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jeudi 17 août 2023

Ensemble des bijections d'un ensemble dans lui-même

Soit E un ensemble. On note \mathfrak S(E) l'ensemble des bijections de E dans lui-même (voir article sur les fonctions). 

La composition des fonctions notée \circ définit une loi interne sur \mathfrak S(E). En effet, nous avons la propriété suivante :

Propriété 1. 

Si f et g sont des bijections de E\longrightarrow E, alors f\circ g est une bijection E \longrightarrow E .

De plus (f\circ g)^{-1}=g^{-1}\circ f^{-1}.

Démonstration. 

 Soit f,g des bijections E\longrightarrow E. Nous allons montrer que f\circ g est injection et une surjection.


1) Supposons que f\circ g(x)=f\circ g(y) pour x,y des éléments de E


Alors f(g(x))=f(g(y)) implique g(x)=g(y) car f est injective. 

Comme g est injective, x=y


Ainsi f\circ g est injective.


2) Soit z un élément de E


Comme f est surjective, il existe un élément y\in E tel que f(y)=z , de plus y=f^{-1}(z)

Commme g est surjective, il existe un élément x\in E tel que g(x)=y , et cet élément est x=g^{-1}(y).


On a f\circ g(x)=f(g(x))=f(y)=z


f\circ g est donc surjective.


3) Etant injective et surjective, f\circ g est bijective. Sa réciproque (f\circ g)^{-1} est l'unique fonction E\longrightarrow E telle que pour tout x,z\in E, on a l'équivalence 

(\ast) \ \ \ \ \ x=(f\circ g)^{-1}(z) \Longleftrightarrow \left(f\circ g\right)(x)=z

Notons h=g^{-1}\circ f^{-1}. h est une bijection de E \longrightarrow E car composée de telles bijections. 


Nous allons montrer que h=(f\circ g)^{-1} en montrant que pour tout z\in E , h(z)=(f\circ g)^{-1}(z)

Soit donc z\in E et soit x tel que \left(f\circ g\right)(x)=z . (D'après (\ast), x=(f\circ g)^{-1}(z)  .) 


h(z)=g^{-1}\circ f^{-1}(z)=g^{-1}\circ f^{-1}\left(f\circ g(x)\right)=g^{-1}\left(f^{-1}\left(f\left(g(x)\right)\right) \right)=g^{-1}(g(x))

car pour tout y\in E , f^{-1}\left(f\left(y\right)\right)=y (ici y=g(x) ).


Donc h(z)=g^{-1}(g(x))=x

car pour tout x\in E , g^{-1}(g(x))=x .


Ainsi, h(z)=x=(f\circ g)^{-1}(z) .

Ceci étant vrai pour tout z\in E, on en déduit que (f\circ g)^{-1}=g^{-1}\circ f^{-1}.


Aussi, la composition est une loi associative. En effet si f,g,h sont trois bijections E \longrightarrow E , alors  pour tout x\in E, on a 

(f\circ g)\circ h (x)=(f\circ g)(h (x))=(f(g(h (x))))=f(g\circ h(x))=f\circ (g\circ h)(x)

D'où (f\circ g)\circ h=f\circ (g\circ h).


Pour la loi \circ, la bijection x\longmapsto x notée \textrm{id}_E est un élément neutre car pour tout f\in \mathfrak S (E) et pour tout x\in E

f\circ \textrm{id}_E (x)=f(\textrm{id}_E(x))=f(x)=\textrm{id}_E(f(x))=\textrm{id}_E\circ f(x)

d'où f\circ \textrm{id}_E=\textrm{id}_E\circ f .


Nous avons démontré la propriété suivante.


Propriété 2.  

(\mathfrak S(E),\circ) est un groupe.


L'égalité (f\circ g)^{-1}=g^{-1}\circ f^{-1} aurait pu n'être montré qu'ici car c'est propriété vraie dans tout groupe.  

En général, (\mathfrak S(E),\circ) n'est pas un groupe commutatif, il suffit pour cela de considérer l'ensemble E=E_n=\left\{1,2,\ldots,n \right\} (avec n\geq 3) comme nous le verrons dans un article ultérieur.


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