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Dénombrement de Burnside

Algèbre · leçon socle (gratuite)

L2L3Maths ingénieur

Actions de groupe, orbites & lemme de Burnside

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,)(G,\cdot) sur un ensemble XX est une application G×XXG\times X\to X, (g,x)gx(g,x)\mapsto g\cdot x, telle que

ex=x,g(hx)=(gh)x(g,hG, xX).e\cdot x=x,\qquad g\cdot(h\cdot x)=(g\,h)\cdot x\qquad(\forall g,h\in G,\ \forall x\in X).
De façon équivalente, c'est un morphisme GSym(X)G\to\operatorname{Sym}(X) : chaque gg agit comme une permutation de XX.

Action Ensemble XX gxg\cdot x
naturelle de SnS_n {1,,n}\{1,\dots,n\} σi=σ(i)\sigma\cdot i=\sigma(i)
rotations CnC_n nn positions d'un collier décalage circulaire
translation (Cayley) GG lui-même gx=gxg\cdot x=gx
conjugaison GG lui-même gx=gxg1g\cdot x=gxg^{-1}

B. Orbites & stabilisateurs

Pour xXx\in X :

  • l'orbite O(x)={gx:gG}\mathcal O(x)=\{g\cdot x:g\in G\} — les objets « équivalents » à xx ;
  • le stabilisateur Stab(x)={gG:gx=x}\mathrm{Stab}(x)=\{g\in G:g\cdot x=x\}, qui est un sous-groupe de GG.

La relation xy    g, y=gxx\sim y\iff\exists g,\ y=g\cdot x est une équivalence : les orbites partitionnent XX. Compter les objets à symétrie près, c'est compter les orbites.

 Orbite-stabilisateur :O(x)Stab(x)=G(G fini). \boxed{\ \textbf{Orbite-stabilisateur :}\quad \lvert\mathcal O(x)\rvert\cdot\lvert\mathrm{Stab}(x)\rvert=\lvert G\rvert\quad(G\text{ fini}).\ }

C. Points fixes

Pour gGg\in G, l'ensemble des points fixes est Fix(g)={xX:gx=x}\mathrm{Fix}(g)=\{x\in X:g\cdot x=x\}. À ne pas confondre avec le stabilisateur : Stab(x)\mathrm{Stab}(x) fixe un point xx et fait varier gg ; Fix(g)\mathrm{Fix}(g) fixe une transformation gg et fait varier xx.

D. Lemme de Burnside (Cauchy–Frobenius)

 N=1GgGFix(g) (N=nombre d’orbites).\boxed{\ N=\frac{1}{\lvert G\rvert}\sum_{g\in G}\lvert\mathrm{Fix}(g)\rvert\ }\qquad(N=\text{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):gx=x}S=\{(g,x):g\cdot x=x\} : compté par gg il vaut gFix(g)\sum_g\lvert\mathrm{Fix}(g)\rvert ; compté par xx il vaut

xStab(x)=xGO(x)=GN.\sum_x\lvert\mathrm{Stab}(x)\rvert=\sum_x\dfrac{\lvert G\rvert}{\lvert\mathcal O(x)\rvert}=\lvert G\rvert\cdot N.

E. Recette pour les coloriages

On colorie nn objets avec qq couleurs ; un groupe GG de permutations des objets agit. Une coloration est fixée par gg si et seulement si elle est constante sur chaque cycle de gg, donc

Fix(g)=qc(g)(c(g)=nombre de cycles de g),\lvert\mathrm{Fix}(g)\rvert=q^{\,c(g)}\qquad\big(c(g)=\text{nombre de cycles de }g\big),
et le nombre de coloriages distincts est  N=1GgGqc(g).\ N=\dfrac{1}{\lvert G\rvert}\displaystyle\sum_{g\in G}q^{\,c(g)}.

Colliers (rotations CnC_n, et CnUnC_n\cong\mathbb U_n — racines nn-ièmes de l'unité). La rotation d'un cran à la puissance kk découpe les positions en gcd(k,n)\gcd(k,n) cycles, d'où

N=1nk=0n1qgcd(k,n)=1ndnφ ⁣(nd)qd.N=\frac1n\sum_{k=0}^{n-1}q^{\gcd(k,n)}=\frac1n\sum_{d\mid n}\varphi\!\left(\tfrac{n}{d}\right)q^{d}.

Six colliers circulaires de quatre perles bicolores, représentant les six classes distinctes à rotation près : tout blanc, tout noir, une noire, trois noires, et deux noires adjacentes puis opposées.
Les 66 colliers à 44 perles, 22 couleurs (rotations C4C_4). Le lemme de Burnside donne N=16+2+4+24=6N=\dfrac{16+2+4+2}{4}=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][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 pp-groupe
  • C. Théorème de Cauchy par l'action
  • D. Théorème de Pólya
  • E. Théorèmes de Sylow

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