Solution
On a . Raisonnons par l’absurde en supposant simple.
Lemme (action sur les classes)
Si possède un sous-groupe propre d’indice tel que , alors n’est pas simple.
Preuve
L’action de sur par translation fournit un morphisme . Si était trivial, s’injecterait dans et diviserait , ce qui est exclu. Donc ; par ailleurs . C’est un sous-groupe distingué propre non trivial.
Comme , tout sous-groupe propre d’indice contredit la simplicité de . Nous l’utiliserons systématiquement.
Discussion selon
Les théorèmes de Sylow donnent et , d’où .
Cas . L’unique -sous-groupe de Sylow est distingué : n’est pas simple.
Cas . Pour , on a , et . Le lemme~\ref{lem:poincare} conclut.
Cas . Alors , donc , c’est-à-dire pour tout . Deux sous-cas se présentent.
(a) Les -Sylow s’intersectent deux à deux trivialement. Ils fournissent alors éléments d’ordre ou , deux à deux distincts. Il reste éléments dont l’ordre est une puissance de . Or tout -sous-groupe de Sylow est d’ordre et n’est composé que de tels éléments : il coïncide donc exactement avec cet ensemble, d’où et le -Sylow est distingué.
(b) Il existe dans avec .
Alors . Les groupes et , d’ordre , sont abéliens, donc normalisent : ainsi Comme
on obtient . Or divise et divise , donc , c’est-à-dire . Si , le sous-groupe est distingué ; sinon le lemme s’applique.
Dans tous les cas, possède un sous-groupe distingué propre non trivial : n’est pas simple.
Remarque
L’argument ne dépend que de l’écriture . Il s’inscrit dans un résultat général, le théorème de Burnside : aucun groupe d’ordre n’est simple, sauf s’il est cyclique d’ordre premier. La preuve générale relève de la théorie des caractères, alors que le cas se traite entièrement à la main.
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