Ivan Shishkin, Rye (1878)

Problems/General algebraReviewed

Groupes d’ordre 144144

by Étienne86·
65
Difficulty scaleÉchelle de difficulté

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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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Soit GG un groupe fini d’ordre 144144. Montrer que GG n’est pas simple.

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On a 144=24⋅32144=2^{4}\cdot 3^{2}. Raisonnons par l’absurde en supposant GG simple.

Lemme (action sur les classes)
Si GG possède un sous-groupe propre HH d’indice k⩾2k\geqslant 2 tel que ∣G∣∤k!|G|\nmid k!, alors GG n’est pas simple.
Preuve
L’action de GG sur G/HG/H par translation fournit un morphisme φ:G→SG/H≃Sk\varphi:G\to\mathfrak{S}_{G/H}\simeq\mathfrak{S}_k. Si ker⁡φ\ker\varphi était trivial, GG s’injecterait dans Sk\mathfrak{S}_k et ∣G∣|G| diviserait k!k!, ce qui est exclu. Donc ker⁡φ≠{e}\ker\varphi\neq\{e\} ; par ailleurs ker⁡φ⊆H⊊G\ker\varphi\subseteq H\subsetneq G. C’est un sous-groupe distingué propre non trivial.

Comme 144∤24=4!144\nmid 24=4!, tout sous-groupe propre d’indice ⩽4\leqslant 4 contredit la simplicité de GG. Nous l’utiliserons systématiquement.

Discussion selon n3n_3
Les théorèmes de Sylow donnent n3≡1(mod3)n_3\equiv 1 \pmod 3 et n3∣16n_3\mid 16, d’où n3∈{1,4,16}n_3\in\{1,4,16\}.

Cas n3=1n_3=1. L’unique 33-sous-groupe de Sylow est distingué : GG n’est pas simple.

Cas n3=4n_3=4. Pour P∈Syl3(G)P\in\mathrm{Syl}_3(G), on a [G:NG(P)]=n3=4[G:N_G(P)]=n_3=4, et NG(P)≠GN_G(P)\neq G. Le lemme~\ref{lem:poincare} conclut.

Cas n3=16n_3=16. Alors [G:NG(P)]=16[G:N_G(P)]=16, donc ∣NG(P)∣=9|N_G(P)|=9, c’est-à-dire NG(P)=PN_G(P)=P pour tout P∈Syl3(G)P\in\mathrm{Syl}_3(G). Deux sous-cas se présentent.

(a) Les 33-Sylow s’intersectent deux à deux trivialement. Ils fournissent alors 16×(9−1)=12816\times(9-1)=128 éléments d’ordre 33 ou 99, deux à deux distincts. Il reste 144−128=16144-128=16 éléments dont l’ordre est une puissance de 22. Or tout 22-sous-groupe de Sylow est d’ordre 1616 et n’est composé que de tels éléments : il coïncide donc exactement avec cet ensemble, d’où n2=1n_2=1 et le 22-Sylow est distingué.

(b) Il existe P≠QP\neq Q dans Syl3(G)\mathrm{Syl}_3(G) avec D:=P∩Q≠{e}D:=P\cap Q\neq\{e\}.
Alors ∣D∣=3|D|=3. Les groupes PP et QQ, d’ordre 9=329=3^{2}, sont abéliens, donc normalisent DD : ainsi P∪Q⊆N:=NG(D).P\cup Q\subseteq N:=N_G(D). Comme
∣PQ∣=∣P∣ ∣Q∣∣P∩Q∣=9×93=27,|PQ|=\frac{|P|\,|Q|}{|P\cap Q|}=\frac{9\times 9}{3}=27,on obtient ∣N∣⩾27|N|\geqslant 27. Or 99 divise ∣N∣|N| et ∣N∣|N| divise 144144, donc ∣N∣∈{36,72,144}|N|\in\{36,72,144\}, c’est-à-dire [G:N]⩽4[G:N]\leqslant 4. Si N=GN=G, le sous-groupe DD est distingué ; sinon le lemme s’applique.

Dans tous les cas, GG possède un sous-groupe distingué propre non trivial : GG n’est pas simple. ■\blacksquare

Remarque

L’argument ne dépend que de l’écriture 144=24⋅32144=2^{4}\cdot 3^{2}. Il s’inscrit dans un résultat général, le théorème de Burnside : aucun groupe d’ordre paqbp^{a}q^{b} n’est simple, sauf s’il est cyclique d’ordre premier. La preuve générale relève de la théorie des caractères, alors que le cas 144144 se traite entièrement à la main.
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