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author | Fabrice (Polytechnique) <Fabrice.Orgogozo+git@gmail.com> | 2012-02-15 22:52:01 +0100 |
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committer | Fabrice (Polytechnique) <Fabrice.Orgogozo+git@gmail.com> | 2012-02-15 22:52:01 +0100 |
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-rw-r--r-- | chapitres/radicaux.tex | 126 |
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diff --git a/chapitres/radicaux.tex b/chapitres/radicaux.tex index 8f22dfa..51b9f18 100644 --- a/chapitres/radicaux.tex +++ b/chapitres/radicaux.tex @@ -15,6 +15,8 @@ \synctex=1 +\externaldocument{KASW} + \title{Radicaux, r\'esolubilit\'e, calculs explicites et cyclotomie} \begin{document} @@ -29,6 +31,8 @@ \section{Extensions résolubles} +\subsection{Clôture par radicaux} + \begin{convention2} Si $k$ est un corps et $n$ un entier non multiple de la caractéristique de $k$, on dit que $k$ \emph{contient les racines @@ -84,6 +88,13 @@ a paru meilleure car elle permet d'affirmer de façon non-triviale que les racines $n$-ièmes de l'unité s'expriment elles-mêmes par radicaux ! +\begin{remarque2}\label{remarque-cloture-par-radicaux-est-galoisienne} +Soit $k$ un corps et $\sigma$ un automorphisme d'une clôture séparable +$k\sep$ de $k$. Alors $k\resol$ est stable par $\sigma$ : en effet, +$\sigma(k\resol)$ est clos par radicaux et par minimalité on doit donc +avoir $\sigma(k\resol) = k\resol$. +\end{remarque2} + \begin{definition2} Soit $k$ un corps. On appelle \emph{tour d'extensions par radicaux} sur $k$ une suite $k = k_0 \subseteq k_1 \subseteq \cdots \subseteq @@ -99,9 +110,26 @@ des propriétés suivantes : \end{itemize} \end{definition2} -Le résultat suivant est essentiellement trivial : +\begin{proposition2}\label{composition-tours-extensions-par-radicaux} +Soient $k \subseteq \cdots \subseteq k'$ et $k \subseteq \cdots +\subseteq k''$ deux tours d'extensions par radicaux d'un même +corps $k$. Alors il existe une tour d'extensions $k \subseteq \cdots +\subseteq k' k''$ (la composée étant prise dans une extension commune +quelconque). +\end{proposition2} +\begin{proof} +Si $k = k_0 \subseteq k_1 \subseteq \cdots \subseteq k_r = k'$ est la +tour dans laquelle s'inscrit $k'$, on en déduit une tour $k'' = k_0 +k'' \subseteq k_1 k'' \subseteq \cdots \subseteq k_r k'' = k' k''$ +(toutes ces compositions étant entendues dans une extension commune +fixée) où toutes les étapes sont soit triviales soit une étape de tour +d'extensions par radicaux ; en mettant bout à bout cette tour $k'' +\subseteq \cdots \subseteq k' k''$ avec celle $k \subseteq \cdots +\subseteq k''$ dans laquelle s'inscrit $k''$, on a inscrit $k'k''$ +dans une tour d'extensions par radicaux comme souhaité. +\end{proof} -\begin{proposition2} +\begin{proposition2}\label{trivialite-cloture-par-radicaux} Soit $k$ un corps, dont on fixe une clôture séparable $k\sep$. Alors la clôture par radicaux $k\resol$ de $k$ (à l'intérieur de $k\sep$) est précisément la réunion de tous les corps intervenant dans une tour @@ -125,19 +153,87 @@ vérifier que $E$ est un corps, qui sera alors évidemment clos par radicaux donc contenu dans $k\resol$. Pour montrer que $E$ est un corps, il suffit de montrer que si $k'$ et $k''$ sont deux corps intervenant dans une tour d'extensions par radicaux sur $k$ incluse -dans $k\sep$, on peut trouver une tour d'extensions faisant intervenir -une extension commune à $k'$ et $k''$ (cette extension commune -permettant alors de faire la somme ou le produit d'un élément de $k'$ -et d'un élément de $k''$). Si $k = k_0 \subseteq k_1 \subseteq \cdots -\subseteq k_r = k'$ est la tour dans laquelle s'inscrit $k'$ (on peut -évidemment l'arrêter là), on en déduit une tour $k'' = k_0 k'' -\subseteq k_1 k'' \subseteq \cdots \subseteq k_r k'' = k' k''$ (toutes -ces compositions étant entendues dans $k\sep$) où toutes les étapes -sont soit triviales soit une étape de tour d'extensions par radicaux ; -en mettant bout à bout cette tour $k'' \subseteq \cdots \subseteq k' -k''$ avec celle $k \subseteq \cdots \subseteq k''$ dans laquelle -s'inscrit $k''$, on a inscrit $k'k''$ dans une tour d'extensions par -radicaux comme souhaité. +dans $k\sep$, on peut trouver une tour d'extensions par radicaux +faisant intervenir une extension commune à $k'$ et $k''$ (cette +extension commune permettant alors de faire la somme ou le produit +d'un élément de $k'$ et d'un élément de $k''$). Or on a prouvé +ci-dessus que si $k \subseteq \cdots \subseteq k'$ est la tour dans +laquelle s'inscrit $k'$ (on peut évidemment l'arrêter là), et $k +\subseteq \cdots \subseteq k''$ de même pour $k''$, on dispose d'une +tour d'extensions par radicaux $k \subseteq \cdots \subseteq k' k''$. +\end{proof} + +\subsection{Rappels sur les groupes résolubles} + +\begin{definition2} +On dit qu'un groupe fini $G$ est \emph{résoluble} lorsqu'il vérifie +les conditions équivalentes suivantes : +\begin{itemize} +\item il existe une chaîne $G = G_0 \geq G_1 \geq \cdots \geq G_r = + \{1\}$ de sous-groupes de $G$ telle que pour chaque $i$ le + sous-groupe $G_{i+1}$ soit distingué dans $G_i$ (mais non + nécessairement dans $G$) et que le quotient $G_i / G_{i+1}$ soit + \emph{cyclique d'ordre premier}, +\item (la même condition, en omettant les mots « d'ordre premier »), +\item (la même condition, en remplaçant « cyclique d'ordre premier » + par « abélien »), +\item si on note $G'$ le sous-groupe, dit \emph{groupe dérivé} + engendré par les commutateurs (éléments de la forme + $xyx^{-1}y^{-1}$) des éléments de $G$, qui est également le plus + grand sous-groupe distingué de $G$ tel que le quotient soit abélien, + alors la suite $G \geq G' \geq G'' \geq G''' \geq \cdots$ termine + en $1$ (i.e., elle ne stationne pas avant). +\end{itemize} +\end{definition2} + +\begin{proposition2}\label{enonces-standards-groupes-resolubles} +Un sous-groupe et un quotient d'un groupe résoluble sont résolubles. +Un groupe dont un quotient par un sous-groupe distingué résoluble est +résoluble est lui-même résoluble. +\end{proposition2} + +On renvoie par exemple à \cite[théorèmes 5.15 à 5.23]{Rotman} pour une +démonstration ces différentes affirmations. + +\subsection{Extensions par radicaux et groupes de Galois résolubles} + +\begin{proposition2} +Soit $K\bo k$ une extension de corps finie séparable. Il y a +équivalence entre : +\begin{itemize} +\item il existe une tour d'extensions par radicaux $k \subseteq \cdots + \subseteq k'$ telle que $K \subseteq k'$, +\item le corps $K$ est inclus dans $k\resol$ (pour une clôture + séparable $k\sep$ de $K$), +\item le groupe de Galois de la clôture galoisienne de $K$ sur $k$ est + résoluble. +\end{itemize} +\end{proposition2} +\begin{proof} +L'équivalence entre les deux premières affirmations a déjà été prouvée +en \ref{trivialite-cloture-par-radicaux}. + +Supposons maintenant la première propriété vérifiée, et on veut +montrer que le groupe de Galois de la clôture galoisienne de $K$ +sur $k$ est résoluble. On peut agrandir $K$ (sachant que si on prouve +que le groupe de Galois de la clôture galoisienne est résoluble après +agrandissement, il l'était à plus forte raison avant +d'après \ref{enonces-standards-groupes-resolubles} et spécifiquement +la stabilité de « résoluble » par quotient) : on peut donc supposer +qu'on a une tour $k \subseteq \cdots \subseteq K$ d'extensions par +radicaux. Quitte à remplacer $K$ par sa clôture galoisienne, +c'est-à-dire la composée de ses conjuguées par les différents +automorphismes de $k\sep$ sur $k$, +d'après \ref{composition-tours-extensions-par-radicaux}, on peut +supposer que $K \bo k$ est galoisienne et toujours qu'on a une tour $k += k_0 \subseteq \cdots \subseteq k_r = K$ d'extensions par radicaux. +En appelant $G = \Gal(K/k)$ et $G_i = \Gal(K\bo k_i)$, on a $G = G_0 +\geq G_1 \geq \cdots \geq G_r = \{1\}$ et les suppositions faites sur +l'extension $k_{i+1}\bo k_i$ garantissent que $G_i/G_{i+1}$ est +cyclique d'après \refext{KASW}{extension Kummerienne est de groupe + cyclique} et \refext{KASW}{extension AS est de groupe Z sur p}. + +\XXX \end{proof} |