Un peu de géométrie des groupes

15 octobre 2004  - Rédigé par  Gilbert Levitt Voir les commentaires

Les groupes discrets apparaissent dans tous les domaines des mathématiques, et même chez Escher. Ils sont définis algébriquement, mais on les comprend souvent mieux en les faisant agir sur des objets géométriques. De plus en plus, on les considère comme des êtres géométriques à part entière. Leurs propriétés sont particulièrement remarquables lorsque la courbure est négative.

1. Quelques groupes

Nous considérons un groupe $G$, en général non commutatif (voir
encadré).
Nous le noterons multiplicativement, l’élément neutre
étant noté
$1_G$ ou seulement $1$. Les groupes qui nous intéresseront le plus seront
de type fini
, c’est-à-dire pouvant être engendrés par un nombre fini
d’éléments. Voyons quelques exemples.

  • Le groupe abélien libre $ \mathbf {Z}^2$, ou $\mathbf {Z}\times\mathbf {Z}$, ou $\mathbf {Z} \oplus \mathbf {Z}$,
    est l’ensemble des couples d’entiers
    $(m,n)$, avec l’addition $(m,n)+(m',n')=(m+m',n+n')$. Pour le noter
    multiplicativement, posons
    $a=(1,0)$, $b=(0,1)$, et voyons $\mathbf {Z}^2$ comme l’ensemble des $a^mb^n$ muni de la
    multiplication $(a^mb^n)(a^{m'}b^{n'})=a^{m+m'}b^{n+n'}$. L’élément neutre
    $a^0b^0$ est noté $1$, l’inverse de $a^mb^n$ est $a^{-m}b^{-n}$.
  • Considérons sur la droite réelle $\mathbf {R}$ le groupe affine $Aff(\mathbf {R})$
    formé des homothéties et des translations, c’est-à-dire les
    transformations
    de la forme $x\mapsto ax+b$ avec $a,b$ réels et $a\neq0$, le produit
    étant la
    composition
    $(f\circ g) (x)=f(g(x))$. C’est un groupe « continu » (groupe de Lie), mais nous
    pouvons considérer des sous-groupes de type fini, par exemple le groupe
    $G_1$ engendré par $t:x\mapsto x+1$ et $h:x\mapsto2x$.
    On vérifie que $G_1$
    est l’ensemble des transformations $\varphi _{mnp}$ de la forme $\varphi _{mnp}(x)=2^mx+\frac n{2^p}$, avec $m,n,p$ entiers (voir encadré).
  • Le groupe $GL(n,\mathbf {R})$ des matrices $n\times n$ à coefficients réels
    qui sont inversibles (c’est-à-dire de déterminant $\neq0$) est aussi un
    groupe
    de Lie. Les matrices à coefficients entiers ne forment pas un sous-groupe
    car le
    déterminant apparaît au dénominateur quand on calcule l’inverse d’une
    matrice. Mais
    $SL(n,\mathbf {Z})$, l’ensemble des matrices à coefficients entiers et de
    déterminant
    $1$, est un sous-groupe, et nous considérons le groupe $G_2\subset SL(2,\mathbf {Z})$
    engendré par $A= \begin{pmatrix} 1&2\\0&1\end{pmatrix}$ et
    $B= \begin{pmatrix} 1&0\\ 2&1 \end{pmatrix}.$

2. Groupes libres

Dans un espace vectoriel $V$ sur un corps $K$, le sous-espace vectoriel
engendré
par $\{v_1,\dots,v_k\}$ est l’ensemble des combinaisons linéaires
$\sum_{i=1}^k\lambda _iv_i$, avec $\lambda _i\in K$. Les éléments
$v_1,\dots,v_k$ sont indépendants si deux combinaisons linéaires
différentes
représentent toujours des éléments différents de $V$, ou de façon
équivalente s’il n’existe pas de relation $\sum_{i=1}^k\lambda _iv_i=0$
avec les
$\lambda _i$ non tous nuls. Le sous-espace engendré est alors de
dimension $k$,
il est isomorphe à $K^k$.

Dans un groupe $G$, le sous-groupe engendré par $\{g_1,\dots,g_k\}$ est
l’ensemble des éléments de $G$ pouvant s’écrire comme un mot
réduit

$g_{i_1}^{n_1}\dots g_{i_p}^{n_p}$, où les $n_i$ sont des entiers non nuls et
$i_j\neq i_{j+1}$. Par exemple, $a^2$, $b^{-1} c$, $c^{-3}a^3b^2acb^{-5}$ sont des
mots en $a,b,c$. On prend garde de ne pas oublier le mot vide, noté $1$, qui
représente le neutre $1_G$. La
longueur $|W|$ d’un mot $W$ est le nombre total de lettres, en tenant
compte des puissances ; ainsi $|c^{-3}a^3b^2acb^{-5}|=15$.

On dira que $g_1,\dots,g_k$ sont indépendants (ou forment une
famille libre
) si deux mots réduits différents représentent
toujours deux
éléments différents de $G$, ou de façon équivalente s’il n’existe pas
de relation non triviale $g_{i_1}^{n_1}\dots g_{i_p}^{n_p}=1$. Ainsi la
famille $\{g\}$ (constituée du seul élément $g$) est libre si et
seulement si
il n’y a pas de relation non triviale $g^n=1$, c’est-à-dire si $g$ est d’ordre
infini. Dans les exemples ci-dessus, les familles $\{a,b\}\subset \mathbf {Z}^2$ et
$\{h,t\}\subset G_1$ ne sont pas libres,
à cause des relations
$ab=ba$ et
$hth^{-1} =t^2$. Nous allons par contre montrer, en utilisant la technique dite du
ping-pong, que les matrices $A$ et $B$ sont indépendantes dans
$SL(2,\mathbf {Z})$.

Pour cela, faisons agir $SL(2,\mathbf {Z})$ sur $P=\mathbf {R}\cup\{\infty\}$ (la droite
projective
réelle) en associant à $M= \begin{pmatrix} a&b\\ c&d \end{pmatrix}$ l’homographie $h_M:x\mapsto\frac{ax+b}{cx+d}$ (avec les
conventions usuelles, en particulier $h_M(-\frac dc)=\infty$ et
$h_M(\infty)=\frac ac$ si $c\neq0$). La définition est faite pour que $h_{MN}=h_Mh_N$.

Soit $P_A=]-1,1[$, et soit $P_B$ le complémentaire de $[-1,1]$. On a
$h_A(x)= x+2$, et par conséquent $h_A ^n(P_A)\subset P_B$ pour tout
$n\neq0$. On
a de même $h_B(x)=\frac x {2x+1}$ et $h_B ^n(P_B)\subset P_A$ pour
$n\neq0$. Nous
allons maintenant jouer au ping-pong avec $P_A$ et $P_B$.

Pour montrer
l’indépendance de $A$ et $B$, considérons un mot réduit non trivial, par
exemple $W=B^2AB^{-3}A^5$. Appliquons $h_W=h_B^2h_Ah_B^{-3}h_A^5$ à $P_A$.
L’élément $h_A^5$ l’envoie dans $P_B$, l’élément $h_B^{-3}$ le renvoie
dans $P_A$, etc., et finalement $h_W(P_A)$ est contenu dans $P_A$, sans lui
être
égal. Cela empêche $h_W$ d’être l’identité, et donc
$W$ d’être
égal à $1$ dans $SL(2,\mathbf {Z})$, cqfd. Ce raisonnement s’applique à tout
mot $W$
commençant par une puissance de $B$ et se terminant par une puissance de $A$.
Les autres cas se traitent de manière analogue : si
$W$ commence et se termine par une puissance de $A$, on a
$h_W\neq id$ car $h_W(P_A)\subset P_B$ ; si $W$ se termine par une puissance
de $B$,
on applique
$h_W$ à $P_B$.

Puisque $A$ et $B$ sont indépendants, tout élément de $G_2$ s’écrit
de
façon unique
comme un mot réduit en $A$ et $B$. À ce point on peut
oublier que
$A$ et $B$ sont des matrices, et voir $G_2$ comme l’ensemble $F(A,B)$
des mots réduits en deux symboles abstraits $A$ et $B$. La multiplication
consiste à juxtaposer et réduire ; par exemple
$(B^2AB^{-3}A^5)(A^{-5}BA^4)=B^2AB^{-2} A^4$, et l’inverse de
$B^2AB^{-3}A^5$ est
$A^{-5}B^3A^{-1}B^{-2}$. On dit que $G_2$ est le
groupe libre de rang 2, souvent noté $F_2$. On définit de même
$F_n$, le groupe libre de rang $n$, pour $n>2$.

Beaucoup de groupes contiennent des groupes libres. On montre par exemple
que deux
rotations de la sphère prises au hasard engendrent un groupe
libre, les transformations $x\mapsto x+1$ et $x\mapsto x^3$ sur $\mathbf {R}$ aussi.

Le groupe $F_2$ contient des familles libres arbitrairement grandes : on voit
facilement que la famille infinie $\{A^nBA^{-n}\}_{n\in \mathbf {N}}$ est libre, car les
$B$ ne se simplifient pas quand on multiplie ces éléments. Le groupe
libre de
rang
$2$ contient donc des groupes libres de rang quelconque, et même des
groupes qui
ne sont pas de type fini. Le théorème de Nielsen-Schreier garantit que tout
sous-groupe d’un groupe libre est libre, c’est-à-dire qu’il est engendré par
une famille libre.

Groupes

Un groupe est un ensemble dans lequel on peut multiplier et inverser les
éléments. Le produit doit être associatif : on a $(xy)z=x(yz)$, et on
note simplement $xyz$. Par contre, le produit n’est pas forcément
commutatif : on
peut avoir
$xy\neq yx$. L’inverse de $x$ est noté $x^{-1}$. Il vérifie
$xx^{-1}=x^{-1}x=1$, où
$1$ désigne l’élément neutre, caractérisé par $1x=x1=x$.

Par exemple, l’ensemble des permutations d’un ensemble à $n$ éléments
est un
groupe fini, le groupe symétrique $S _n$ ; le produit de deux permutations
$\sigma $ et $\tau $ est la permutation composée, définie par $(\sigma \circ\tau )(i)=\sigma (\tau (i))$. Les matrices $n\times n$ à coefficients
réels qui sont inversibles (c’est-à-dire de déterminant $\neq0$)
forment un
groupe pour le produit matriciel.

Si $X$ est un ensemble quelconque muni d’une certaine
structure, les transformations inversibles préservant la structure forment un
groupe (le produit étant toujours la composition, consistant à
appliquer les
transformations successivement). Si par exemple $X$ est le plan euclidien
(muni de
la distance habituelle), on obtient le groupe des isométries, qui contient en
particulier les rotations, les translations, les symétries orthogonales par
rapport
à des droites.

Sous-groupes

Une partie $A$ d’un groupe $G$ est un sous-groupe si c’est elle-même un
groupe pour le produit de $G$. Il faut et il suffit pour cela que $ab$ et
$a^{-1}$
soient dans
$A$ chaque fois que $a$ et $b$ y sont. Si $A$ n’est pas un sous-groupe, il
existe
un plus petit sous-groupe contenant $A$, c’est le sous-groupe
engendré
par
$A$. Lorsque le sous-groupe engendré par $A$ est $G$ tout entier, on dit que
$A$ engendre $G$. Le groupe $G$ est de type fini s’il peut être
engendré par une partie finie.

Montrons par exemple que le sous-groupe $G_1$ engendré par $t:x\mapsto x+1$ et
$h:x\mapsto2x$ dans le groupe Aff$(\mathbf {R})$ des transformations affines de
$\mathbf {R}$ se compose des $\varphi _{mnp}$ de la forme $\varphi _{mnp}(x)=2^mx+ {{n}\over{2^p}}$, avec $m,n,p$ entiers.
Les formules \[(\varphi _{mnp}\varphi _{m'n'p'})(x)=\varphi _{mnp}(\varphi _{m'n'p'}(x))=2^{m+m'}x+{{2^{m+p}n'+2^{p'}n}\over{2^{p+p'}}} =\varphi _{m"n"p"}(x) \] avec $m"=m+m'$, $n"= 2^{m+p}n'+2^{p'}n$, $p"=p+p'$, et $\varphi _{mnp}^{-1}=\varphi _{m'n'p'}$ avec $m'=-m$, $n'=-n$, et $p'=m+p$, montrent que
l’ensemble des
$\varphi _{mnp}$ est un sous-groupe. Il contient $h$ et $t$, et c’est le plus
petit car
$\varphi _{mnp}=h^{-p} t^n h^{m+p}$ est contenu dans tout sous-groupe
contenant
$h$ et $t$.

Si $G$ est un groupe fini, et $A$ est un sous-groupe, le cardinal de $A$ divise
celui de $G$. Le quotient est le nombre de classes de $G$ modulo $A$,
appelé
indice
de
$A$. Ce nombre est encore défini lorsque
$G$ est infini, mais il peut être infini. S’il existe un entier $N$ tel que,
à chaque fois que l’on se donne
$g_0,g_1,\dots,g_N\in G$, on peut trouver $i\neq j$ avec
$g_ig_j^{-1}\in A$, alors le plus petit de ces entiers $N$ est l’indice de $A$.
Sinon, l’indice de $A$ est infini. Par exemple, l’ensemble des entiers multiples
de $d$ forme un sous-groupe de $\mathbf {Z}$ qui est d’indice $d$ pour $d>0$,
alors que
$A=\{0\}$ est d’indice infini.

3. L’alternative de Tits

Nous avons déjà remarqué que $G_1$ n’est pas libre, car ses
générateurs
vérifient
$hth^{-1} =t^2$. Pour obtenir d’autres relations, remarquons que
dans Aff$(\mathbf {R})$, et donc dans $G_1$, tout commutateur
$[g_1,g_2]=g_1g_2g_1^{-1} g_2^{-1} $ est une translation, et que deux translations
commutent. On a donc
$[g_1,g_2][g_3,g_4]=[g_3,g_4][g_1,g_2]$ pour tous $g_1,g_2,g_3,g_4\in G_1$. Cette
relation « universelle » exprime que $G_1$ est métabélien, ou encore
résoluble de classe $2$.

Plus généralement, on dit que $G$ est
résoluble de classe $\le p$ si le sous-groupe engendré par tous les
commutateurs $[g_1,g_2]$ est résoluble de classe $\le p-1$, c’est-à-dire si
$2^p$
éléments quelconques de $G$ vérifient une certaine identité
formée à partir de commutateurs itérés. Les groupes résolubles
sont ceux
que l’on peut obtenir par extensions à partir de groupes commutatifs. La
non-résolubilité par radicaux des équations algébriques de degré
$5$ est
due à la non-résolubilité du groupe symétrique $S_5$ (théorie de
Galois).

On vérifie facilement que, pour tout corps $K$, le sous-groupe de $GL(n,K)$
formé des matrices triangulaires supérieures inversibles est résoluble (de
classe $n$). La célèbre alternative de Tits (1972) affirme que,
si le
groupe de type fini $G$ est linéaire, c’est-à-dire isomorphe à un
sous-groupe d’un
$GL(n,K)$, alors ou bien $G$ contient un sous-groupe isomorphe à $F_2$,
ou bien
un sous-groupe d’indice fini de $G$ (voir encadré) est résoluble. Autrement
dit, ou bien
$G$ contient des familles libres arbitrairement grandes, ou bien (à
indice fini
près) les éléments de $G$ vérifient une relation universelle.
L’alternative de Tits a été étendue à d’autres groupes, ainsi
Bestvina, Feighn et Handel l’ont récemment montrée pour les sous-groupes du
groupe
$Out(F_n)$ des automorphismes d’un groupe libre de rang fini, modulo les
conjugaisons.

4. Relations et présentations

Si un groupe $G$ n’est pas libre, des mots réduits différents peuvent
représenter le même élément : on dit qu’ils sont équivalents. Le
problème du mot consiste à décider (algorithmiquement) si
deux mots
donnés sont ou non
équivalents. Il suffit en fait de savoir décider quels mots sont
triviaux
, c’est-à-dire représentent l’élément neutre
$1_G$.

C’est facile dans $\mathbf {Z}^2$, qui est commutatif. Il est par exemple immédiat pour
nous que
$a^{100}b^{100}a^{-100}b^{-100}=1$. Mais une machine qui ne saurait qu’appliquer
mécaniquement la relation de base
$ab=ba$ (et, soyons généreux, les relations
$a^{\pm1}b^{\pm1}=b^{\pm1}a^{\pm1}$) trouverait pénible de montrer cette
égalité : il lui faudrait en effet faire passer séparément chacun
des cent
$a^{-1}$
à gauche de chaque $b$, soit $10\,000$ opérations pour un mot de longueur
$400$. De manière générale, le nombre d’opérations nécessaires pour
montrer la trivialité d’un mot de longueur $n$ est, dans le pire des
cas,
de l’ordre de
$n^2$ pour $n$ grand.
On parle pour $\mathbf {Z}^2$
d’ inégalité isopérimétrique quadratique.

L’interprétation géométrique est la suivante (voir figure). Quadrillons le
plan par un grillage dont les barreaux horizontaux sont orientés vers la
droite
et portent la lettre $a$, les barreaux verticaux étant orientés vers le haut
et portant
$b$. Fixons un sommet $E$ de ce graphe comme origine. Un mot en $a$ et $b$ se
représente alors comme un chemin issu de $E$, par exemple $a^2b^{-1} a^{-1} b^{-1} $
fait aller deux unités vers la droite, une vers le bas, une vers la
gauche, une
vers le bas.

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Figure.1
Les mots $a^2b^{-1} a^{-1} b^{-1} a^{-1} b^{-1} a^{-1} ba^{-1} b$ et $a^{-2}b^{-1}$
représentent le même élément de $\mathbf {Z}^2$ : les chemins associés ont la
même extrémité $F$.

On remarque que deux mots sont équivalents si et seulement
si les chemins associés ont la même extrémité : par exemple
$a^2b^{-1} a^{-1} b^{-1} a^{-1} b^{-1} a^{-1} ba^{-1} b$ est équivalent à
$a^{-2}b^{-1}$. En
particulier, les sommets du graphe s’identifient avec les
éléments de $\mathbf {Z}^2$, et un mot est trivial si et seulement si le chemin
associé est un lacet (il se referme en
$E$). Ainsi
$a^{100}b^{100}a^{-100}b^{-100}$ représente le bord d’un carré de côté
$100$. Appliquer la relation $a^{\pm1}b^{\pm1}=b^{\pm1}a^{\pm1}$ revient à
faire traverser au lacet une maille du grillage, et $10\,000$ est simplement
l’aire du carré.

L’exposant $2$ obtenu plus haut est ainsi celui par lequel s’exprime l’aire d’un
carré en fonction de son côté. On voit l’analogie avec
l’inégalité isopérimétrique classique majorant l’aire bordée par une
courbe plane par le carré de sa longueur (divisé par $4\pi $,
mais peu
importe ici).

Revenant à l’algèbre, nous allons maintenant expliquer comment résoudre le
problème du mot dans
$G_1$ en utilisant uniquement la relation $hth^{-1} t^{-2}=1$. Grâce aux
équations
$ht^{\pm1} =t^{\pm2}h$ et $t^{\pm1}h^{-1} =h^{-1} t^{\pm2}$, on peut dans
un mot faire passer toutes les puissances positives de $h$ à la droite du mot
et toutes les puissances négatives à gauche. En d’autres termes, un mot
quelconque $W$ est équivalent dans $G_1$ à un mot de la forme
$h^{-m}t^nh^p$ avec $m,p\ge0$. Un tel mot représente la transformation
$x\mapsto 2^{p-m}x+2^{-m}n$, qui est l’identité si et seulement si $n=0$ et
$p=m$, c’est-à-dire si le mot est vide. Donc $W=1$ dans $G_1$ si et seulement
si le mot $h^{-m}t^nh^p$ associé à $W$ est le mot vide : le problème
du mot
est résolu.

Ce raisonnement montre en fait que toutes les relations vérifiées par $h$ et
$t$ se déduisent formellement de la relation $hth^{-1} t^{-2}=1$.
On dit
que $G_1$ est présenté par les éléments $h$ et $t$ soumis à la
relation
$hth^{-1} t^{-2}=1$.

De manière générale, on dit que $G=$,
où les $r_j$ sont des mots en les $g_i$, est une présentation de $G$
si $G$ est engendré par des
éléments
$g_i$ vérifiant les relations $r_j=1$, et si toute relation entre les $g_i$ se
déduit formellement des relations $r_j=1$ (plus précisément, $G$ est
isomorphe au quotient du groupe libre $F(g_1,\dots ,g_k)$ par le sous-groupe
formé des produits de conjugués des $r_j$ et de leurs inverses).

Fixons un entier $m$, et demandons maintenant à une machine
de montrer la relation
$[h^mth^{-m},t]=1$ à partir de $hth^{-1} t^{-2}=1$. C’est facile pour nous, qui
pouvons voir que
$h^mth^{-m}=t^{2^m}$. Mais pour la machine le nombre d’opérations sera de
l’ordre de $2^m$, donc une fonction exponentielle de la longueur de
$[h^mth^{-m},t]$ (égale à $4m+4$). Les mots $[h^mth^{-m},t] $ étant
représentatifs du cas général,
$G_1$ vérifie une inégalité isopérimétrique exponentielle.

5. La fonction de Dehn

Étant donné une présentation
finie $G=\,$, nous allons définir la
fonction de Dehn $\varphi (n)$
, dont la croissance détermine
l’inégalité
isopérimétrique vérifiée par $G$. Un remplacement tel que
$a^{\pm1}b^{\pm1}\mapsto b^{\pm1}a^{\pm1}$ ou
$ht^{-1} \mapsto t^{\pm2}h$ revient à multiplier le mot par un conjugué d’un
$r_j ^{\pm1}$, et un mot $W$ est trivial dans $G$ si et seulement si
dans le groupe libre $F(g_1,\dots ,g_k)$ on peut
écrire
$W=\prod_{m=1}^su_m r_{j_m}^{\pm1} u_m^{-1} $. Pour chaque mot
trivial $W$, on considére le plus petit $s$ possible, et $\varphi (n)$ est
le maximum de ces $s$ pour tous les mots triviaux de longueur $\le n$.

La
fonction de Dehn dépend de la présentation, mais la manière dont elle
croît (quadratique, exponentielle, etc...) ne dépend que de $G$.
Nous avons dit que $\varphi $ est quadratique pour $\mathbf {Z}^2$ et exponentielle pour
$G_1$, voici un exemple de $\varphi $ linéaire.

Soit $G_3$ le groupe de
présentation $\langle a,b,c,d^{-1} d aba^{-1} b^{-1} cdc^{-1} d^{-1} \rangle$ (groupe
fondamental de la surface fermée orientable
de genre $2$).
Étant donné un mot $W$ en $a,b,c,d$, nous pouvons le
raccourcir s’il contient plus de la moitié de la relation, ou de son inverse,
à permutation circulaire près. On peut ainsi remplacer
$aba^{-1} b^{-1} c$ par $dcd^{-1} $, $d^{-1} c^{-1} bab^{-1} $ par $c^{-1} d^{-1} a$, $dc^{-1} d^{-1} ab$
par $c^{-1} ba$, etc. On réduit alors le mot obtenu (si l’on peut), et on
recommence autant que possible.

Dehn a montré (vers 1910) que dans $G_3$ cet algorithme, dit
algorithme de
Dehn
, résout le problème du mot :
$W$ représente $1$ si, mais surtout seulement si, l’algorithme
aboutit au
mot vide. La longueur du mot diminuant à chaque itération, le nombre
d’opérations est majoré par la longueur du mot :
$G_3$ vérifie une inégalité isopérimétrique linéaire.

Les groupes dans lesquels le problème du mot se résout par l’algorithme de
Dehn (raccourcir le mot s’il contient plus de la moitié d’une relation)
ont une
fonction de Dehn au plus linéaire. Réciproquement, on montre qu’un
groupe à
fonction de Dehn au plus linéaire admet une présentation pour laquelle
l’algorithme de Dehn s’applique. Ces groupes sont en fait les groupes
hyperboliques
définis par Gromov vers 1985, nous évoquerons ci-dessous
leurs aspects géométriques.

Si $G$
n’est pas hyperbolique, on montre que sa fonction de Dehn est au moins
quadratique.
Il n’y a par contre pas de trou au delà de l’exposant $2$ : N. Brady et M.
Bridson ont récemment montré que l’ensemble des
$\alpha $ tels qu’il existe un groupe de fonction de Dehn équivalente à $n^\alpha $
est dense dans $[2,+\infty[$ (on notera que l’ensemble des classes
d’isomorphisme
de groupes de présentation finie est dénombrable, donc l’ensemble de ces
$\alpha $ aussi).

Connaître explicitement la fonction de Dehn d’un groupe de
présentation finie
permet la résolution algorithmique du problème du mot dans ce groupe : pour
savoir si un mot
$W$ de longueur $n$ est trivial, il suffit de le comparer à toutes les
expressions
$\prod_{m=1}^su_m r_{j_m}^{\pm1} u_m^{-1} $ avec $s\le \varphi (n)$, qui sont en
nombre fini (la longueur des mots
$u _m$ peut être bornée a priori). Inversement,
un algorithme
résolvant le problème permet de calculer $\varphi $.

On sait qu’il existe des groupes de
présentation finie dans lesquels le problème du mot ne peut pas être
résolu algorithmiquement, car la fonction de Dehn n’est pas récursive : elle
croît tellement vite qu’aucun algorithme ne peut la calculer. Donc en toute
généralité on ne peut rien dire d’un groupe donné par générateurs et
relations (même pas savoir si le groupe est trivial ou non...). Mais le plus
souvent toute information algébrique ou géométrique sur $G$, même
minime,
permet de l’analyser.

6. Le plan hyperbolique $\mathbf {H}^2$

Regardons par exemple le groupe $G_3$ d’un point de vue géométrique
(comme le
faisait Dehn). Essayons de construire un graphe comme pour $\mathbf {Z}^2$.
Le graphe à considérer n’est plus de degré 4, mais de degré
8 : de chaque sommet partent 4 arêtes étiquetées $a,b,c,d$, et il en
arrive
4. Les mailles du grillage sont des octogones, correspondant
à la relation $aba^{-1} b^{-1} cdc^{-1} d^{-1} $. On peut essayer de dessiner ce
graphe,
mais on manque très vite de place pour tracer 8 arêtes en chaque
sommet : on
ne peut pas paver le plan par des octogones réguliers. Ce graphe doit en fait
être tracé non dans le plan euclidien mais dans le plan hyperbolique
$\mathbf {H}^2$.

Imaginons une piscine circulaire (plus mathématiquement, le disque
unité ouvert
$D$ dans le plan) remplie d’un liquide visqueux, d’autant plus dense qu’on
s’approche du bord : le coefficient de viscosité est proportionnel à $ 1 \over{1-r^2}$, où $r$ est la distance euclidienne au centre du disque. On
définit la distance (hyperbolique !) entre deux points $x,y$ de $D$ comme le
temps nécessaire au lecteur pour nager de
$x$ à $y$.

Il existe toujours un plus court chemin de $x$ à $y$ (appelé
géodésique), mais il ne nous apparaît pas comme rectiligne : il
s’incurve
vers le centre du disque pour pouvoir aller plus vite, tout comme un avion
prend de
l’altitude pour réduire la résistance de l’air. Les géodésiques sont
en fait les arcs contenus dans des cercles perpendiculaires au bord de $D$,
ainsi
que les diamètres (noter que le bord de $D$ est « à l’infini », on ne peut
pas l’atteindre en un temps fini).

Comme le plan euclidien, le plan hyperbolique est un espace métrique
homogène : on peut envoyer tout point sur tout autre point par une isométrie
(en particulier, le « centre » de $D$ ne joue pas un rôle particulier ;
toute homographie du plan complexe qui envoie $D$ sur lui-même induit une
isométrie). Mais il est à courbure négative, alors que le plan euclidien
est à courbure nulle, et la sphère à courbure positive.

M.C. Escher a utilisé des pavages de $\mathbf {H}^2$, par exemple« Limite
circulaire III » (voir figure) évoque un pavage par
des triangles et quadrilatères réguliers, séparés par des lignes
blanches
géodésiques.

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Figure 2. Le plan hyperbolique vu par M.C. Escher.

Pour étudier $G_3$, on pave $\mathbf {H}^2$ par des octogones réguliers dont les
côtés sont des segments géodésiques de même longueur et dont les
angles
valent
$2\pi /8$ (soit $45^\circ$), de façon que $8$ octogones se touchent en
chaque sommet. Le graphe associé à un tel pavage est le « grillage »
cherché pour $G_3$.

La fonction de Dehn de $G_3$ est ainsi linéaire car $\mathbf {H}^2$
vérifie une inégalité isopérimétrique linéaire : on peut borner
l’aire
bordée par une courbe par une fonction linéaire de sa longueur. Par exemple,
un disque de rayon $R$ est d’aire $2\pi sh\,R$, comparable à son
périmètre
$2\pi (ch\,R-1)$ (il vaut mieux faire des puzzles dans le plan hyperbolique :
quand on a posé le bord, on a placé une proportion non négligeable des
pièces).

La géométrie élémentaire dans $\mathbf {H}^2$ réserve d’autres
surprises. Ainsi l’axiome des parallèles d’Euclide n’est pas vrai, et la
somme
des angles d’un triangle ne vaut pas
$\pi $ ($=180^\circ$) : elle est égale à $\pi $ moins
l’aire du triangle (en particulier, l’aire d’un triangle est au plus $\pi $).

Une
autre propriété fondamentale de $\mathbf {H}^2$ est la
finesse des triangles : il existe une constante $\delta $ (égale à
$\log(\sqrt2+1)$) telle que tout point situé sur un côté d’un triangle
à bords
géodésiques est
à distance au plus $\delta $ d’un point situé sur l’un des deux autres
côtés. Cette propriété s’appelle $\delta $-hyperbolicité, ou simplement hyperbolicité.

7. Groupes hyperboliques et quasi-isométries

Nous avons vu que le groupe $\mathbf {Z}^2$ « ressemble » au plan euclidien, alors
que $G_3$
« ressemble » au plan hyperbolique. Suivant M\. Gromov, on formalise cela en
regardant un groupe
$G$, muni d’un système fini $S$ de générateurs, comme un espace
métrique :
la distance entre deux éléments $g$ et $h$ de $G$ est la longueur
minimale d’un
mot (écrit avec les éléments de $S$) représentant $g^{-1} h$.

On visualise mieux
cet espace « discret » en le considérant comme l’ensemble des sommets du
graphe de Cayley de $G$ :
on place une arête entre deux
sommets $g,h$ si $h$ s’obtient à partir de $g$ par multiplication à
droite par
un élément de $S$, et on décrète que chaque arête est un segment de
longueur
$1$. La distance entre deux points est simplement celle d’un chemin de longueur
minimale les joignant (un tel chemin s’appelle encore géodésique).

Le graphe de Cayley du groupe libre $G_2$ est un arbre (il n’y a pas de
boucle).
Celui de $\mathbf {Z}^2$ est le grillage utilisé plus haut, avec la distance dite
du chauffeur de taxi new-yorkais (noter qu’il existe en général plusieurs
géodésiques entre deux points donnés). Cette distance n’est pas celle du
plan euclidien (qui est le vol d’oiseau), mais elle lui est comparable : le
rapport des deux distances est compris entre deux constantes strictement
positives (ici $1$ et $\sqrt2$). De même, le graphe de $G_3$ est formé des
géodésiques délimitant les octogones du pavage de $\mathbf {H}^2$ mentionné
plus haut, avec une distance comparable à la distance hyperbolique.

On dit que $G$ est un groupe hyperbolique s’il existe une constante
$\delta $ telle que son graphe de Cayley soit
$\delta $-hyperbolique, c’est-à-dire si les triangles du graphe de
Cayley, comme ceux de $\mathbf {H}^2$, sont fins. Ainsi $G_2$
et
$G_3$ sont hyperboliques, $\mathbf {Z}^2$ ne l’est pas ($G_1$ non plus).

Pour présenter nos exemples, nous avons toujours choisi le système de
générateurs évident, le plus simple. Mais un groupe de type fini
possède une infinité de systèmes générateurs, donc une infinité de
graphes de Cayley
différents, et il n’est pas clair qu’ils sont tous hyperboliques si l’un
d’entre eux l’est.

En fait tous ces graphes se ressemblent, de même qu’ils ressemblent à
l’espace discret $G$ considéré plus haut, de même que le graphe de
Cayley de
$\mathbf {Z}^2$ ressemble au plan euclidien et celui de $G_3$ à $\mathbf {H}^2$, la
ressemblance devant être comprise comme une quasi-isométrie.

Deux espaces métriques $X,Y$ sont quasi-isométriques
s’il existe une application $f:X\to Y$, et une constante $\lambda >1$, telle que
$f$ ne distord pas trop les distances des points assez éloignés (le rapport
entre $d_Y(f(x),f(x')) $ et $d_X(x,x')$ est compris entre $\frac1\lambda $ et
$\lambda $ si $d_X(x,x')>\lambda $), et $f$ est presque surjective (toute
boule de
rayon $\lambda $ dans $Y$ contient un point de l’image).

Tout espace borné est
quasi-isométrique à un point, la quasi-isométrie est faite pour
capturer des
propriétés à l’infini (on dit asymptotiques) des espaces.
Deux espaces
(géodésiques) quasi-isométriques sont simultanément hyperboliques
ou non,
ce qui légitime la définition d’un groupe hyperbolique donnée ci-dessus.

À un groupe de type fini est ainsi associé un espace métrique, bien
défini
à quasi-isométrie près. On peut en particulier parler de groupes
quasi-isométriques entre eux. Beaucoup de propriétés algébriques ou
géométriques des groupes sont invariantes par quasi-isométrie : par
exemple
être fini, de présentation finie, contenir un sous-groupe commutatif
d’indice
fini, être hyperbolique, avoir une
fonction de Dehn avec un type de croissance donné. De manière
générale, on
cherche
à classifier les groupes
à quasi-isométrie près.

Mentionnons
simplement un récent résultat de rigidité dû à Farb et Mosher. Pour
$n$ entier
$\ge2$, soit
$H_n$ le sous-groupe de Aff$(\mathbf {R})$ engendré par
$ x\mapsto x+1$ et $ x\mapsto nx$ ($H_2$ est donc le
$G_1$ étudié plus haut). Si $n$ est une puissance de $m$, alors $H_n$ est un
sous-groupe d’indice fini de $H_m$, il lui est donc quasi-isométrique.
Inversement, Farb et Mosher ont montré que $H_n$ et $H_m$ sont
quasi-isométriques si et seulement si $n$ et $m$ sont des puissances d’un
même
entier, et (essentiellement) qu’un groupe de type fini quasi-isométrique
à un
$H_n$ contient un sous-groupe d’indice fini isomorphe
à un $H_{n^p}$.

Références

Steve Gersten,
Introduction to hyperbolic and automatic groups,
Summer School in Group Theory in Banff, 1996, 45—70,
CRM Proc. Lecture Notes, 17,
Amer. Math. Soc., Providence, RI, 1999.

Etienne Ghys, Pierre de la Harpe (éditeurs), Sur les groupes hyperboliques
d’après Mikhael Gromov,
Progress in Mathematics 83, Birhäuser.

Andrew Glass, The ubiquity of free groups,
Math. Intelligencer 14 (1992), no. 3, 54—57.

Alain Valette,
Quelques coups de projecteurs sur les travaux de Jacques Tits,
Gazette des Mathématiciens No. 61, (1994), 61—79.

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Pour citer cet article :

Gilbert Levitt — «Un peu de géométrie des groupes» — Images des Mathématiques, CNRS, 2004

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