Le groupe linéaire

2. Le groupe linéaire

SoitKun corps (commutatif ). On rappelle que GL(n,K) est le groupe des matricesn×n inversibles à coefficients dansKet que SL(n,K) est le sous-groupe distingué des matrices de déterminant 1.

Pour tousi,j∈{1, . . . ,n}, on a défini dans le §I.3.5 les matrices E_{i j}et, pouri6=jetα∈K, les matrices élémentaires I_n+αE_{i j}. Ce sont des éléments de SL(n,K).

2.1. Centre. — Rappelons que le centre d’un groupe est le sous-groupe formé des élé-ments qui commutent avec tous les éléélé-ments du groupe. Il est clair que les homothéties λI_n, pourλ∈K^×, sont dans le centre de GL(n,K).

Proposition 2.1. — SoitKun corps et soit n un entierÊ2.

1° Le centre deGL(n,K)est réduit aux homothéties, c’est-à-direZ(GL(n,K))'K^×. 2° Le centre deSL(n,K)estSL(n,K)∩Z(GL(n,K)), qui est isomorphe àµn(K) :={λ∈K| λⁿ=1}.

Démonstration. — Soit A=(a_{i j}) une matrice de GL(n,K) qui commute à tous les élé-ments de SL(n,K). On a alors, pour tousi6=j,

A(In+Ei j)=(In+Ei j)A,

c’est-à-dire AE_{i j} =E_{i j}A. Or la matrice AE_{i j} est formée de lai-ème colonne de A placée commej-ème colonne, avec des 0 ailleurs. De la même façon, la matrice E_{i j}A est formée de laj-ème ligne de A placée commei-ème ligne, avec des 0 ailleurs. On en déduita_{i i}= a_{j j}, puisa_{j k} =0 pour toutk 6=j, eta_{l i} =0 pour toutl 6=i. La matrice A est donc une homothétie.

Cela montre à la fois les deux énoncés de la proposition.

2.2. Générateurs. — Nous avons étudié dans le § 4 des générateurs du groupes GL(n,Z) et SL(n,Z) en utilisant la réduction par opérations élémentaires d’une matrice à coeffi-cients entiers. La même méthode s’applique aux matrices aux coefficoeffi-cients dans un corps quelconque (en plus facile, car étant dans un corps, on peut diviser par tout élément non nul !) pour démontrer le théorème suivant.

Théorème 2.2. — SoitKun corps et soit n un entierÊ2.

1° Le groupeSL(n,K)est engendré par les matrices élémentairesIn+αEi j, pour i,j ∈ {1, . . . ,n}, i6=j etα∈K.

2° Le groupeGL(n,K)est engendré par les matrices précédentes et les matricesI_n+(λ− 1)E_nn, pourλ∈K^×.

Exercice 2.3. — Montrer que SL(n,Q) est dense dans SL(n,R).

Exercice 2.4. — a) Soitpun nombre premier. Montrer que la réduction modulopdes coeffi-cients d’une matrice induit un morphisme de groupes SL(n,Z)→SL(n,Z/pZ) qui est surjectif (Indication :on pourra utiliser le th. 2.2.1°).

b) Montrer que ce résultat reste vrai en remplaçantppar n’importe quel entier NÊ2.

2.3. Conjugaison, commutateurs. — Rappelons que le groupe dérivé d’un groupe est le sous-groupe engendré par ses commutateurs (§ I.5.3).

Théorème 2.5. — SoitKun corps et soit n un entierÊ2.

1° On aD(SL(n,K))=SL(n,K)(et doncD(PSL(n,K))=PSL(n,K)) sauf si n=2etK=F2

ouF3.

2° On aD(GL(n,K))=SL(n,K)(et doncD(PGL(n,K))=PSL(n,K)) sauf si n=2etK=F2. On verra plus bas que les groupes GL(2,F2)=SL(2,F2) sont isomorphes au groupe sy-métriqueS₃, dont le groupe dérivé estA₃. D’autre part, on peut montrer que le groupe D(SL(2,F3)) est d’indice 3 dans le groupe SL(2,F3). Ces cas sont donc bien des exceptions aux conclusions du théorème.

Démonstration. — Le déterminant d’un commutateur est 1, donc le groupe dérivé de GL(n,K) est toujours inclus dans SL(n,K). Pour montrer qu’il est égal, on montre que le groupe dérivé contient toutes les matrices élémentaires, et donc tout le groupe SL(n,K).

En utilisant la formule E_{i j}E_kl =δj kE_{i l}, on obtient facilement les formules suivantes, pouri,j,kdistincts deux à deux :

(In+αEi j)⁻¹ = In−αEi j

(In+αEi j)(In+βE_{j k})(In+αEi j)⁻¹(In+βE_{j k})⁻¹ = In+αβEi j.

Cela montre le 1° (donc aussi le 2°) pournÊ3 (c’est nécessaire pour pouvoir choisir les trois indicesi,j,kdistincts).

Lorsquen=2, il suffit de montrer que les matrices I₂+αE₁₂et I₂+αE₂₁sont des

Exercice 2.6. — SoitKun corps et soitnun entierÊ2. Quel est le groupe dérivé du groupe affine GA(Kⁿ) (cf.ex. 1.1.5°) ?

Exercice 2.7. — Soit K un corps fini et soitnun entierÊ1. Décrire tous les morphismes de GL(n,K) dansK^×(Indication :on pourra utiliser l’exerc. I.1.24).

Exercice 2.8. — Montrer que pournÊ3, le groupe dérivé D(SL(n,Z)) est SL(n,Z) (comparer avec exerc. 2.13).

Comme annoncé plus haut, nous allons maintenant maintenant montrer que certains des « petits » groupes linéaires sont des groupes de permutations.

2. LE GROUPE LINÉAIRE 43

On a déjà défini dans l’ex. I. 2.2.4° l’espace projectifPⁿ⁻¹(K)=Kⁿ−{0}/K^×des droites vectorielles deKⁿ. En particulier,

P¹(K)={K(x, 1)|x∈K}∪{K(1, 0)}'K∪{∞},

appelé droite projective, est constitué d’une copie deKet d’un « point à l’infini ».

L’action de GL(n,K) surKⁿ induit une action surPⁿ⁻¹(K). Le noyau de l’action est constitué des automorphismes linéaires deKⁿ qui fixent chaque droite, c’est-à-dire des homothéties⁽¹⁾. Par passage au quotient, on obtient ainsi des actions fidèles surPⁿ⁻¹(K) dugroupe projectif linéaire

PGL(n,K)=GL(n,K)/Z(GL(n,K)) et de son sous-groupe

PSL(n,K)=SL(n,K)/Z(SL(n,K)).

Exemple 2.9(Homographies). — On représente souvent l’élément de Pⁿ⁻¹(K) corres-pondant à la droite vectorielle engendrée par le vecteur (non nul) (x₁, . . . ,x_n) deKⁿpar ses coordonnées homogènes(x₁: . . . :x_n) (on a (x₁: . . . :x_n)=(λx₁: . . . :λx_n) pour toutλ∈K^×).

Lorsquen=2, la bijectionP¹(K)'K∪{∞} construite ci-dessus envoie (x₁:x₂) surx₁/x₂ six26=0 et sur∞six2=0. Une matrice A=

µa b c d

¶

∈GL(2, K) agit surP¹(K) en envoyant (x₁:x₂) sur (ax₁+bx₂:c x₁+d x₂). Via la bijection ci-dessus, elle agit donc surK∪{∞} par (si par exemplebc6=0)

x∈K {−d/c} 7→ ax+b c x+d

−d/c 7→ ∞

∞ 7→ a/b

Plus généralement, on appellehomographietoute bijection dePⁿ⁻¹(K) induite par l’action d’un élément de GL(n,K).

Exemples 2.10. — 1° Le groupe GL(n,R) (resp. SL(n,R)) (resp. PGL(n,R)) (resp. PSL(n,R)) est unevariété différentiablede dimensionn²(resp.n²−1) (resp.n²−1) (resp.n²−1).

2° Le groupe GL(n,C) (resp. SL(n,C)) (resp. PGL(n,C)) (resp. PSL(n,C)) est unevariété complexede dimensionn²(resp.n²−1) (resp.n²−1) (resp.n²−1).

Dans le cas d’un corps fini, on a déjà vu dans l’exerc. I.1.12 les cardinaux de certains de ces groupes :

|GL(n,F_q)| = q^n(n−1)/2(qⁿ−1)(qⁿ⁻¹−1)· · ·(q−1),

|SL(n,F_q)| = |PGL(n,F_q)| = q^n(n−1)/2(qⁿ−1)(qⁿ⁻¹−1)· · ·(q²−1),

1. On utilise ici un petit argument : siuest un automorphisme linéaire d’unK-espace vectoriel V qui fixe chaque droite vectorielle de V, alors, pour toutx∈V non nul, il existeλx∈K^×tel queu(x)=λxx. Sixetysont colinéaires, on aλx=λy; sinon, on écrit, par linéarité deu,

λx+y(x+y)=u(x+y)=u(x)+u(y)=λxx+λyy.

On en déduitλ_x+y=λx=λy, de sorte queuest une homothétie.

d’où on déduit, en utilisant la prop. 2.1.2° et le fait queF^×_qest cyclique d’ordreq−1,

|PSL(n,F_q)| = |SL(n,Fq)| pgcd(n,q−1).

En particulier,|PSL(2,F_q)| =q(q²−1)/ pgcd(2,q−1). Noter aussi les égalités GL(n,F₂)=PGL(n,F₂)=SL(2,F₂)=PSL(n,F₂)

pour toutn(il n’y a qu’un seul déterminant non nul possible dansF2, à savoir 1, et une seule homothétie, l’identité !).

Nous avons indiqué dans le tableau ci-dessous les cardinaux des premiers de ces groupes, ainsi que les isomorphismes avec certains groupes de permutations⁽²⁾:

q 2 3 4 5 7 8 9

n 2 3 4 2 2 3 2 2 2 2

PSL 6 168 8!/2 12 60 8!/2 60 168 504 6!/2

'S_{3 '}A_{8 '}A_{4 '}A_{5 6'}A_{8 '}A_{5 '}PSL(3,F₂) 'A₆

PGL 24 60 120 6!

'S_{4 '}A_{5 '}S_{5 6'}S₆

SL 24

6'S4

Certains de ces isomorphismes sont étonnants et pas faciles du tout à démontrer et encore moins à construire explicitement. D’autres sont plus simples à voir.

L’isomorphisme PSL(2,F₂)'S₃est facile : on a vu queP¹(F₂) a 3 éléments ; le groupe PSL(2,F₂) agit fidèlement sur cet ensemble, ce qui fournit un morphisme injectif

PSL(2,F₂)−→Bij(P¹(F₂))'S₃

qui, comme ces deux groupes ont le même ordre, est un isomorphisme.

De façon analogue, le groupe PGL(2,F₃) agit fidèlement sur l’ensembleP¹(F₃), qui a 4 éléments, ce qui fournit un morphisme injectif

PGL(2,F3)−→S4

qui, comme ces deux groupes ont le même ordre, est un isomorphisme.

Le sous-groupe PSL(2,F₃)<PGL(2,F₃) est d’indice 2 ; il est donc distingué dansS₄ (exerc. I.1.15), et isomorphe àA₄(pourquoi ?).

Exercice 2.11. — Montrer que les groupes SL(2,F₃) etS₄ne sont pas isomorphes (Indica-tion :on pourra regarder leur centre).

Exercice 2.12. — Les groupes PSL(3,F₄) et PSL(4,F₂) ont même cardinal. Le but de cet exer-cice est de montrer qu’ils ne sont pas isomorphes.

a) Soit p un nombre premier. Montrer que pour toute puissanceq dep, le sous-groupe TU(n,Fq) de SL(n,F_q) formé des matrices triangulaires supérieures unipotentes (cf. ex.

2. On sait que ce sont les seuls tels isomorphismes (cf.E. Artin, The orders of the linear groups,Comm. P. App.

Math8(1955), 355–365).

2. LE GROUPE LINÉAIRE 45

I.2.17) est un p-Sylow de SL(n,Fq) et que son image dans PSL(n,Fq) est unp-Sylow de PSL(n,F_q).

b) Montrer que le centre de TU(3,F₄) est formé des matrices





1 0 α

0 1 0

0 0 1



, pourα∈F₄. c) Montrer que le centre de TU(4,F₂) est d’ordre 2. Conclure.

Exercice 2.13. — a) Montrer que le groupe dérivé D(SL(2,Z)) est d’indiceÉ12 dans SL(2,Z) (Indication :si R et S sont les générateurs de SL(2,Z) définis dans l’exerc. I.4.3.a), on pourra calculer S², S⁴, R³et R⁶).

b) Montrer que SL(2,Z) a un quotient d’ordre 2 et un quotient d’ordre 3 (Indication :on pourra utiliser l’exerc. I.2.4, pourp=2 et 3).

c) En déduire que l’indice de D(SL(2,Z)) dans SL(2,Z) est 6 ou 12 (on peut montrer que c’est 12 (5) ; comparer avec l’exerc. 2.8).

2.4. Simplicité. — Une des raisons de notre intérêt pour les groupes linéaires est qu’ils donnent lieu, lorsqu’ils sont finis, à des séries infinies de groupes simples (tout comme les groupes alternés ;cf.th. I.5.1).

Le but de cette section est de démontrer le résultat suivant.

Théorème 2.14. — SoitKun corps. Le groupePSL(n,K)est simple sauf si n=2, etK=F₂ ouF₃.

Les exceptions ne sont effectivement pas simples : PSL(2,F2)'S₃admetA₃comme sous-groupe distingué propre, tandis que PSL(2,F₃)'A₄admet un sous-groupe distingué d’indice 3 (ex. I.5.3.1°).

Ce n’est pas par hasard que les exceptions sont les mêmes dans les th. 2.5 et 2.14. En effet, on va présenter ici une démonstration où le second théorème est déduit du premier par laméthode d’Iwasawa, qui s’appuie sur l’action du groupe PSL(n,K) sur l’espace pro-jectifPⁿ⁻¹(K).

Plus généralement, supposons qu’un groupe G agisse sur un ensemble X. On dira que G agitprimitivementsur X si

1° l’action de G sur X est transitive ;

2° le stabilisateur G_x d’un point de X (donc de tout point de X) est un sous-groupe maximal de G, c’est-à-dire que les seuls sous-groupes de G contenant G_xsont G_xet G.

Un cas particulier d’action primitive est donnée par uneaction 2-transitive, c’est-à-dire telle que

∀x1,x2,y1,y2∈X (x16=x2,y16=y2 =⇒ ∃g∈G g·x1=y1 g·x2=y2).

Autrement dit, l’action de G sur X×X ∆, où∆={(x,x)|x∈X}, définie parg·(x,y)= (g·x,g·y) est transitive.

En effet, il suffit de vérifier qu’un stabilisateur G_x est un sous-groupe maximal. Soit donc H≤G un sous-groupe contenant strictement Gx et soith∈H Gx, de sorte quey:= h·x6=x. Soitg∈G Gx, de sorte quez:=g·x6=x. Il existe alorsk∈G tel quek·(x,z)=(x,y), c’est-à-direk ∈Gx etk·z =y. Cette seconde relation s’écrit (kg)·x=h·x, c’est-à-dire

h⁻¹kg∈Gx<H. Commehetksont dans H, on en déduit que tout élémentgde G Gxest dans H, soit H=G.

Le théorème permettant de montrer la simplicité d’un groupe à partir d’une action pri-mitive est le suivant.

Théorème 2.15. — Supposons que le groupeGagisse primitivement surX. Si on se donne, pour chaque x∈X, un sous-groupeTx≤Gtel que

1° T_xest abélien ;

2° Tg·x=gTxg⁻¹pour tout g∈Get tout x∈X; 3° S

x∈XT_xengendreG,

alors tout sous-groupe distingué deGagissant non trivialement surXcontientD(G).

Démonstration. — Soit H un sous-groupe distingué de G agissant non trivialement sur X et soitx∈X. Puisque G_xest maximal, le sous-groupe HG_x≤G (cf.exerc. I.1.22) est égal soit à G_x, soit à G.

Dans le premier cas, on a H≤Gxdonc, pour toutg∈G, H=gHg⁻¹≤gG_xg⁻¹=G_g·x

ce qui, puisque G agit transitivement sur X, contredit le fait que H n’agit pas trivialement sur X.

On a donc HG_x=G. Comme l’action de G sur X est transitive, on a X=G·x=HG_x·x=H·x,

donc l’action de H sur X reste transitive. Montrons qu’en outre G=HT_x. En effet, sih∈H, on a par 2°

T_h·x=hT_xh⁻¹⊆HT_xH=HT_x,

puisque HEG. Puisque H agit transitivement sur X, on a donc T_y≤HT_x pour touty∈X, donc G=HTxpuisque les (Ty)y∈Xengendrent G par 3°.

Finalement, puisque Txest abélien,

G/H=HTx'Tx/(H∩Tx) (exerc. I.1.22) est abélien, de sorte que H⊇D(G).

Nous aurons encore besoin d’une autre définition. Soitaun élément non nul d’un K-espace vectoriel V de dimension finie. On appelletransvectionde vecteuratout automor-phisme de V de la forme

x7→x+`(x)a,

où`: V→Kest une forme linéaire telle que`(a)=0. On note cet automorphismeτ(`,a).

On vérifie que

τ(0,a)=IdV et τ(`,a)◦τ(`⁰,a)=τ(`+`⁰,a),

de sorte que les transvections de vecteuraforment un sous-groupe abélien de GL(V).

Siu∈GL(V), le conjugué

u◦τ(`,a)◦u<sup>−1</sup>=τ(`◦u⁻¹,u(a)) est une transvection de vecteuru(a).

2. LE GROUPE LINÉAIRE 47

Enfin, si`6=0, on choisit une base (a,e2, . . . ,en−1) de ker(`), que l’on complète en une base de V par un vecteuren. La matrice deτ(`,a) dans cette base est la matrice élémentaire In+`(e_n)E1n. Toutes les matrices élémentaires sont en fait des matrices de transvection. Il résulte du th. 2.2.2° que les transvections engendrent SL(V).

Nous pouvons maintenant démontrer le th. 2.14.

Démonstration du th. 2.14. — L’action de PSL(n,K) sur X = Pⁿ⁻¹(K) est fidèle et 2-transitive (il suffit en effet de remarquer qu’étant données des paires de points distincts dePⁿ⁻¹(K), correspondant à des paires (D1, D2) et (D⁰₁, D⁰₂) de droites distinctes deKⁿ, il existe un automorphisme linéaire deKⁿqui envoie D1sur D⁰₁et D2sur D⁰₂) donc primitive.

Pour chaquex∈Pⁿ⁻¹(K), correspondant à une droite vectorielle D⊆Kⁿ, on prend pour groupe T_x le groupe des transvections deKⁿ de vecteur un générateur de D. Comme on vient de l’expliquer, toutes les hypothèses du th. 2.15 sont vérifiées, donc un sous-groupe distingué de PSL(n,K), non réduit à {Id}, doit contenir D(PSL(n,K))=PSL(n,K) (th. 2.5).

En prenant pour Kun corps fini F_q, on obtient donc ainsi une troisième série de groupes finis simples (les deux premières étant formées des groupes d’ordre premier d’un côté et des groupes alternés de l’autre)⁽³⁾. Il y a quelques coïncidences qui sont toutes indiquées dans le tableau p. 44.

Le premier nouveau groupe simple fini qu’on découvre dans ce tableau est donc le groupe PSL(3,F₂), d’ordre 168 (cf.exerc. I.2.28). Le suivant est PSL(2,F₈), d’ordre 504. Le plus petit groupe fini simple qui n’est ni cyclique, ni un groupe alterné, ni un groupe spé-cial linéaire est d’ordre 6048 ; c’est le groupe PSU(3,F9) qui sera défini dans le § 10.4⁽⁴⁾.

L’isomorphisme PSL(2,F7)' PSL(3,F2) découle abstraitement du fait que tous les groupes simples (cf.th.2.14) d’ordre 168 sont isomorphes (de même, tous les groupes simples d’ordre 60 sont isomorphes (exerc. I.2.29), ce qui montre deux des isomorphismes du tableau)⁽⁵⁾.

Exercice 2.16. — a) Vérifier que les groupesA₃etA₄sont des quotients de SL(2,F₃) et le groupeA5est un quotient de SL(2,F5).

b) Montrer que pourmÊ6, le groupeAmn’est un quotient d’aucun groupe SL(2,Fp) (Indica-tion :on pourra utiliser les exerc. I.5.1 et I.5.6)⁽⁶⁾.

3. Pour des raisons que vous comprendrez plus tard, le groupe PSL(n,Fq)) est aussi noté A_n−1(q).

4. Le suivant est le groupe de Mathieu M₁₁, de cardinal 7920, qui peut être défini comme le sous-groupe de S₁₁engendré par le 11-cycle (1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11) et la permutation (3, 7, 11, 8)(4, 10, 5, 6). Il a été construit par Mathieu en 1861 (d’une autre façon !). C’est un des 26 groupes finis simplessporadiques :il ne fait pas partie d’une série infinie comme les groupes cycliques, alternés, ou projectifs spéciaux linéaires.

5. Dans le même ordre d’idées, on sait que les seuls groupes simples d’ordre 8!/2 sont (à isomorphisme près) A8'PSL(4,F2) et PSL(3,F4).

6. On peut montrer que pourmÊ6, le groupeAmn’est un quotient d’aucun groupe SL(2,Z/NZ) pour NÊ2, mais que pourmÊ9, le groupeAmest en revanche quotient de SL(2,Z). Comme l’application de restrictionr_N:=

SL(2,Z)SL(2,Z/NZ) est surjective, le noyau de l’application SL(2,Z)Amest un sous-groupe (distingué) de SL(2,Z), d’indice fini, qui ne contient aucun ker(r_N)={M∈SL(2,Z)|M≡I2 (mod N)}. On dit que ce n’est pas un sous-groupe de congruence (l’existence de ces sous-groupes a été annoncée par Klein en 1879 et publiée indépendamment par Fricke et Pick en 1887). En revanche, c’est un théorème difficile de Bass, Lazard et Serre de 1964 que pour toutnÊ3, tout sous-groupe de SL(n,Z) d’indice fini est un sous-groupe de congruence.

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