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Soit $~(G,\ast)~$ un groupe contenant 2 éléments i.e $~~G=\{e,a\}$
- Donner toutes les tables de multiplications possibles de $~(G,\ast)~$
- même question pour un groupe un groupe à 3 éléments. On prendra $~~G=\{e,a,b\}$
- même question pour un groupe à quatre éléments. $~~G=\{e,a,b,c\}$
Bac Sciences Mathématiques & Lycée
Structures algébriques
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 :
Solution Détaillée & Corrigé Pas à Pas Corrigé complet
Remarque très utile:
Dans chaque ligne et chaque les éléments de G doivent apparaitre une et une seule fois.
1. Groupe à 2 éléments : $G = \{e, a\}$
- L'élément $e$ étant le neutre, les produits $e \ast e$, $e \ast a$ et $a \ast e$ sont fixés.
- la seule possiblité pour $a*a$ vu la remarque ci dessus est: $$a*a=e$$
| $\ast$ | $e$ | $a$ |
|---|---|---|
| $e$ | $e$ | $a$ |
| $a$ | $a$ | $e$ |
2. Groupe à 3 éléments : $G = \{e, a, b\}$
- L'élément $e$ renseigne la première ligne et la première colonne.
- Pour $a \ast a$, deux choix semblent possibles : $e$ ou $b$.
- Si $a \ast a = e$, alors $a \ast b = b$, ce qui est impossible car $b$ est déjà dans la colonne de $e$.
- Ainsi, $a \ast a = b$. Par déduction, on complète la table :
| $\ast$ | $e$ | $a$ | $b$ |
|---|---|---|---|
| $e$ | $e$ | $a$ | $b$ |
| $a$ | $a$ | $b$ | $e$ |
| $b$ | $b$ | $e$ | $a$ |
Synthèse des groupes d'ordre 4 : $~~G = \{e, a, b, c\}$
1. Cas où tous les éléments (hors neutre) sont d'ordre 2
- Chaque élément est son propre symétrique : $a^2 = b^2 = c^2 = e$.
- Ce groupe est connu sous le nom de Groupe de Klein ($V_4$).
- On montre qu'il est commutatif avec les relations : $ab=c, ac=b, bc=a$.
En effet:
On a pour tout $x\in G$: $$x^2=e$$ Ce qui equivaut à: $$x=x^{-1}\qquad (1)$$ Ainsi chaque élément est son propre inverse.
Passons à la commutativité: \begin{align*} (a*b)&=(a*b)^{-1}\qquad \text{d'après } (1)\\ a*b&=b^{-1}*a^{-1}\\ a*b&=b*a\qquad \text{d'après } (1)\\ \end{align*} Donc $G$ est commutatif
D'autre part:
$ab \neq e~$ car sinon $~a^2=ab~$ et donc $~a=b~$ contradiction! $~(a\neq b)$
$~ab=a~ (\text{resp.}~~ ab=b)\implies b=e~ (\text{resp.}~~ a=e)$ contradiction!.
Donc: $$ab=c$$ Le même raisonnement s'applique pour montrer que: $$(ac=b)\qquad (bc=a)$$
| $\ast$ | $e$ | $a$ | $b$ | $c$ |
|---|---|---|---|---|
| $e$ | $e$ | $a$ | $b$ | $c$ |
| $a$ | $a$ | $e$ | $c$ | $b$ |
| $b$ | $b$ | $c$ | $e$ | $a$ |
| $c$ | $c$ | $b$ | $a$ | $e$ |
2. Cas où il existe un élément $~a~$ d'ordre 4
- Le groupe est cyclique : $G = \{e, a, a^2, a^3\}$.
- On pose:
$b = a^2~~$ (d'ordre 2) et $~c = a^3~~$ (d'ordre 4). - La structure est celle de $(\mathbb{Z}/4\mathbb{Z}, +)$.
| $\ast$ | $e$ | $a$ | $b$ | $c$ |
|---|---|---|---|---|
| $e$ | $e$ | $a$ | $b$ | $c$ |
| $a$ | $a$ | $b$ | $c$ | $e$ |
| $b$ | $b$ | $c$ | $e$ | $a$ |
| $c$ | $c$ | $e$ | $a$ | $b$ |
Comparaison structurelle
- Le groupe de Klein possède trois éléments d'ordre 2 ($a, b, c$).
- Le groupe cyclique ne possède qu'un seul élément d'ordre 2 ($b$).
- Ces deux groupes ne sont donc pas isomorphes.