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Soit F2=Z/2Z\mathbb{F}_2 = \mathbb{Z}/2\mathbb{Z} le corps fini à deux éléments. On s'intéresse au groupe des matrices inversibles d'ordre 2 à coefficients dans ce corps, noté GL2(F2)GL_2(\mathbb{F}_2).

  1. Calculer le cardinal de GL2(F2)GL_2(\mathbb{F}_2).
  2. En étudiant l'action du groupe GL2(F2)GL_2(\mathbb{F}_2) sur l'ensemble des vecteurs non nuls de (F2)2(\mathbb{F}_2)^2, identifier un groupe classique auquel GL2(F2)GL_2(\mathbb{F}_2) est isomorphe.

1.

Pour la question 1, dénombrer les bases de l'espace vectoriel (F2)2(\mathbb{F}_2)^2. Une matrice est inversible si et seulement si ses colonnes forment une base.

2.

Pour la question 2, l'espace (F2)2(\mathbb{F}_2)^2 contient un nombre fini de vecteurs. Considérer l'ensemble X=(F2)2{(0,0)}X = (\mathbb{F}_2)^2 \setminus \{(0,0)\}. Montrer qu'une matrice de GL2(F2)GL_2(\mathbb{F}_2) définit une permutation de cet ensemble XX.

Idées clés

Dénombrement de bases dans un espace vectoriel fini.

Morphisme d'un groupe vers un groupe de permutations (action de groupe).

Injectivité par l'image de la base canonique.

Résolution.

  1. Une matrice MM2(F2)M \in \mathcal{M}_2(\mathbb{F}_2) appartient à GL2(F2)GL_2(\mathbb{F}_2) si et seulement si ses colonnes (C1,C2)(C_1, C_2) forment une base de E=(F2)2E = (\mathbb{F}_2)^2. Le corps F2\mathbb{F}_2 contient 2 éléments, donc l'espace EE contient 22=42^2 = 4 vecteurs. Pour construire une base (C1,C2)(C_1, C_2) :
    • Le vecteur C1C_1 doit être non nul. Il y a 221=32^2 - 1 = 3 choix possibles.
    • Le vecteur C2C_2 ne doit pas appartenir à la droite vectorielle engendrée par C1C_1. Comme nous sommes sur F2\mathbb{F}_2, cette droite est Vect(C1)={0,C1}Vect(C_1) = \{0, C_1\}. Il y a donc 222=22^2 - 2 = 2 choix possibles pour C2C_2.
    Le nombre total de bases est donc 3×2=63 \times 2 = 6.
    card(GL2(F2))=6\boxed{\text{card}(GL_2(\mathbb{F}_2)) = 6}

  2. Posons X=E{(0,0)}X = E \setminus \{(0,0)\}. L'ensemble XX contient 41=34 - 1 = 3 éléments distincts :
    v1=(10),v2=(01),v3=(11)v_1 = \begin{pmatrix} 1
    0 \end{pmatrix},   v_2 = \begin{pmatrix} 0
    1 \end{pmatrix},   v_3 = \begin{pmatrix} 1
    1 \end{pmatrix}
    Soit MGL2(F2)M \in GL_2(\mathbb{F}_2). Puisque MM est inversible, l'application linéaire associée est un automorphisme de EE. Elle envoie donc un vecteur non nul sur un vecteur non nul. L'application ϕM:xMx\phi_M : x \mapsto Mx induit une permutation de l'ensemble fini XX. On définit alors l'application suivante :
    Φ:{GL2(F2)S(X)MσM\Phi : \begin{cases} GL_2(\mathbb{F}_2) \to \mathfrak{S}(X)
    M \mapsto \sigma_M \end{cases}
    σM\sigma_M est la permutation de XX définie par σM(v)=Mv\sigma_M(v) = Mv. Par propriété du produit matriciel, on a Φ(MM)=Φ(M)Φ(M)\Phi(MM') = \Phi(M) \circ \Phi(M'), donc Φ\Phi est un morphisme de groupes. Déterminons le noyau de Φ\Phi. Si Mker(Φ)M \in \ker(\Phi), alors pour tout vXv \in X, Mv=vMv = v. En particulier :
    Mv1=v1etMv2=v2M v_1 = v_1   \text{et}   M v_2 = v_2
    Comme (v1,v2)(v_1, v_2) est la base canonique de (F2)2(\mathbb{F}_2)^2, la matrice MM est nécessairement l'identité I2I_2. Le noyau est donc réduit à l'élément neutre : Φ\Phi est injectif. Or, on a déterminé que card(GL2(F2))=6\text{card}(GL_2(\mathbb{F}_2)) = 6 et on sait que card(S(X))=3!=6\text{card}(\mathfrak{S}(X)) = 3! = 6. Une application injective entre deux ensembles finis de même cardinal est bijective. Ainsi, Φ\Phi est un isomorphisme de groupes.
    GL2(F2)S3\boxed{GL_2(\mathbb{F}_2) \cong \mathfrak{S}_3}

Attention à ne pas oublier que sur un corps fini, la condition "libre" pour une famille de vecteurs se traduit par un décompte précis : chaque nouveau vecteur choisi ne doit pas être dans le sous-espace engendré par les précédents.