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Reconnaˆıtre un mot tournant

Dans le document Forme normale tournante des tresses (Page 110-113)

Nous avons ´etabli plusieurs contraintes que devaient satisfaire lesφn-´eclatements et les mots tournants : derni`ere lettre, contenir une barri`ere, etc. Dans cette section, nous montrons que ces contraintes sont suffisantes.

Pour cela nous avons besoin d’´enonc´es techniques pr´eliminaires.

Lemme 4.1. Soitβune tresse non triviale deB+∗

n dont laB+∗

n−1-fin est triviale. Alors toutA+ n-mot repr´esentantβse termine parβ#, qui vautap,npour un certainp.

D´emonstration. SoitwunA+

n-mot repr´esentantβ. Comme laB+∗

n−1-fin deβest triviale, le motw

se termine par ap,n pour un certain p. Soit w un autreA+

n-mot repr´esentant β. Pour la mˆeme raison quew, le motw se termine paraq,n pour un certainq. La tresse est donc un multiple `a gauche deap,netaq,n. Supposons sans perte de g´en´eralit´ep6q. Pourp6=q, le ppcm `a gauche deap,n etaq,n estap,qaq,n. Par la relation II.2.3, le motap,qaq,n est ´equivalent `aap,nap,q. Ainsi, la relation p 6= q implique que β est divisible `a droite par ap,q, qui est un ´el´ement de B+∗

n−1. On a obtenu une contradiction et on ap = q. Comme la forme normale tournante deβ est un repr´esentant particulier deβ, on aap,n = β#, o`u, on le rappelle,β#est la derni`ere lettre de la forme normale tournante deβ.

Le r´esultat pr´ec´edent rend la d´efinition de la derni`ere lettre d’une tresse (d´efinition 3.1) plus naturelle.

Lemme 4.2. Pourβune tresse deB+∗

n−1, il y a ´equivalence entre (i)unA+

n−1-mot repr´esentantβcontient uneap,n-barri`ere ; (ii)toutA+

D´emonstration. La relation (ii) ⇐ (i)est ´evidente. Montrons que (i) implique(ii). Cela re-vient `a montrer que siu=vest une relation de II.2.13 avecucontenant uneap,n-barri`ere alors le motv en contient aussi une. Pour la relation II.2.2 c’est ´evident car elle pr´eserve les lettres. Pour la relation II.2.3, la propri´et´e est imm´ediate si on consid`ere des diagrammes de cordes.

p r

q s t

FIG. 3.8 :La relation (2.3) pr ´eserve lesap,q-barri `eres : si un des membres dear,sas,t=as,tar,t =ar,tar,s

contient uneap,q-barri `ere alors les deux autres aussi.

Ainsi contenir une barri`ere n’est pas une propri´et´e de mot mais est une propri´et´e de tresse. On dit qu’une tresse deB+∗

n contient une ap,q-barri`ere si elle est repr´esent´ee par un mot

con-tenant uneap,q-barri`ere.

Lemme 4.3. Soient β une tresse de B+∗

n−1 etp un entier v´erifiant2 6 p 6 n−1. Alors il y a ´equivalence entre

(i)laB+∗

n−1-fin deφn(ap,nβ)est triviale, (ii)laB+∗

n−1-fin deφn(β)est triviale etβcontient uneap,n-barri`ere. (iii)toutA+

n-mot repr´esentantap,nβse termine parβ#.

D´emonstration. L’implication(i) ⇒ (ii) est le lemme 3.4. Montrons que (ii) implique(iii). Pour cela d´eterminons quels sont les g´en´erateursar,s divisant `a droite ap,nβ. Soitwun A+

n−1 -mot repr´esentantβ. D’apr`es le corollaire II.3.27, pour deux A+

n-motsu etv, la tresse v est un diviseur `a droite de u si et seulement si v/u est le mot vide. D´eterminons alors pour quelle valeur derets, le motar,s/(ap,nw)est vide. Supposonss 6 n−1avec ar,s 6=β#. La tresseβ

n’´etant pas divisible `a droite parar,sd’apr`es le lemme 4.1, le motar,s/west non vide. Comme le retournement d’unAn−1-mot est unAn−1-mot il existe alorsw etat,t′ avect 6n−1v´erifiant

ap,nw a−1

r,sygap,na−1

t,t′w.

La tresseat,t′ n’´etant ´evidemment pas un diviseur `a droite deap,n, le motar,s ne divise pas la tresseap,nwpours6n−1.

Supposonss =n. Par hypoth`ese un repr´esentant deβcontient uneap,n-barri`ere. Ainsi par le lemme 4.2, la forme normale tournante deβ contient uneap,n-barri`ere. La proposition 3.10 assure donc que la forme normale tournante est uneap,n-´echelle. Une premi`ere ´etape consiste `a maˆıtriser le retournement `a gauche deai,ja−1

t,npourj 6n−1: fn g(ai,j, at,n) =         

at,n pour[i, j]et[t, n]nich´es ou disjoints, ai,n pourj =t,

at,n pouri=t, at,jai,n pouri < t < j.

(3.19)

Notonsu1, ..., uune suite de retournements `a gauche deap,nwa−1

s,n. Notonsx−1

k la lettre n´egative la plus `a droite dansuk. Comme le retournement `a gauche consiste `a remplacer un sous-mot de

4. Forme normale tournante et automates 111

la forme xy−1 par fn

g(x, y)−1fn

g(y, x), la relation (3.19) implique que xk est de la formeark,n. Par la relation (3.19) on ark+1 6rkpour toutk. De plus siukcommence par le motv ai,ja−1

rk,n aveci < rk 6j alors l’entierrk+1vauti. Donc d’une certaine mani`ere la valeurrkdescend les barres de l’´echellew. Il s’ensuit que le motap,nw a−1

s,n se retourne `a gauche enap,na−1

rℓ,nwpour un certainw avecr < p. On d´eduit alors que le mot ar,s/(ap,nw)est non vide. Nous venons donc d’´etablir que la seuleA+

n-lettre qui divise `a droiteap,nβ estβ#. Montrons que(iii)implique(i). Posonsaq−1,n−1#

k. Comme la seuleA+

n-lettre qui divise `a droiteφn(ap,nβ)estaq,n, laB+∗

n−1-fin deφn(ap,n)est triviale.

Th´eor`eme 4.4. Une suite finieb, ... , β1)de tresses deB+∗

n−1 est leφn-´eclatement d’une tresse deB+∗

n si et seulement si

(i)pourk >3etk =b, la tresseβkest non triviale, (ii)pourk >2, laB+∗

n−1-fin deφnk)est triviale, (iii)si, pourk>3, on aβ#

k 6=an−2,n−1 alorsβk−1 contient uneφn#

k)-barri`ere. D´emonstration. Soitb, ... , β1)un φn-´eclatement d’une tresse de B+∗

n . Le (i)est une cons´e-quence du lemme 3.2(i)et de la proposition 2.7. La condition 3.15 implique que laB+∗

n−1-fin de la tresse

φb−k

nb)·...·φnk+1) est triviale pour toutk >1. En particulier laB+∗

n−1-fin deφnk)est triviale pourk >2, c’est-`a-dire que la condition(ii)est v´erifi´ee. Le(iii)est une cons´equence de la proposition 3.5.

Montrons maintenant qu’une suite (βb, ... , β1) satisfaisant les conditions (i), (ii) et (iii) est un φn-´eclatement de B+∗

n . La condition (i) implique que βb est non triviale. Pourk > 3, montrons

la seuleA+

n-lettre divisant `a droiteφnbk+1b)·...·φnk)estφn#

k). (3.20) Notons que la condition(i)assure l’existence deβ#

k pourk > 3. Pourk =b, la condition(ii) implique que laB+∗

n−1-fin deφnk)est triviale. Par le lemme 4.1, la seuleA+

n-lettre qui divise `a droiteφnk)estφn#

k). La relation (3.20) est donc v´erifi´ee pourk =b. Supposons que (3.20) soit satisfaite pour k+1 et montrons la pour k. Soit ap,q une A+

n-lettre diff´erente de φn# k). Notons w un repr´esentant de φb−k+1

nb)· ...· φ2

nk+1). Par hypoth`ese, le mot w se termine par la lettre φ2

n#

k+1). Notons u le pr´efixe de w de longueur|w| −1. De mˆeme notonsv un repr´esentant de la tresseβk. Montrons que le retournement `a gauche deuφ2

n#

k+1n(v)φn(a−1

p,q) commence par une lettre n´egative. Par le lemme 4.3 et la condition(iii), la seuleA+

n-lettre qui divise `a droiteφn#

k+1βk)estφn#

k). Ainsi, par le corollaire II.3.27, il existe uneA+

n-lettrear,s et unAn-motv tels que le motva−1

p,qse retourne `a gauche ena−1 r,sv. On a donc u φ2 n# k+1)v a−1 p,qygu φ2 n# k+1)a−1 r,tv. Comme la lettreβ#

k est de la formea..,n−1, la lettre φ2

n#

k) est de la formea1,... On en d´eduit que les lettresφ2

n#

k)etφn(ar,s)sont diff´erentes. La seuleAn-lettre divisant `a droite la tresse

φb−k+1

nb)·...·φ2

nk+1) ´etantφ2

n#

k+1), par le corollaire II.3.27, il existe uneA+

n-lettreat,t′ et unAn-motuv´erifiant

u φn2#

k+1n(a−1

r,s)yga−1

On a donc montr´e que le retournement `a gauche deuφ2

n# k+1)va−1

p,qdonnea−1

t,t′uv. Ainsi, par le corollaire II.3.27, la tresseap,qn’est pas un diviseur `a droite deφb−k+1

nb)·...·φnk), ce qui ´etablit (3.20) pourk.

Une cons´equence de (3.20) et de la condition(ii)est que laB+∗

n−1-fin de

φb−k+1

nb)·...·φnk)

est triviale pourk>3. De mˆeme pourk = 2sauf siβ2 est triviale. Afin d’´etablir la condition 3.15, il nous reste `a montrer que laB+∗

n−1-fin deφb−2

nb)·...·φn2) est triviale pour β2 = 1, c’est `a dire que la B+∗

n−1-fin de φb−2

nb)· ... · φ2

n3) est triviale. Pourβ2 triviale, la condition(iii)implique que la derni`ere lettre deβ3 estan−2,n−1. Par (3.20) pourk = 3, la seuleA+

n-lettre divisant `a droiteφb−2

nb)·...·φ2

n3)estφ2

n(an−2,n−1), `a savoir la tressea1,n. Ainsi tout diviseur `a droite non trivial deφb−2

nb)·...·φ2

n3)est un multiple `a gauche dea1,n, ceci impliquant que laB+∗

n−1-fin deφb−2

nb)·...·φ2

n3)est triviale.

Les conditions du th´eor`eme 4.4 sont faciles `a v´erifier si les tressesβb, ... , β1 sont donn´ees par leurs formes normales tournantes :

Corollaire 4.5. Soit(wb, ... , w1)une suite deA+

n−1-mots. Alors leA+ n-mot

φb−1

n (wb)·...·φn(w2)·w1

est tournant si et seulement si les conditions suivantes sont v´erifi´ees. (i)pourk >1, le motwkest tournant,

(ii)pourk >3, le motwkse termine parap−1,n−1 pour un certainp,

(iii)le motw2est soit vide (sauf pourb=2), soit se termine parap−1,n−1 pour un certainp, (iv) si, pour k > 3, le mot wk se termine par ap−1,n−1 avecp 6= n−1, alors le mot wk−1

contient uneap,n-barri`ere.

D´emonstration. La condition (i)du th´eor`eme 4.4 est une cons´equence imm´ediate des condi-tions(ii)et(iii). Les conditions(i)et(ii)impliquent que laB+∗

n−2-fin de la tressewkest triviale. Notonsap−1,n−1 la derni`ere lettre de wk, c’est-`a-dire, ap−1,n−1 = w#

k. Le lemme 4.1 implique que la seuleA+

n−1-lettre divisant `a droitewkestap−1,n−1. Commewkest un ´el´ement deB+∗

n−1, la seuleA+

n-lettre qui divise `a droitewk estap−1,n−1. Ainsi la seule lettre divisant `a droiteφn(wk) est ap,n. Il s’ensuit que la B+∗

n−1-fin de wk est triviale, c’est-`a-dire, que la condition (ii) du th´eor`eme 4.4 est v´erifi´ee. La condition(iii) du th´eor`eme 4.4 est une cons´equence imm´ediate des points(ii)et(iv). On conclut `a l’aide de la d´efinition 2.12 et de(i).

Nous avons ainsi obtenu une caract´erisation inductive des mots tournants.

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