mathématiques MPSI · Chapitre 14 · Application directe du cours
Montrer que tout élément de Sₙ est produit de transpositions de la…
Groupe symétrique et déterminants · A. Groupe symétrique · niveau 3 (difficile)
Énoncé
Montrer que tout élément de est produit de transpositions de la forme .
Corrigé
Stratégie : récurrence forte sur le nombre d'inversions. C'est la traduction mathématique du tri à bulles : tant qu'il reste une descente, on l'échange, et on prouve qu'on progresse en montrant qu'un tel échange fait perdre exactement une inversion.
Le compteur. Pour , posons
Initialisation (). Alors ; une suite strictement croissante de dans lui-même vaut nécessairement . Donc , produit vide de transpositions voisines.
Hérédité. Supposons le résultat acquis pour toute permutation ayant strictement moins de inversions, et soit avec . Comme , la suite n'est pas croissante : il existe un indice avec Posons et considérons : c'est dont on a échangé les valeurs aux positions et , puisque et .
⚠️ Le point délicat, et c'est là que l'adjacence sert. Comptons les inversions de : pour tout couple autre que , l'ordre relatif des deux valeurs est inchangé — car les positions et sont voisines, donc aucun indice ne se trouve entre elles pour voir son statut basculer. Seul le couple change : il était inversé, il ne l'est plus. Donc Avec une transposition non voisine , , ce comptage s'effondre : le nombre d'inversions varie de , et la récurrence ne descend plus d'un cran.
Par hypothèse de récurrence, avec des voisines. Alors produit de transpositions voisines.
Contrôle sur un exemple. dans , de mot , avec . Le tri à bulles : Donc , soit . Vérification directe : , et , et : c'est bien ✓. Trois transpositions, donc impaire — conforme à ✓. (L'énoncé a été vérifié par énumération exhaustive de pour : les permutations sont toutes atteintes.)
Ce que l'exercice installe. Deux choses. D'abord, est engendré par éléments seulement — un système de générateurs minimal, dont les relations donnent la présentation de Coxeter du groupe symétrique. Ensuite, la démonstration est l'algorithme du tri à bulles, et le nombre d'échanges qu'il effectue est exactement : c'est pourquoi son coût est en dans le pire cas — le pire cas étant précisément le renversement de l'exercice 1, avec ses inversions. On obtient au passage une deuxième preuve que .
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