Groupes

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Généralités

Sous-groupes

Morphismes

Produit direct

Produit semi-direct

Groupes cycliques

Groupes opérant sur un ensemble

Théorèmes de Sylow

Résolubilité

Présentations de groupes

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Généralités sur les groupes

En algèbre une 'structure' consiste en la donnée d'un ensemble E et, conjointement, la donnée sur cet ensemble d'une ou plusieurs lois de compositions internes ou externes. La notion de groupe correspond à la notion la plus simple dans la mesure où elle met en jeu une loi de composition interne unique. Bien qu'on puisse alléger les définitions on considère que pour avoir des propriétés intéressantes il faut au moins exiger quelques propriétés, comme l'associativité de la loi, l'existence d'un élément neutre, l'existence pour tout élément de l'ensemble support E d'un symétrique. On n'exige pas, par contre, que la loi soit commutative. Pour éviter des notations trop lourdes nous adopterons principalement la notation 'multiplicative', la notation 'additive' étant réservée à des opérations commutatives.

Pour un premier contact, une vision d'ensemble et quelques généralités nous orientons le lecteur vers la page wikipedia consacrée aux groupes mathématiques. Résumons par une :

Définition

Voyons maintenant les notations que nous allons utiliser tout au long du cours.

Notations et terminologie

Et voici quelques exemples simples :

Exemples

Le cas des groupes finis mérite quelque attention.

Cas des groupes finis

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Sous-groupes

De la même façon qu'on déduit la notion de sous-ensemble (ou partie) d'un ensemble nous allons déduire la notion de sous-groupe de celle de groupe. Nous poursuivrons plus tard avec les structures plus complexes.

Définition

Voici maintenant quelques exemples :

Exemples

On s'intéresse maintenant à une propriété simple des familles de sous-groupes d'un même groupe et à ses conséquences :

Intersections et génération

A tout sous-groupe on peut associer a priori deux relations d'équivalence.

Classes modulo un sous-groupe

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Morphismes de groupes

Les notions de base :

Définitions et propriétés

Quelques exemples classiques:

Exemples

On introduit ici la notion importante de sous-groupe 'distingué' ou encore 'normal'.

Groupes quotients

Voici encore quelques définitions et propriétés concernant les sous-groupes normaux (ou distingués).)

Compléments sur la normalité

On applique maintenant quelques théorèmes généraux sur les morphismes de groupes.

Noyau et image

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Produit direct interne

Nous allons faire un exposé avec la notation multiplicative, mais en pratique les résultats exposés ici servent surtout avec la notation additive en algèbre linéaire (somme de sous-espaces).

Les notions de base :

Définition et propriétés

Le cas de deux-sous-groupes en 'produit-direct' se généralise facilement à un nombre fini quelconque :

Généralisation à un nombre fini de sous-groupes

On décrit maintenant la situation obtenue dès qu'au moins un des sous-groupes est distingué (normal). La plupart des théorèmes réalisent des isomorphismes.

Cas des sous-groupes distingués

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Produit semi-direct

Produit semi-direct interne :

Définition

Produit semi-direct externe :

Définition

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Groupes cycliques

Nous avons vu ici, la définition d'un sous-groupe de G engendré par une partie X de G. On s'intéresse au cas où X est un singleton, X={x}.

Définition et propriétés

Voyons dans quelles conditions le produit de deux groupes cycliques peut être cyclique.

Produits de groupes cycliques

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Groupe opérant sur un ensemble

Nous donnons ici les principales définitions :

Définition et propriétés

Que nous illustrons par des exemples classiques :

Exemples

Voici quelques premiers résultats généraux :

Quelques théorèmes

Leur application dans le cas particulier d'un groupe fini opérant sur lui-même par conjugaison.

Cas des groupes finis

Et, pour finir, leur application dans le cas où le cardinal du groupe est une puissance d'un nombre premier.

Cas des p-groupes

Nous étudions maintenant le cas où G opère sur les classes modulo un sous-groupe.

Un exemple important

Nous conservons maintenant les notations de la page précédente, et nous appliquons ses résultats pour obtenir quelques théorèmes.

Applications - groupes simples

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Théorèmes de Sylow

Le théorème de Lagrange dit que dans le cas d'un groupe fini l'ordre d'un sous-groupe de G est un diviseur de l'ordre de G. On peut se poser la question réciproque: " d étant un diviseur de |G| peut-on toujours trouver dans G un sous-groupe d'ordre d ?" La réponse est négative, cependant moyennant certaines conditions sur n=|G| et d on peut prouver l'existence dans G de sous-groupes d'ordre d.

Définition - exemple

Voyons un premier théorème d'existence et sa conséquence le "théorème de Cauchy".

Premier théorème de Sylow

Les théorèmes qui suivent apportent des précisions sur le nombre des p-sylows d'un groupe donné.

Second et troisième théorèmes de Sylow

Voici maintenant quelques applications concernant le cas des groupes abéliens et la notion de simplicité.

Applications

Nous démontrons maintenant un résultat historique important en théorie des corps :

Simplicité des groupes alternés

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Résolubilité

Nous commençons par définir le groupe dérivé d'un groupe quelconque.

Groupes dérivés

A partir de cette notion nous pouvons définir la 'résolubilité' d'un groupe, étudier la stabilité de cette notion par passage aux sous-groupes et aux quotients et donner quelques exemples simples.

Définition

La suite décroissante des dérivés successifs d'un même groupe est un cas particulier d'une situation plus générale.

Suites de composition

Les suites normales sont un cas particulier des suites de composition.

Suites normales

Il existe plusieurs manières de caractériser les groupes résolubles au moyen des notions précédentes.

Diverses caractérisations de la résolubilité

Nous donnons maintenant quelques exemples de groupes résolubles (ou au contraire non résolubles).

Exemples de groupes résolubles

Suites de Jordan-Hölder

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Présentations de groupes

Nous verrons ici comment présenter un groupe en termes de générateurs et relations. Le but est de préciser le groupe de manière en même temps minimaliste et parlante. Nous reprenons le plan de Mr Hessbell (Ecole polytechnique fédérale de Lausanne). Cette section suppose parfaitement connue la notion de groupe engendré, et de façon plus générale tout ce qui concerne les morphismes de groupes, les sous-groupes et les groupes quotients. Le lecteur familiarisé avec l'algèbre linéaire et la notion de base se retrouvera en territoire connu pourvu qu'il transpose en notation multiplicative?

Groupes libres

Nous définissons maintenant la clôture 'normale' d'une partie R d'un groupe G, de façon tout à fait analogue à celle de sous-groupe engendré. Nous caractérisons cette clôture par une propriété universelle relative à certains morphismes.

Clotûre normale

Nous pouvons maintenant passer à la présentation d'un groupe par générateurs et relations.

Présentations

Nous donnons pour finir quelques exemples de définitions:

Exemples

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