Action de groupe (mathématiques)

Modèle:Voir homonymes En mathématiques, une action d'un groupe sur un ensemble est une loi de composition externe du groupe sur l'ensemble, vérifiant des conditions supplémentaires. Plus précisément, c'est la donnée, pour chaque élément du groupe, d'une permutation de l'ensemble, de telle manière que toutes ces bijections se composent de façon compatible avec la loi du groupe.

Définition

Étant donné un ensemble E et un groupe G, dont la loi est notée multiplicativement et dont l'élément neutre est noté e, une action (ou opération) de G sur E est une application :

vérifiant chacune des 2 propriétés suivantes :

On dit également que G opère (ou agit) sur l'ensemble E. Il est important de bien vérifier que l'ensemble E est stable sous l'action du groupe G.

Un point de vue équivalent consiste à dire que le groupe G opère sur l'ensemble E si l'on dispose d'un morphisme de groupes, dit associé à l'action, <math>\phi : G \to{\rm S}_E</math>, du groupe G dans le groupe symétrique S_E de l'ensemble E. Un tel morphisme est appelé une représentation du groupe G.

Ce morphisme est lié à l'action par <math>g \cdot x = (\phi(g))(x)</math> pour tout <math>g\in G, x\in E</math>.

Dans le cas où l'ensemble E est muni d'une structure supplémentaire (algébrique, topologique, géométrique), on peut se limiter aux morphismes <math>\phi</math> tels que <math>\phi(g)</math> préserve cette structure pour tout <math>g\in G</math>; ces actions sont appellées actions par automorphismes (pour cette structure). Par exemple, si E est un espace vectoriel, et on exige que <math alt="$\phi$">\phi</math> soit à valeurs dans GL(E), on parle d'une action linéaire de G sur E.

Exemples

• Un groupe opère sur lui-même de deux manières fondamentales :
  • par translations à gauche ; cette action est simplement transitive, c'est-à-dire libre et transitive :
    <math>G \times G \rightarrow G,\ (g,x) \mapsto gx</math> ;
  • par automorphismes intérieurs, action aussi appelée par conjugaison :
    <math>G \times G \rightarrow G,\ (g,x) \mapsto gxg^{-1}</math>:
• Le groupe symétrique d'un ensemble E opère naturellement sur E ; cette action est fidèle et transitive :
  <math>{\rm S}_E\times E \rightarrow E,\ (\sigma,x) \mapsto \sigma(x)</math>.
• Plus généralement, un groupe de permutations G d'un ensemble E (c'est-à-dire un sous-groupe du groupe symétrique de E) opère sur E par
  <math>G \times E \rightarrow E,\ (\sigma,x) \mapsto \sigma(x)</math>. Cette opération est appelée l'opération naturelle du groupe de permutations G. Elle est fidèle mais pas forcément transitive.
• Tout groupe G agissant sur un ensemble E agit naturellement sur l'ensemble des parties de E, par
  <math>G\times\mathcal P(E)\to\mathcal P(E),\ (g,A)\mapsto g\cdot A:=\{g\cdot x\mid x\in A\}</math><ref>Modèle:Ouvrage.</ref>.
• Le groupe orthogonal (resp. unitaire) d'un espace euclidien (resp. espace hermitien) E opère sur sa sphère unité :
  • <math>O(E) \times S \rightarrow S,\ (u,x) \mapsto u(x)</math> ;
  • <math>U(E) \times S \rightarrow S,\ (u,x) \mapsto u(x)</math>.
• Le groupe linéaire d'un espace vectoriel E opère sur l'ensemble <math>\eth</math> de ses bases ; cette action est simplement transitive :
  <math>GL(E) \times \eth \to\eth,\ (f,(e_i)_{i\in I}) \mapsto (f(e_i))_{i\in I}</math>.
• Le groupe projectif linéaire (ou groupe des homographies) <math>\mathbb{PGL}(E)</math> d'un espace projectif ℙ(E) opère sur l'ensemble <math>\mathcal F</math> de ses faisceaux harmoniques :
  <math>\mathbb{PGL}(E) \times \mathcal{F} \rightarrow \mathcal{F},\ (\phi,F) \mapsto \phi(F)</math>.
• Le groupe symétrique d'indice p opère sur l'ensemble des formes p-linéaires par :
  <math>\begin{array}{ccl} {\rm S}_p \times \mathcal{L}_p& \rightarrow & \mathcal{L}_p \\ (\sigma, \varphi) & \mapsto & \sigma \cdot \varphi := (x_1,\ldots,x_p) \mapsto \varphi(x_{\sigma (1)},\ldots,x_{\sigma (p)}).\end{array}</math>
• Le groupe de Galois d'un polynôme opère sur l'ensemble de ses racines.
• Tout groupe de type fini agit naturellement sur le graphe de Cayley associé à n'importe laquelle de ses parties génératrices finies.

Actions à droite, actions à gauche

Tous les exemples du paragraphe précédent sont des actions à gauche. Mais il est utile de considérer aussi les actions à droite. On aura une action à droite si Modèle:Retrait Ainsi, un groupe G opère sur lui-même à droite par translations à droite. Il est bien sûr naturel et commode de noter

<math>(x,g)\mapsto x\cdot g</math>

une action à droite.

Le groupe opposé du groupe symétrique S_E est l'ensemble des permutations de E muni de la loi de composition <math>\ (f, g) \mapsto f \star g = g \circ f</math>. À une action à droite d'un groupe G sur un ensemble E, il correspond un homomorphisme de G dans l'opposé de S_E. Cet homomorphisme applique un élément g de G sur la permutation x ↦ x⋅g de E.

Commentaire. La notation fonctionnelle en usage aujourd'hui conduit naturellement à privilégier les actions à gauche. La notation exponentielle (utilisée par exemple par Emil Artin dans son livre sur les algèbres géométriques), où ce que nous notons <math>\phi(x)</math> s'écrit <math>x^\phi</math>, conduirait à privilégier les actions à droite.

Orbites, stabilisateurs et points fixes

Orbite

On définit l'orbite d'un élément Modèle:Mvar de E par Modèle:Retrait L'orbite de Modèle:Mvar est l'ensemble des éléments de E associés à Modèle:Mvar sous l'action de G. La relation « Modèle:Mvar est dans l'orbite de Modèle:Mvar » est une relation d'équivalence sur E ; les classes d'équivalence sont les orbites.

En particulier, les orbites forment une partition de E.

Stabilisateur d'un élément

Le stabilisateur (ou sous-groupe d'isotropie) d'un élément Modèle:Mvar de E sous l'action de G est l'ensemble Modèle:Retrait{=} \left\{ g \in G \mid g \cdot x = x \right\}</math>}} des éléments qui laissent Modèle:Mvar invariant sous leur action. C'est un sous-groupe de G. Les stabilisateurs de deux éléments de la même orbite sont conjugués via la formule : Modèle:Retrait En particulier :

• ils sont isomorphes donc équipotents ;
• ils ont même indice.

D'ailleurs, l'application Modèle:Retrait est une bijection de <math>G/\mathrm{St}_x</math> sur <math>O_x</math><ref>Pour une justification (avec formulation plus précise), Modèle:Note autre projet</ref>, si bien que l'indice du stabilisateur de n'importe quel point d'une orbite est égal au cardinal de cette orbite (cette propriété sera rappelée plus bas sous le nom de « formule des classes ».)

Points fixes d'un élément du groupe

On peut définir, de manière analogue, l'ensemble Modèle:Math des points fixés par un élément Modèle:Mvar du groupe G comme l'ensemble des éléments de E invariants sous l'action de Modèle:Mvar : Modèle:Retrait{=} \left\{ x \in E \mid g \cdot x = x \right\}</math>.}}

Stabilisateur d'une partie A de E

L'ensemble des g de G tels que g⋅A = A est appelé stabilisateur de A sous G et noté stab(A) ; c'est le stabilisateur de l'élément A de <math>\mathcal P(E)</math>, pour l'action (de G) sur <math>\mathcal P(E)</math> naturellement associée à celle sur E<ref>Modèle:Harvsp.</ref>. Modèle:Exemple

Caractéristiques des actions de groupe

Action transitive

Une action est dite transitive si elle possède une et une seule orbite. Une action d'un groupe G sur un ensemble E est donc transitive si et seulement si E n'est pas vide et que deux éléments quelconques de E peuvent être envoyés l'un sur l'autre par l'action d'un élément du groupe<ref>Ceci est la seconde forme de la définition dans N. Bourbaki, Éléments de mathématique, Algèbre, Paris, 1970, ch. I, § 5, n^o 5, déf. 6, Modèle:P..</ref> :

<math>\forall x,y\in E\quad\exists g\in G\quad y=g\cdot x</math>.

Plus généralement, une action sur un ensemble E (d'au moins n éléments) est dite n-transitive si l'action correspondante sur l'ensemble des n-uplets d'éléments distincts est transitive, c'est-à-dire si pour n points distincts x₁, … , x_n et n points distincts y₁, … , y_n, quelconques dans E, il existe toujours au moins un élément g du groupe tel qu'on ait à la fois g·x₁ = y₁, … , g·x_n = y_n.

L'action est dite strictement n-transitive<ref>Modèle:Article, section 1.2.3, Modèle:P., parle d'un groupe de permutations « fortement n fois transitif ».</ref> si, de plus, un tel g est toujours unique, autrement dit si l'action sur les n-uplets d'éléments distincts est simplement transitive.

Un groupe de permutations est dit transitif (resp. n-transitif, resp. strictement n-transitif) si son opération naturelle est transitive (resp. n-transitive, resp. strictement n-transitive).

Il résulte de la classification des groupes simples finis que les seuls groupes de permutations 4-transitifs sont les groupes symétrique et alterné (de degré ≥ 4 et ≥ 6 respectivement) et les groupes de Mathieu M₂₄, M₂₃, M₁₂ et M₁₁ : de plus, M₂₄ et M₁₂ sont 5-transitifs<ref>Modèle:P. de Modèle:Article.</ref>.

Jordan avait prouvé en 1873 que les seuls groupes de permutation strictement 6-transitifs sont les groupes symétriques de degrés 6 et 7 et le groupe alterné de degré 8<ref>Modèle:Rotman1, Modèle:4e éd., tirage de 1999, Modèle:P..</ref>.

Action libre

Une action est dite libre si tous les stabilisateurs sont réduits au neutre, autrement dit si tout élément différent du neutre agit sans point fixe : <math>\forall x \in E\quad{\rm St}_x = \{e\}</math>.

Action fidèle

Une action est dite fidèle (on dit parfois aussi effective) si l'intersection de tous les stabilisateurs est réduite au neutre, autrement dit si seul le neutre fixe tous les points.

<math>\forall g \in G,\ (\forall x\in E,\ \ x = g\cdot x)\iff g=e</math>.

Une action libre est fidèle.

De façon équivalente, une action est fidèle si le morphisme

défini par <math>(\phi(g))(x)=g \cdot x</math> est injectif.

Action simplement transitive

Une action est dite simplement transitive si elle est à la fois transitive et libre. Autrement dit, deux éléments quelconques de l'espace sont envoyés l'un sur l'autre par un et un seul élément du groupe :

<math>\forall x,y\in X\quad\exists!g\in G\quad y=g\cdot x</math>.

Par exemple, l'action d'un groupe sur lui-même par translations à gauche (ou à droite) est simplement transitive.

Une action fidèle et transitive d'un groupe abélien est simplement transitive<ref>Modèle:Ouvrage, § 1.4.</ref>. En effet, plus généralement, pour toute action transitive d'un groupe G, les orbites d'un sous-groupe normal sont permutées par G donc sont toutes de même cardinal (donc sont des singletons si ce sous-groupe fixe un point)<ref>Modèle:Ouvrage.</ref>.

Une action transitive d'un groupe fini G sur un ensemble X est simplement transitive si et seulement si G et X ont même cardinal<ref>Modèle:Ouvrage.</ref>.

Action continue

Si G est un groupe topologique et X un espace topologique, l'action est dite continue si l'application correspondante G×X → X, (g, x) ↦ g⋅x est continue<ref>Modèle:Godbillon1, 1971, Modèle:P..</ref>, G×X étant muni de la topologie produit<ref>Si elle vérifie seulement que pour tout x ∈ X, l'application G → X, g ↦ g⋅x est continue, on dit – paradoxalement – que l'action est Modèle:Refnec.</ref>. L'espace X/G des orbites est alors muni d'une topologie quotient et l'application X → X/G est ouverte. Si X/G est compact, l'action est dite cocompacte.

L'action est dite propre<ref>Sur cette notion, on pourra consulter Topologie : revêtements et groupe fondamental par Michèle Audin, IRMA, 2004 et approfondir dans N. Bourbaki, Éléments de mathématique, TG III, § 4.</ref> si l'application G×X → X×X, (g, x) ↦ (g⋅x, x) est propre. L'espace des orbites est alors séparé. Une action continue propre d'un groupe discret est dite Modèle:Lien. Lorsque G est localement compact et X séparé, l'action est propre si et seulement si deux points quelconques x et y de X possèdent toujours des voisinages V_x et V_y tels que V_y ne rencontre gV_x que pour un ensemble relativement compact d'éléments g de G. Lorsque G est séparé et X localement compact, une action continue est propre si et seulement si, pour tout compact K de X, le fermé des éléments g de G pour lesquels gK rencontre K est compact. Si G est un groupe compact, ces conditions de (relative) compacité de parties de G sont automatiquement vérifiées. Si G est un groupe discret, elles équivalent à la finitude des parties considérées.

Formule des classes, formule de Burnside

À travers les notions d'orbite et de stabilisateur, les actions de groupe sont un outil commode en combinatoire. D'autre part, un certain nombre de propriétés concernant la structure de certains groupes peuvent être démontrées par des arguments de dénombrement.

Deux identités reviennent fréquemment, en particulier lorsque le groupe G est fini.

• La formule des classes affirme Modèle:Supra que le cardinal de toute orbite <math>\omega</math> est égal à l'indice dans G du stabilisateur de n'importe quel point Modèle:Mvar de <math>\omega</math>. En particulier, si G est fini :<math> \mathrm{card}~O_x = \frac {\mathrm{card}~ G} {\mathrm{card}~{\rm St}_x}</math>.Par suite, si l'on désigne par Modèle:Math l'ensemble des orbites et par <math> c_\omega</math> l'ordre commun des stabilisateurs des éléments de l'orbite <math>\omega</math>, un corollaire de la formule des classes est (toujours sous l'hypothèse que G est fini) :<math> \mathrm{card}~E =\sum_{\omega \in \Omega} \mathrm{card}~\omega \ = {\mathrm{card}~G} \ \sum_{\omega \in\Omega}\frac1{c_\omega}</math>.
• La formule de Burnside<ref>Bien qu'il soit traditionnel de lui attacher le nom de Burnside, ce dernier l'avait en fait attribuée dans son livre de 1897 à Frobenius, et elle avait déjà été Modèle:Refsou.</ref><ref>Ne pas confondre avec Modèle:Page h.</ref><ref>Pour une démonstration, Modèle:Note autre projet</ref> affirme pour sa part que <math>\mathrm{card}~ \Omega\times\mathrm{card}~ G=\sum_{g\in G}\mathrm{card}~\mathrm{Fix}_g</math>. En particulier, si G est fini :
  • le nombre d'orbites est :<math>\mathrm{card}~ \Omega = \frac1{\mathrm{card}~ G}\sum_{g\in G} \mathrm{card}~\mathrm{Fix}_g</math> ;
  • si G agit transitivement sur un ensemble non vide, alors la moyenne du nombre de points fixes des éléments du groupe G est égale à Modèle:Math.

Actions équivalentes et quasi équivalentes

Soit G un groupe opérant (à gauche) sur un ensemble X et sur un ensemble Y. Nous dirons que ces deux opérations sont équivalentes<ref>Expression conforme par exemple à Modèle:Ouvrage, à Modèle:Ouvrage, à Modèle:Ouvrage.</ref> s'il existe une bijection f de X sur Y telle que, pour tout élément g de G et tout élément x de X, on ait

<math>f(g \cdot x) = g \cdot f(x)</math>,

où les points représentent respectivement les opérations de G sur X et sur Y.

Soit maintenant G un groupe opérant (à gauche) sur un ensemble X, soit H un groupe opérant (à gauche) sur un ensemble Y. On dit que ces deux actions sont quasi équivalentes<ref>Expression conforme à Modèle:Harvsp. La terminologie est variable. Des opérations qui ici sont dites quasi équivalentes sont parfois dites équivalentes. C'est le cas dans Modèle:Ouvrage.</ref> ou encore isomorphes<ref>Expression conforme à Modèle:Harvsp.</ref> s'il existe une bijection f de X sur Y et un isomorphisme de groupes σ de G sur H tels que, pour tout élément g de G et tout élément x de X, on ait

<math>f(g \cdot x) = \sigma (g) \cdot f(x)</math>,

où les points représentent respectivement l'opération de G sur X et celle de H sur Y.

Cela revient à dire<ref>Modèle:Harvsp.</ref> que si f* désigne l'isomorphisme s ↦ f ∘ s ∘ fModèle:-1 de S_X sur S_Y, si φ désigne l'homomorphisme de groupes de G dans S_X correspondant à l'action de G sur X, si ψ désigne l'homomorphisme de groupes de H dans S_Y correspondant à l'action de H sur Y, alors

<math>f^{\ast} \circ \varphi = \psi \circ \sigma </math>.

Dans le cas particulier où G = H et où σ est l'isomorphisme identité de G, on retrouve l'équivalence de deux opérations d'un même groupe.

Si deux actions sont quasi équivalentes, l'ensemble des orbites de la première est équipotent à l'ensemble des orbites de la seconde. Plus précisément, on peut mettre les orbites de la première en correspondance biunivoque avec les orbites de la seconde de façon que deux orbites mises en correspondance aient toujours le même cardinal (à une orbite de la première action, faire correspondre son image par la bijection f considérée plus haut). En particulier, deux actions quasi équivalentes sont toutes deux transitives ou toutes deux non transitives. Il en est de même<ref>Voir quelques exemples dans Modèle:Harvsp.</ref> des propriétés de transitivité multiple, de fidélitéModèle:Etc.

Action d'un groupe sur un groupe par automorphismes

Soient G et H deux groupes. Supposons qu'une action G × H → H : (g, h) ↦ g⋅h de G sur (l'ensemble sous-jacent de) H possède la propriété suivante :

pour tout élément g de G, pour tous éléments h, k de H, g⋅(h*k) = (g⋅h)∗(g⋅k),

où l'astérisque représente la loi du groupe H. Cela revient à dire que pour tout élément g de G, la permutation h ↦ g⋅h de H est un automorphisme du groupe H<ref>Modèle:Ouvrage.</ref>. On dit alors que l'action de G sur H est une action par automorphismes<ref>Expression employée par Modèle:Harvsp.</ref>. Dans ce cas, l'homomorphisme de G dans S_H associé à l'action prend ses valeurs dans le groupe Aut(H) des automorphismes de H. Une action de G sur H par automorphismes peut donc être assimilée à un homomorphisme de G dans Aut(H).

Par exemple, l'action d'un groupe sur lui-même par conjugaison est une action par automorphismes (intérieurs).

Soit G un groupe opérant par automorphismes sur un groupe H, soit G₁ un groupe opérant par automorphismes sur un groupe H₁. On dit que ces deux actions sont quasi équivalentes<ref>Expression conforme à Modèle:Harvsp.</ref> comme actions par automorphismes (et non seulement comme actions de groupes sur ensembles) s'il existe un isomorphisme (et non seulement une bijection) f de H sur H₁ et un isomorphisme de groupes σ de G sur G₁ tels que, pour tout élément g de G et tout élément x de X, on ait

<math>f(g \cdot x) = \sigma (g) \cdot f(x)</math>,

où les points représentent respectivement l'opération de G sur H et celle de G₁ sur H₁.

Les actions de groupe sur groupe par automorphismes permettent de définir le produit semi-direct (externe) d'un groupe par un autre.

Voir aussi

Liens externes

• Modèle:MathWorld
• Yoann Gelineau, Formule de Burnside et Applications Combinatoires, tiré de Modèle:Ouvrage
• Modèle:Lien web