Ivan Shishkin, Rye (1878)

Problems/Group

Probabilité de commuter dans un groupe fini

by Sequoia·
58
Difficulty scaleÉchelle de difficulté

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  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.
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Soit GG un groupe fini non abélien.

Montrer que la probabilité que deux éléments de GG choisis au hasard commutent est inférieure ou égale à 58\frac58.

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Soit Z(G):={x∈G/∀g∈G,xg=gx}Z(G):=\{x\in G/ \forall g\in G, xg=gx\} le centre de GG, et posons z=∣Z(G)∣z = |Z(G)| ainsi que Zg(G):={x∈G/xg=gx}Z_g(G):=\{x\in G/ xg=gx\} le centralisateur de g∈Gg\in G..

Pour g∈Gg \in G, on distingue deux cas :

  1. Si g∈Z(G)g \in Z(G), alors ZG(g)=GZ_G(g) = G, donc ∣ZG(g)∣=n|Z_G(g)| = n.
  2. Si g∉Z(G)g \notin Z(G), alors ZG(g)⊊GZ_G(g) \subsetneq G. En appliquant le théorème de Lagrange, ∣ZG(g)∣≤n2|Z_G(g)| \leq \frac{n}{2}.

On a donc :
∣K∣=∑g∈Z(G)n+∑g∉Z(G)∣ZG(g)∣⩽n⋅z+(n−z)⋅n2=n22+nz2.|K| = \sum_{g \in Z(G)} n + \sum_{g \notin Z(G)} |Z_G(g)| \leqslant n \cdot z + (n-z) \cdot \frac{n}{2} = \frac{n^2}{2} + \frac{nz}{2}.

D’où :
P(G)=∣K∣n2⩽12+z2n.\mathbb{P}(G) = \frac{|K|}{n^2} \leqslant \frac{1}{2} + \frac{z}{2n}.

Majoration du centre. Si G/Z(G)G/Z(G) est cyclique, alors GG est abélien. En effet, si G/Z(G)=⟨aˉ⟩G/Z(G) = \langle \bar{a} \rangle pour un a∈Ga \in G, alors tout élément g∈Gg \in G s’écrit g=akzg = a^k z avec z∈Z(G)z \in Z(G). Pour g=akzg = a^k z et g′=ak′z′g' = a^{k'} z' avec z,z′∈Z(G)z, z' \in Z(G), on a :
gg′=akzak′z′=ak+k′zz′=ak′akz′z=g′g.gg' = a^k z a^{k'} z' = a^{k+k'} zz' = a^{k'} a^k z'z = g'g.

Comme GG est non abélien, G/Z(G)G/Z(G) n’est pas cyclique. Les seuls groupes d’ordre ≤3\leq 3 sont cycliques (à savoir {1}\{1\}, Z/2Z\Z/2\Z et Z/3Z\Z/3\Z). Le premier groupe non cyclique est Z/2Z×Z/2Z\Z/2\Z \times \Z/2\Z d’ordre 44. Donc :
∣G/Z(G)∣⩾4  ⟹  nz⩾4  ⟹  zn⩽14.|G/Z(G)| \geqslant 4 \implies \frac{n}{z} \geqslant 4 \implies \frac{z}{n} \leqslant \frac{1}{4}.

Conclusion :
P(G)⩽12+z2n⩽12+12⋅14=58.\mathbb{P}(G) \leqslant \frac{1}{2} + \frac{z}{2n} \leqslant \frac{1}{2} + \frac{1}{2} \cdot \frac{1}{4} = \frac{5}{8}.

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