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1 Produit semi-direct Table des matières 1 Produit de sous-groupes 2 2 Produit semi-direct de sous-groupes 3 3 Produit semi-direct de groupes 4 1

2 1 Produit de sous-groupes Soient G un groupe et H et K deux sous-groupes de G. Dénition On note par HK l'ensemble {hk / h H et k K}. Remarque H et K sont inclus dans HK puisque pour tous h de H et k et K, h=h1 HK et k=1k HK. Dénition On dit que K normalise H si pour tout k de K et pour tout h de H, khk 1 appartient à H. Proposition Si K normalise H alors HK est un sous-groupe de G. Démonstration HK n'est pas vide puisque 1=11 appartient à HK. Soient h et h' appartenant à h et k et k' appartenant à K. Alors, hkh'k'=hkh(k 1 k)k'=h(khk 1 )kk'. Comme K normalise H, khk 1 appartient à H et donc hkh'k'=h(khk 1 )kk' appartient à HK. (hk) 1 = k 1 h 1 = k 1 h 1 kk 1. Comme K normalise H, k 1 h 1 k appartient à H et donc (hk) 1 = k 1 h 1 kk 1 appartient à HK. D'où HK est un sous-groupe de G. Corollaire Si H est un sous-groupe normal de G, HK est un sous-groupe de G. Démonstration Puisque H est normal dans G, H est normalisé par n'importe quel sous-groupe de G et en particulier par K. D'où d'après la Proposition précédente, HK est un sous-groupe de G. Proposition On suppose que K normalise H. Alors le sous-groupe HK est le sous-groupe de G engendré par H K. Démonstration H et K sont inclus dans HK donc H K est inclus dans HK. D'où, comme HK est un sous-groupe de G, <H K> est inclus dans HK. Soient h un élément de H et k un élément de K. Alors, hk appartient à <H K>={g 1... g n / n N, 1 i n g i H K ou g i 1 H K} (cf Partie Sous-groupes). D'où HK=<H K>. 2

3 Proposition Si H et K sont normaux dans G alors HK est un sous-groupe de G. Démonstration Comme H est normal dans G, HK est un sous-groupe de G. Soient g appartenant à G et hk appartenant à HK (h H et k K). On a ghkg 1 = ghg 1 gkg 1. Comme H et K sont normaux dans G, ghg 1 appartient à H et gkg 1 appartient à K. D'où ghkg 1 = ghg 1 gkg 1 appartient à HK et donc HK est un sous-groupe normal de G. Proposition Si G est abélien et si H K={1} alors HK est isomorphe à H K. Démonstration Comme G est abélien, K normalise H donc HK est un groupe. De plus, la loi de HK est hk.h'k'=h(kh'k 1 )kk'=hh'kk'. Soit ϕ l'application de H K dans HK dénie par ϕ(h,k)=hk pour tout (h,k) de H K. Montrons que ϕ est un homomorphisme : soient (h,k) et (h',k') appartenant à H K. Alors, ϕ((h, k)(h, k )) = ϕ(hh, kk ) = hh kk = hkh k car G est ablien = ϕ(h, k)ϕ(h, k ) donc ϕ est un homomorphisme de groupes. Montrons que ϕ est injective : soit (h,k) appartenant à H K tel que ϕ(h,k)=1. Alors, hk=1 et donc h=k 1. D'où h appartient à H K={1}. h=1 et par suite, k=h 1 =1. (h,k)=(1,1) donc Ker ϕ = {1} et par conséquent, ϕ est injective. ϕ est clairement surjective puisque si h appartient à H et k à K, hk=ϕ(h,k). D'où ϕ est un isomorphisme entre H K et HK. Remarque A la place de l'hypothèse : G est abélien, on peut prendre l'hypothèse : hk=kh pour tout h appartenant à H et pour tout k appartenant à K. 2 Produit semi-direct de sous-groupes Soient G un groupe, H un sous-groupe normal de G et K un sous-groupe de G. On a vu, dans la section précédente, que dans ce cas, HK est un sous-groupe de G. Dénition On dit que G est produit semi-direct des sous-groupes H et K si G=HK et H K={1}. Dans ce cas, on note G=H K ou K H. 3

4 Proposition Soient G, H et K des groupes nis, ϕ un homomorphisme de H dans G et θ un homomorphisme de G dans K vériant Ker θ=im ϕ. On suppose qu'il existe un homomorphisme σ de K dans G, tel que θ σ=id (σ est alors appelé section au dessus de θ). Alors, G est le produit semi-direct de Im ϕ = ϕ(h) par Im σ = σ(k). Démonstration Comme ϕ et σ sont des homomorphismes de groupes, ϕ(h) et σ(k) sont des sous-groupes de G. ϕ(h)=im ϕ=ker θ donc ϕ(h) est un sous-groupe normal de G. Montrons que ϕ(h) σ(k) est réduit à {1} : Soit ϕ(h)=σ(k) appartenant à ϕ(h) σ(k). Comme Im ϕ=ker θ, θ(ϕ(h))=1. Mais θ(ϕ(h)) = θ(σ(k))=k par propriété de σ. Donc, k=1 et par conséquent, ϕ(h)=σ(k)=σ(1)=1. ϕ(h) σ(k) est réduit à {1}. Montrons que G=ϕ(H)σ(K) : Comme Im ϕ=ker θ, G/ϕ(H) est isomorphe à Im θ d'aprés le Premier Théorème d'isomorphismes. D'où, G = ϕ(h) Im θ. Comme θ σ=id, θ est surjective (si k appartient à K, k=θ(σ(k))) donc Im θ=k. Comme θ σ=id, σ est injective (si σ(k) = σ(k ) alors k=θ(σ(k)) = θ(σ(k ))=k') donc, d'après le Premier Théorème d'isomorphismes, K/Ker σ est isomorphe à K et à Im σ. D'où Im θ = K = Im σ = σ(k). On en déduit que G = ϕ(h) σ(k) = ϕ(h)σ(k) d'après la Proposition. D'où G=ϕ(H)σ(K). G est le produit semi-direct de ϕ(h) par σ(k). Corollaire Soit G le groupe produit de deux groupes H et K. Alors, G est le produit semi-direct de H {1} (isomorphe à H) par {1} K (isomorphe à K). Démonstration On prend, dans la Proposition précédente, ϕ=ι H l'injection canonique de H {1} dans G, θ(g)=(1,p(g)) où p est la projection canonique de G sur K et σ=ι K l'injection canonique de {1} K dans G. 3 Produit semi-direct de groupes Soient H et K deux groupes. Soit ϕ un homomorphisme de K dans Aut(H). Pour tout k appartenant à K, on note ϕ k à la place ϕ(k). Proposition L'ensemble G=H K muni de la loi (h,k)(h',k')=(hϕ k (h'),kk') est un groupe. 4

5 Démonstration Comme H et K ne sont pas vides, G n'est pas vide. Pour tous h' de H et k de K, ϕ k (h') appartient à H, (hϕ k (h'),kk') appartient à G pour tous h et h' de H et k et k' de K. Montrons que la loi est asociative : soient h, h' et h" appartenant à H et k, k' et k" appartenant à K. D'une part, ((h, k)(h, k ))(h, k ) = (hϕ k (h ), kk )(h, k ) D'autre part, = (hϕ k (h )ϕ kk (h ), kk k ) = (hϕ k (h )ϕ k (ϕ k (h )), kk k ) car ϕ est un homomorphisme. (h, k)((h, k )(h, k )) = (h, k)(h ϕ k (h ), k k ) = (hϕ k (h ϕ k (h )), kk k ) = (hϕ k (h )ϕ k (ϕ k (h )), kk k ) car ϕ k est un homomorphisme. D'où ((h,k)(h',k'))(h",k")=(h,k)((h',k')(h",k")) et la loi est asoociative. Pour tous h de H et k de K, (h,k)(1,1)=(hϕ k (1),k1)=(h,Id(1),k)=(h,k) car ϕ est un homomorphisme. D'où la loi admet un élément neutre : (1,1). Soient h appartenant à H et k appartenant à K. Comme ϕ k est bijective, il existe un élément h' de H tel que ϕ k (h')=h 1. D'où, (h, k)(h, k 1 ) = (hh 1, kk 1 )=(1,1). Comme ϕ est un homomorphisme, ϕ k 1 = ϕ k 1. D'où, ϕk 1(h 1 )=h'. ϕ k 1 est un homomorphisme donc ϕ k 1(h) = ϕ k 1((h 1 ) 1 ) = ϕ k 1(h 1 ) 1 = h 1. On en déduit que (h, k 1 )(h, k) = (h h 1, k 1 k)=(1,1). D'où, (h,k) admet (ϕ k 1(h 1 ), k 1 ) comme inverse. Donc G=H K est un groupe pour la loi (h,k)(h',k')=(hϕ k (h'),kk'). Dénition Le groupe G=H K muni de la loi (h,k)(h',k')=(hϕ k (h'),kk') est appelé produit semi-direct de H par K relativement à ϕ et est noté H ϕ K. Exemple Soient G un groupe, N un sous-groupe normal de G et K un sous-groupe de G. Alors, G est le produit semi-direct de N par K par l'homomorphisme ϕ déni de K dans Aut(N) par ϕ(k) : n knk 1. Proposition Soient H'=H {1} et K'={1} K. Alors, G=H K est le produit semi-direct de H par K. Démonstration H' n'est pas vide puisque (1,1) appartient à H'. Soient (h,1) et (h',1) appartenant à H. 5

6 On a (h, 1)(h, 1) 1 = (h, 1)(ϕ 1 1(h 1 ), 1 1 ) = (h, 1)(Id(h 1 ), 1) = (h, 1)(h 1, 1) = (hϕ 1 (h 1 ), 1) = (hid(h 1 ), 1) = (hh 1, 1) donc (h, 1)(h, 1) 1 appartient à H' et par conséquent, H' est un sous-groupe de G. Soit (x,1) appartenant à H' et (h,k) appartenant à G. On a (h, k)(x, 1)(h, k) 1 = (hϕ k (x), k)(ϕ k 1(h 1 ), k 1 ) = (hϕ k (x)ϕ k (ϕ k 1(h 1 )), kk 1 ) = (hϕ k (x)ϕ kk 1(h 1 ), 1) = (hϕ k (x)id(h 1 ), 1) = (hϕ k (x)h 1, 1). Comme ϕ k (x) appartient à H par dénition de ϕ, hϕ k (x)h 1 appartient à h et par conséquent, (hϕ k (x)h 1, 1) appartient à H'. D'où, H' est un sous-groupe normal de G. K' n'est pas vide puisque (1,1) appartient à K'. Soient (1,k) et (1,k') appartenant à K'. On a (1, k)(1, k ) 1 = (1, k)(ϕ k 1(1), k 1 ) = (1, k)(1, k 1 ) = (1ϕ k (1), kk 1 ) = (1, kk 1 ). Donc (1, k)(1, k ) 1 et par conséquent, K' est un sous-groupe de G. Il est clair que H' K = {(1, 1)}. D'après la Proposition Cardinal HK, H K = H K = H K = H K = G H K donc G=H'K'. D'où, G est le produit semi-direct de H' par K'. Proposition Soient H' un groupe isomorphe à H par un isomorphisme σ : H H et K' un groupe isomorphe à K par un isomorphisme θ : K K. Soit φ l'application de K' dans {f : H H } dénie par φ k (h ) = σ 1 (ϕ θ(k )(σ(h ))) (où on a posé φ k = φ(k')). Alors, φ est un homomophisme de K' dans Aut(H') et H' φ K' est isomorphe à H ϕ K. Démonstration Montrons que pour tout k' de K', φ k est un automorphisme de H' : soient h' et h" appartenant à H'. 6

7 φ k(h h ) = σ 1 (ϕ θ(k )(σ(h h ))) = σ 1 (ϕ θ(k )(σ(h )σ(h ))) car σ est un homomorphisme = σ 1 (ϕ θ(k )(σ(h ))ϕ θ(k )(σ(h )) car ϕ θ(k ) est un homomorphisme = σ 1 (ϕ θ(k )(σ(h )))σ 1 (ϕ θ(k )(σ(h ))) car σ 1 est un homomorphisme = φ k(h )φ k(h ) donc φ k est un endomorphisme de H'. Soit h' appartenant à H'. φ k 1(φ k (h )) = φ k 1(σ 1 (ϕ θ(k )(σ(h )))) = σ 1 (ϕ θ(k 1 )(σ(σ 1 (ϕ θ(k )(σ(h )))))) = σ 1 (ϕ θ(k 1 )(ϕ θ(k )(σ(h )))) = σ 1 (ϕ (θ(k )) 1(ϕ θ(k )(σ(h )))) = σ 1 ((ϕ θ(k )) 1 (ϕ θ(k )(σ(h )))) = σ 1 (σ(h )) = h et de même, φ(φ k 1(h ))=h'. Donc φ k est un automorphisme de H' d'inverse φ k 1. Montrons que H' φ K' est isomorphe à H ϕ K : soit f l'application de H' φ K' dans H ϕ K dénie par f(h',k')=(σ(h ), θ(k )). Montrons que f est un isomorphisme : soient (h',k') et (h",k") appartenant à H' φ K'. f((h, k )(h, k )) = f(h φ k (h ), k k ) = (σ(h φ k (h )), θ(k k )) = (σ(h )σ(φ k (h )), θ(k )θ(k )) car σ et θ sont des homomorphismes = (σ(h )σ(σ 1 (ϕ θ(k )(σ(h )))), θ(k )θ(k )) = (σ(h )ϕ θ(k )(σ(h )), θ(k )θ(k )) = (σ(h ), θ(k ))(σ(h ), θ(k )) = f(h, k )f(h, k ) donc f est un homomorphisme. Soit g l'application de H ϕ K dans H' φ K' dénie par g(h,k)= (σ 1 (h), θ 1 (k)). Soient (h',k') appartenant à H' φ K' et (h,k) à H ϕ K. g(f(h, k )) = g(σ(h ), θ(k )) = (σ 1 (σ(h )), θ 1 (θ(k ))) = (h, k ) et f(g(h, k)) = f(σ 1 (h), θ 1 (k)) = (σ(σ 1 (h)), θ(θ 1 (k))) = (h, k). Donc, f est un isomorphisme d'inverse g. H' φ K' est isomorphe à H ϕ K. 7

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