Ivan Shishkin, Rye (1878)

Problems/Group actionUnreviewed

Centre d’un pp-groupe

by Sequoia·
53
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  1. 1–10First steps / middle schoolPremiers pas / collège
  2. 11–25Beginner / high schoolDébutant / lycée
  3. 26–50Intermediate / undergraduateIntermédiaire / licence
  4. 51–70Advanced / graduateAvancé / master
  5. 71–90Expert / specializedExpert / spécialisé
  6. 91–100Research levelNiveau recherche
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Français

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On considère un pp-groupe GG non-trivial de neutre ee. On définit son centre
Z(G):={x∈G/∀y∈G,xy=yx}.\mathcal{Z}(G):=\{x\in G/ \forall y\in G, xy=yx\}.Le but de l’exercice est de montrer que Z(G)≠{e}\mathcal{Z}(G)\neq\{e\}, c’est-à-dire que le centre d’un pp-groupe n’est pas trivial.

  1. Montrer que Z(G)\mathcal{Z}(G) est un sous-groupe de GG. En déduire que c’est un pp-groupe.
  2. On considère l'action de GG sur lui-même par conjugaison, soit gg agit sur xx par g⋅x:=gxg−1g\cdot x:=gxg^{-1}.
    Montrer que ceci définit bien une action de groupe.
  3. Montrer que le stabilisateur d’un élément xx de GG est un sous-groupe de GG. En déduire que l'orbite de xx a pour cardinal une puissance de pp.
  4. Que dire de xx si l’orbite est de cardinal 11 ?
  5. En utilisant la formule des classes, montrer que #G=#Z(G)  [p]\#G=\#Z(G)\,\,[p] et conclure.
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Solutions

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Solution by Sequoia

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  1. ↪\hookrightarrow Le neutre e∈Ge \in G vérifie ey=ye=yey = ye = y pour tout y∈Gy \in G. Donc e∈Z(G)e \in \mathcal{Z}(G). Ainsi, Z(G)≠∅\mathcal{Z}(G) \neq \emptyset.

↪\hookrightarrow Soient a,b∈Z(G)a, b \in \mathcal{Z}(G). Montrons que ab−1∈Z(G)ab^{-1} \in \mathcal{Z}(G).
Pour tout y∈Gy \in G, on a by=ybby = yb. En multipliant à gauche et à droite par b−1b^{-1}, on obtient yb−1=b−1yyb^{-1} = b^{-1}y.
Maintenant, évaluons (ab−1)y(ab^{-1})y :
(ab−1)y=a(b−1y)=a(yb−1)=(ay)b−1=(ya)b−1=y(ab−1)(ab^{-1})y = a(b^{-1}y) = a(yb^{-1}) = (ay)b^{-1} = (ya)b^{-1} = y(ab^{-1})(car a∈Z(G)a \in \mathcal{Z}(G) implique ay=yaay = ya).
Ainsi, ab−1ab^{-1} commute avec tout élément de GG, donc ab−1∈Z(G)ab^{-1} \in \mathcal{Z}(G).

Ainsi Z(G)\mathcal{Z}(G) est un sous-groupe de GG.

D’après le théorème de LagrangeEN, le cardinal d’un sous-groupe divise le cardinal du groupe. Ainsi, #Z(G)\#\mathcal{Z}(G) divise #G=pk\#G = p^k. On en déduit que #Z(G)=pm\#\mathcal{Z}(G) = p^m avec 0≤m≤k0 \leq m \leq k. Z(G)\mathcal{Z}(G) est donc bien un pp-groupe.

  1. On vérifie les deux axiomes d’une action d’un groupe sur un ensemble :

↪\hookrightarrow Pour tout x∈Gx \in G, e⋅x=exe−1=exe=xe \cdot x = e x e^{-1} = e x e = x.

↪\hookrightarrow Pour tous g,h∈Gg, h \in G et pour tout x∈Gx \in G,
g⋅(h⋅x)=g⋅(hxh−1)=g(hxh−1)g−1=(gh)x(h−1g−1)=(gh)x(gh)−1=(gh)⋅xg \cdot (h \cdot x) = g \cdot (hxh^{-1}) = g(hxh^{-1})g^{-1} = (gh)x(h^{-1}g^{-1}) = (gh)x(gh)^{-1} = (gh) \cdot x

L’application (g,x)↦gxg−1(g, x) \mapsto gxg^{-1} définit donc bien une action de GG sur lui-même par conjugaison.

  1. Le stabilisateur de x∈Gx \in G sous cette action est Stab(x)={g∈G∣gxg−1=x}\text{Stab}(x) = \{g \in G \mid gxg^{-1} = x\}.
    C’est le centralisateur de xx. De manière générale, un stabilisateur est toujours un sous-groupe. En effet : exe−1=x  ⟹  e∈Stab(x)exe^{-1}=x \implies e \in \text{Stab}(x) ; et si g,h∈Stab(x)g,h \in \text{Stab}(x), alors (gh−1)x(gh−1)−1=gh−1xhg−1=g(h−1xh)g−1=gxg−1=x(gh^{-1})x(gh^{-1})^{-1} = gh^{-1}xhg^{-1} = g(h^{-1}xh)g^{-1} = gxg^{-1} = x (car hxh−1=x  ⟹  x=h−1xhhxh^{-1}=x \implies x = h^{-1}xh). Donc Stab(x)\text{Stab}(x) est un sous-groupe de GG.

D’après le théorème des orbites-stabilisateursEN, le cardinal de l’orbite d’un élément xx, notée Ox\mathcal{O}_x, vérifie :
#Ox=#G#Stab(x)\#\mathcal{O}_x = \frac{\#G}{\#\text{Stab}(x)}Puisque #G=pk\#G = p^k, le cardinal de l’orbite #Ox\#\mathcal{O}_x divise pkp^k. C’est donc nécessairement une puissance de pp (de la forme prp^r avec 0≤r≤k0 \leq r \leq k).

  1. Si #Ox=1\#\mathcal{O}_x = 1, alors Ox={x}\mathcal{O}_x = \{x\}. Cela signifie que pour tout g∈Gg \in G, g⋅x=xg \cdot x = x.
    C’est-à-dire : ∀g∈G,gxg−1=x  ⟺  ∀g∈G,gx=xg⟺x∈Z(G)\forall g \in G, gxg^{-1} = x \iff \forall g \in G, gx = xg \Longleftrightarrow x\in\mathcal{Z}(G).
    Donc #Ox=1  ⟺  x∈Z(G)\#\mathcal{O}_x = 1 \iff x \in \mathcal{Z}(G).

  2. L’ensemble GG est la réunion disjointe de ses orbites sous l’action de conjugaison.
    Soient Ox1,Ox2,…,Oxr\mathcal{O}_{x_1}, \mathcal{O}_{x_2}, \dots, \mathcal{O}_{x_r} les orbites distinctes.
    La formule des classes s’écrit :
    #G=∑i=1r#Oxi\#G = \sum_{i=1}^r \#\mathcal{O}_{x_i}On sépare cette somme en deux : les orbites de cardinal 11 (qui correspondent aux éléments de Z(G)\mathcal{Z}(G)) et les orbites de cardinal strictement supérieur à 11.
    #G=#Z(G)+∑#Oxi>1#Oxi\#G = \#\mathcal{Z}(G) + \sum_{\#\mathcal{O}_{x_i} > 1} \#\mathcal{O}_{x_i}De plus, pour toute orbite telle que #Oxi>1\#\mathcal{O}_{x_i} > 1, on sait que #Oxi\#\mathcal{O}_{x_i} est une puissance de pp (donc de la forme prp^r avec r≥1r \geq 1). Par conséquent, pour ces orbites, #Oxi≡0(modp)\#\mathcal{O}_{x_i} \equiv 0 \pmod p.

En passant à l’équation modulo pp, on obtient :
#G≡#Z(G)+0(modp)  ⟹  #Z(G)≡0(modp)\#G \equiv \#\mathcal{Z}(G) + 0 \pmod p \implies \#\mathcal{Z}(G) \equiv 0 \pmod pcar GG est un pp-groupe. Ainsi le cardinal du centre est un multiple de pp.
Or, on sait que Z(G)\mathcal{Z}(G) est un sous-groupe, donc il contient au moins l’élément neutre ee. Ainsi, #Z(G)≥1\#\mathcal{Z}(G) \geq 1.
On en déduit que #Z(G)≥p>1\#\mathcal{Z}(G) \geq p > 1, ce qui conclut !

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