Théorie des groupes/Sous-groupe distingué et groupe quotient

Sous-groupe distingué

Cette définition est équivalente à dire que $gH{g}^{-1}=H$ pour tout g dans G.

En effet, si $gH{g}^{-1}\subseteq H$ pour tout g, ceci est aussi vrai pour $g^{-1}$, donc $g^{-1}Hg\subseteq H$, d'où en multipliant correctement $H\subseteq gH{g}^{-1}$.

Pour exprimer que H est sous-groupe normal de G, on écrit souvent H $⊲$ G ou encore H ⊴ G.

Remarques :

• Si H est un sous-groupe distingué de G, les classes à gauche et à droite de G suivant H coïncident : $\mathrm{\forall }g\in G:gH=Hg$. On vérifie facilement que cette propriété caractérise les sous-groupes distingués : un sous-groupe H d’un groupe G est distingué si et seulement les classes à gauche de G suivant H sont identiques aux classes à droite. Donc, si H est sous-groupe distingué de G, la relation d'équivalence $x^{-1}y\in H$ entre éléments de G (appartenir à la même classe à gauche) est équivalente à la relation d'équivalence $y{x}^{-1}\in H$ (appartenir à la même classe à droite). Si deux éléments x et y de G sont dans cette relation, nous dirons qu’ils sont congrus modulo H et nous écrirons $x\equiv y(\mathrm{mod}H).$
• Si H est un sous-groupe distingué de G, il n'y a pas de différence entre transversale droite et transversale gauche de H dans G.
• Nous verrons qu'un sous-groupe de G de la forme $gH{g}^{-1}$ avec $g\in G$ est appelé un conjugué de H. La définition revient donc à dire qu'un sous-groupe est distingué si et seulement s'il est son seul conjugué.
• Rappelons que si f est une application d’un ensemble X dans lui-même, une partie A de X est dite stable par f si $f(A)\subseteq A$. Un sous-groupe de G est donc distingué dans G si et seulement s'il est stable par tout automorphisme intérieur de G.
• Si un sous-groupe H de G est distingué dans G, il est distingué dans tout sous-groupe intermédiaire entre H et G.
• On trouvera dans les exercices un exemple de sous-groupe non normal.
• Un sous-groupe distingué d’un sous-groupe distingué d’un groupe G n’est pas forcément un sous-groupe distingué de G. Nous en verrons un exemple dans le cas où G est le quatrième groupe alterné. ([[../Groupes alternés#Sous-groupes distingués des groupes alternés|Chapitre sur les groupes alternés finis, sous-chapitre sur les sous-groupes distingués de A_n]].) Le lecteur pourra trouver un autre exemple en explorant les [[../Exercices/Groupes diédraux#Problème 8 (Sous-groupes et sous-groupes normaux d'un groupe diédral)|sous-groupes du groupe diédral DModèle:Ind]].
• On vérifie facilement que si (H_i)_{i ∈ I} est une famille non vide de sous-groupes distingués d’un groupe G, $\bigcap _{i\in I}{H}_i$ est un sous-groupe distingué de G. Soit X une partie de G. L'ensemble des sous-groupes distingués de G contenant X n’est pas vide, car il comprend au moins G. D'après ce qui précède, l'intersection des sous-groupes distingués de G contenant X est donc un sous-groupe distingué de G. C’est le plus petit sous-groupe distingué de G contenant X. On l'appelle le sous-groupe distingué de G engendré par X. [[../Exercices/Conjugaison, centralisateur, normalisateur#Problème 6 (facile)|Il est égal au sous-groupe ⟨Y⟩ engendré par $Y:={\cup }_{g\in G}gX{g}^{-1}$]] et contient le sous-groupe ⟨X⟩.

Modèle:Exemple

Soient G un groupe et H un sous-groupe de G. On vérifie facilement que les éléments g de G qui normalisent H forment un sous-groupe de G.

Il est clair que N_G(H) contient H et que c’est le plus grand sous-groupe de G contenant H dans lequel H est normal.

Un sous-groupe H de G est sous-groupe normal de G si et seulement si N_G(H) est G tout entier.

Modèle:Proposition Démonstration. Quitte à remplacer G par N_G(H), nous pouvons supposer que H est sous-groupe distingué de G. Nous avons $HK=\bigcup _{x\in K}Hx$. Comme les classes à droite suivant H sont identiques aux classes à gauche, ceci peut s'écrire $HK=\bigcup _{x\in K}xH=KH$. Ainsi, HK = KH. Nous avons vu (dans un exercice de la série [[../Exercices/Groupes, premières notions|Groupes, premières notions]]) que, de façon générale, si A et B sont deux sous-groupes de G tels que AB = BA, alors AB est un sous-groupe de G ; c’est évidemment le sous-groupe de G engendré par $A\cup B$, d'où le point 1° de l'énoncé. Supposons que K soit lui aussi distingué dans G et prouvons que HK est distingué dans G. Pour tout élément g de G, nous avons g(HK)gModèle:Exp = (gHgModèle:Exp)(gKgModèle:Exp) = HK, d'où la thèse.

Remarque. Soient G un groupe commutatif noté additivement, H et K des sous-groupes de G. Puisque G est commutatif, H et K sont distingués dans G, donc, d’après ce qui précède, le sous-groupe de G engendré par H et K est l’ensemble H + K des éléments de G de la forme h + k, avec h dans H et k dans K. Cela peut évidemment se démontrer plus directement.

Modèle:Démonstration déroulante.

Nous verrons dans la suite de ce chapitre que, réciproquement, tout sous-groupe distingué d’un groupe G est le noyau d’un homomorphisme de groupes partant de G.

Notion de groupe simple

Exemples :

• $\frac{\mathbb{Z}}{p\mathbb{Z}}$ avec p premier est simple (il n'a pas de sous-groupe autre que lui-même et que son sous-groupe nul). Ce sont les groupes abéliens simples. (On le démontrera au [[../Groupes monogènes, ordre d'un élément|chapitre sur les groupes monogènes]].)
• Le [[../Groupes alternés|groupe alterné A_n]] est simple pour n = 3 ou n ≥ 5. (Nous le verrons dans un des chapitres suivants.)
• Toutes les structures de groupes simples finis ont été classées à peu près entre 1955 et 1983 ; voir les articles de Wikipédia en français et anglais.

Définition d’un groupe quotient

Rappelons que, de façon générale, si X et Y sont deux parties d’un groupe G noté multiplicativement, on désigne par XY l’ensemble des produits xy, où x parcourt X et y parcourt Y. On définit ainsi une loi de composition associative (vérification facile) dans l’ensemble des parties de G. Si X (par exemple) est réduit à un seul élément x, on écrit aussi xY (notation déjà rencontrée) au lieu de {x}Y.

Soient G un groupe et H un sous-groupe distingué de G.

Montrons que si X et Y sont deux classes d'éléments de G suivant H, XY en est une aussi. (Rappel : il n'y a pas à distinguer entre classes à gauche et classes à droite, puisque le sous-groupe H est distingué.)
Il existe des éléments x et y de G tels que X soit la classe de x suivant H et Y la classe de y. Nous avons alors XY = (Hx)(yH) = H(xy)H; comme H est distingué, nous pouvons remplacer H(xy) par (xy)H et nous trouvons XY = xyHH. Mais HH = H (puisque H est un sous-groupe de G), donc la relation obtenue peut s'écrire XY = xyH, ce qui montre bien que XY est une classe suivant H (et, plus particulièrement, la classe de xy).

De ce qui précède, il résulte qu'en faisant correspondre à une classe X et une classe Y l’ensemble XY, nous définissons une loi de composition $\star$ dans l’ensemble des classes suivant H et que cette loi peut être caractérisée par la relation

$xH\star yH=(xy)H$.

Prouvons que cette loi est une loi de groupe. Elle est associative, car elle est induite par une loi de composition associative définie dans l’ensemble des parties de G (voir plus haut). Il est clair que H est une classe suivant H, à savoir la classe 1H du neutre 1; la règle $xH\star yH=(xy)H$, notée plus haut, montre donc que H est neutre à gauche (faire $x=1$) et à droite (faire $y=1$); ainsi, H est neutre pour notre loi $\star$. Enfin, la règle $xH\star yH=(xy)H$ donne $xH\star x^{-1}H=H$ et aussi $x^{-1}H\star xH=H$, ce qui montre que la classe xH admet la classe $x^{-1}H$ pour inverse.
Nous avons donc défini une loi de groupe dans l’ensemble des classes d'éléments de G suivant H.

Modèle:Définition

En général, dans une expression comportant le symbole /, tout autre symbole d'opération entre groupes est censé avoir la précédence sur /. Par exemple, $G/H\cap K$ signifie $G/(H\cap K)$; de même, si H et K sont des sous-groupes de G tels que HK soit lui aussi un sous-groupe de G, l'expression G/HK signifie G/(HK). Il nous arrivera cependant d'utiliser des parenthèses que cette convention rend théoriquement inutiles.

La relation

$xH\star yH=(xy)H$.

montre que la surjection $x\mapsto xH$ de G sur G/H est un homomorphisme de groupes, dit homomorphisme canonique, ou surjection canonique, de G sur G/H (on trouve également les appellations projection canoniqueModèle:,Modèle:,Modèle:,Modèle:,, application canoniqueModèle:, et bien sûr morphisme canonique).

Il est clair que le noyau de cet homomorphisme est H, ce qui montre que tout sous-groupe distingué d’un groupe G est noyau d’un homomorphime de groupes partant de G.

Remarque : pour prouver que la loi définie sur l’ensemble des classes est une loi de groupe et la surjection canonique un homomorphisme de groupes, nous aurions pu dire brièvement que la relation

$xH\star yH=(xy)H$.

montre que la surjection $x\mapsto xH$ de G sur l’ensemble des classes est un homomorphisme de magmas; or si $f:M_1\to M_2$ est un homomorphisme surjectif de magmas et que $M_1$ est un groupe, alors $M_2$ est un groupe et f est un homomorphisme de groupes.

Sous-groupes d’un groupe quotient

Si H est un sous-groupe normal d’un groupe G, si K est un sous-groupe de G contenant H, on vérifie facilement que l’image de K par l'homomorphisme canonique de G sur G/H est K/H, qui est donc un sous-groupe de G/H. Le théorème qui suit entraîne, entre autres choses, que tout sous-groupe de G/H s'obtient de cette façon.

Sous-groupes normaux maximaux

Modèle:Définition Un sous-groupe normal maximal de G est donc un sous-groupe normal propre M de G pour lequel il n'existe pas de sous-groupe normal N de G tel que M < N < G.

Par exemple, un groupe est simple si et seulement si son sous-groupe réduit à l'élément neutre est un sous-groupe normal maximal (et est alors évidemment le seul). Un groupe réduit à l'élément neutre n'a pas de sous-groupe normal maximal. Dans un groupe fini, tout sous-groupe normal propre est contenu dans un sous-groupe normal maximal; en effet, si H est un sous-groupe normal propre d’un groupe fini G, on peut, dans l’ensemble non vide des sous-groupes normaux propres de G contenant H, en considérer un dont l’ordre est le plus grand possible (d'ailleurs, tout ensemble ordonné fini non vide admet un élément maximal). En particulier, tout groupe fini non réduit à l'élément neutre admet au moins un sous-groupe normal maximal (dans ce qui précède, prendre pour H le sous-groupe normal propre 1).

On déduit facilement du théorème de correspondance ci-dessus, ou de son corollaire, que si H est un sous-groupe normal d’un groupe G, alors H est sous-groupe normal maximal de G si et seulement si le groupe quotient G/H est simple.

Les trois théorèmes d'isomorphisme

Soit $f:G\to H$ un homomorphisme de groupes. Nous désignerons par K = Ker(f) le noyau de f et par Im(f) son image $f(G)$. Si deux éléments x et y de G appartiennent à une même classe suivant Ker(f), ils ont la même image par f, donc pour toute classe X, il existe un et un seul élément z de Im(f) possédant la propriété suivante : $\mathrm{\forall }x\in X,z=f(x)$. Si à chaque classe X, nous faisons correspondre cet élément z, nous définissons une application $\tilde{f}:G/Ker(f)\to Im(f)$ telle que, pour tout $x\in X$, $(1)\tilde{f}(xKer(f))=f(x)$. Pour tous éléments x, y de G, $\tilde{f}((xK)(yK))=\tilde{f}(xyK)=f(xy)=f(x)f(y)=\tilde{f}(xK)\tilde{f}(yK)$, donc $\tilde{f}$ est un homomorphisme de G/Ker(f) dans H.
La relation (1) montre que $\tilde{f}$ (qui a Im(f) pour groupe d'arrivée) est surjectif : tout élément de Im(f) est image d’un certain x par f et est donc image de l'élément xK de G/Ker(f) par $\tilde{f}$.
La même relation (1) montre que si $\tilde{f}(xK)=1$, alors f(x) = 1, donc $x\in Ker(f)$, donc xK est l'élément neutre K du groupe G/K. Ainsi, le seul élément du noyau de $\tilde{f}$ est l'élément neutre, donc $\tilde{f}$ est injectif et, finalement, est un isomorphisme de G/Ker(f) sur Im(f).
Nous avons ainsi prouvé le

On tire facilement du premier théorème d'isomorphisme que si $G$ et $H$ sont des groupes, alors il existe un homomorphisme surjectif de $G$ sur $H$ si et seulement si $H$ est isomorphe à un quotient de $G.$ (Voir les exercices.) Au lieu de dire que $H$ est isomorphe à un quotient de $G$, on dit souvent (abusivement) que $H$ est un quotient de $G$. Puisque le composé de deux homomorphismes surjectifs est un homomorphisme surjectif, on tire facilement de ce qui précède que la relation « A est un groupe isomorphe à un quotient du groupe B » est transitive (en A et B)

Dans les hypothèses du premier théorème d'isomorphisme, désignons par p l'homomorphisme canonique de G sur G/Ker(f) et par i l'injection canonique $x\mapsto x$ de Im(f) dans H (i est évidemment un homomorphisme). Alors f se décompose en $i\circ \tilde{f}\circ p$.

Il résulte du premier théorème d'isomorphisme et de la relation $|G|=|G:K|\cdot |K|$ que si f est un homomorphisme partant d’un groupe G, $|G|=|Im(f)|\cdot |Ker(f)|$. En particulier, l’ordre de Im(f) divise celui de G.

Remarque. D'après le théorème de correspondance, l'hypothèse selon laquelle K est normal dans G équivaut (dans les hypothèses du théorème ci-dessus) à ce que K/H soit normal dans G/H. Le troisième théorème d'isomorphisme montre donc que tout quotient d'un quotient d'un groupe G est isomorphe à un quotient de G. On en tire facilement que la relation « A est un groupe isomorphe à un quotient du groupe B » est transitive (en A et B), ce qu'on a d'ailleurs déjà déduit du premier théorème d'isomorphisme.

Voici un théorème qui est dans une certaine mesure plus fort et dans une certaine mesure plus faible que le premier théorème d'isomorphisme. Modèle:Théorème Modèle:Démonstration déroulante

Remarque. Faisons les mêmes hypothèses que dans le troisième théorème d'isomorphisme, sauf que nous ne supposons plus que le sous-groupe K de G est normal dans G. Donc :

H ⊴ G et H ⊴ K ≤ G.

Désignons par G/K l’ensemble des classes à gauche de G suivant K. (Donc ici, G/K ne désigne pas un groupe.) Comme dans la démonstration du troisième théorème d'isomorphisme, on prouve qu’il existe une et une seule application h de G/H sur G/K telle que, pour tout x dans G,

h(xH) = xK.

La relation d'équivalence (en X et Y dans G/H) « h(X) = h(Y) » équivaut à ce que X et Y appartiennent à la même classe à gauche du groupe G/H suivant son sous-groupe K/H (démontré dans [[../Exercices/Sous-groupe distingué et groupe quotient|Exercices/Sous-groupe distingué et groupe quotient]]). L'application déduite de h par passage au quotient par cette relation d'équivalence est une bijection de l'ensemble (G/H)/(K/H) (ensemble des classes à gauche de G/H suivant K/H) sur l’ensemble G/K. (Le troisième théorème d'isomorphisme revient à dire que si K est normal dans G, la bijection en question est un isomorphisme de groupes.) Il en résulte qu'on a la relation entre indices :

[(G/H) : (K/H)] = [G:K].

Ce fait et le troisième théorème d'isomorphisme amènent certains auteurs à énoncer le théorème de correspondance sous la forme plus complète que voici :

Notes et références

Modèle:Bas de page