L’application μσ:g↦σ∘g est une permutation de l’ensemble Sn, qui compte n! éléments : on a donc μσ∈S(Sn)≃Sn!.
Notons d l’ordre de σ dans Sn. Montrons que ε(μσ)=(−1)n!−dn!, ce qui se simplifie en
ε(μσ)={ε(σ)1si n⩽3,si n⩾4.Les orbites de μσ sont les ensembles {σkg:k∈Z}=⟨σ⟩g, c’est-à-dire les classes à droite du sous-groupe ⟨σ⟩. Chacune est de cardinal ∣⟨σ⟩∣=d, et leur nombre est l’indice c=[Sn:⟨σ⟩]=dn!.
De plus, chaque orbite est un cycle de longueur exactement d : pour g fixé, σkg=g équivaut à σk=id, donc à d∣k.
Ainsi μσ est produit de n!/d cycles disjoints de longueur d, et la formule ε=(−1)taille−nombre d’orbites donne
ε(μσ)=((−1)d−1)n!/d=(−1)n!−dn!.Simplification pour n⩾4. Il suffit de montrer que n!/d est pair, c’est-à-dire v2(d)<v2(n!), où v2 désigne la valuation 2-adique.
Si σ a pour longueurs de cycles ℓ1,…,ℓr, alors d=ppcm(ℓ1,…,ℓr), donc v2(d)=maxiv2(ℓi). Ce maximum étant atteint par un certain ℓi⩽n, on a 2v2(d)⩽n, soit
v2(d)⩽m,m:=⌊log2n⌋.La formule de Legendre et ⌊n/2i⌋⩾⌊2m/2i⌋=2m−i donnent
v2(n!)=i⩾1∑⌊2in⌋ ⩾ i=1∑m2m−i=2m−1.Comme n⩾4 entraîne m⩾2, on a 2m−1⩾m+1>m⩾v2(d). Donc n!/d est pair, l’exposant n!−n!/d aussi, et ε(μσ)=1.
Pour n⩽3, on énumère.
n=1 : S1 est réduit à un point, μσ=id, de signature 1=ε(σ).
n=2 : ici n!=2. Si σ=id, alors d=1 et ε(μσ)=1. Si σ=(12), alors d=2 et μσ est un unique 2-cycle, de signature −1.
n=3 : ici n!=6. Pour d=1, ε=1 ; pour d=2 (σ transposition), μσ est produit de 3 transpositions, donc ε=−1 ; pour d=3 (σ un 3-cycle), μσ est produit de 2 cycles de longueur 3, donc ε=1. ■