Ivan Shishkin, Rye (1878)

Problems/General algebraReviewed

Groupes finis avec 3 classes de conjugaison

by Ancient Tree·
51
Difficulty scaleÉchelle de difficulté

This score reflects both the level of the required concepts and the difficulty of the solution.Ce score tient compte à la fois du niveau des notions nécessaires et de la difficulté de la résolution.

  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
These levels are approximate guides.Ces niveaux sont des repères approximatifs.
·
Français
FrançaisEnglish

Soit GG un groupe fini avec exactement 3 classes de conjugaison. Montrer que GG est isomorphe au groupe cyclique Z/3Z\mathbb{Z}/3\mathbb{Z} ou au groupe de permutationsEN S3S_3.

I solved itMark it doneAdd to my listKeep it in your list

Solutions

2
Reveal solutionsAre you sure? Give it a try first.

Solution by Sequoia · translated by Ancient Tree

Discussions0 useful votes

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.

Solution by visitor

Discussions0 useful votes
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

Report

For an unclear, ambiguous, or possibly incorrect statement, please use the Discussion tab on the right. Report content that needs moderator intervention, such as dangerous, clearly non-mathematical, or plagiarized content.