Signature d'une permutation

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En mathématiques, les permutations peuvent se décomposer en un produit de transpositions, c'est-à-dire en une succession d'échanges d'éléments deux à deux.

  • Une permutation paire est une permutation qui peut être exprimée comme le produit d'un nombre pair de transpositions ;
  • une permutation impaire est une permutation qui peut être exprimée comme le produit d'un nombre impair de transpositions.

La signature d'une permutation vaut 1 si celle-ci est paire, -1 si elle est impaire. L'application signature constitue un morphisme de groupes. Elle intervient en algèbre multilinéaire, notamment pour le calcul des déterminants.

Définition de la signature[modifier | modifier le code]

Soit une permutation \sigma. La définition traditionnelle de la parité de \sigma se fait par le comptage des inversions.

Définition

Soient i<j deux éléments distincts compris entre 1 et n. On dit que la paire {i,j} est en inversion pour \sigma quand \sigma(i)>\sigma(j).

Une permutation est dite paire quand elle présente un nombre pair d'inversions, impaire sinon.

Exemple
Soit la permutation
\begin{pmatrix} 1&2&3&4&5\\1&3&5&4&2\end{pmatrix}
La paire {1,2} n'est pas en inversion puisque les images de 1 et 2 sont rangées dans le même ordre. Il en est de même pour 1 et 3. La liste des paires en inversion est {2,5}, {3,4}, {3,5}, {4,5}. Il y en a quatre, donc la permutation est paire.

Par définition, la signature d'une permutation paire est 1, celle d'une permutation impaire est -1.

Une transposition est impaire[modifier | modifier le code]

Toute transposition est une permutation impaire. En effet en notant i et j, i<j, les termes échangés par la transposition, celle-ci s'écrit

\begin{pmatrix} 1&\dots&i-1&i&i+1&\dots &j-1&j&j+1&\dots\; n\\
1&\dots & i-1&j&i+1&\dots &j-1&i&j+1&\dots\; n\end{pmatrix}

Les paires en inversion sont les paires de la forme {i,k} avec k compris entre i+1 et j et celles de la forme {k,j} avec k compris entre i+1 et j-1. Au total, il y a un nombre impair d'inversions, et l'imparité de la permutation en découle.

Une formule pour la signature[modifier | modifier le code]

On note {\mathcal P} l'ensemble des paires d'éléments compris entre 1 et n (il y en a n(n-1)/2). Une permutation σ a pour signature

\varepsilon(\sigma)=\prod\limits_{i<j} \frac{\sigma(j)-\sigma(i)}{j-i}
=\prod\limits_{\{i,j\}\in {\mathcal P}} \frac{\sigma(j)-\sigma(i)}{j-i}
Démonstration
Appelons P ce produit. Examiner tous les couples (i,j) avec i<j revient à examiner toutes les paires {i,j}. Pour chacune d'elles, le terme qui se trouve dans le produit a un signe négatif si la paire est en inversion, positif sinon. Ceci montre que le signe de P est bien celui de la signature. Enfin, par bijectivité de σ, les termes σ(j)-σ(i) du numérateur sont, au signe près, les mêmes que les j-i du dénominateur. Ceci montre que la valeur absolue de P vaut 1 et permet de conclure.

Cette formule a un certain intérêt algébrique mais ne permet pas un calcul efficace de la signature dans la pratique. En effet par rapport au simple comptage des inversions s'ajoute la multiplication et la division par un certain nombre d'entiers.

Signature d'un produit[modifier | modifier le code]

Les permutations vérifient une règle des signes pour le produit : le produit de deux permutations paires est pair, de deux permutations impaires est pair, le produit d'une permutation paire et d'une impaire est impair. En utilisant la signature, cela se résume par la formule

\varepsilon(\sigma\circ\tau)=\varepsilon(\sigma) \cdot \varepsilon(\tau)
Démonstration
\varepsilon(\sigma\circ\tau)=\prod\limits_{\{i,j\}\in {\mathcal P}} \frac{(\sigma\circ\tau)(j) - (\sigma\circ\tau) (i)}{j - i}
= \prod\limits_{\{i, j\} \in \mathcal P } \left (\frac{\sigma(\tau(j)) - \sigma(\tau(i))}{\tau(j) - \tau (i)}  \right ) \left (\frac{\tau(j) - \tau (i)}{j - i}  \right )
= \prod\limits_{\{i, j\} \in \mathcal P} \frac{\sigma(j) - \sigma(i)}{j - i} \prod\limits_{\{i, j\} \in \mathcal P} \frac{\tau(j) - \tau(i)}{j - i}
= \varepsilon(\sigma) \cdot \varepsilon(\tau)
Dans le deuxième facteur du second membre, on reconnaît directement une signature. Pour le premier, il faut au préalable réindexer en posant {i',j'}={τ(i),τ(j)}, on y reconnaît alors également une signature.

En termes algébriques : la signature est un morphisme de groupes du groupe symétrique (\mathfrak S_n,\circ) dans \left(\{-1,1\},\times\right). L'ensemble des permutations paires forme le groupe alterné, noyau de ce morphisme. Enfin la permutation inverse de σ a la même signature que σ.

Calcul d'une signature[modifier | modifier le code]

En corollaire des résultats précédents,

  • une permutation est paire si et seulement si elle peut être exprimée comme le produit d'un nombre pair de transpositions ;
  • une permutation est impaire si et seulement si elle peut être exprimée comme le produit d'un nombre impair de transpositions

et ces deux cas s'excluent mutuellement.

Le calcul de la signature par la décomposition en produit de transpositions est beaucoup plus efficace que l'application de la définition initiale ; en effet pour une permutation de {\mathfrak S}_n cette décomposition demande au plus n-1 opérations, contre n(n-1)/2 pour la définition.

Exemples
l'identité est une permutation paire ;
une transposition est une permutation impaire ;
une permutation circulaire est paire si le nombre d'éléments est impair ; elle est impaire si le nombre d'éléments est pair.

Voir aussi[modifier | modifier le code]