Commutateur (théorie des groupes)

En théorie des groupes (mathématiques), le commutateur d'un couple (x,y) d'éléments d'un groupe G est, chez la plupart des auteurs^[1], défini par

${\displaystyle \ [x,y]=x^{-1}y^{-1}xy.}$

Certains auteurs^[2] prennent pour définition

${\displaystyle \ [x,y]=xyx^{-1}y^{-1}.}$

Quelle que soit la définition adoptée, il est clair que x et y commutent si et seulement si [x, y] = 1.

Si A et B sont deux sous-groupes de G, on désigne par [A, B] le sous-groupe de G engendré par les commutateurs [a, b], a parcourant A et b parcourant B. Puisque les inverses des éléments de A sont exactement les éléments de A et que les inverses des éléments de B sont exactement les éléments de B, [A, B] ne dépend pas de la définition choisie pour les commutateurs.

Quelle que soit la définition choisie pour les commutateurs, [b, a] est l'inverse de [a,b], donc si A et B sont deux sous-groupes de G, [A, B] = [B, A].

Le sous-groupe [G, G] de G, autrement dit le sous-groupe de G engendré par les commutateurs d'éléments de G, est le groupe dérivé de G.

Quelques faits

Dans ce qui suit, on adoptera la définition

${\displaystyle \ [x,y]=x^{-1}y^{-1}xy}$

et, pour tous éléments x, y d'un groupe G, on notera

${\displaystyle \ x^{y}=y^{-1}xy.}$

Donc ${\displaystyle \ x^{y}}$ est un conjugué de x et on a toujours

${\displaystyle \ (xy)^{z}=x^{z}y^{z}}$ et ${\displaystyle \ x^{yz}=(x^{y})^{z}.}$ Dans le cas général, ${\displaystyle \ x^{yz}\neq (x^{z})^{y}.}$

• Si A et B sont deux sous-groupes de G, alors [A, B] = 1 si et seulement si tout élément de A commute avec tout élément de B.
• Si f est un homomorphisme d'un groupe G dans un groupe,${\displaystyle f([x,y])=[f(x),f(y)]}$et${\displaystyle f([A,B])=[f(A),f(B)]}$pour tous éléments x, y et tous sous-groupes A, B de G.
• En appliquant ceci à l'automorphisme intérieur ${\displaystyle t\mapsto t^{z}}$ de G, on obtient${\displaystyle \ [x,y]^{z}=[x^{z},y^{z}]}$et${\displaystyle \ [A,B]^{z}=[A^{z},B^{z}]}$pour tous éléments x, y et z et tous sous-groupes A, B de G. Il en résulte que si A et B sont deux sous-groupes distingués de G, [A, B] est lui aussi un sous-groupe distingué de G.
• Le même argument, appliqué à un automorphisme quelconque (non forcément intérieur) de G montre que si A et B sont des sous-groupes caractéristiques de G, alors [A, B] est lui aussi un sous-groupe caractéristique de G.
• Soient A et B deux sous-groupes de G. Pour que [A, B] soit contenu dans B, il faut et il suffit que A normalise B (c'est-à-dire soit contenu dans le normalisateur de B).
• Donc, si A et B se normalisent mutuellement (et en particulier s'ils sont tous deux distingués dans G), [A, B] est contenu dans ${\displaystyle A\cap B}$.
• En particulier, si A et B sont deux sous-groupes de G qui se normalisent mutuellement et dont l'intersection se réduit à l'élément neutre, alors tout élément de A commute avec tout élément de B^[3].
• On vérifie par calcul que${\displaystyle \ [xy,z]=[x,z]^{y}[y,z]}$et (par calcul ou par passage aux inverses dans la formule précédente, en notant que l'inverse de [a, b] est [b, a])${\displaystyle \ [z,xy]=[z,y][z,x]^{y}}$
• La propriété précédente donne ${\displaystyle \ [x,z]^{y}=[xy,z][y,z]^{-1},}$ ce qui permet de prouver que si A et B sont deux sous-groupes de G, alors A et B normalisent tous deux [A, B], ce qui revient à dire que [A, B] est sous-groupe normal du sous-groupe <A, B> de G engendré par A et B^[4].
• Soient H, K et L des sous-groupes normaux d'un groupe G. De la propriété ${\displaystyle \ [xy,z]=[x,z]^{y}[y,z]}$ et du fait que [H, L] est normal dans G, on tire^[5] [HK, L] = [H, L] [K, L], ce qui peut encore s'écrire [L, HK] = [L, H] [L,K].
• Identité de Hall-Witt^[6] :${\displaystyle \ [\ [x,y^{-1}],z]^{y}\ \ [\ [y,z^{-1}],x]^{z}\ \ [\ [z,x^{-1}],y]^{x}=1.}$Cela se vérifie par un calcul mécanique. On peut abréger les calculs en notant que le premier facteur de l'identité peut s'écrire

${\displaystyle \ [\ [x,y^{-1}],z]^{y}\ =T(x,z,y)^{-1}T(y,x,z),}$où on pose:${\displaystyle \ T(a,b,c)=aba^{-1}ca.}$Des expressions analogues des deux autres facteurs de l'identité de Hall-Witt s'obtiennent à partir de celle-ci par une permutation circulaire des variables et quand on multiplie les trois résultats membre à membre, chaque facteur T() est détruit par le facteur T()^-1 qui suit^[7].

• Autre forme de l'identité de Hall-Witt. Dans l'identité de Hall-Witt ci-dessus, le premier facteur peut s'écrire:${\displaystyle \ [\ [x,y^{-1}],z]^{y}\ =[\ [y,x],z^{y}],}$et par permutation circulaire des variables, on obtient des expressions analogues pour les deux autres facteurs. En faisant les remplacements dans l'identité de Hall-Witt puis en passant aux inverses en tenant compte que l'inverse de [a, b] est [b, a], et enfin en échangeant x et y, on trouve cette formule^[8] équivalente à l'identité de Hall-Wit :${\displaystyle \ [x^{y},[y,z]\ ]\ [y^{z},[z,x]\ ]\ [z^{x},[x,y]\ ]=1.}$
• Si H, K et L sont des sous-groupes de G, le sous-groupe [ [H, K], L] de G n'est pas forcément engendré par les commutateurs [ [h,k], l] avec h dans H, k dans K et l dans L^[9].
• En revanche, si chacun de ces commutateurs [ [h,k], l] est égal à 1, alors [ [H, K], L] = 1. (En effet, chaque commutateur [h, k] avec h dans H et k dans K appartient alors au centralisateur de L, donc le sous-groupe [H, K] de G engendré par ces commutateurs est contenu dans le centralisateur de L.)
• Lemme des trois sous-groupes (forme particulière)
  Si H, K et L sont des sous-groupes de G, si [ [H,K], L] = 1 et [ [K, L], H] = 1, alors [ [L, H], K] = 1.
  Cela se déduit de l'identité de Hall-Witt et de la remarque précédente^[10].
• Lemme des trois sous-groupes^[11] (forme générale)
  Si H, K et L sont des sous-groupes de G, si N est un sous-groupe distingué de G, si ${\displaystyle [[H,K],L]\leq N}$ et ${\displaystyle [[K,L],H]\leq N}$, alors ${\displaystyle [[L,H],K]\leq N}$.

On déduit cette forme générale de la forme particulière en passant (dans les hypothèses de la présente forme générale) aux images par l'homomorphisme canonique de G sur G/N et en se rappelant que, comme noté plus haut, f([A,B]) = [f(A), f(B)] pour tous sous-groupes A, B de G et pour tout homomorphisme f partant de G^[10].

• Corollaire du lemme des trois sous-groupes^[12].
  Si H, K et L sont des sous-groupes distingués de G, alors${\displaystyle \ [\ [L,H],K]\leq [\ [H,K],L]\ [\ [K,L],H].}$En effet, ${\displaystyle \ [\ [H,K],L]\ [\ [K,L],H]}$ est alors un sous-groupe distingué de G et on obtient facilement l'énoncé en posant ${\displaystyle \ N=[\ [H,K],L]\ [\ [K,L],H]}$ dans la forme générale du lemme des trois sous-groupes.
• Ce corollaire du lemme des trois sous-groupes permet de démontrer certaines propriétés de la suite centrale descendante d'un groupe.

Exemple

Dans le groupe du cube de Rubik, un commutateur échange deux cubes par exemple. Si maintenant on veut échanger deux cubes à un autre endroit, on prendra le conjugué d'un tel commutateur. Par exemple, les cubeurs connaissent bien l'algorithme FRUR'U'F' = [R,U]^F.

Bibliographie

• J. Petresco, Sur les commutateurs, Séminaire Dubreil, Algèbre et théorie des nombres, t. 7 (1953-1954), pp. 1-11. Consultable sur Numdam.
• N. Bourbaki, Éléments de mathématique, Algèbre, Paris, 1970, chap. 1, p. 65-68
• (en) I. Martin Isaacs, Finite Group Theory, AMS, 2008, p. 113-128.
• (en) Joseph J. Rotman (en), An Introduction to the Theory of Groups [détail de l’édition], 4^e éd.
• (en) Hans Kurzweil (de) et Bernd Stellmacher, The Theory of Finite Groups, An Introduction, 2004 (lire en ligne)
• Marie-Louise Dubreil-Jacotin et Paul Dubreil, Leçons d'algèbre moderne, Dunod, 1964, chapitre III