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Soit VV un C\mathbb{C}-espace vectoriel de dimension finie n≥1n \geq 1. On considère un morphisme de groupes Φ:S3→GL(V)\Phi : \mathfrak{S}_3 \rightarrow \mathrm{GL}(V). On note σ=(1,2)\sigma = (1,2) et τ=(1,2,3)\tau = (1,2,3).

  1. Justifier que pour tout g∈S3g \in \mathfrak{S}_3, l'endomorphisme Φ(g)\Phi(g) est diagonalisable.
  2. Expliquer pourquoi la connaissance de S=Φ(σ)S = \Phi(\sigma) et R=Φ(τ)R = \Phi(\tau) suffit à déterminer entièrement le morphisme Φ\Phi.
  3. Cas de la dimension 1 :
    1. Déterminer tous les morphismes de groupes de S3\mathfrak{S}_3 dans C∗\mathbb{C}^*.
    2. Généralisation : quels sont les morphismes de groupes de Sn\mathfrak{S}_n dans C∗\mathbb{C}^* ?
  4. On pose S=(1−10−1)S = \begin{pmatrix} 1 & -1
    0 & -1 \end{pmatrix}
    et R=(0−11−1)R = \begin{pmatrix} 0 & -1
    1 & -1 \end{pmatrix}
    . Vérifier que le couple (S,R)(S,R) définit un morphisme de groupes Φ:S3→GL2(C)\Phi : \mathfrak{S}_3 \rightarrow \mathrm{GL}_2(\mathbb{C}).
  5. On revient au cas général. Soit xx un vecteur propre de RR associé à une valeur propre λ\lambda. Étudier l'action de SS sur xx et montrer que SxSx est également un vecteur propre de RR dont on précisera la valeur propre.
  6. Montrer que VV se décompose en une somme directe de sous-espaces FiF_i stables par tous les Φ(g)\Phi(g), où chaque FiF_i est de dimension 1 ou 2. En déduire que SS et RR sont simultanément diagonalisables par blocs, avec des blocs de taille 1 ou 2.

1.

Utiliser des polynômes annulateurs scindés à racines simples pour la diagonalisabilité.

2.

Se rappeler que S3\mathfrak{S}_3 est engendré par les transpositions (1,2)(1,2) et les cycles (1,2,3)(1,2,3).

3.

Pour la question 5, utiliser la relation Rσ=σR−1R\sigma = \sigma R^{-1} (ou SRS=R2SRS = R^2) qui découle de la structure de groupe.

4.

Pour la question 6, considérer séparément les sous-espaces propres de RR associés à 1 et à {j,j2}\{j, j^2\}.

Idées clés

•

Utilisation de polynômes annulateurs de type Xk−1X^k - 1.

•

Relation de structure du groupe diédral D3≅S3D_3 \cong \mathfrak{S}_3 : SRS=R−1SRS = R^{-1}.

•

Stabilité des sous-espaces et réduction par blocs.

Résolution.

  1. Soit g∈S3g \in \mathfrak{S}_3. L'ordre de gg est un diviseur de ∣S3∣=6|\mathfrak{S}_3| = 6. Ainsi, il existe k∈{1,2,3,6}k \in \{1, 2, 3, 6\} tel que gk=idg^k = \text{id}. On en déduit que l'endomorphisme u=Φ(g)u = \Phi(g) vérifie l'équation :
    uk−idV=0u^k - \text{id}_V = 0
    Le polynôme P(X)=Xk−1P(X) = X^k - 1 est un polynôme annulateur de uu. Ce polynôme est scindé à racines simples sur C\mathbb{C} (les racines kk-ièmes de l'unité).
    Φ(g) est donc diagonalisable.\boxed{\Phi(g) \text{ est donc diagonalisable.}}

  2. Le groupe S3\mathfrak{S}_3 est engendré par la transposition σ=(1,2)\sigma = (1,2) et le 3-cycle τ=(1,2,3)\tau = (1,2,3). En effet, les puissances de τ\tau et leurs produits par σ\sigma épuisent les 6 éléments du groupe : {id,τ,τ2,σ,στ,στ2}\{id, \tau, \tau^2, \sigma, \sigma\tau, \sigma\tau^2\}. Comme Φ\Phi est un morphisme, la valeur de Φ(g)\Phi(g) pour tout g∈S3g \in \mathfrak{S}_3 s'exprime comme produit des matrices SS et RR.

    1. Soit χ:S3→C∗\chi : \mathfrak{S}_3 \rightarrow \mathbb{C}^* un morphisme. Comme σ2=id\sigma^2 = id, on a χ(σ)2=1\chi(\sigma)^2 = 1, donc χ(σ)∈{1,−1}\chi(\sigma) \in \{1, -1\}. De même, τ3=id  ⟹  χ(τ)3=1\tau^3 = id \implies \chi(\tau)^3 = 1. Or, dans S3\mathfrak{S}_3, στσ−1=τ−1\sigma \tau \sigma^{-1} = \tau^{-1}. En appliquant χ\chi, on obtient χ(σ)χ(τ)χ(σ)−1=χ(τ)−1\chi(\sigma)\chi(\tau)\chi(\sigma)^{-1} = \chi(\tau)^{-1}, soit χ(τ)=χ(τ)−1\chi(\tau) = \chi(\tau)^{-1}, d'où χ(τ)2=1\chi(\tau)^2 = 1. Comme χ(τ)3=1\chi(\tau)^3 = 1 et χ(τ)2=1\chi(\tau)^2 = 1, on en déduit χ(τ)=1\chi(\tau) = 1. Les deux possibilités sont : - χ(g)=1\chi(g) = 1 pour tout gg (représentation triviale). - χ(σ)=−1\chi(\sigma) = -1 et χ(τ)=1\chi(\tau) = 1. Cela correspond à la signature ε\varepsilon car ε(σ)=−1\varepsilon(\sigma) = -1 et ε(τ)=1\varepsilon(\tau) = 1.
      Les morphismes sont l’identiteˊ g↦1 et la signature ε.\boxed{\text{Les morphismes sont l'identité } g \mapsto 1 \text{ et la signature } \varepsilon.}

    2. Pour Sn\mathfrak{S}_n (n≥2n \geq 2), le groupe est engendré par les transpositions. Toutes les transpositions étant conjuguées, elles ont la même image par χ\chi. Comme pour S3\mathfrak{S}_3, l'image d'une transposition est dans {1,−1}\{1, -1\}. On retrouve uniquement le morphisme trivial et la signature.

  3. On vérifie S2=I2S^2 = I_2, R3=I2R^3 = I_2 et SRS=R−1SRS = R^{-1}. S2=(1−10−1)(1−10−1)=(1001)S^2 = \begin{pmatrix} 1 & -1
    0 & -1 \end{pmatrix} \begin{pmatrix} 1 & -1
    0 & -1 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 1 & 0
    0 & 1 \end{pmatrix}
    . R2=(0−11−1)(0−11−1)=(−11−10)R^2 = \begin{pmatrix} 0 & -1
    1 & -1 \end{pmatrix} \begin{pmatrix} 0 & -1
    1 & -1 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} -1 & 1
    -1 & 0 \end{pmatrix}
    . Puis R3=R⋅R2=(0−11−1)(−11−10)=(1001)R^3 = R \cdot R^2 = \begin{pmatrix} 0 & -1
    1 & -1 \end{pmatrix} \begin{pmatrix} -1 & 1
    -1 & 0 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 1 & 0
    0 & 1 \end{pmatrix}
    . Enfin, SRS=(1−10−1)(0−11−1)(1−10−1)=(−10−11)(1−10−1)=(−11−10)=R2=R−1SRS = \begin{pmatrix} 1 & -1
    0 & -1 \end{pmatrix} \begin{pmatrix} 0 & -1
    1 & -1 \end{pmatrix} \begin{pmatrix} 1 & -1
    0 & -1 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} -1 & 0
    -1 & 1 \end{pmatrix} \begin{pmatrix} 1 & -1
    0 & -1 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} -1 & 1
    -1 & 0 \end{pmatrix} = R^2 = R^{-1}
    .
    Les relations de structure de S3 sont veˊrifieˊes.\boxed{\text{Les relations de structure de } \mathfrak{S}_3 \text{ sont vérifiées.}}

  4. Soit x∈Vx \in V tel que Rx=λxRx = \lambda x. On sait que λ3=1\lambda^3 = 1, donc λ∈{1,j,j2}\lambda \in \{1, j, j^2\}. D'après la relation SRS=R−1SRS = R^{-1}, on a RS=SR−1RS = SR^{-1}. Alors :
    R(Sx)=(RS)x=(SR−1)x=S(R−1x)R(Sx) = (RS)x = (SR^{-1})x = S(R^{-1}x)
    Comme R−1=R2R^{-1} = R^2, si xx est vecteur propre pour λ\lambda, alors R2x=λ2xR^2x = \lambda^2 x. Donc :
    R(Sx)=S(λ2x)=λ2(Sx)R(Sx) = S(\lambda^2 x) = \lambda^2 (Sx)
    Sx est un vecteur propre de R associeˊ aˋ la valeur propre λ2=λˉ.\boxed{Sx \text{ est un vecteur propre de } R \text{ associé à la valeur propre } \lambda^2 = \bar{\lambda}.}

  5. RR étant diagonalisable, V=E1(R)⊕Ej(R)⊕Ej2(R)V = E_1(R) \oplus E_j(R) \oplus E_{j^2}(R). Cas 1 : Étude de E1(R)E_1(R). Si x∈E1(R)x \in E_1(R), alors d'après la question 5, Sx∈E12(R)=E1(R)Sx \in E_{1^2}(R) = E_1(R). Le sous-espace E1(R)E_1(R) est stable par SS et par RR (trivialement). Comme S2=IS^2 = I, SS induit sur E1(R)E_1(R) une symétrie, qui est diagonalisable avec des valeurs propres ±1\pm 1. On peut donc décomposer E1(R)E_1(R) en droites stables par RR et SS (blocs de taille 1). Cas 2 : Étude de Ej(R)⊕Ej2(R)E_j(R) \oplus E_{j^2(R).} Soit x∈Ej(R)x \in E_j(R) non nul. Alors y=Sx∈Ej2(R)y = Sx \in E_{j^2}(R). Comme j≠j2j \neq j^2, la famille (x,y)(x, y) est libre. L'espace F=Vect(x,y)F = \text{Vect}(x, y) est stable par RR (car x,yx, y sont vecteurs propres) et stable par SS (car Sx=ySx=y et Sy=S2x=xSy=S^2x=x). Dans la base (x,y)(x, y), les matrices sont :
    MatB(R∣F)=(j00j2),MatB(S∣F)=(0110)\text{Mat}_B(R_{|F}) = \begin{pmatrix} j & 0
    0 & j^2 \end{pmatrix},   \text{Mat}_B(S_{|F}) = \begin{pmatrix} 0 & 1
    1 & 0 \end{pmatrix}
    Ce sont des blocs de taille 2. Par récurrence ou décomposition de Ej(R)E_j(R), on obtient la structure voulue.
    V=⨁Fi avec dim⁡Fi∈{1,2}.\boxed{V = \bigoplus F_i \text{ avec } \dim F_i \in \{1, 2\}.}

Ne pas oublier que RR n'est pas forcément diagonalisable dans R\mathbb{R}. Ici, nous travaillons sur C\mathbb{C}, ce qui garantit l'existence des valeurs propres jj et j2j^2. Si l'énoncé était sur R\mathbb{R}, les blocs de taille 2 correspondraient à des matrices de rotation.