Bac Sciences Mathématiques & Lycée
Groupes et algèbres
Énoncé avec corrigé détaillé
Conseil méthodologique : Cherchez attentivement cet exercice au brouillon pendant 15 à 30 minutes avant de consulter la solution détaillée ci-dessous.
Énoncé de l'exercice :
Soit $G$ un groupe fini de cardinal $n$. Montrer qu'il existe une partie génératrice $S$ de $G$ telle que $\text{Card}(S) \leqslant \log_2(n)$.
Solution Détaillée & Corrigé Pas à Pas Corrigé complet
1. Construction de la suite de sous-groupes
- On construit itérativement une suite strictement croissante de sous-groupes de $G$.
- Posons $H_0 = \{e\}$, où $e$ est l'élément neutre de $G$. Son ordre est $1$.
- Tant que $H_i \neq G$, on choisit un élément $a_{i+1} \in G \setminus H_i$.
- On définit alors $H_{i+1} = \langle H_i \cup \{a_{i+1}\} \rangle$, le sous-groupe engendré par $H_i$ et l'élément $a_{i+1}$.
2. Utilisation du théorème de Lagrange
- Par construction, $H_i$ est un sous-groupe de $H_{i+1}$. De plus, cette inclusion est stricte car $a_{i+1} \in H_{i+1}$ mais $a_{i+1} \notin H_i$.
- D'après le théorème de Lagrange, l'ordre du sous-groupe $H_i$ divise l'ordre du groupe $H_{i+1}$.
- Puisque l'inclusion est stricte, l'indice du sous-groupe est au moins $2$, ce qui se traduit par : \[ |H_{i+1}| \geqslant 2 |H_i| \]
3. Conclusion
- En appliquant cette inégalité par récurrence à partir de $H_0$, on obtient après $k$ étapes : \[ |H_k| \geqslant 2^k |H_0| = 2^k \]
- Puisque $G$ est de cardinal fini $n$, ce processus s'arrête nécessairement pour un certain entier $k$. À ce stade final, le sous-groupe généré est le groupe entier, soit $H_k = G$.
- On a donc $n \geqslant 2^k$, ce qui donne, en passant au logarithme en base $2$ : \[ k \leqslant \log_2(n) \]
- L'ensemble $S = \{a_1, a_2, \dots, a_k\}$ est, par construction, une partie génératrice de $G$. Son cardinal est $k$, ce qui achève la démonstration.