Représentations des groupes nis IV : tables de caractères

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1 Université Claude Bernard LYON 1 Préparation à l'agrégation de Mathématiques Représentations des groupes nis IV : tables de caractères Michel CRETIN 1 Table des caractères Soit G un groupe ni ; on considère 1. C 1 = {e}, C,, C νg les classes de conjugaison de G. Pour 1 j ν G, on choisit g j C j un représentant de la classe C j. π i : G GL(W i ) pour 1 i ν G les diérentes (à isomorphisme près) représentations irréductibles de G (π 1 étant la représentation triviale) ; on désigne par d i le degré de π i (on supposera que d 1 d νg ) et χ i son caractère. (χ 1 étant le caractère unité). Rappelons que l'on a : ν G 1. d i = Card(G).. d i Card(G) pour 1 i ν G. 3. (χ i, χ j ) = δ i,j pour 1 i j (orthonormalité des caractères irréductibles) Pour toute fonction centrale ϕ H G de G, et toute classe de conjugaison C de G on posera ϕ(c) = ϕ(g) où g C est un représentant quelconque de la classe C. La table des caractères de G est la matrice (à coecients dans Q) : En particulier on a : De plus on a : T G = (χ i (C j )) 1 i,j νg (T G ) 1,j = 1 et (T G ) i,1 = n i pour 1 i, j ν G ν G d i (T G ) i,j = 0 pour j ν G (1) En eet considérons la représentation régulière : ρ G : G GL(C G ) on a vu que, pour 1 i ν G, le nombre de fois où la représentation irréductible : π i : G GL(W i ) gure dans ρ G est égal à (χ G, χ i ) = d i de sorte que : χ G = ν G d i χ i

2 Le groupe symétrique S 3 Le groupe S 3 comporte N = ν S3 = 3 classes de conjugaison : avec τ 1 = (1, ) et t = (1,, 3). On a alors C 1 = {()} C = {τ 1, } C 3 = {t, } Card(C 1 ) = 1 Card(C ) = 3 Card(C 3 ) = De plus (S 3 ) ab C de sorte que S 3 possède deux caractères de degré 1 : le caractère constant χ 1 et la signature χ = sgn. On a donc d 1 = d = 1 et par suite d 3 = (puisque d 1 +d +d 3 = 6) ; ainsi : C 1 C C 3 S e = () τ 1 = (1, ) t = (1,, 3) χ χ χ 3 a b De plus on a les équations : d'où nalement : d i (T S3 ) i, = a = 0 d i (T S3 ) i,3 = + b = 0 D'autre part la représentation standard : C 1 C C 3 S e = () τ 1 = (1, ) t = (1,, 3) χ χ χ θ : S 3 GL(H) où H est l'hyperplan de C 3 d'équation z 1 + z + z 3, est irréductible et son caractère est donné par : χ θ (σ) = Card({i {1,, 3}/σ(i) = i}) 1 pour tout σ S 3 On a donc : χ 3 (e) = χ 3 (τ 1 ) = 0 χ 3 (t) = 1 On a donc χ 3 = χ θ (σ). Remarquons que l'on a : (χ 3, χ 3 ) = 1 Card(C j ) χ 3 (C j ) = 1 Card(S 3 ) j=1 et l'on retrouve l'irréductibilité de la représentation standard.

3 3 Le groupe symétrique S 4 Le groupe S 4 comporte N = ν S4 = 5 classes de conjugaison : C 1 = {()} C = {τ 1 } C 3 = {x, y, } C 4 = {t, } C 5 = {γ, } avec τ 1 = (1, ), x = (1, )(3, 4), y = (1, 3)(, 4), t = (1,, 3) et γ = (1,, 3, 4). On a alors Card(C 1 ) = 1 Card(C ) = 6 Card(C 3 ) = 3 Card(C 4 ) = 8 Card(C 5 ) = 6 Rappelons que l'on a la décomposition en produit semi-direct : S 4 = K S 3 où K =< x, y > est le groupe de Klein. De plus (S 4 ) ab C de sorte que S 4 possède deux caractères de degré 1 : le caractère constant χ 1 et la signature χ = sgn. On a donc d 1 = d = 1. Or on a puisque d 1 + d + d 3 + d 4 + d 5 = 4 ie. d 3 + d 4 + d 5 = ; alors d 3, d 4, d 5 3 et nalement d 3 = et d 4 = d 5 = 3. D'autre part la représentation standard : Θ : S 4 GL(W ) où W est l'hyperplan de C 4 d'équation z 1 + z + z 3 + z 4 = 0 est irréductible et son caractère est donné par : On a donc : Remarquons que l'on a : χ 4 = χ Θ (σ) = Card({i {1,, 4}/σ(i) = i}) 1 pour tout σ S 4 χ 4 (e) = 3 χ 4 (τ 1 ) = 1 χ 4 (x) = 1 χ 4 (t) = 0 χ 4 (γ) = 1 1 (χ 4, χ 4 ) = Card(C j ) χ 4 (C j ) = 1 Card(S 4 ) et l'on retrouve l'irréductibilité de la représentation standard. Considérons alors la représentation : j=1 Θ : S 4 GL(W ) σ sgn(σ)θ(σ) C'est une représentation irréductible dont le caractère est : On a donc : χ 5 = χ χ 4 χ 5 (e) = 3 χ 5 (τ 1 ) = 1 χ 5 (x) = 1 χ 5 (t) = 0 χ 5 (γ) = 1 Comme χ 4 χ 5, la représentation Θ n'est pas équivalente à la représentation Θ. Ainsi on a C 1 C C 3 C 4 C 5 S e = () τ 1 = (1, ) x = (1, )(3, 4) t = (1,, 3) γ = (1,, 3, 4) χ χ χ 3 a b c d χ χ

4 On a les équations : d'où nalement : d i (T S4 ) i, = a = 0 d i (T S4 ) i,3 = b 4 = 0 d i (T S4 ) i,4 = + c = 0 d i (T S4 ) i,5 = d = 0 C 1 C C 3 C 4 C 5 S e = () τ 1 = (1, ) x = (1, )(3, 4) t = (1,, 3) γ = (1,, 3, 4) χ χ χ χ χ A la décomposition en produit semi-direct : S 4 = K S 3 correspond un homomorphisme surjectif de groupes : p : S 4 S 4 /K S 3 d'où par composition avec la représentation standard de S 3 une représentation de degré : et l'on a : On a ainsi : ρ : S 4 p θ S 3 GL(H) χ ρ (σ) = χ θ (p(σ)) pour tout σ S 4 χ ρ (e) = χ ρ (τ 1 ) = 0 χ ρ (x) = χ ρ (t) = 1 χ ρ (γ) = 0 puisque γ = τ t avec τ = (1, 4) de sorte que χ 3 = χ ρ. 4 Le groupe alterné A 4 Le groupe A 4 comporte N = ν A4 = 4 classes de conjugaison : C 1 = {()} C = {x, y } C 3 = {t, } C 4 = {t, } avec x = (1, )(3, 4), y = (1, 3)(, 4) et t = (1,, 3). On a alors Card(C 1 ) = 1 Card(C ) = 3 Card(C 3 ) = 4 Card(C 4 ) = 4 Rappelons que l'on a la décomposition en produit semi-direct : A 4 = K < t > où K =< x, y > est le groupe de Klein. Puisque D(A 4 ) = K, on (A 4 ) ab C 3 le groupe A 4 possède trois caractères de degré 1. On a donc d 1 = d = d 3 = 1 et par suite d 4 = 3 (puisque d 1 + d + d 3 + d 4 = 1) ; ainsi :

5 C 1 C C 3 C 4 A e = () x = (1, )(3, 4) t = (1,, 3) t = (1, 3, ) χ χ 1 1 j j χ j j χ 4 3 a b c avec j = e π i 3. De plus on a les équations : d i (T A4 ) i, = 3 + 3a = 0 d i (T A4 ) i,3 = 1 + j + j + 3b = 0 d i (T A4 ) i,4 = 1 + j + j + 3c = 0 d'où nalement : La restriction C 1 C C 3 C 4 A e = () x = (1, )(3, 4) t = (1,, 3) t = (1, 3, ) χ χ 1 1 j j χ j j χ Θ A 4 : A 4 GL(W ) à A 4 de la représentation standard de S 4 sur l'hyperplan W de C 4 d'équation z 1 +z +z 3 +z 4 = 0 a pour caractère : χ Θ A4 (e) = 3 χ Θ A4 (x) = 1 χ Θ A4 (t) = 0 χ Θ A4 (t ) = 0 On a donc χ 4 = χ Θ A4. Remarquons que l'on a Θ A 4 = Θ A 4. 5 Le groupe symétrique S 5 Le groupe S 5 comporte N = ν S5 = 5 classes de conjugaison : C 1 = {()} C = {τ 1 } C 3 = {x, } C 4 = {t, } C 5 = {γ, } C 6 = {tτ 4, } C 7 = {δ, } avec τ 1 = (1, ), x = (1, )(3, 4), t = (1,, 3), τ 4 = (4, 5), γ = (1,, 3, 4) et δ = (1,, 3, 4, 5). On a alors : Card(C 1 ) = 1 Card(C ) = 10 Card(C 3 ) = 15 Card(C 4 ) = 0 Card(C 5 ) = 30 Card(C 6 ) = 0 Card(C 7 ) = 4 De plus (S 5 ) ab C de sorte que S 5 possède deux caractères de degré 1 : le caractère constant ψ 1 et la signature ψ = sgn. Considérons la représentation standard : Θ : S 5 GL(W )

6 où W est l'hyperplan de C 5 d'équation z 1 + z + z 3 + z 4 + z 5 = 0 est irréductible et son caractère est donné par : On a donc : On a : ψ 3 = ψ Θ (σ) = Card({i {1,, 5}/σ(i) = i}) 1 pour tout σ S 5 ψ 3 (e) = 4 ψ 3 (τ 1 ) = ψ 3 (x) = 0 ψ 3 (t) = 1 ψ 3 (γ) = 0 ψ 3 (tτ 4 ) = 1 ψ 3 (δ) = 1 1 (ψ 3, ψ 3 ) = Card(C j ) ψ 3 (C j ) = 1 Card(S 5 ) d'où l'irréductibilité de la représentation standard. Considérons alors la représentation (représentation standard tordue par la signature) : j=1 Θ : S 5 GL(W ) σ sgn(σ)θ(σ) C'est une représentation irréductible dont le caractère est : On a donc : ψ 4 = ψ ψ 3 ψ 4 (e) = 4 ψ 4 (τ 1 ) = ψ 4 (x) = 0 ψ 4 (t) = 1 ψ 4 (γ) = 0 ψ 4 (tτ 4 ) = 1 ψ 4 (δ) = 1 Comme ψ 3 ψ 4, la représentation Θ n'est pas équivalente à la représentation Θ. On obtient ainsi : C 1 C C 3 C 4 C 5 C 6 C 7 S e = τ 1 = x = t = γ = tτ 4 = δ = () (1, ) (1, )(3, 4) (1,, 3) (1,, 3, 4) (1,, 3)(4, 5) (1,, 3, 4, 5) ψ ψ ψ ψ ψ 5 ψ 6 ψ 7 Considérons maintenant le carré extérieur de la représentation standard de S 5 : Λ (Θ) : S 5 GL(Λ (W )) C'est une représentation de degré 6 pour laquelle on a, pour tout σ S 5 : On a ainsi : ψ Λ (Θ) : σ 1 (ψ 3(σ) ψ 3 (σ )) ψ Λ (Θ)(e) = 6 ψ Λ (Θ)(τ 1 ) = 0 ψ Λ (Θ)(x) = ψ Λ (Θ)(t) = 0 ψ Λ (Θ)(γ) = 0 ψ Λ (Θ)(tτ 4 ) = 0 ψ Λ (Θ)(δ) = 1

7 Or on a : nalement la représentation : est irréductible et l'on pose : 1 (ψ Λ (Θ), ψ Λ (Θ)) = Card(C j ) ψ Card(S 5 ) Λ (Θ)(C j ) = 1 j=1 Λ (Θ) : S 5 GL(Λ (W )) ψ 7 = ψ Λ (Θ) On a donc d 1 = d = 1, d 3 = d 4 = 4 et d 7 = 6. Or puisque d 1 +d +d 3 +d 4 +d 5 +d 6 +d 7 = 10 ie. d 5 + d 6 = 50 ; avec d 5, d 6 7 on a d 5 = d 6 = 5. Ainsi on a C 1 C C 3 C 4 C 5 C 6 C 7 S e = τ 1 = x = t = γ = tτ 4 = δ = () (1, ) (1, )(3, 4) (1,, 3) (1,, 3, 4) (1,, 3)(4, 5) (1,, 3, 4, 5) ψ ψ ψ ψ ψ 5 5 a b c d e f ψ 6 5 a b c d e f ψ On a les équations : D'où Soit : d i (T S5 ) i, = a + a = 0 d i (T S5 ) i,3 = 5(b + b ) 10 = 0 d i (T S5 ) i,4 = 5(c + c ) + 10 = 0 d i (T S5 ) i,5 = 5(d + d ) = 0 d i (T S5 ) i,6 = 5(e + e ) = 0 d i (T S5 ) i,7 = 5(f + f ) = 0 a + a = 0 b + b = c + c = d + d = 0 e + e = 0 f + f = 0 ρ : S 5 GL(V ) l'une des représentations irréductibles de degré 5 de S 5 et ρ : S 5 GL(V )

8 la représentation obtenue en tordant la représentation ρ par la signature : ρ (σ) = sgn(σ) pour tout σ S 5 On a alors : de sorte que Plus on a On a par exemple : et par suite a = a b = b c = c d = d e = e f = f b = b = 1 c = c = 1 f = f = 0 (χ ρ, ψ 3 ) = 0 a = e (χ ρ, ψ 1 ) = 0 d = a (χ ρ, ψ ρ ) = 0 a = 1 a = e = 1 et d = 1 a = e = 1 et d = 1 de sorte que les représentations ρ et ρ ne sont pas équivalentes. On a donc : d'où nalement : ψ 5 = χ ρ et ψ 6 = χ ρ C 1 C C 3 C 4 C 5 C 6 C 7 S e = τ 1 = x = t = γ = tτ 4 = δ = () (1, ) (1, )(3, 4) (1,, 3) (1,, 3, 4) (1,, 3)(4, 5) (1,, 3, 4, 5) ψ ψ ψ ψ ψ ψ ψ Considérons le carré symétrique de la représentation standard de S 5 : S (Θ) : S 5 GL(S (W )) C'est une représentation de degré 10 (donc non-irréductible) pour laquelle on a, pour tout σ S 5 : On a donc : χ S (Θ) : σ 1 (ψ 3(σ) + ψ 3 (σ )) χ S (Θ) (e) = 10 χ S (Θ) (τ 1) = 4 χ S (Θ) (x) = χ S (Θ) (t) = 1

9 χ S (Θ) (γ) = 0 χ S (Θ) (tτ 4) = 1 χ S (Θ) (δ) = 0 On a : (χ S (Θ), ψ 1) = (χ S (Θ), ψ 3) = 1 Card(C j )χ Card(S 5 ) S (Θ) (C j)ψ 3 (C j ) = 1 j=1 1 Card(C j )χ Card(S 5 ) S (Θ) (C j)ψ 3 (C j ) = 1 j=1 de sorte que S (Θ) contient une fois la représentation triviale de S 5, une fois la représentation standard de de S 5 et une autre représentation de S 5 dont le caractère χ vérie : On a : χ S (Θ) = ψ 1 + ψ 3 + χ χ(e) = 5 χ(τ 1 ) = 1 χ(x) = 1 χ(t) = 1 χ(γ) = 1 χ(tτ 4 ) = 1 χ(δ) = 0 On a (χ, χ) = 1 ; par suite χ est l'un des caractères irréductibles de degré 5 de S 5. En fait, avec les notations précédentes on χ = ψ 5 et nalement χ S (Θ) = ψ 1 + ψ 3 + ψ 5 6 Le groupe alterné A 5 Le groupe A 5 comporte N = ν A5 = 5 classes de conjugaison : C 1 = {()} C 3 = {x } C 4 = {t, } C 7 = {δ, } C 7 = {δ, } avec x = (1, )(3, 4), t = (1,, 3), δ = (1,, 3, 4, 5) et δ = (1, 3,, 4, 5). On a alors Card(C 1 ) = 1 Card(C ) = 15 Card(C 3 ) = 0 Card(C 4 ) = 1 Card(C 5 ) = 1 Puisque D(A 5 ) = D(A 5 ), on (A 5 ) ab {e}, le groupe A 5 possède un unique caractère de degré 1, le caractère trivial χ 1. Considérons les caractères (ψ i ) 1 i 7 du groupe symétrique S 5 ; on a la table : On a alors C 1 C C 3 C 4 C 5 C 6 C 7 S e = τ 1 = x = t = γ = tτ 4 = δ = () (1, ) (1, )(3, 4) (1,, 3) (1,, 3, 4) (1,, 3)(4, 5) (1,, 3, 4, 5) ψ ψ ψ ψ ψ ψ ψ ψ 1 A 5 = ψ A 5 = χ 1 est le caractère unité de A 5.. ψ 3 A 5 = ψ 4 A 5 est un caractère irrréductible χ 4 de A 5. On a en eet : (ψ 3 A 5, ψ 3 A 5 ) = 1 ( ) = 1 60

10 3. ψ 5 A 5 = ψ 6 A 5 est un caractère irrréductible χ 5 de A 5. On a en eet : (ψ 5 A 5, ψ 5 A 5 ) = 1 ( ) = ψ 7 A 5 n'est pas irréductible. On a en eet : (ψ 7 A 5, ψ 7 A 5 ) = 1 ( ) = 60 Ainsi d 1 = 1, d 4 = 4 et d 5 = 5 et par suite d + d 3 = 18 (puisque d 1 + d + d 3 + d 4 + d 5 = 60) ; d'où d = d 3 = 3. On a donc C 1 C 3 C 4 C 7 C 7 A e = {()} x = (1, )(3, 4) t = (1,, 3) δ = (1,, 3, 4, 5) δ = (1, 3,, 4, 5) χ χ 3 a b c d χ 3 3 a b c d χ χ On utilise alors les relations d'orthonormalité pour compléter la table. Cependant remarquons que les caractères de A 5 sont à valeurs réelles : en eet puisque l'on a χ(σ 1 ) = χ(σ) pour tout σ A 5 il sut de montrer que σ 1 et σ sont conjugués dans A 5 ; pour σ d'ordre on a σ 1 = σ, pour σ = (a, b, c) 3-cycle on a σ 1 τστ 1 avec τ = (a, c)(d, e) où {d, e} = {1,, 5} \ {a, b, c} et enn pour σ = (a, b, c, d, e) un 5-cycle on a σ 1 τστ 1 avec τ = (b, e)(c, d). On a alors le système d'équations : 0 = (χ 1, χ ) = 1 (3 + 15a + 0b + 1c + 1d) a + 0b + 1c + 1d = = (χ, χ ) = 1 60 (9 + 15a + 0b + 1c + 1d ) a + 0b + 1c + 1d = 0 0 = (χ 4, χ ) = 1 (1 + 0b 1c 1d) 3 + 5b 3c 3d = = (χ 5, χ ) = 1 ( a 0b) 3 + 3a 4b = 0 60 On trouve alors deux solutions : de sorte que l'on a : a = 1 b = 0 c = 1+ 5 d = 1 5 a = 1 b = 0 c = 1 5 d = 1+ 5 C 1 C 3 C 4 C 7 C 7 A e = {()} x = (1, )(3, 4) t = (1,, 3) δ = (1,, 3, 4, 5) δ = (1, 3,, 4, 5) χ χ χ χ χ

11 On remarque que ψ 7 A 5 = χ + χ 3. On aurait pu obtenir ce résultat directement : on a ψ 7 A 5 = n 1 χ 1 + n χ + n 3 χ 3 + n 5 χ 4 + n 5 χ 5 avec n 1, n, n 3, n 4, n 5 N avec, en particulier : { n 1 + n + n 3 + n 4 + n 5 = n 1 + 3n + 3n 3 + 4n 4 + 5n 5 = 6 Ce qui laisse les deux possibilités n 1 = 1, n 5 = 1 et n = 1, n 3 = 1. Or on a : C 1 C 3 C 4 C 7 C 7 χ 1 + χ ψ 7 A Ainsi ψ 7 A 5 = χ + χ 3. Le système d'équations 1.(1) donne aussi le même résultat. 7 Le groupe diédral D n Le groupe D n d'ordre n est le produit semi-direct < w > < s > d'un groupe < w > cyclique d'ordre n et d'un groupe < s > cyclique d'ordre. On a sws 1 = w 1. Les éléments de D n sont de la forme w k (les rotations) ou w k s (les symétries) avec 0 k n 1. En particulier D n contient un sous-groupe abélien d'indice de sorte que toutes les représentations irréductibles sont de degré 1 ou d'après le lemme suivant Lemme 1 Soit G un groupe ni possédant un sous-groupe abélien A d'indice m ; alors toutes les représentations irréductibles de G sont de degré m. Considérons une représentation irréductible ρ : G GL(V ) de G et sa restriction ρ A : A GL(V ) à A est somme directe de représentations de degré 1. En particulier il existe un sous-espace vectoriel W de V qui est de dimension 1 et tel que ρ(a)w W. Considérons alors un système de représentants g 1 = e, g,, g m de G/A. Alors le sous-espace W = ρ(g 1 )W + ρ(g )W + + ρ(g m )W est stable par ρ de sorte que V = W et ainsi V est de dimension m. Rappelons que l'on a Z(D n ) = { e {e, w n } si n est impair si n est pair D(D n ) = { < w > si n est impair < w > si n est pair 7.1 cas n pair Les symétries forment classes de conjugaison : {s, w s,, w n s} {ws, w 3 s,, w n 1 s} tandis que les rotations forment n + 1 classes de conjugaison : {e} {w, w n 1 } {w k, w n k } {w n 1, w n +1 } {w n } de sorte que D n possède, à équivalence près, N = ν Dn = n + 3 représentations irréductibles. Puisque D(D n ) =< w > on a D ab n K (le groupe de Klein) ; ainsi D n possède 4 caractères de degré 1. Les caractères de degré 1 sont les homomorphismes de groupes D ab n =< w, s > C ; ils sont donc caractérisés par les valeurs :

12 w s χ χ 1 1 χ χ Ainsi le groupe D n possède, à équivalence près, n 1 représentations irréductibles de degré ; posons z = e π i n et pour 0 j n 1 considérons la représentation : ρ j : D n GL (C) dénie par : Notons que la relation : ρ j (w) = ( ) z j O 0 z j ρ j (s) = ( ) ρ j (s)ρ j (w)ρ j (s) 1 = ρ j (w) 1 = ρ n j (w) montre que les représentations ρ j et ρ n j sont équivalentes. On est donc ramené à ne considérer que les représentations ρ j pour 0 j n. Remarquons encore que l'on a : χ ρ0 = χ 1 + χ et χ ρ n = χ 3 + χ 4 de sorte que les représentations ρ 0 et ρ n ne sont pas irréductibles et nalement on ne conserve que les représentations ρ j pour 1 j n 1. Pour ces représentations les seules droites stables par ρ j (w) sont les axes Ce 1 et Ce mais ne sont pas stables par ρ j (s) de sorte que ces représentations sont irréductibles. Enn on a : χ ρj (w k ) = cos k π n χ ρj (w k s) = 0 pour 0 k n 1 7. cas n impair Les symétries forment 1 seule classe de conjugaison : {s, ws,, w n 1 s} tandis que les rotations forment n+1 classes de conjugaison : {e} {w, w n 1 } {w k, w n k } {w n 1, w n+1 } de sorte que D n possède, à équivalence près, N = ν Dn = n représentations irréductibles. Puisque D(D n ) =< w > on a D ab n C ; ainsi D n possède caractères de degré 1. Les caractères de degré 1 sont les homomorphismes de groupes D ab n =< s > C ; ils sont donc caractérisés par les valeurs : w s χ χ 1 1 Ainsi le groupe D n possède, à équivalence près, n 1 représentations irréductibles de degré ; posons z = e π i n et pour 0 j n 1 considérons la représentation : ρ j : D n GL (C)

13 dénie par : Notons que la relation : ρ j (w) = ( ) z j O 0 z j ρ j (s) = ( ) ρ j (s)ρ j (w)ρ j (s) 1 = ρ j (w) 1 = ρ n j (w) montre que les représentations ρ j et ρ n j sont équivalentes. On est donc ramené à ne considérer que les représentations ρ j pour 0 j n 1. Remarquons encore que l'on a : χ ρ0 = χ 1 + χ de sorte que la représentation ρ 0 n'est pas irréductibles et nalement on ne conserve que les représentations ρ j pour 1 j n 1. Pour ces représentations les seules droites stables par ρ j (w) sont les axes Ce 1 et Ce mais ne sont pas stables par ρ j (s) de sorte que ces représentations sont irréductibles. Enn on a : χ ρj (w k ) = cos k π n χ ρj (w k s) = 0 pour 0 k n Un exemple : D 4 0n a D 4 =< w, s > avec w d'ordre 4, s d'ordre et sws 1 = w 1. Les symétries forment classes de conjugaison : {s, w s} {ws, w 3 s} et les rotations forment 3 classes de conjugaison : {e} {w, w 3 } {w } de sorte que D 4 possède, à équivalence près, N = ν D4 = 5 représentations irréductibles. Il y a 4 caractères de degré 1 caractérisés par les valeurs : w s χ χ 1 1 χ χ et une unique (à équivalence près) représentation irréductible de degré ρ 1 : D 4 GL (C) dénie par : ρ 1 (w) = ( ) i O 0 i ρ 1 (s) = ( ) On a χ ρ1 (w k ) = cos k π 4 χ ρ1 (w k s) = 0 pour 0 k 3 Finalement, la table des caractères du groupe D 4 est donnée par :

14 C 1 C C 3 C 4 C 5 D w w s ws χ χ χ χ χ Quaternions 8.1 Dénition des quaternions Le corps non-commutatif H des quaternions peut-être obtenu à partir du corps C des nombres complexes par la construction de Cayley-Dickson : on munit l'ensemble C des couples (u, v) de nombres complexes de l'addition et de la multiplication suivantes : (u, v) + (u, v ) = (u + u, v + v ) (u, v). (u, v ) = (u u v v, v u + v u ) Notons que cette construction eectuée à partir du corps R des nombres réels produit le corps C des nombres complexes. L'application u (u, 0) permet d'identier canoniquement C à un sous-corps de H. On pose j = (0, 1) on a j = 1 et j u = u j pour tout u C (en particulier k = ij = ji). Tout élément q = (u, v) de H s'écrit alors de manière unique q = u + j v avec u, v C de sorte que (1, j) est une base du C-espace vectoriel H tandis que (1, i, j, k) est une base du R-espace vectoriel H. On a : i = j = k = 1 ij = ji = k jk = kj = i ki = ik = j On pose encore q = u jv de sorte que q = q et qq = q q pour tout q, q H. On a alors N(q) = qq R + et N(q q ) = N(q)N(q ). Alors tout q H est inversible et l'on a q 1 = 1 N(q) q. Enn, on a la représentation canonique de la R-algèbre H : π : H M (C) ( ) u v q = u + j v v u On remarquera que l'on a N(q) = det(π(q)) de sorte que la matrice π(q) est inversible si et seulement si q 0. On a en particulier : ) π(±1) = ± ( π(i) = ( ) i 0 0 i π(j) = ( ) π(k) = ( 0 ) i i 0 8. Le groupe quaternionique Q 8 Le groupe quaternionique : Q 8 =< i, j >= {1, 1, i, i, j, j, k, k}

15 est le groupe des éléments inversibles du sous-anneau de H, stable par conjugaison : H Z = {u + vj / u, v Z[i]} des quaternions entiers. C'est l'un des deux groupes non-abéliens d'ordre 8 (à isomorphisme près). Le groupe Q 8 comporte N = ν Q8 = 5 classes de conjugaison : C 1 = {1} C = { 1} C 3 = {i, i} C 4 = {j, j} C 5 = {k, k} Puisque D(Q 8 ) = {1, 1}, on a (Q 8 ) ab K (groupe de Klein), le groupe Q 8 possède quatre caractères de degré 1. On a donc n 1 = n = n 3 = n 4 = 1 et par suite n 5 = (puisque n 1 + n + n 3 + n 4 + n 5 = 8). Mais on a la représentation : dont le caractère est donné par : π Q 8 : Q 8 GL (C) χ π Q8 (1) = χ π Q8 ( 1) = χ π Q8 (i) = χ π Q8 (j) = χ π Q8 (k) = 0 de sorte que : (χ π Q8, χ π Q8 ) = 1 et la représentation π Q 8 est irréductible. On a donc : C 1 C C 3 C 4 C 5 Q i j k χ χ χ χ χ On remarquera que cette table de caractères est identique à celle du groupe diédral D 4 bien que les groupes Q 8 et D 4 ne soient pas isomorphes. 8.3 Les quaternions de Hurwitz Considérons maintenant les quaternions entiers de Hurwitz : H = {q = 1 (a + bi + cj + dk) H / a, b, c, d Z et a b c d mod } = {q = a + bi + cj + dk H / a, b, c, d Z ou a, b, c, d Z + 1 } Posons : On a : ω = z + zj H avec z = 1 + i C ω = ω, N(ω) = 1 et H = H Z (H Z + ω) Lemme L'ensemble des quaternions entiers de Hurwitz H est un sous-anneau de H contenant H Z et qui est stable par conjugaison. De plus le groupe additif H est un Z-module libre de rang 4, de base (1, i, j, ω).

16 L'ensemble H est évidemment un sous-groupe additif de H contenant H Z et stable par conjugaison. Pour tout q = u + vj H Z avec u = a + ib, v = c + id Z[i], on a : q ω = z(u + v) + z(u v)j = 1 (( a b c d) + (a b + c d)i + (a b c + d)j + (a + b c d)k) H Maintenant tout q H est de la forme q = q ou q = q + ω avec q H Z de sorte que l'on a q q = q q ou q q = q q + q ω et par suite on a q q H. On a alors q q = q q H de sorte que q q = q q H. Enn comme k = ω + 1 i j On a : et a, b, c, d Z ou a, b, c, d Z + 1 q = a + bi + cj + dk = (a + d) + (b d)i + (cjd)j + dω 8.4 Le groupe des unités de Hurwitz Q si et seulement si a + d, b d, c d, d Z. On considère le groupe Q des quaternions entiers d'hurwitz de norme 1. On a : Q = Q 8 {, 1 (±1 ± i ± j ± k), } et Card(Q) = 4 Outre l'élément unité 1 et l'éléments 1 d'ordre, les éléments ±1, ±j, ±k sont d'ordre 4, les éléments 1 ( 1 ± i ± j ± k) (eg. ω et ω ) sont d'ordre 3 et les éléments 1 (1 ± i ± j ± k) (eg. ω et ω ) d'ordre 6. Lemme 3 On a la décomposition en produit semi-direct Q = Q 8 < ω >. De plus on a : Z(Q) = { 1, 1} et D(Q) == Q 8 et Q comporte 7 classes de conjugaison : C 1 = {1} C = { 1} C 3 = Q 8 \ {1, 1} C 4 = {ω, } C 5 = {ω, } C 6 = { ω, } C 7 = { ω, } Puisque { 1, 1} = Z(Q 8 ) Z(Q) { 1, 1} on a Z(Q) = { 1, 1} d'où les classes de conjugaison C 1 = {1} et C = { 1}. Q 8 et < ω > sont des sous-groupes de Q d'ordre respectivement 8 et 3 de sorte que Q 8 < ω >= {1} et par suite Q 8. < ω >= Q. Ainsi Q =< i, j, ω >. Or on a : ω i ω 1 = k ω j ω 1 = i ω k ω 1 = j De sorte que Q 8 est un sous-groupe distingué de Q et l'on a : Q = Q 8 < ω > De plus i, i (resp. j, j et k, k) sont conjugués dans Q 8 et comme i, j, k son conjugués via ω il en résulte que C 3 = Q 8 \ {1, 1} est une classe de conjugaison. D'autre part on a { 1, 1} = D(Q 8 ) D(Q) et [ω, i] = j [ω, j] = k [ω, k] = i [ω, i] = k [ω, j] = i [ω, k] = j

17 de sorte que D(Q) = Q 8. D'autre part, le nombre de 3-groupes de Sylow de Q est égal à 4. Ces groupes s'intersectent deux à deux en {1}. Ce sont les conjugués conjugués du groupe < ω >= {1, ω, ω }. Comme il y a 8 éléments d'ordre 3 chaque groupe de Sylow en contient exactement. Les conjugués de ω sont de la forme κ ωκ 1 avec κ Q, mais on a κ = qω k avec q Q 8 et κ ωκ 1 = q ω q 1 ; ainsi les conjugués de ω sont : ω i ω i 1 = z z j j ω j 1 = z + z j k ω k 1 = z z j En particulier ω et ω = ω = z z j ne sont pas conjugués. Ainsi les 8 éléments d'ordre 3 se scindent en deux classes de conjugaison C 4 = {ω, } et C 5 = {ω, } de 4 éléments chacune. Il en est donc de même pour les éléments d'ordre 6 qui se scindent dans les deux classes de conjugugaison C 6 = { ω, } et C 7 = { ω, }. En conséquence Q possède 7 caractères irréductibles dont 3 de degré 1. On a donc n 1 = n = 7 n 3 = 1, n i pour 4 i 7 et n i = 1 de sorte que n 4 = n 5 = n 6 = et n 7 = 3. i=4 Considérons alors la représentation : π Q : Q GL (C) On a : de sorte que : ( ) z z π(ω) = z z ( π(ω z ) = zz zz z ) z + zz zz + z On a alors : χ π Q (1) = χ π Q ( 1) = χ π Q (i) = 0 χ π Q (±ω) = 1 (χ π Q, χ π Q ) = 1 χ π Q (±ω ) = 1 et la représentation π Q est irréductible et l'on peut prendre : χ 4 = χ π Q χ 5 = χ χ4 χ 6 = χ 3 χ4 Le dernier caractère χ 7 est alors automatiquement déterminé mais on a la représentation irréductible de degré 3 suivante, obtenue à partir de la représentation standard du groupe alterné A 4 : Θ A 4 ρ : Q Q/Z(Q) A 4 GL(W ) On a donc (avec s = e π i 3 pour éviter des confusions avec le quaternion j) : C 1 C C 3 C 4 C 5 C 6 C 7 Q i ω ω ω ω χ χ s s s s χ s s s s χ χ 5 0 s s s s χ 6 0 s s s s χ

18 8.5 "L'autre" groupe d'ordre 1 A isomorphisme près, il existe trois groupes non abéliens d'ordre 1 : le groupe alterné A 4, le groupe diédral D 6 et un troisième groupe caractérisé par le fait qu'il possède un unique 3-groupe de Sylow et trois -groupes de Sylow cycliques d'ordre 4. Soit ζ C d'ordre 6 ; on a ζ 3 = 1 et (dans H) : j ζ j 1 = ζ = ζ 1 et on considère le sous-groupe Q 1 =< ζ, j > de H. On a < ζ > < j >= {1, 1} de sorte que Q 1 est d'ordre 1. Alors t = ζ est d'ordre 3 et < t > est un sous-groupe distingué de Q 1 ; c'est donc l'unique 3-groupe de Sylow de Q 1. On a Q 1 =< t > < j >. De plus < j > est un -groupe de Sylow cyclique de Q 1 ; ce dernier groupe étant non abélien il y a trois -groupes de Sylow ( < j >, < t j t 1 > et < t 1 j t >) de sorte que Q 1 est le groupe cherché. Puisque Q 1 / < t >=< j > est abélien on a D(Q 1 ) < t > et comme Q 1 est non abélien on a D(Q 1 ) =< t > et Q ab 1 =< j > est cyclique d'ordre 4 de sorte que Q 1 possède 4 caractères de degré 1. ν ν Soit ν le nombre de classes de conjugaison de Q 1 ; on a d i = 1 d'où d i = 8 on a ainsi i=5 d i = pour 5 i ν et donc ν = 6. On a les classes de conjugaison C 1 = {1}, C = { 1} (puisque j = 1 est central), C 3 = {t, t 1 } (< t > étant distingué est réunion de classes de conjugaison et t n'est pas central on a donc < t >= {1} {t, t 1 }), C 4 = { t, t 1 } = C 3 (produit par l'élément central 1). Les 6 éléments restant se répartissent donc en deux classes de conjugaison C 5 et C 6 = C 5 ; on a C 5 = {j, tj, t 1 j} (tjt 1 = t 1 j et j(tj)t 1 = t 1 j) et C 6 = { j, tj, t 1 j}. En particulier on a Z(Q 1 ) =< 1 > Les caractères de degré 1 sont les homomorphismes de groupes Q ab 1 =< j > C ; ils sont donc caractérisés par les valeurs : C 1 C C 3 C 4 C 5 C 6 Q t t j j χ χ χ i i χ i i χ 5 χ 6 Par ailleurs Q 1 /Z(Q 1 ) =< t > < j > est non abélien d'ordre 6 donc isomorphe à S 3 D 3 ; ainsi Q 1 possède un caractère irréductible χ 5 de degré tel que χ 5 (j) = 0, χ 5 (t) = 1 et χ 5 ( 1) =. Enn χ 6 = χ 3 χ 5 = χ 4 χ 5 est un caractère irréductible distinct de χ 5. On a nalement : C 1 C C 3 C 4 C 5 C 6 Q t t j j χ χ χ i i χ i i χ χ