Partie A : Étude du centre d'un groupe

On considÚre le centre $H$ du groupe $(G, \star)$ défini par $H = \{ a \in G \mid \forall x \in G, a \star x = x \star a \}$.

  • 1. Non-vacuitĂ© : L'Ă©lĂ©ment neutre $e$ commute avec tous les Ă©lĂ©ments de $G$ par dĂ©finition ($e \star x = x \star e = x$), donc $e \in H$. Ainsi $H \neq \emptyset$.
  • 2. StabilitĂ© par la loi $\star$ : Soient $(a, b) \in H^2$. Pour tout $x \in G$ :
    $(a \star b) \star x = a \star (b \star x) = a \star (x \star b) = (a \star x) \star b = (x \star a) \star b = x \star (a \star b)$.
    L'élément $a \star b$ commute avec tout $x \in G$, donc $(a \star b) \in H$.
  • 3. StabilitĂ© par l'inverse : Soit $a \in H$. Pour tout $x \in G$, on a $a \star x = x \star a$. Comme vous l'avez dĂ©montrĂ© avec Ă©lĂ©gance :
    $a^{-1} \star x = (x^{-1} \star a)^{-1} = (a \star x^{-1})^{-1} = x \star a^{-1}$.
    L'élément $a^{-1}$ commute avec tout $x$, donc $a^{-1} \in H$.
  • Conclusion : $H$ est un sous-groupe de $(G, \star)$.

Partie B : Étude du groupe symĂ©trique $S_3$

Soit $E = \{a, b, c\}$. $S_3$ est le groupe des bijections de $E$ sur $E$. Son cardinal est $|S_3| = 3! = 6$.

  • a) Sous-groupe engendrĂ© par $s$ : Soit $s$ le cycle $(a \ b \ c)$. On a $s^2 = (a \ c \ b)$ et $s^3 = Id$. L'ensemble $\{Id, s, s^2\}$ est un sous-groupe cyclique d'ordre 3. Il est commutatif car tout groupe cyclique l'est.
  • b) Conjugaison : Soit $t_a$ la transposition $(b \ c)$. Calculons $\sigma = s \circ t_a \circ s^{-1}$.
    $\sigma(b) = s(t_a(s^{-1}(b))) = s(t_a(a)) = s(a) = b$.
    L'élément $b$ est invariant par $\sigma$. Comme $\sigma$ est une transposition (conjuguée d'une transposition), c'est nécessairement la transposition qui laisse $b$ invariant : $t_b = (a \ c)$.
    On a bien $s \circ t_a \circ s^{-1} = t_b$.
  • c) CommutativitĂ© de $S_3$ : Le groupe $S_3$ n'est pas commutatif. En effet, si $s$ et $t_a$ commutaient, on aurait $s \circ t_a \circ s^{-1} = t_a$. Or nous venons de montrer que ce produit vaut $t_b$, et $t_a \neq t_b$.
  • d) Centre de $S_3$ : $S_3$ est composĂ© de l'identitĂ©, de 3 transpositions et de 2 cycles de longueur 3.
    Comme un cycle ne commute pas avec une transposition (vu en c), aucun de ces éléments n'appartient au centre.
    Le seul élément commutant avec tout le groupe est l'identité : $Z(S_3) = \{Id\}$.