Stabilisateur de la conjugaison sous-groupe

Bonjour
Dans un premier temps j'explique le contexte de ma question.

En essayant des exercices sur les groupes dans le Lang, je suis tombé sur cet exercice à deux questions.
a) Prouver qu'un sous-groupe d'indice fini contient un sous-groupe distingué d'indice fini.
b) Prouver que l'intersection de deux sous-groupes d'indice fini est un sous-groupes d'indice fini.
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J'explique comment j'ai procédé.
La question "b" se fait toute seule si on raisonne en terme d'intersection de classes (disons à gauche) des deux sous-groupes, on obtient alors qu'il est majoré par le produit des deux indices (on peut aussi s'amuser à montrer que son indice est un multiple du ppcm des deux indices ...).

J'ai beaucoup plus galéré sur la première question, mais en fait, si on fait d'abord la deuxième, ça se passe plutôt bien, comme ça.
Nommons $G$ le groupe, $H$ le groupe d'indice fini, $\mathcal{H}$ l'ensemble des sous-groupes conjugués à $H$ (incluant naturellement $H$). On constate alors deux choses.
1) Chaque sous-groupe distingué contenu dans $H$ est dans son intersection avec ses conjugués, que je note $\cap \mathcal{H}$ et que ce dernier est lui-même distingué.
2) Le cardinal de $\mathcal{H}$ est fini, on peut en effet montrer qu'il est inférieur ou égal à l'indice de $H$ dans $G$ (il suffit de constater que deux éléments d'une même classe à gauche suivant $H$ "pointent sur le même conjugué de $H$").

De là, en utilisant un peu de récurrence et le résultat de la question "b" et on obtient que l'indice de $\cap \mathcal{H}$ est fini, qu'il est distingué contenu dans $H$.

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Ce qui m'a embêté dans l'énoncé et la question
Vous allez vous dire: "bon, il a résolu son problème, pourquoi il vient nous faire suer dans ce cas ?".
Il y a deux trucs qui me perturbent pas mal dans l'énoncé, d'abord le fait que la question "b" arrive après la "a", alors que, seule, elle passe comme une lettre à la poste et que j'ai eu besoin de ce résultat pour répondre à la question "a". Et puis surtout il y a une indication dans l'énoncé du "a" que je vous donne mot pour mot.
Si (G : H) = n, trouver un homomorphisme de G dans $\sigma_n$ dont le noyau est contenu dans H.
Et là, c'est le drame, parce que moi, j'ai trouvé un homomorphisme de $G$ dans $\sigma_k$ où $k= \left| \mathcal{H} \right| ,$ où je le rappelle $\mathcal{H}$ est l'ensemble des sous-groupes conjugués de $H$ et $k$ est plus petit ou égal à $n$. Et le noyau de ce morphisme a plutôt cette tête-là: $\bigcap_{X\in \mathcal{H}} \mathcal{N}(X),$ où $\mathcal{N}(X)$ signifie "normalisateur du sous-groupe $X$".

Il est très possible que je n'ai rien compris à l'indication, mais il est aussi possible que c'est à peu près ce qu'on me demandait et dans ce cas, je suppose donc qu'il y a un lemme dont l'énoncé serait celui-ci.

Si un sous-groupe $H$ d'un groupe $G$ n'est pas distingué, alors l'intersection des normalisateurs de $H$ et de ses sous-groupes conjugués de $H$ est égal à l'intersection des sous-groupes conjugués à $H$ : $\bigcap_{X\in \mathcal{H}} \mathcal{N}(X)=\bigcap_{X\in \mathcal{H}} X$

Je sais qu'il me suffit pour cela de montrer que ce sous-groupe de $G$ que je nomme ici le stabilisateur de la conjugaison du sous-groupe $H$ est inclus dans $H$, mais je sèche complètement (et en plus, si je n'étais pas tombé sur cet énoncé, je me serais dit qu'a priori c'est faux, mais je n'ai pas une bonne intuition dans le domaine et une instruction limitée).

Si vous avez une idée sur la véracité de cet énoncé et de ce que pouvait bien signifier l'indication donné dans le livre, je serais super content de savoir ce que vous en pensez.
Merci d'avance pour toute réponse.

P.S: pour ceux qui ont la troisième édition en français "d'Algèbre" de Serge Lang, c'est l'exercice 1.9 (page 80).

Réponses

  • Euh je ne sais pas si le morphisme que tu obtiens a un noyau contenu dans $H$, je pense que ce n'est pas vrai.

    L'énoncé, en revanche, est totalement correct; et moi c'est grâce à celui-ci que je réponds à a) et à b) en un coup de crayon :-D
    Indication : à quoi ressemble une action transitive de $G$ sur un ensemble $X$ quelconque ? (petit rappel que action de $G$ sur $X$ c'est pareil que morphisme $G\to \mathfrak{S}X$)
  • Je ne vois aucune raison pour laquelle ton $\mathcal{H}$ serait fini. Prenons par exemple pour $G$ le groupe des permutations d'un ensemble dénombrable, disons $\N$. Soit $H$ le stabilisateur de $0$. Alors $[G:H]=2$ et $H$ admet une infinité de conjugués (tous les $\tau_nH\tau_n^{-1}$ pour $\tau_n=(1,n)$ (transposition). Peut-être erré-je cependant.

    Edit : Apparemment c'est n'importe quoi. Je ne relis même pas.
  • Salut,

    Pour l'action : $G$ agit sur $G/H$ par translation $g,xH \mapsto gxH$ et ça donne le morphisme en question.
  • Math Coss : $[G:H]=2$ ?? Comment est-ce que tu relies une permutation qui envoie $0$ sur $24$ et une qui envoie $0$ sur $37$ par un élément de $H$ ?
    Le résultat que si $[G:H]$ est fini, alors l'ensemble des conjugués de $H$ est fini est vrai. Indication : il y a $[G:N_G(H)]$ conjugués de $H$
  • Wahou! Toutes ces réponses ! Et en si peu de temps ! Cool !

    Merci beaucoup à Maxtimax et moduloP, maintenant que j'ai la réponse sous les yeux, je me sens un peu bête (bien que je ne comprenne pas comment on peut déduire "b" de "a", j'enrage de savoir qu'on peut le faire d'un coup de crayon :-X , cela dit, je pars trop facilement dans mes délires perso et je ne travaille pas assez les bons réflexes). Bon cela dit, je ne suis pas mécontent de m'être cassé la tête, parce que des énoncés comme "tout sous-groupe distingué contenu dans $H$ est contenu dans l'intersection de $H$ avec ses conjugués" ou le coup des classes selon l'intersection qui coïncident avec l'intersection des classes, ça me plaît énormément (et je suis très fier de l'avoir trouvé tout seul comme un grand (:D, finalement c'est pas très productif mais assez rigolo de partir dans ses délires perso).

    Euh... Par contre, Math coss : désolé d'enfoncer le clou mais : non, ton sous-groupe n'est pas d'indice 2, d'ailleurs si c'était le cas, il serait distingué (prend n'importe quel bouquin, ce sera dans les premiers exercices qui suivront la notion de sous-groupe normal). En outre, il y a clairement une surjection de l'ensemble des classes à gauche selon $H$ sur les conjugués de $H$. Si $x\in aH$, peux-tu comparer $xHx^{-1}$ et $aHa^{-1}$ ?

    Bon du coup, je vais suivre l'avis de Maxtimax, on va dire que l'énoncé que j'ai proposé est faux (en fait ça m'arrange bien, parce que je trouvais ça ultra contre-intuitif, en plus un énoncé qui ne serait vrai que pour les groupes non distingués, c'est dégoûtant !).

    Merci beaucoup pour vos réponses !
  • Désolé pour tout le travail que je te donne AD 8-). En espérant qu'il n'y aura pas trop de fautes dans ce message un peu plus court.
    [À ton service :-) AD]
  • Je confirme que c'est très bien de partir dans tes délires, tant que tu en reviens :-D sur le chemin tu auras fait plein de découvertes, et vu que tu réfléchis par toi-même tu te les seras vraiment appropriées et c'est vraiment positif. Je suis sûr que tu retiendras toute ta vie le coup de l'intersection des conjugués ;-)

    Voilà un contrexemple pour l'énoncé (plus faible que celui que tu proposes) $\displaystyle\bigcap_{X\in \mathcal{H}} N_G(X) \subset H$, $H$ non distingué : Trouve des groupes $H\subset K\subset G$, avec $H$ distingué dans $K$, $K$ distingué dans $G$, mais $H$ pas distingué dans $G$. Alors pour tout $X\in \mathcal{H}$, $X\subset K$, et il y a un isomorphisme $K\to K$ envoyant $H$ sur $X$, de sorte que $X$ est distingué dans $K$. Alors $K\subset N_G(X)$, donc $K\subset \displaystyle\bigcap_{X\in \mathcal{H}} N_G(X)$, qui n'est donc pas inclus dans $H$.

    Trouver de tels $G,H,K$ est un exercice intéressant en soi.
  • Bonsoir Titi le curieux
    D'abord l'ensemble $\mathcal H$ des conjugués d'un sous-groupe $H$ de $G$ s'appelle la classe de conjugaison de $H$ (par $G$). C'est en effet l'orbite de $H$ sous l'action par conjugaison de $G$ sur ses sous-groupes.

    Alors l'intersection des sous-groupes d'une classe de conjugaison (finie ?) est toujours distinguée (dans $G$).
    En effet, pour tout $g\in G,\ g (\bigcap_{H\in\mathcal H}H) g^{-1} = \bigcap_{H\in\mathcal H}gHg^{-1}=\bigcap_{H\in\mathcal H}H$.
    Car les termes sous l'intersection sont tous présents, dans un ordre différents.

    Il en est de même pour le sous-groupe engendré par les sous-groupes de la classe de conjugaison. $\langle H\mid H\in\mathcal H\rangle \lhd G$.

    D'autre part, on a toujours $H\subset N_G(H)$, en notant $N_G(H)$ le normalisateur de $H$ dans $G$.
    Donc $\bigcap_{H\in\mathcal H}H \subset \bigcap_{H\in\mathcal H}N_G(H)$.

    La réciproque est en général fausse.
    Par exemple dans le groupe symétrique $\mathfrak S_4$, le sous-groupe cyclique $H\ (\simeq C_4)$ engendré par le $4$-cycle $(1234)$ est dans une classe de conjugaison de trois sous-groupes, dont l'intersection est le sous-groupe trivial.
    Or, le normalisateur de $H$ est le $2$-Sylow de $\mathfrak S_4$ contenant $H$. Ce $2$-Sylow (isomorphe au diédral $\mathcal D_4$ d'ordre 8) est dans une classe de conjugaison de 3 sous-groupes ($2$-Sylow oblige), dont l'intersection est le sous-groupe de Klein, isomorphe à $C_2\times C_2$, constitué des trois doubles transpositions $(12)(34),\,(13)(24),\,(14)(23)$ et de l'identité. Ainsi, l'intersection des normalisateurs n'est pas l'intersection des sous-groupes de la classe de conjugaison.

    D'autre part, dans le cas fini, on a la formule $|Stab_G(H)|\times |Orbite_G(H)| = |G|$, ce qui se traduit ici où $[G:H]$ est fini en $|\mathcal H| = [G:N_G(H)]$, et comme $H\subset N_G(H)$, on a $[G:N_G(H)]\leq [G:H] <\infty$ ce qui justifie les opérations faites sur les intersections (qui sont donc finies) ci-dessus.

    Alain
  • @Maxtimax
    Ouch! C'est le genre de truc auquel je n'aurais pas pu penser...
    Bon, j'ai fait récemment des exercices sur les groupes symétriques et les groupes alternés, je pense que je peux trouver ça là-dedans (je vais commencer autour de $\sigma_4$, je ne pense pas qu'on puisse trouver un truc intéressant dans $\sigma_3$).

    Merci pour votre petit discours, ça donne confiance, mais si on prend en exemple votre argument, vous avez prémâché la recherche, mais il y a des grosses chances que je le retienne, il répond à une question que je me posais dans des termes que je comprends. Ça marche, parce que c'est adapté et que ça arrive au bon moment, je crois que c'est à ça qu'on reconnait les bons profs (et ça fait regretter de ne pas avoir étudié les maths en étant encadré au delà de la prépa, là j'essaie d'apprendre seul et je tourne un peu en rond).
  • @ AD

    Merci pour les précision concernant le vocabulaire. Par contre quand j'ai lu $\sigma_4$ j'ai arrêté de lire parce que j'étais dessus. Je regarderai la fin de votre commentaire quand j'aurai trouvé.

    Merci quand même
  • Bonsoir Titi
    Typographiquement, le groupe symétrique sur $n$ éléments s'écrit $\mathfrak S_n$ (\mathfrak S_n) et se prononce "S n" (comme Symétrique indice n).
    Alain
  • Bonjour,

    C'est bon, j'ai l'exemple de Maxtimax, rien trouvé dans $\mathfrak{S}_n$ (désolé pour les sigmas), par contre il y avait un exemple finalement assez simple, dans $\mathfrak{A}_4$, il y a un sous-groupe isomorphe à $(\mathbb{Z}/2\mathbb{Z})^2$ (@AD : Maintenant je sais que ça s'appelle le groupe de Klein, j'ai peu de souvenirs de mes cours d'allemand, mais c'est vrai qu'il est petit, désolé pour le jeu de mot pourri, je suppose qu'il a été fait des millions de fois), ce sous-groupe est abélien (chacun de ses sous-groupes y est donc distingué), ce sous-groupe est distingué dans $\mathfrak{A}_4$ (pas d'autre 2-Silow, on remarque qu'il serait difficile de trouver un sous-groupe distinct de celui-ci tout en lui étant isomorphe, vu qu'il contient tous les éléments involutifs), et les trois sous-groupes d'ordre 2 qu'il contient sont conjugués entre eux dans $\mathfrak{A}_4$.

    @AD, merci beaucoup pour ton autre contre-exemple, hors de la proposition de Maxtimax, je trouve intéressant de constater que l'intersection des trois normalisateurs retombe sur le même sous-groupes (sachant que le groupe alterné est distingué dans le groupe symétrique), mais là je suis un peu refroidi en ce qui concerne les conjonctures hasardeuses 8-) (et je constate que je n'ai clairement pas le niveau).

    Bon ben là, je crois qu'on a ce qu'il faut, merci à vous tous, ça m'a beaucoup aidé.
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