Ivan Shishkin, Rye (1878)

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Inception aux oraux de l’ENS : Permutation de permutation

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L’application μσ:gσg\mu_\sigma:g\mapsto\sigma\circ g est une permutation de l’ensemble Sn\mathfrak{S}_n, qui compte n!n! éléments : on a donc μσS(Sn)Sn!\mu_\sigma\in\mathfrak{S}(\mathfrak{S}_n)\simeq\mathfrak{S}_{n!}.

Notons dd l’ordre de σ\sigma dans Sn\mathfrak{S}_n. Montrons que ε(μσ)=(1)n!n!d\varepsilon(\mu_\sigma)=(-1)^{n!-\frac{n!}{d}}, ce qui se simplifie en
ε(μσ)={ε(σ)si n3,1si n4.\varepsilon(\mu_\sigma)=\begin{cases}\varepsilon(\sigma) & \text{si } n\leqslant 3,\\[2pt] 1 & \text{si } n\geqslant 4.\end{cases}Les orbites de μσ\mu_\sigma sont les ensembles {σkg:kZ}=σg\{\sigma^{k}g:k\in\mathbb{Z}\}=\langle\sigma\rangle g, c’est-à-dire les classes à droite du sous-groupe σ\langle\sigma\rangle. Chacune est de cardinal σ=d|\langle\sigma\rangle|=d, et leur nombre est l’indice c=[Sn:σ]=n!dc=\bigl[\mathfrak{S}_n:\langle\sigma\rangle\bigr]=\frac{n!}{d}.
De plus, chaque orbite est un cycle de longueur exactement dd : pour gg fixé, σkg=g\sigma^{k}g=g équivaut à σk=id\sigma^{k}=\mathrm{id}, donc à dkd\mid k.

Ainsi μσ\mu_\sigma est produit de n!/dn!/d cycles disjoints de longueur dd, et la formule ε=(1)taillenombre d’orbites\varepsilon=(-1)^{\text{taille}-\text{nombre d'orbites}} donne
ε(μσ)=((1)d1)n!/d=(1)n!n!d.\varepsilon(\mu_\sigma)=\bigl((-1)^{d-1}\bigr)^{n!/d}=(-1)^{n!-\frac{n!}{d}}.Simplification pour n4n\geqslant 4. Il suffit de montrer que n!/dn!/d est pair, c’est-à-dire v2(d)<v2(n!)v_2(d)<v_2(n!), où v2v_2 désigne la valuation 22-adique.
Si σ\sigma a pour longueurs de cycles 1,,r\ell_1,\dots,\ell_r, alors d=ppcm(1,,r)d=\operatorname{ppcm}(\ell_1,\dots,\ell_r), donc v2(d)=maxiv2(i)v_2(d)=\max_i v_2(\ell_i). Ce maximum étant atteint par un certain in\ell_i\leqslant n, on a 2v2(d)n2^{v_2(d)}\leqslant n, soit
v2(d)m,m:=log2n.v_2(d)\leqslant m,\qquad m:=\lfloor\log_2 n\rfloor .La formule de Legendre et n/2i2m/2i=2mi\lfloor n/2^{i}\rfloor\geqslant\lfloor 2^{m}/2^{i}\rfloor=2^{m-i} donnent
v2(n!)=i1n2i  i=1m2mi=2m1.v_2(n!)=\sum_{i\geqslant 1}\left\lfloor\frac{n}{2^{i}}\right\rfloor\ \geqslant\ \sum_{i=1}^{m}2^{m-i}=2^{m}-1 .Comme n4n\geqslant 4 entraîne m2m\geqslant 2, on a 2m1m+1>mv2(d)2^{m}-1\geqslant m+1>m\geqslant v_2(d). Donc n!/dn!/d est pair, l’exposant n!n!/dn!-n!/d aussi, et ε(μσ)=1\varepsilon(\mu_\sigma)=1.
Pour n3n\leqslant 3, on énumère.
n=1n=1 : S1\mathfrak{S}_1 est réduit à un point, μσ=id\mu_\sigma=\mathrm{id}, de signature 1=ε(σ)1=\varepsilon(\sigma).
n=2n=2 : ici n!=2n!=2. Si σ=id\sigma=\mathrm{id}, alors d=1d=1 et ε(μσ)=1\varepsilon(\mu_\sigma)=1. Si σ=(12)\sigma=(1\,2), alors d=2d=2 et μσ\mu_\sigma est un unique 22-cycle, de signature 1-1.
n=3n=3 : ici n!=6n!=6. Pour d=1d=1, ε=1\varepsilon=1 ; pour d=2d=2 (σ\sigma transposition), μσ\mu_\sigma est produit de 33 transpositions, donc ε=1\varepsilon=-1 ; pour d=3d=3 (σ\sigma un 33-cycle), μσ\mu_\sigma est produit de 22 cycles de longueur 33, donc ε=1\varepsilon=1. \blacksquare

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