Tout d’abord, si E est vide, alors E ne peut pas être muni d’une structure de groupe par défaut d’élément neutre.
Considérons E=∅ et notons n∈N∗ le cardinal de E. Le groupe (Z/nZ,+) étant de même cardinal que E, on peut trouver une bijection de E dans Z/nZ que l’on notera φ.
On considère alors l’application τ:E×E⟶E définie comme suit :
∀(x,y)∈E2,τ(x,y)=φ−1(φ(x)+φ(y)).Nous vérifions alors que (E,τ) est un groupe.
Notons 0 l’élément neutre de (Z/nZ,+), et posons
e:=φ−1(0)∈E.
Montrons d’abord l’associativité. Soit (x,y,z)∈E3. Par définition de τ, on a
φ(τ(x,y))=φ(x)+φ(y). Donc
φ(τ(τ(x,y),z))=φ(τ(x,y))+φ(z)=(φ(x)+φ(y))+φ(z)=φ(x)+(φ(y)+φ(z))=φ(x)+φ(τ(y,z))=φ(τ(x,τ(y,z))). Comme φ est injective, il vient
τ(τ(x,y),z)=τ(x,τ(y,z)). Ainsi τ est associative.
Vérifions l’existence d’un élément neutre. Pour tout x∈E,
φ(τ(e,x))=φ(e)+φ(x)=0+φ(x)=φ(x), donc, par injectivité de φ,
τ(e,x)=x. De même,
φ(τ(x,e))=φ(x)+φ(e)=φ(x)+0=φ(x), d’où
τ(x,e)=x. Ainsi e est un élément neutre bilatère pour τ.
Vérifions enfin l’existence d’un inverse pour tout élément. Soit x∈E. Dans le groupe (Z/nZ,+), l’élément φ(x) admet pour inverse additif l’élément −φ(x). Posons
y:=φ−1(−φ(x))∈E. Alors
φ(τ(x,y))=φ(x)+φ(y)=φ(x)−φ(x)=0=φ(e), donc, par injectivité de φ,
τ(x,y)=e. De même,
φ(τ(y,x))=φ(y)+φ(x)=−φ(x)+φ(x)=0=φ(e), d’où
τ(y,x)=e. Ainsi tout élément de E admet un inverse bilatère pour τ.
Les trois axiomes sont donc satisfaits ; par conséquent, (E,τ) est un groupe (et il est même abélien).
De la même façon on peut munir la sphère unité (ou tout ensemble de même cardinal que R) d’une structure de R-espace vectoriel de dimension 19 ou ce qu’on veut :-) !