T'arrives assez près du résultat. En fait, voilà la solution que m'a quasiment dictée le prof :
Si t est une transposition, Phi(t) aussi, tu l'as montré.
Mais attention : S_3 est engendré par les transpositions, c'est vrai, mais aussi par les deux transpositions (1,2) et (1,3).
(De manière générale, on montre que S_n est engendré par :
- (1,2),(1,3),...,(1,n)
- (1,2),(2,3),...(n-1,n)
- (1,2) et (1,2,...,n))
Donc on va uniquement s'intéresser aux images par Phi de (1,2) et (2,3), qu'on note (a,b) et (c,d).
Comme Phi est un automorphisme (donc de noyau réduit à l'élément neutre), on a a différent de b et c différent de d. Comme {1,2,3} ne comporte que 3 éléments, on a a=c ou a=d ou b=c ou b=d. Par symétrie des rôles de ces différents éléments, on prend a=c.
Donc Phi((1,2))=(a,b) et Phi((1,3)=(a,d). Par injectivité de Phi, b est alors différent de d.
Soit alors f la permutation de {1,2,3} telle que f(1)=a, f(2)=b et f(3)=d. Alors (a,b)=fo(1,2)o(f^-1) et (a,d)=fo(1,3)o(f^-1). (Ce sera du cours, mais tu peux le vérifier facilement.)
Donc Phi coïncide avec s->foso(f^-1) sur une partie génératrice de S_3 donc ces deux applications sont égales : Phi est un automorphisme intérieur de S_3.
Synthèse : Les automorphismes intérieurs de S_3 sont évidemment des automorphismes de S_3.
En prime, on peut vérifier qu'il en existe bien 6, en montrant que l'application qui à f associe l'automorphisme s->foso(f^-1) est un morphisme injectif de S_3 dans le groupe des automorphismes de S_3 :
Le fait que ce soit un morphisme ne pose pas de problème. Pour l'injectivité : Supposons que l'image de f par cette application soit l'indentité. Alors pour tout s élément de S_3, foso(f^-1) = s donc fos = sof. f commute avec tout élément de S_3 donc f=Id.
(Ce dernier résultat, on l'a démontré en début d'année pour S_4, de façon laborieuse en discutant selon les orbites des permutations, etc... J'ai trouvé par la suite une démonstration très courte dans le cas général, c'est-à-dire qui montre que si n est différent de 2, l'identité est la seule permutation qui commute avec tous les éléments de S_n. Je te laisse chercher, c'est pas bien dur.)