Ivan Shishkin, Rye (1878)

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Quand Autn(G)\text{Aut}^{n}(G) est trivial

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Commençons par le
Lemme. Soit HH un groupe fini tel que Aut⁡(H)\operatorname{Aut}(H) soit cyclique. Alors HH est cyclique.

Étape (a) : HH est abélien. Le groupe des automorphismes intérieurs vérifie Inn⁡(H)≃H/Z(H)\operatorname{Inn}(H)\simeq H/Z(H), et c’est un sous-groupe de Aut⁡(H)\operatorname{Aut}(H), donc cyclique. Or si H/Z(H)=⟨x‾⟩H/Z(H)=\langle \overline{x}\rangle, tout élément de HH s’écrit xkzx^{k}z avec z∈Z(H)z\in Z(H), et deux tels éléments commutent : HH est abélien.

Étape (b) : un groupe abélien fini non cyclique a un groupe d’automorphismes non cyclique. Écrivons H≃∏pHpH\simeq\prod_p H_p et supposons un facteur HpH_p non cyclique. Alors HH admet un facteur direct
K=Z/paZ×Z/pbZ,1⩽a⩽b,K=\mathbb{Z}/p^{a}\mathbb{Z}\times\mathbb{Z}/p^{b}\mathbb{Z},\qquad 1\leqslant a\leqslant b,de générateurs u,vu,v, et tout automorphisme de KK prolongé par l’identité sur un supplémentaire donne un plongement Aut⁡(K)↪Aut⁡(H)\operatorname{Aut}(K)\hookrightarrow\operatorname{Aut}(H). Il suffit donc de voir que Aut⁡(K)\operatorname{Aut}(K) n’est pas cyclique. Posons
τ: u↦uvp b−a, v↦v,σ: u↦u, v↦v−1.\tau:\ u\mapsto uv^{p^{\,b-a}},\ v\mapsto v,\qquad\qquad \sigma:\ u\mapsto u,\ v\mapsto v^{-1}.L’élément vp b−av^{p^{\,b-a}} est d’ordre pap^{a}, donc τ\tau est bien un endomorphisme, d’inverse u↦uv−p b−au\mapsto uv^{-p^{\,b-a}} ; comme τk(u)=uvkp b−a\tau^{k}(u)=uv^{kp^{\,b-a}}, son ordre est exactement pap^{a}.
Vérifions que στσ−1=τ−1\sigma\tau\sigma^{-1}=\tau^{-1}.

  • Si pa>2p^{a}>2 : alors pb>2p^{b}>2, donc σ\sigma est d’ordre 22, et τ−1≠τ\tau^{-1}\neq\tau. Le groupe ⟨σ,τ⟩\langle\sigma,\tau\rangle est non abélien, donc Aut⁡(K)\operatorname{Aut}(K) n’est pas cyclique.
  • Si pa=2p^{a}=2 et b⩾2b\geqslant 2 : la relation ci-dessus devient στ=τσ\sigma\tau=\tau\sigma, et σ,τ\sigma,\tau sont deux involutions distinctes (elles diffèrent en uu), donc ⟨σ,τ⟩≃(Z/2Z)2\langle\sigma,\tau\rangle\simeq(\mathbb{Z}/2\mathbb{Z})^{2}.
  • Si pa=pb=2p^{a}=p^{b}=2 : alors K≃(Z/2Z)2K\simeq(\mathbb{Z}/2\mathbb{Z})^{2} et Aut⁡(K)≃S3\operatorname{Aut}(K)\simeq\mathfrak{S}_3.
    Dans les trois cas Aut⁡(K)\operatorname{Aut}(K), donc Aut⁡(H)\operatorname{Aut}(H), n’est pas cyclique. □\square

Revenons à la démonstration de l’exercice.
Tous les groupes Aut⁡k(G)\operatorname{Aut}^{k}(G) sont finis, par récurrence immédiate. Supposons Aut⁡n(G)\operatorname{Aut}^{n}(G) trivial ; il est en particulier cyclique. Montrons par récurrence descendante sur kk que Aut⁡k(G)\operatorname{Aut}^{k}(G) est cyclique pour 0⩽k⩽n0\leqslant k\leqslant n.

C’est acquis pour k=nk=n. Si Aut⁡k+1(G)=Aut⁡(Aut⁡k(G))\operatorname{Aut}^{k+1}(G)=\operatorname{Aut}\bigl(\operatorname{Aut}^{k}(G)\bigr) est cyclique, le lemme appliqué à H=Aut⁡k(G)H=\operatorname{Aut}^{k}(G) donne que Aut⁡k(G)\operatorname{Aut}^{k}(G) est cyclique.

Pour k=0k=0 on obtient que G=Aut⁡0(G)G=\operatorname{Aut}^{0}(G) est cyclique. ■\blacksquare

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