Let be a finite set. Can be endowed with a group structure ?
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On peut généraliser à un ensemble non vide quelconque. Pour un ensemble non vide, si est un groupe qui lui est équipotent, en désignant par une bijection de dans , alors peut être muni d’une structure de groupe pour la loi . On peut d’ailleurs vérifier que devient alors naturellement un isomorphisme de groupes. L’exercice se ramène donc à savoir s’il existe ou non un groupe de tout cardinal.
Dans le cas fini, est un groupe de taille pour tout .
Pour un ensemble infini de cardinal , on peut montrer que est un groupe de même cardinal. En effet, pour tout s’injecte dans via , d’où .
Réciproquement, soit , alors est entièrement déterminée par son support et une bijection de sans point fixen d’où une injection de dans , ce qui donne :
Finalement est de cardinal , et est bien sûr un sous-groupe de . On aurait pu considérer le groupe libre .
First of all, if is empty, then cannot be endowed with a group structure for lack of a neutral element.
Consider and let denote the cardinality of . Since the group has the same cardinality as , there exists a bijection from to , which we shall denote by .
We then consider the map defined as follows:
We shall then verify that is a group.
Let denote the neutral element of , and set
Let us first prove associativity. Let . By definition of , we have
Therefore
As is injective, it follows that
Thus is associative.
Let us verify the existence of a neutral element. For every ,
hence, by injectivity of ,
Similarly,
whence
Thus is a two-sided neutral element for .
Finally, let us verify the existence of an inverse for every element. Let . In the group , the element admits the additive inverse . Set
Then
so, by injectivity of ,
Similarly,
whence
Thus every element of admits a two-sided inverse for .
The three axioms are therefore satisfied; consequently, is a group (and it is even abelian).
