Ivan Shishkin, Rye (1878)

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Groupes finis avec 3 classes de conjugaison

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Solution by Sequoia · translated by Ancient Tree · FR

Soit GG agissant sur X:=GX:=G par conjugaison, c’est-à-dire via l’action (g,x)∈G×X⟼g⋅x=gxg−1∈G(g,x)\in G\times X\longmapsto g\cdot x=gxg^{-1}\in G.

Ainsi, l’orbite de xx sous cette action est Ox:={gxg−1,g∈G}O_x:=\{gxg^{-1}, g\in G\}, c’est-à-dire la classe de conjugaison de xx, et son stabilisateur est Stab(x):={g∈G∣gxg−1=x}Stab(x):=\{g\in G\mid gxg^{-1}=x\}, c’est-à-dire l’ensemble des éléments qui commutent avec xx.

Nous savons que l’ensemble des orbites forme une partition de XX, c’est-à-dire qu’il existe x1,…,xr∈Xx_1,\dots,x_r\in X tels que X=⨆i=1rOxiX=\bigsqcup_{i=1}^r O_{x_i}. Mais il n’y a ici que trois classes de conjugaison, donc r=3r=3. De plus, l’une de ces classes contient l’élément neutre ee, dont l’orbite est réduite à lui-même puisqu’il commute avec tout le monde. On a donc l’égalité X={e}⊔Ox⊔OyX=\{e\}\sqcup O_x\sqcup O_y pour certains x,y∈Xx,y\in X.

Considérons maintenant les cardinalités : on obtient #G=1+#Ox+#Oy\#G=1+\#O_x+\#O_y. Mais les cardinalités #Ox\#O_x et #Oy\#O_y peuvent aussi s’écrire comme #G#Stab(x)\frac{\#G}{\#Stab(x)} (et de même pour yy), donc on obtient finalement
#G=1+#G(1#Stab(x)+1#Stab(y)).\#G=1+\#G\left(\frac{1}{\#Stab(x)}+\frac{1}{\#Stab(y)}\right).

Ce qui peut se réécrire comme
#Stab(x)⋅#Stab(y)⋅(#G−1)=#G⋅(#Stab(x)+#Stab(y)).\#Stab(x)\cdot\#Stab(y)\cdot(\#G-1)=\#G\cdot(\#Stab(x)+\#Stab(y)).

Mais puisque #G\#G et #G−1\#G-1 sont premiers entre eux, alors #G−1\#G-1 divise #Stab(x)+#Stab(y)\#Stab(x)+\#Stab(y). Cependant, Stab(x)Stab(x) et Stab(y)Stab(y) sont des sous-groupes de GG. Supposons que l’un d’eux soit égal à GG, alors #G−1\#G-1 divise le cardinal de l’autre moins un, et celui-ci doit donc également être égal à GG. Mais Stab(x)=GStab(x)=G si et seulement si xx commute avec tout élément de GG, et de même pour yy. Ainsi G=Z/3ZG=\mathbb{Z}/3\mathbb{Z}.

Supposons maintenant que Stab(x)Stab(x) et Stab(y)Stab(y) ne soient tous les deux pas égaux à GG. Alors, d’après le théorème de Lagrange, leurs cardinalités doivent être inférieures ou égales à #G2\frac{\#G}{2}, donc leur somme doit être inférieure à #G\#G et être un multiple de #G−1\#G-1. Elle doit donc être égale à #G−1\#G-1.

Finalement, on obtient les deux équations :
#G−1=#Stab(x)+#Stab(y)  et  #G=#Stab(x)⋅#Stab(y).\#G-1=\#Stab(x)+\#Stab(y)\,\,\text{et}\,\,\#G=\#Stab(x)\cdot\#Stab(y).

Puisque nous savons que e∈Stab(x)∩Stab(y)e\in Stab(x)\cap Stab(y), posons a:=#Stab(x)−1a:=\#Stab(x)-1 et b:=#Stab(y)−1b:=\#Stab(y)-1, ce qui donne a+b=#G−3a+b=\#G-3 et 2=ab2=ab. Ainsi, sans perte de généralité, on déduit que a=2a=2 et b=1b=1, donc #Stab(x)=3,#Stab(y)=2\#Stab(x)=3,\#Stab(y)=2 et #G=6\#G=6.

Enfin, il n’existe qu’un seul groupe non abélien d’ordre 66 à isomorphisme près (il doit être non abélien pour n’avoir que 33 classes de conjugaison), qui est S3S_3. Cela conclut la preuve.

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