant respectivements1ett3pars(i) =iett(i) =ipour tout i >3).

Définition 1.5

La permutationidE, définie paridE(x) =xpour toutx?E, est appelée lapermutation identitédeE. SiE={1,...,n}, on la noteidn, ouids"il n"y a pas de confusion possible. Proposition 1.61.(Asso ciativitéde ◦) Pour tousσ1,σ2,σ3dansSE, on a

1◦(σ2◦σ3) = (σ1◦σ2)◦σ3.

2. ( idEest l"élément neutre de◦) Pour toutσ? SEon a id

E◦σ=σ=σ◦idE.

3. (Existence d"un inverse à tout élément deSE) Pour toutσ? SEil existe une unique permutationρ? SEtelle que

σ◦ρ= idE=ρ◦σ.

Cet inverseρest notéσ-1.

Démonstration.1.

La composition des applications est toujours associative. 2.

C"est une v érificationimmédiate.

3. La p ermutationρn"est autre que la bijection réciproqueσ-1deσ. Au chapitre suivant, nous verrons la notion de groupe en toute généralité et la proposition 1.6 traduira le fait que l"ensembleSEmuni de la loi de composition est un groupe.

Définition 1.7

Soitσ? SE. Un élémentx?Eest ditfixeparσlorsqueσ(x) =x. On parle aussi depoint fixedeσ. Lesupportdeσest l"ensemble desx?Etels queσ(x)?=x. On le notesupp(σ). Le support est donc l"ensemble des éléments non fixes parσ.

6 Chapitre 1. Permutations d"un ensemble

Exemple 1.8.La permutation

?1 2 3 4

3 2 1 4?

dansS4a pour points fixes2et4.

Son support est{1,3}.

Voici une situation importante où deux permutations sont autorisées à com- muter.

Proposition 1.9

Pour toutes permutationsσ,σ?à supports disjoints (c"est-à-dire satisfaisant supp(σ)∩supp(σ?) =∅) on aσ◦σ?=σ?◦σ. Démonstration.Voir l"exercice 1.4.Exercices pouvant être traités : exercice 1.4 exercice 1.6 exercice 1.9 (sauf la question 3)

1.2 Cycles et décomposition en cycles

Pour alléger les notations, on écrit dorénavantσ1σ2au lieu deσ1◦σ2lorsqueσ1

etσ2sont deux permutations deE, et on parlera deproduitau lieu de composition. Comme vu auparavant, il faut prendre garde à ce queσ1etσ2ne commutent pas en général pour cette loi.

Définition 1.10

Si??N,?≥1, on noteσ?la permutationσ◦...◦σ???? ?fois. On poseσ0=idE.

Si??Z,? <0, on noteσ?la permutation(σ-1)-?.

On peut alors montrer qu"on a les règles de calcul, valables pour tousket? dansZ: kσ?=σk+?=σ?σket(σk)?=σk?= (σ?)k. Jusqu"à la fin de ce chapitre, nous supposerons queE={1,...,n}et nous intéressons au groupe symétriqueSn.1.2.1 Cycles Nous introduisons les permutations qui permutent de manière cyclique un certain nombre d"éléments : elles jouent un rôle particulier dans l"étude deSn.

Définition 1.11

Soitkun entier supérieur ou égal à2. Une permutationσ? Snest appelée uncycle de longueurks"il existekéléments deux à deux distinctsa1,...,ak dans{1,...,n}tels queσ(a1) =a2,σ(a2) =a3,...,σ(ak-1) =ak,σ(ak) =a1 et si tout élément de{1,...,n}distinct dea1,...,akest fixe parσ.

1.2. Cycles et décomposition en cycles 7On dira aussik-cyclepour un cycle de longueurk. Noter que l"entierkest

nécessairement inférieur ou égal àn. On note(a1,a2,...,ak)lek-cycle de la définition 1.11, les points fixes étant omis de l"écriture. Cette notation a le mérite d"être plus compacte que celle comme tableau à deux lignes mais elle existeuniquement pour les cycles. Le support duk-cycle(a1,...,ak)est{a1,...,ak}. Voici une représentation graphique d"un5-cycle(a1,a2,a3,a4,a5):a 1a 2a 3a 4a 5 On constate que siσest unk-cycle dansSnalorsσk=idnet pour tout i? {1,...,k-1}on aσi?=idn. Dans le langage du chapitre 3, nous dirons qu"un k-cycle est d"ordrek. Définition 1.12Unetranspositionest un2-cycle dansSn. Exemple 1.13.Dans l"exemple 1.3 deS3, on peut écrire : s

1=?1 2 3

2 3 1?

= (1,2,3), s2=?1 2 3

3 1 2?

= (1,3,2), t

1=?1 2 3

1 3 2?

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