$G$ cyclique, sous-groupe d'ordre $d$

Bonjour,
Je viens vers vous par rapport à la preuve de Serge Lang dans Algebra du fait suivant : pour tout diviseur $d$ de l'ordre $n$ d'un groupe cyclique $G$, il existe un unique sous-groupe $H$ d'ordre $d$, cyclique. Je l'ai lue à la BU, aussi je ne m'en rappelle plus par cœur. C'était quelque chose comme ça :

Posons $m=\frac{n}{d}$. Soit $f:\Z \rightarrow G$ un homomorphisme surjectif. Alors $f(m\Z)$ est un sous groupe de $G$. Et là vient ma question, on affirme l'existence d'un isomorphisme de $\Z/m\Z$ sur $G/f(m\Z)$. Je me doute qu'il y du théorème de factorisation dans l'air mais je ne vois pas comment on l'applique ici. Après cette affirmation je comprends, et l'unicité fait intervenir la même sorte de quotient, donc si je comprends ça je pense que j'aurais tout compris.

Merci de votre aide.

Réponses

  • Ah oui tant que j'y suis j'ai une autre question, qu'est-ce qui me dit que $f(m\Z)$ est distingué?
  • Dans un groupe abélien, les sous-groupes non distingués sont rares.
  • J'aurais du réfléchir avant de parler. Ma première question est-elle aussi triviale? Parce que là je ne vois vraiment pas.
  • Le noyau de $f$ est $n\mathbb Z$.
  • En composant $f$ et la projection canonique $p:G\to G/f(m\Z)$, on obtient un morphisme $p\circ f:\Z\to G/f(m\Z)$. Pour qu'il se factorise à travers $\Z/m\Z$, il suffit de montrer que son noyau contient $m\Z$, et pour cela, il suffit de montrer que l'image de $m$ est nulle. Mais c'est évident : l'image de $m$ est $f(m)$, qui appartient à $f(m\Z)$ (eh !) si bien que $p(f(m))=0\in G/f(m\Z)$. D'où l'existence d'un morphisme $\Z/m\Z\to G/f(m\Z)$.
  • En admettant ce résultat que je ne vois pas, je peux construire un isomorphisme de $\Z/n\Z$ sur $G$, mais pas un tel que présenté, si? (Je sais bien que si mais je ne vois pas)
  • Je répète que le noyau de $f$ est $n\mathbb Z$, et j'ajoute que $m\mathbb Z$ contient $n\mathbb Z$.
  • Ok merci Math Coss.
  • Tu ne vois pas pourquoi de noyau de $f$ est $n\mathbb Z$ ?
    Quel est l'ordre de $f(1)$ ?
  • Disons que comme $G$ est cyclique d'ordre $n$, il est isomorphe à $\Z/n\Z$, je le vois comme ça. Par contre l'image de $1$ je dirais que c'est un générateur, donc d'ordre $n$, mais j'y vais plus au fair qu'autrement. Moi qui pensais connaître ce genre de chose :-(
  • $1$ engendre $\mathbb Z$, n'est-ce pas ?
    Donc $f(1)$ engendre ... ???
  • Soit $x\in G$. Il existe par surjectivité $k\in \Z$ tel que $f(k)=x$, donc comme $f(k)=f(1)^k$, $f(1)$ est un générateur de $G$.
  • Oui :-)

    De manière générale, l'image d'un générateur par un morphisme de groupes est un générateur de l'image de ce morphisme.
  • J'aurais complété les points de suspension ( http://www.les-mathematiques.net/phorum/read.php?3,1709994,1710026#msg-1710026 ) comme ça :
    Donc $f(1)$ engendre $f(\mathbb Z)=G$.
  • Ok merci. Mais du coup si je suis ce que tu me dis Math Coss, c'est le noyau de $p\circ f$ qui nous intéresse, or celui-ci est : \[ Ker(p\circ f)=\{k\in \Z \mid f(k) \in f(m\Z) \} \] J'ai bien compris que $m\Z$ était inclus dans ce noyau, mais pour conclure il faudrait montrer que ce noyau est égal à $m\Z$, puisque l'on veut un isomorphisme et qu'on a déjà la surjectivité (Non?). Et d'ailleurs, j'ai compris ce que tu disais GaBuZoMeu, mais je ne vois pas vraiment ce que ça change au problème. Pourtant je vous assure que je connais le théorème de factorisation ainsi que le premier théorème d'isomorphisme.
  • Oui GaBuZoMeu, mais je préférais donner des explications.
  • J'aurais pu expliquer que $f(\mathbb Z)=G$ par surjectivité. ;-)

    Puisque $\ker f=n\mathbb Z$ et que $n\mathbb Z\subset m\mathbb Z$, $f^{-1}(f(m\mathbb Z))=m\mathbb Z$.
  • Ok, donc tu utilises le résultat suivant (je crois) que je voulais justement poster car je n'arrive pas à le montrer :

    Soit $\varphi:G\rightarrow H$ un morphisme de groupe. Alors les applications $S \mapsto \varphi(S)$ et $T\mapsto \varphi^{-1}(T)$ sont des bijections réciproques l'une de l'autre entre l'ensemble des sous groupes de $G$ contenant $\ker(\varphi)$ et ceux de $H$ inclus dans $Im(\varphi)$.

    Voilà ce que j'ai fait pour l'instant.

    Soit $T$ un sous-groupe de $H$ inclus dans $Im(\varphi)$. Alors $\varphi^{-1}(T)$ est un sous-groupe de $G$ contenant $\ker(\varphi)$ (puisque $1_H \in T$). Montrons $\varphi \circ \varphi^{-1} (T) =T$. On a toujours la première inclusion. Pour la deuxième, si $x\in T$, il existe $y\in G$ tel que $f(y)=x$. Et là je m'embrouille avec les images et les images réciproques.
  • C'est bon en fait, car mon $y$ appartient à $\varphi^{-1}(T)$, donc $\varphi(y) \in \varphi \circ \varphi^{-1} (T) $, c'est à dire $x \in \varphi \circ \varphi^{-1} (T)$.
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