Groupe abélien de type fini

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En mathématiques, un groupe abélien de type fini est un groupe abélien qui possède une partie génératrice finie.

Les produits, les quotients, mais aussi les sous-groupes des groupes abéliens de type fini sont eux-mêmes de type fini. Un théorème de structure des groupes abéliens de type fini permet d'expliciter la liste complète de ces groupes à isomorphisme près ; il montre notamment que tout groupe abélien de type fini est un produit fini de groupes cycliques.

Définition[modifier | modifier le code]

Un groupe abélien de type fini est un groupe abélien (c'est-à-dire un groupe dont la loi de composition interne est commutative) pour lequel il existe une partie génératrice finie.

Exemples[modifier | modifier le code]

Les deux énoncés ci-dessous concernent les groupes de type fini, sans qu'il soit besoin de les supposer commutatifs, et sont très élémentaires :

Une fois ces énoncés connus, on remarque que :

  • Z le groupe additif des entiers est de type fini, engendré par l'élément 1.
  • Pour a entier strictement positif, Z/aZ est à son tour de type fini (et monogène, comme quotient).
  • Pour l entier strictement positif Zl est de type fini, comme produit direct.
  • Plus généralement, pour a1, a1,..., ak strictement positifs, et l positif ou nul, (Z/a1Z) x (Z/a2Z) x ... x (Z/akZ) x Zl est de type fini comme produit direct.

Comme indiqué plus bas dans l'article, ce dernier exemple décrit tous les groupes abéliens de type fini, en ce sens que tout groupe abélien de type fini est isomorphe à un groupe de la forme explicitée dans cet exemple.

Le groupe abélien Q des nombres rationnels (munis de l'addition) n'est en revanche pas de type fini[1].

Sous-groupes[modifier | modifier le code]

Par récurrence sur l'entier n positif ou nul, on montre :

  • Tout sous-groupe de Zn est un groupe abélien de type fini.

La démonstration précise accessoirement qu'un tel sous-groupe admet une partie génératrice ayant au plus n éléments.

On en déduit en quelques lignes que :

  • Tout sous-groupe d'un groupe abélien de type fini est de type fini[2].

Cet énoncé reste vrai, avec essentiellement la même démonstration, pour les modules de type fini sur un anneau noethérien[3].

Théorème de structure[modifier | modifier le code]

Les groupes abéliens de type fini peuvent être classifiés à isomorphisme près de façon tout à fait explicite. Plusieurs énoncés plus simples, conséquences du théorème de classification ou étapes de sa démonstration selon la méthode d'exposition choisie, méritent d'être isolés. Outre le cas particulier que constitue le théorème de structure des groupes abéliens finis on peut mentionner les résultats suivants :

  • Un groupe abélien de type fini dans lequel les éléments non nuls sont tous d'ordre infini est libre[5].

Voici deux variantes de l'énoncé du théorème de structure[6], qu'on peut déduire l'une de l'autre par application du théorème chinois :

Soit (G,+) un groupe abélien de type fini.

G≈(Z/q1Z) x (Z/q2Z) x ... x (Z/qtZ) x Zl
  • Il existe un entier l ≥ 0 unique et une unique suite (a1,a2,...,ak) d'entiers > 1 pour lesquels on a l'isomorphie :
G≈(Z/a1Z) x (Z/a2Z) x ... x (Z/akZ) x Zl
avec la condition supplémentaire : aj+1 divise aj pour tout j entier entre 1 et k - 1.

Les qi sont appelés les diviseurs élémentaires de G, et les aj ses facteurs invariants. L'entier l est appelé rang de G[7].

Une démonstration instructive de ce théorème repose sur l'utilisation de la forme normale de Smith des matrices à coefficients entiers. Un théorème analogue, plus général quoiqu'ayant essentiellement la même preuve, classifie les modules de type fini sur un anneau principal donné, voir à son sujet l'article « Théorème des facteurs invariants »[8].

Applications[modifier | modifier le code]

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Comme les groupes abéliens de type fini sont des objets très familiers, ils ont la propriété d'apparaître dans de nombreuses branches et questions d'ordre mathématique, qui sont d'autant plus d'applications. On les retrouve dans quelques théorèmes et thèmes centraux en mathématiques, comme le théorème des unités de Dirichlet, le théorème de Mordell-Weil et la conjecture de Mordell, via la conjecture de Mordell-Lang, en géométrie arithmétique, l'homologie simpliciale des CW-complexes de type fini et le groupe de Néron-Severi en topologie algébrique, certains groupes de classes (K-groupes) comme celui des classes d'idéaux d'un corps de nombres, des classes de représentations sur C des groupes finis, ou le groupe des caractères d'un tore algébrique.

Dans un autre ordre d'idées, la notion de groupe abélien permet de manipuler des constructions comme le produit tensoriel la somme directe (et le produit), le Hom interne, et ces constructions conservent la propriété de finitude satisfaite par les groupes abéliens de type fini. Plus formellement, on obtient ainsi une catégorie stable par des opérations standard. Cela fournit un cadre commode à l'algèbre homologique, et la formation des groupes Tor et Ext.

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. Roger Godement, Cours d'algèbre, Hermann, 2e éd., 1966, p. 123
  2. Serge Lang, Algèbre [détail des éditions], éd. 2004, p. 153-154 (pour l'ensemble de la section). Ce serait complètement faux sans l'hypothèse de commutativité : ainsi, le groupe dérivé du groupe libre à deux générateurs x et y n'est pas de type fini : c'est le groupe libre à une infinité dénombrable de générateurs [xm, yn] pour m, n entiers non nuls.
  3. (en) Michael Artin, Algebra [détail de l’édition], p. 469
  4. Cette version édulcorée du théorème de classification est explicitement imprimée dans A. G. Kurosh (de) (trad. Ann Swinfen), Lectures on general algebra, Pergamon Press,‎ 1965, p. 215
  5. (en) Paul Cohn, Algebra, t. 1, Wiley,‎ 1974 (ISBN 0-471-16430-5), p. 281
  6. Paul Cohn, op. cit., p. 284-285, (y compris pour les expressions « diviseurs élémentaires » et « facteurs invariants »)
  7. Serge Lang, op. cit., p. 49
  8. On trouvera un traitement selon ces lignes dans (en) Nathan Jacobson, Basic algebra I, Mineola, Dover,‎ 2009 (reprint of Freeman, 1974, 2e éd.), poche (ISBN 978-0-486-47189-1, lien LCCN?), p. 173-189

Liens externes[modifier | modifier le code]

Groupe abélien de type fini par Michel Merle (cours de 3e année de licence 2006-2007 de l'université de Nice Sophia-Antipolis)