Un exercice "simple" sur les groupes

oudich
Modifié (September 2024) dans Algèbre
Bonjour.

Je bloque sur cet exercice : 

Soit $G$ un groupe (noté multiplicativement).
On suppose qu'il existe un entier naturel $n$ supérieur ou égal à $3$ tel que, pour tout $k$ appartenant à $\{n-1, n, n+1 \}$ et pour tous $x, y$ dans $G$, l'on ait $(xy)^{k} = x^k y^k$. Montrer que $G$ est abélien.

Bien que je sèche dessus, je me suis permis, dans le titre, de le qualifier de simple dans la mesure où ça n'utilise pas grand chose à part les manipulations classiques (simplifications à gauche, à droite, passage aux inverses …).

A force de tourner en rond, je me suis intéressé au cas $n=3$ (si l'on met la main sur les astuces pour ce cas, ça ne doit, je l'espère, pas être trop difficile à généraliser).
Partant des égalités $(xy)^2 =x^2 y^2$ et $(xy)^3 = x^3y^3$, on peut obtenir : 

$x = x^{-1}(xy)^2 y^{-2} = (xy)^2 y^{-2}x^{-1}$
et 
$x = x^{-2}(xy)^3 y^{-3} = (xy)^3 y^{-3}x^{-2}$

On en déduit alors :
$(xy)^2 y^{-2}x^{-1} = (xy)^3 y^{-3}x^{-2}$
puis : 
$y^{-2}=xy y^{-3} x^{-1}$ et donc : $y^{-2}x = x y^{-2}$
ce qui montre que $x$ et $y^{-2}$ commutent.
On obtient alors facilement que $x^{-1}$ et $y^2$ commutent aussi.
Mais a priori rien qui permettrait de passer au fait que $x$ et $y$ commutent.

Auriez-vous une idée ?
Je vous remercie.

Réponses

  • De $xyxy =xxyy$, on peut déjà conclure quelque chose !
  • Merci pour ce retour Georges Abitbol.

    Alors oui on a bien $xyxy = (xy)^2 = x^2 y^2 = xxyy$.
    On obtient alors (en simplifiant à gauche par $x$ et à droite par $y$) : $yx = xy $

    Auquel cas, on a alors solutionné l'exercice dans le cas $n=3$.
    J'essaye donc de voir comment généraliser.

    Merci encore et bonne soirée.
  • jean-éric
    Modifié (September 2024)
    Bonsoir,

    Cet énoncé m'a fait penser à celui en pièce jointe de le Revue de math de Sciences Physiques 1976-1977 page 10, éditeur Vuibert.

    Bien cordialement-.


    PS : Question 3b) Si $G$ vérifie $(P_n)$ et $(P_m)$ alors $G$ vérifie $(P_{mn})$.
  • La question initiale se résout très rapidement.

    De $P_n$ et $P_{n+1}$ on déduit $x^{n+1}y^{n+1}=xyx^ny^n$ d'où $x^ny=yx^n$.

    De même avec $P_n$ et $P_{n-1}$ on déduit $x^{n-1}y=yx^{n-1}$.

    Par suite $x^{n-1}xy=yx^n=x^{n-1}yx$ donc $xy=yx$.

    C'est valable pour $n\in\Z$.
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