Idée. Combien d'objets vraiment différents existe-t-il quand on identifie ceux qui se déduisent l'un de l'autre par une symétrie ? Colliers que l'on peut tourner, faces d'un dé, coloriages d'un échiquier… Le lemme de Burnside ramène ce comptage « à symétrie près » à une simple moyenne de points fixes.
Note de niveau (L3). Chapitre démonstratif (les exercices sont des preuves) prolongeant Théorie des groupes (actions, théorème orbite-stabilisateur). Les valeurs de dénombrement sont vérifiées machine sur des instances finies ; les raisonnements se rédigent.
A. Action d'un groupe
Une action (à gauche) d'un groupe (G,⋅) sur un ensemble X est une application G×X→X, (g,x)↦g⋅x, telle que
e⋅x=x,g⋅(h⋅x)=(gh)⋅x(∀g,h∈G,∀x∈X).
De façon équivalente, c'est un morphismeG→Sym(X) : chaque g agit comme une permutation de X.
Action
Ensemble X
g⋅x
naturelle de Sn
{1,…,n}
σ⋅i=σ(i)
rotations Cn
n positions d'un collier
décalage circulaire
translation (Cayley)
G lui-même
g⋅x=gx
conjugaison
G lui-même
g⋅x=gxg−1
B. Orbites & stabilisateurs
Pour x∈X :
l'orbiteO(x)={g⋅x:g∈G} — les objets « équivalents » à x ;
le stabilisateurStab(x)={g∈G:g⋅x=x}, qui est un sous-groupe de G.
La relation x∼y⟺∃g,y=g⋅x est une équivalence : les orbites partitionnentX. Compter les objets à symétrie près, c'est compter les orbites.Orbite-stabilisateur :∣O(x)∣⋅∣Stab(x)∣=∣G∣(G fini).
C. Points fixes
Pour g∈G, l'ensemble des points fixes est Fix(g)={x∈X:g⋅x=x}. À ne pas confondre avec le stabilisateur : Stab(x) fixe un pointx et fait varier g ; Fix(g) fixe une transformationg et fait varier x.
D. Lemme de Burnside (Cauchy–Frobenius)
N=∣G∣1g∈G∑∣Fix(g)∣(N=nombre d’orbites).
Autrement dit : le nombre d'orbites est la moyenne du nombre de points fixes.Idée de preuve — double comptage de l'ensemble S={(g,x):g⋅x=x} : compté par g il vaut ∑g∣Fix(g)∣ ; compté par x il vaut x∑∣Stab(x)∣=x∑∣O(x)∣∣G∣=∣G∣⋅N.
E. Recette pour les coloriages
On colorie n objets avec q couleurs ; un groupe G de permutations des objets agit. Une coloration est fixée par gsi et seulement si elle est constante sur chaque cycle de g, donc
∣Fix(g)∣=qc(g)(c(g)=nombre de cycles de g),
et le nombre de coloriages distincts est N=∣G∣1g∈G∑qc(g).
Colliers (rotations Cn, et Cn≅Un — racines n-ièmes de l'unité). La rotation d'un cran à la puissance k découpe les positions en gcd(k,n) cycles, d'où
N=n1k=0∑n−1qgcd(k,n)=n1d∣n∑φ(dn)qd.
Les 6 colliers à 4 perles, 2 couleurs (rotations C4). Le lemme de Burnside donne N=416+2+4+2=6 : un tout blanc, un tout noir, un à une perle noire, un à trois, et deux à deux perles noires (adjacentes ou opposées). C'est exactement la répartition de Pólya [1,1,2,1,1] par nombre de perles noires.
Dans le palier approfondissement (Pro) : Équation des classes, Cauchy, Pólya & Sylow
A. Action par conjugaison & équation des classes
B. Centre d'un p-groupe
C. Théorème de Cauchy par l'action
D. Théorème de Pólya
E. Théorèmes de Sylow
La suite dans l'app Maths Post-Bac
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