Ivan Shishkin, Rye (1878)

Problems/Probability and statisticsUnreviewed

Probabilité qu’un morphisme de groupe soit surjectif.

by Hadrien·
55
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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
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Français

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Soit m,r≥1m,r\geq 1 deux entiers. On munit l’ensemble des morphismes de groupe de (Z/mZ)r(\Z/m\Z)^r dans Z/mZ\Z/m\Z de la probabilité uniforme. Donner une expression simple de la probabilité de l’événement "le morphisme φ\varphi est surjectif".

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Solutions

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Solution by Hadrien

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On note AA l’ensemble des morphismes de (Z/mZ)r(\Z/m\Z)^r dans Z/mZ\Z/m\Z. Si φ∈A\varphi\in A alors ∀x,y∈(Z/mZ)r,φ(x+y)=φ(x)+φ(y)\forall x,y \in (\Z/m\Z)^r, \varphi(x+y)=\varphi(x)+\varphi(y). Donc en notant ej=(0,...,0,1,0...0)e_j=(0,...,0,1,0...0) avec 11 en position jj, φ\varphi est entièrement déterminée par les φ(ei)\varphi(e_i).

Pour chacune des φ(ei)\varphi(e_i), on a mm choix. On a donc ∣A∣=mr|A|=m^r.

On cherche maintenant à caractériser les morphismes surjectifs. Si un générateur de Z/mZ\Z/m\Z admet un antécédent par φ\varphi alors par propriétés de morphisme, tous les éléments de Z/mZ\Z/m\Z admettent un antécédent. On prend un générateur simple : 11. On a alors φ\varphi surjectif ssi 11 admet un antécédent par φ\varphi.

Prenons φ\varphi surjectif, alors 11 admet un antécédent et donc il existe x1,...,xrx_1,...,x_r tels que 1=x1φ(e1)+...+xrφ(er)1=x_1\varphi(e_1)+...+x_r\varphi(e_r). Donc φ\varphi surjectif ssi les φ(ei)\varphi(e_i) sont premiers entre eux par Bézout.

Il s’avère qu’il est plus simple de dénombrer les morphismes non-surjectifs. En effet, si φ∈A\varphi\in A n’est par surjectif alors par l’équivalence précédente, pour tous x1,...,xr∈Z/mZ,x_1,...,x_r\in \Z/m\Z, 1≠x1φ(e1)+...+xrφ(er)1\neq x_1\varphi(e_1)+...+x_r\varphi(e_r). On travaille dans Z/mZ\Z/m\Z, donc ça veut dire qu’il existe pp premier qui divise tous les φ(ei)\varphi(e_i) mais aussi\textbf{mais aussi} mm.
Pour pp premier fixé, on regarde la probabilité de l’événement BpB_p:"∀k,p∣φ(ek)\forall k, p|\varphi(e_k)". Si on note Bp,iB_{p,i}:"p∣φ(ei)p|\varphi(e_i)".

Alors on a Bp=⋂i=1rBp,iB_p=\displaystyle\bigcap_{i=1}^r B_{p,i}. Or ∣Bp,i∣=mp|B_{p,i}|=\frac{m}{p} donc ∣Bp∣=(mp)r|B_p|=\left(\displaystyle\frac{m}{p}\right)^r. Finalement P(Bp)=(mp)r1mr=1prP(B_p)=\displaystyle\left(\frac{m}{p}\right)^r\frac{1}{m^r}=\displaystyle\frac{1}{p^r}.

On note m=p1α1...pqαqm=p_1^{\alpha_1}...p_q^{\alpha_q} la décomposition primaire de mm. Un calcul rapide permet de justifier que les BpiB_{p_i} sont mutuellement indépendant. On note BB l’événement :"φ∈A\varphi \in A est surjectif".

Alors par ce qui précède B=⋂i=1rBpi‾B=\displaystyle\bigcap_{i=1}^r\overline{B_{p_i}}. Par mutuelle indépendance, on trouve donc
P(B)=∏i=1r(1−1pir)P(B)=\prod_{i=1}^r\left(1-\frac{1}{p_i^r}\right)

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