mathématiques MPSI · Chapitre 8 · Exercice de TD
La réunion de deux sous-groupes
Structures algébriques usuelles · B. Groupes et sous-groupes · niveau 2
Énoncé
Soient et deux sous-groupes d'un groupe .
a) Montrer que est un sous-groupe de si et seulement si ou .
b) En déduire qu'un groupe n'est jamais la réunion de deux sous-groupes stricts (c'est-à-dire distincts de ).
Corrigé
Ce qu'on a le droit d'utiliser. Uniquement la définition d'un sous-groupe : contient le neutre, stable par produit, stable par inverse. Tout se passe dans un groupe abstrait, sans formule : c'est le premier raisonnement de ce type, et sa forme est à retenir.
a) Sens réciproque, immédiat. Si , alors , qui est un sous-groupe. De même, si , alors .
a) Sens direct, par l'absurde. Supposons que soit un sous-groupe, et que ni ni . La négation de fournit un élément avec ; la négation de fournit un élément avec . Considérons le produit . Comme et appartiennent à , qui est stable par produit, on a . Deux cas.
- Si . Comme est un sous-groupe, , puis par stabilité par produit. Or . Contradiction.
- Si . Comme est un sous-groupe, , puis . Or . Contradiction.
Dans les deux cas on aboutit à une contradiction. Donc l'une des deux inclusions a lieu. Ce qui achève la démonstration de l'équivalence.
Le point délicat. Dans chaque cas, on multiplie par l'inverse d'un facteur pris dans le sous-groupe où le produit est tombé : par quand (et ), par quand (et ). C'est là, et là seulement, que l'hypothèse « et sont des sous-groupes » — et non des parties quelconques — est consommée. Notons aussi que n'est ni dans ni dans : le produit croisé d'un élément de par un élément de sort toujours de la réunion.
Un exemple. Dans , avec et : , , et n'est ni pair ni multiple de . La réunion des pairs et des multiples de n'est pas un sous-groupe, alors que l'intersection en est un.
b) Un groupe n'est pas réunion de deux sous-groupes stricts. Supposons avec et sous-groupes. Alors est un sous-groupe, donc par le a), ou . Dans le premier cas ; dans le second . L'un des deux sous-groupes est tout entier : il n'existe pas de recouvrement de par deux sous-groupes stricts.
Remarque. Par trois, c'est possible : le groupe où chaque élément non neutre est son propre inverse et (le groupe de Klein, qui est aussi pour le produit composante par composante) est la réunion de ses trois sous-groupes , , . Le nombre deux est donc le bon.
Ce que l'exercice installe. L'intersection de sous-groupes est toujours un sous-groupe ; la réunion presque jamais. Et la manière de le prouver — choisir un témoin de chaque côté, former le produit croisé, le renvoyer dans l'un ou l'autre par l'inverse — est le geste élémentaire de l'algèbre abstraite : on ne calcule pas, on fait circuler des éléments entre des sous-ensembles stables. On le refera pour les sous-espaces vectoriels au chapitre 12, où « un espace n'est pas réunion de deux sous-espaces stricts » se démontre de la même manière.
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