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A.3 · Groupes, cosets et applications quotients

GRE · GRE Subject Test · GRE Mathematics · Sujet 9

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Champ d'application et prérequis

Préparation GRE niveau universitaire. Objectifs locaux dans le périmètre ETS examiné ; il s'agit d'un enseignement original, pas d'un test officiel ni d'un prédicteur de score.

Prérequis : axiomes de groupe, fonctions, divisibilité des entiers et permutations.

  • Vérifier la structure de groupe et calculer les ordres des éléments et les indices des sous-groupes
  • Utiliser les noyaux et les images pour identifier les groupes quotients
  • Distinguer les sous-groupes normaux des sous-groupes arbitraires
  • Classifier la conjugaison des permutations par type de cycle

classe latérale : Une translatée d'un sous-groupe qui constitue une partie de la partition en classes latérales.

sous-groupe normal : Un sous-groupe invariant sous conjugaison par chaque élément du groupe.

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Choisir et justifier une méthode

Avant de calculer un ordre, vérifiez la clôture, l'associativité, un élément neutre et un inverse pour chaque élément selon l'opération indiquée. Un sous-ensemble peut hériter de l'associativité tout en échouant à la clôture ou en omettant l'élément neutre. Dans un groupe fini, l'ordre d'un élément est la plus petite puissance positive donnant l'élément neutre. Dans le groupe additif Z/nZ, c'est le plus petit multiple positif donnant zéro ; l'ordre de la classe résiduelle a est n/gcd(a,n). Le théorème de Lagrange stipule que les ordres des sous-groupes divisent l'ordre du groupe. La réciproque n'est pas un théorème d'existence général, et l'ordre d'un groupe n'est pas l'ordre de chacun de ses éléments.

Une classe latérale gauche gH est une translatée d'un sous-groupe H. Les classes latérales ont la même taille et partitionnent le groupe, donc l'index est |G|/|H| dans un groupe fini. Dans un groupe additif, on écrit g+H. Appartenir à la même classe latérale signifie que la différence appartient à H. Une classe latérale n'est généralement pas elle-même un sous-groupe car elle peut omettre l'élément neutre.

Un homomorphisme préserve l'opération. Son noyau consiste en les éléments envoyés à l'identité, et son image consiste en les valeurs réellement atteintes. Tout noyau est normal. Le premier théorème d'isomorphisme identifie G/ker(phi) avec im(phi) ; ne remplacez pas l'image par tout le codomaine sauf si la carte est surjective.

La multiplication quotient est bien définie seulement lorsque H est normal. Tous les sous-groupes d'un groupe abélien sont normaux. Dans un groupe non abélien, testez gHg^−1=H ; un sous-groupe d'index deux est normal. Pour les permutations, composez selon la convention indiquée ici, de droite à gauche. Les longueurs de cycles disjoints donnent l'ordre de la permutation par leur plus petit commun multiple. La conjugaison hσh⁻¹ renomme les éléments dans les cycles de σ, préservant ainsi leurs longueurs ; réciproquement, les permutations ayant les mêmes longueurs de cycles peuvent être reliées par un renommage. Ainsi, les classes de conjugaison dans S_n correspondent aux partitions de n, y compris les cycles de points fixes. Dans S4, les types sont 1+1+1+1, 2+1+1, 2+2, 3+1 et 4 : cinq classes, et non une classe pour chaque ordre d'élément possible. Les types 2+1+1 et 2+2 ont tous deux l'ordre deux mais ne sont pas conjugués.

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Raisonnement worked

Définissez phi de Z/12Z vers Z/3Z en réduisant les résidus modulo 3. Il est surjectif et préserve l'addition. Son noyau H est {0,3,6,9}, donc |H|=4 et l'index est 12/4=3. Les autres classes latérales sont {1,4,7,10} et {2,5,8,11}. Ainsi (Z/12Z)/H est isomorphe à Z/3Z. L'élément 3 du groupe original a pour ordre 12/gcd(3,12)=4, et non 3.

Groupes, sous-groupes et applications quotient : exemple de cours
Illustration de cours originale ; ses valeurs appartiennent à l'exemple résolu, pas à la pratique ultérieure.
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Conditions et contre-exemples

Un quotient possède un élément par coset, et non un élément par élément de son noyau. Un homomorphisme n'est pas nécessairement surjectif sur son codomaine spécifié.

Vocabulaire Entrainer
English Français
coset/ˈkɒset/ classe latérale
normal subgroup/ˈnɔːml ˈsʌbɡruːp/ sous-groupe normal
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Application guidée

Dans le groupe additif $\mathbb Z/18\mathbb Z$, soit $H=\langle6\rangle$. Énumérer H et ses classes latérales. Déterminer l'ordre de 6 et identifier le quotient.

Solution détaillée

$H=\{0,6,12\}$ a pour cardinal trois. Les six classes latérales sont $r+H=\{r,r+6,r+12\}$ pour $r=0,1,2,3,4,5$. Elles partitionnent tous les résidus 18. L'élément 6 est d'ordre trois, tandis que le quotient est d'ordre six. La réduction modulo six est surjective à noyau H, donc $(\mathbb Z/18\mathbb Z)/H\cong\mathbb Z/6\mathbb Z$. La normalité est acquise car le groupe initial est abélien.

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Transfert indépendant

Dans $S_3$, soit $H=\{e,(12)\}$. Vérifier si $H$ est normal, et décider si la multiplication des classes latérales définit un groupe quotient. Trouver séparément l'ordre de $(123)(45)$ dans $S_5$.

Vérification après tentative

La conjugaison par $(123)$ envoie $(12)$ sur $(23)$, qui n'appartient pas à H. Ainsi H n'est pas normal. Les classes latérales gauches partitionnent toujours $S_3$, mais leur multiplication n'est pas bien définie indépendamment des représentants. Les cycles disjoints dans $(123)(45)$ ont pour longueurs trois et deux, donc son ordre est $\operatorname{lcm}(3,2)=6$. L'ordre d'un élément et l'indice d'un sous-groupe sont des notions distinctes.

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