Ivan Shishkin, Rye (1878)

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Groupes finis avec 3 classes de conjugaison

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Solution par les sous-groupes distingués

Observation initiale. Un sous-groupe distingué de GG est une réunion de classes de conjugaison contenant ee. Comme GG n’a que trois classes, G={e}⊔A⊔BG=\{e\}\sqcup A\sqcup B, il n’y a que quatre sous-groupes distingués possibles :
{e},{e}∪A,{e}∪B,G.\{e\},\qquad \{e\}\cup A,\qquad \{e\}\cup B,\qquad G.

Cas abélien. Si GG est abélien, chaque classe est un singleton, donc ∣G∣=3|G|=3 et G≃Z/3ZG\simeq\mathbb{Z}/3\mathbb{Z}.

Cas non abélien. Supposons GG non abélien : son groupe dérivé G′G' est distingué et non trivial. Montrons d’abord que G′≠GG'\neq G. Si G′=GG'=G, le groupe GG n’a aucun quotient abélien non trivial ; on écarte ce cas à la fin.

Supposons donc {e}≠G′≠G\{e\}\neq G'\neq G. Quitte à échanger les noms, G′={e}∪AG'=\{e\}\cup A. Le quotient G/G′G/G' est abélien, et l’image de BB y forme une seule classe : G/G′G/G' a exactement deux éléments, donc
∣G/G′∣=2,∣G′∣=∣G∣2=1+∣A∣.|G/G'|=2,\qquad |G'|=\frac{|G|}{2}=1+|A|.Or ∣A∣|A| divise ∣G∣=2∣A∣+2|G|=2|A|+2, donc ∣A∣|A| divise 22.

  • Si ∣A∣=1|A|=1, alors ∣G∣=4|G|=4 : tout groupe d’ordre 44 est abélien, contradiction.
  • Si ∣A∣=2|A|=2, alors ∣G∣=6|G|=6 et ∣G′∣=3|G'|=3, donc G′≃Z/3ZG'\simeq\mathbb{Z}/3\mathbb{Z}.

Identification. On a G′⊴GG'\trianglelefteq G d’indice 22, engendré par un élément aa d’ordre 33. Soit b∈G∖G′b\in G\setminus G' ; son image dans G/G′G/G' est d’ordre 22, donc b2∈G′b^{2}\in G'. Si b2≠eb^{2}\neq e, alors bb serait d’ordre 66 et GG cyclique donc abélien : ainsi b2=eb^{2}=e. Enfin bab−1∈G′bab^{-1}\in G' est d’ordre 33, donc vaut aa ou a2a^{2} ; le premier cas rendrait GG abélien. D’où
G=⟨a,b⟩,a3=b2=e,bab−1=a2,G=\langle a,b\rangle,\qquad a^{3}=b^{2}=e,\qquad bab^{-1}=a^{2},c’est une présentation de S3\mathfrak{S}_3, donc G≃S3G\simeq\mathfrak{S}_3.

Le cas parfait. Reste à écarter G′=GG'=G. L’équation aux classes donne ∣G∣=1+∣A∣+∣B∣|G|=1+|A|+|B| avec ∣A∣,∣B∣|A|,|B| divisant ∣G∣|G|, donc
1=1∣G∣+1c1+1c2,ci=∣G∣∣A∣, ∣G∣∣B∣ ⩾2.1=\frac{1}{|G|}+\frac{1}{c_1}+\frac{1}{c_2},\qquad c_i=\frac{|G|}{|A|},\ \frac{|G|}{|B|}\ \geqslant 2 .Le plus grand des trois termes vaut au moins 13\frac13, donc min⁡(c1,c2)⩽3\min(c_1,c_2)\leqslant 3. Si ce minimum vaut 22, on obtient 1∣G∣+1c=12\frac{1}{|G|}+\frac{1}{c}=\frac12 avec c∣∣G∣c\mid|G|, d’où ∣G∣=6|G|=6 ; si le minimum vaut 33, alors 1∣G∣+1c=23\frac{1}{|G|}+\frac{1}{c}=\frac23 avec c⩾3c\geqslant 3, d’où ∣G∣=3|G|=3. Dans les deux cas GG admet un quotient abélien non trivial, donc G′≠GG'\neq G. ■\blacksquare

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