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Soit pp un nombre premier et nn un entier naturel non nul. On note Fp=Z/pZ\mathbb{F}_p = \mathbb{Z}/p\mathbb{Z} le corps fini à pp éléments.

  1. Déterminer le cardinal du groupe général linéaire GLn(Fp)\mathrm{GL}_n(\mathbb{F}_p).
  2. En déduire le cardinal du groupe spécial linéaire SLn(Fp)={M∈GLn(Fp)∣det⁡(M)=1}\mathrm{SL}_n(\mathbb{F}_p) = \{ M \in \mathrm{GL}_n(\mathbb{F}_p) \mid \det(M) = 1 \}.
  3. On considère maintenant le cas particulier n=2n=2 et p=2p=2.
    1. Donner la valeur numérique du cardinal de GL2(F2)\mathrm{GL}_2(\mathbb{F}_2).
    2. Identifier un groupe usuel (issu de la théorie des groupes finis) auquel GL2(F2)\mathrm{GL}_2(\mathbb{F}_2) est isomorphe. On pourra étudier l'action du groupe sur les vecteurs non nuls de F22\mathbb{F}_2^2.

1.

Pour GLn(Fp)\mathrm{GL}_n(\mathbb{F}_p), dénombrer les bases de l'espace vectoriel Fpn\mathbb{F}_p^n en choisissant les vecteurs les uns après les autres.

2.

Pour SLn(Fp)\mathrm{SL}_n(\mathbb{F}_p), considérer l'application déterminant comme un morphisme de groupes et appliquer le théorème du rang (ou le principe des bergers) sur les fibres.

3.

Pour l'isomorphisme de GL2(F2)\mathrm{GL}_2(\mathbb{F}_2), compter le nombre de vecteurs non nuls dans F22\mathbb{F}_2^2 et regarder comment une matrice inversible permute ces vecteurs.

Idées clés

•

Lien entre matrices inversibles et bases d'un espace vectoriel.

•

Structure d'un espace vectoriel sur un corps fini (cardinal d'un sous-espace).

•

Propriétés des morphismes de groupes (noyau et image).

Résolution.

  1. Une matrice de Mn(Fp)\mathcal{M}_n(\mathbb{F}_p) est inversible si et seulement si ses colonnes (C1,…,Cn)(C_1, \dots, C_n) forment une base de Fpn\mathbb{F}_p^n. Dénombrer GLn(Fp)\mathrm{GL}_n(\mathbb{F}_p) revient donc à compter le nombre de familles libres (C1,…,Cn)(C_1, \dots, C_n) dans Fpn\mathbb{F}_p^n. Pour construire une telle famille :
    • Le vecteur C1C_1 doit être non nul. Il y a pn−1p^n - 1 choix possibles (car Fpn\mathbb{F}_p^n contient pnp^n vecteurs).
    • Le vecteur C2C_2 doit être hors de Vect(C1)\mathrm{Vect}(C_1). Comme dim⁡(Vect(C1))=1\dim(\mathrm{Vect}(C_1)) = 1, ce sous-espace contient p1p^1 vecteurs. Il reste donc pn−pp^n - p choix.
    • De manière générale, le kk-ième vecteur CkC_k doit être choisi en dehors de l'espace Vect(C1,…,Ck−1)\mathrm{Vect}(C_1, \dots, C_{k-1}). Cet espace est de dimension k−1k-1 car la famille est libre par construction, il contient donc pk−1p^{k-1} vecteurs.
    • Le nombre de choix pour CkC_k est donc pn−pk−1p^n - p^{k-1}.
    Par le principe multiplicatif, on obtient :
    ∣GLn(Fp)∣=∏k=0n−1(pn−pk)=(pn−1)(pn−p)…(pn−pn−1)\boxed{|\mathrm{GL}_n(\mathbb{F}_p)| = \prod_{k=0}^{n-1} (p^n - p^k) = (p^n - 1)(p^n - p)\dots(p^n - p^{n-1})}

  2. On considère l'application déterminant det⁡:GLn(Fp)→Fp∗\det : \mathrm{GL}_n(\mathbb{F}_p) \to \mathbb{F}_p^*. C'est un morphisme de groupes dont le noyau est, par définition, SLn(Fp)\mathrm{SL}_n(\mathbb{F}_p). L'application det⁡\det est surjective. En effet, pour tout λ∈Fp∗\lambda \in \mathbb{F}_p^*, la matrice diag(λ,1,…,1)\mathrm{diag}(\lambda, 1, \dots, 1) appartient à GLn(Fp)\mathrm{GL}_n(\mathbb{F}_p) et son déterminant est λ\lambda. D'après le théorème d'isomorphisme (ou le principe des bergers appliqué aux fibres du morphisme), on a la relation :
    ∣GLn(Fp)∣=∣ker⁡(det⁡)∣×∣im(det⁡)∣=∣SLn(Fp)∣×∣Fp∗∣|\mathrm{GL}_n(\mathbb{F}_p)| = |\ker(\det)| \times |\mathrm{im}(\det)| = |\mathrm{SL}_n(\mathbb{F}_p)| \times |\mathbb{F}_p^*|
    Comme ∣Fp∗∣=p−1|\mathbb{F}_p^*| = p-1, on en déduit :
    ∣SLn(Fp)∣=∣GLn(Fp)∣p−1|\mathrm{SL}_n(\mathbb{F}_p)| = \frac{|\mathrm{GL}_n(\mathbb{F}_p)|}{p-1}
    En utilisant l'expression précédente :
    ∣SLn(Fp)∣=1p−1∏k=0n−1(pn−pk)=pn−1∏k=1n−1(pn−pk)\boxed{|\mathrm{SL}_n(\mathbb{F}_p)| = \frac{1}{p-1} \prod_{k=0}^{n-1} (p^n - p^k) = p^{n-1} \prod_{k=1}^{n-1} (p^n - p^k)}

  3. Cas particulier n=2,p=2n=2, p=2.
    1. En appliquant la formule du 1. :
      ∣GL2(F2)∣=(22−1)(22−2)=3×2|\mathrm{GL}_2(\mathbb{F}_2)| = (2^2 - 1)(2^2 - 2) = 3 \times 2
      D'où :
      ∣GL2(F2)∣=6\boxed{|\mathrm{GL}_2(\mathbb{F}_2)| = 6}

    2. Dans E=F22E = \mathbb{F}_2^2, il y a 22−1=32^2 - 1 = 3 vecteurs non nuls. Notons X={v1,v2,v3}X = \{v_1, v_2, v_3\} cet ensemble. Tout élément u∈GL2(F2)u \in \mathrm{GL}_2(\mathbb{F}_2) est une application linéaire bijective qui laisse stable l'ensemble des vecteurs non nuls (car u(x)=0  ⟺  x=0u(x)=0 \iff x=0). On définit ainsi une action de G=GL2(F2)G = \mathrm{GL}_2(\mathbb{F}_2) sur XX, ce qui induit un morphisme de groupes ϕ:G→SX≅S3\phi : G \to S_X \cong S_3. Vérifions le noyau de ϕ\phi. Si u∈ker⁡(ϕ)u \in \ker(\phi), alors uu fixe tous les vecteurs de XX. En particulier, uu fixe les vecteurs de la base canonique, donc u=idu = \mathrm{id}. Ainsi, ϕ\phi est injectif. Comme ∣G∣=6|G| = 6 et ∣S3∣=3!=6|S_3| = 3! = 6, l'injection ϕ\phi est nécessairement une bijection. Conclusion :
      GL2(F2)≅S3\boxed{\mathrm{GL}_2(\mathbb{F}_2) \cong S_3}

Attention à ne pas oublier que le déterminant d'une matrice inversible est dans Fp∗\mathbb{F}_p^*, et non dans Fp\mathbb{F}_p. Le cardinal de l'image est donc p−1p-1 et non pp.