En mathématiques, un graphe de Cayley (du nom d'Arthur Cayley) est un graphe qui encode la structure d'un groupe. C'est un outil important pour l'étude de la combinatoire et de la géométrie des groupes.

Étant donné un groupe ${\displaystyle (G,*)}$ et une partie génératrice ${\displaystyle S}$ de ce groupe, le graphe de Cayley Cay(G,S) est construit comme suit :

• À chaque élément ${\displaystyle g}$ de ${\displaystyle G}$, on associe un sommet ${\displaystyle v_{g))$.
• À chaque élément ${\displaystyle s}$ de ${\displaystyle S}$, on associe une couleur ${\displaystyle c_{s))$.
• Pour tout ${\displaystyle g\in G}$ et ${\displaystyle s\in S}$, on trace une arête orientée de couleur ${\displaystyle c_{s))$ du sommet ${\displaystyle v_{g))$ vers le sommet ${\displaystyle v_{g*s))$.

On peut aussi associer à chaque générateur une direction plutôt qu'une couleur, mais il est alors parfois impossible de représenter le graphe dans le plan. Dans certains contextes, on utilise la multiplication à gauche plutôt qu'à droite (les arêtes vont alors de ${\displaystyle v_{g))$ à ${\displaystyle v_{s*g))$).

• Comme l'ensemble générateur d'un groupe n'est pas unique, la structure des graphes de Cayley d'un groupe donné n'est pas unique.
• Si l'ensemble générateur a ${\displaystyle n}$ éléments, chaque sommet a ${\displaystyle n}$ arêtes entrantes, et ${\displaystyle n}$ arêtes sortantes.
• Les cycles du graphe correspondent aux relations vérifiées par les générateurs.
• Si ${\displaystyle s}$ et ${\displaystyle s^{-1))$ sont tous les deux dans l'ensemble de générateurs, on remplace souvent chaque paire d'arêtes orientées correspondant à ${\displaystyle s}$ et ${\displaystyle s^{-1))$ par une seule arête non orientée.

Le graphe de Cayley du groupe libre à deux générateurs est représenté en haut à droite de la page. (${\displaystyle e}$ est l'élément neutre). Un pas vers la droite correspond à une multiplication par ${\displaystyle a}$, vers la gauche par ${\displaystyle a^{-1))$, vers le haut par ${\displaystyle b}$ et ${\displaystyle b^{-1))$ vers le bas. Comme il n'y a pas de relations dans le groupe libre (par définition), son graphe de Cayley est acyclique.

À droite se trouve un dessin du graphe de Cayley d'un groupe d'ordre 18 avec présentation ${\displaystyle \langle x,y,z\mid x^{2}=y^{2}=z^{2}=(xy)^{3}=(xz)^{3}=(yz)^{3}=(xyz)^{2}=1\rangle }$. Il est engendré par trois éléments d'ordre 2, qui sont donc représentés par des arêtes non-orientées de trois couleurs différentes; chaque sommet est lié à une arête de chaque couleur. En suivant les arêtes on peut vérifier que les autres relations sont satisfaites. Si par exemple pour les générateurs x, y, et z on choisit respectivement les couleurs rouge, vert, et bleu (mais peu importe, la présentation est parfaitement symétrique), on voit que, partant d'un sommet quelconque, la suite rouge-vert-rouge-vert-rouge-vert nous remet à notre point de départ (alors (xy)³ = 1), et aussi la suite rouge-vert-bleu-rouge-vert-bleu (alors (xyz)² = 1).

Métrique des mots

(en) Eric W. Weisstein, « Cayley Graph », sur MathWorld

• (en) Arthur Cayley, « On the theory of groups », Proc. London Math. Soc., n^o 9,‎ 1878, p. 126-133
• (en) H. S. M. Coxeter et W. O. J. Moser (de), Generators and Relations for Discrete Groups, Springer, 1972 (réimpr. 2013), 3^e éd. (1^re éd. 1957), 164 p. (ISBN 978-3-662-21946-1, présentation en ligne), « 3. Graphs, Maps and Cayley Diagrams », p. 18-32.

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