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mathématiques MPSI · Chapitre 8 · Application directe du cours

Le centre d'un groupe. Soit Z(G) = { x ∈ G : ∀ g ∈ G, xg = gx }…

Structures algébriques usuelles · E. Problèmes et approfondissements · niveau 3 (difficile)

Énoncé

Le centre d'un groupe. Soit l'ensemble des éléments qui commutent avec tout le monde. Montrer que est un sous-groupe abélien de . Que vaut-il si est abélien ?

Corrigé

Stratégie : vérification directe de la caractérisation des sous-groupes ( et stable par ), puis lecture des cas extrêmes.

a) n'est pas vide. Le neutre commute avec tout : pour tout , donc .

b) Stabilité par produit. Soient et . Alors en utilisant successivement l'associativité, la commutation de avec , puis celle de avec . Donc .

c) Stabilité par inverse. Soit et . De on tire, en multipliant des deux côtés par : Donc . Ainsi est un sous-groupe de .

d) Il est abélien. Deux éléments de commutent avec tous les éléments de , donc en particulier entre eux.

e) Cas extrême. est abélien tout élément commute avec tout : .

⚠️ Le point délicat : au c), il faut multiplier des deux côtés, et dans le bon ordre. On ne « simplifie » pas en sans écrire le calcul : la loi n'est pas commutative, et c'est justement ce qu'on est en train de discuter. Écrire à gauche et à droite est ce qui fait tomber les deux du bon côté.

Contrôle numérique. Calcul exhaustif du centre de (six éléments, couples testés) : — le centre peut être trivial. À l'opposé, est abélien et son centre est le groupe tout entier ( éléments). Les deux extrêmes se produisent donc réellement.

Ce que l'exercice installe. Le centre mesure « à quel point » un groupe est commutatif : de (aucune commutation gratuite) à (groupe abélien). On le retrouvera au chapitre 9 : le centre de est l'ensemble des matrices scalaires .

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