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Sur quelques sous-groupes de GLn(R) : groupes finis, groupes compacts et croissance du groupe de Heisenberg
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Le sujet étudie trois familles de sous-groupes de GLn(R) à travers trois parties indépendantes. Il caractérise d'abord les sous-groupes finis du groupe orthogonal, puis montre que tout sous-groupe compact de GLn(R) est isomorphe à un sous-groupe du groupe orthogonal, et termine par l'étude de la croissance polynomiale du groupe de Heisenberg discret.

  1. 1Partie A : sous-groupes finis de On(R)Étudie d'abord les sous-groupes finis de O2(R), engendrés par des rotations ou formant des groupes diédraux, puis caractérise en dimension n la finitude d'un sous-groupe de On(R) par la finitude de sa trace.
  2. 2Partie B : sous-groupes compacts de GLn(R)Établit des propriétés de l'ordre partiel sur les matrices symétriques définies positives et la stricte concavité du logarithme du déterminant, pour montrer que tout sous-groupe compact de GLn(R) est isomorphe à un sous-groupe de On(R).
  3. 3Partie C : croissance du groupe de Heisenberg discretDéfinit la notion de croissance polynomiale d'un groupe de type fini et détermine le degré de croissance du groupe de Heisenberg discret engendré par trois matrices 3x3.

L'épreuve en chiffres

Moyenne 9,16 / 20 · écart-type 4,11 · 4 708 présents · où vous situez-vous ?
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Moyenne
9,16/ 20
Écart-type
4,11
Présents
4 708
Coefficient
19
Durée
4 h
1er quartile
6
Médiane
9,1
3e quartile
12,1
moyenne 9,1605101520
Deux tiers des copies environ (moyenne ± écart-type)

Votre note sur 20 à ce sujet, en conditions de concours.

Source : document officiel du concours, épreuve du 4 mai 2026. Notes publiées par le concours (après harmonisation le cas échéant). Courbe : estimation par une loi normale.

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Mathématiques 1

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Sur quelques sous-groupes de GL_n(ℝ)

Dans tout le sujet, n désigne un entier supérieur ou égal à 2 . On note :
  • - M_n(ℝ) l'ensemble des matrices de taille n × n à coefficients dans ℝ, I_n sa matrice identité.
  • - GL_n(ℝ) le groupe des matrices inversibles de M_n(ℝ).
  • - S_n^+(ℝ) (resp. S_n^(+ +)(ℝ) ) l'ensemble des matrices symétriques positives de M_n(ℝ) (resp. définies positives).
  • - O_n(ℝ) le groupe des matrices orthogonales de M_n(ℝ), et SO_n(ℝ) celui des matrices orthogonales de déterminant 1.
  • -La transposée d'une matrice M ∈ M_n(ℝ) sera notée M^⊤ et sa tracetrM.
  • -On note |X| le cardinal d'un ensemble X, en convenant que |X| = + ∞ si X est un ensemble infini.
  • -Si A est une partie finie d'un groupe G, on note ⟨A⟩ le sous-groupe de G engendré par A.
Le problème comporte trois parties indépendantes.

Partie A - Sous-groupes finis de O_n(ℝ)

Soit G un groupe de neutre e. On dit que G est d'exposant fini si et seulement si :
∃m ∈ ℕ^∗ ∀x ∈ G x^m = e
De plus, si G est un sous-groupe de GL_n(ℝ), on note trG la trace du groupe G, qui est l'ensemble :
trG = {trA; A ∈ G}

I - Généralités

Soit G un sous-groupe de GL_n(ℝ).
Q1. Montrer que si G est fini, alors G est d'exposant fini et trG est fini.
Q2. Donner un exemple de sous-groupe infini de GL_n(ℝ) dont la trace soit finie.
Q3. Donner un exemple (pas nécessairement matriciel) de groupe infini qui soit d'exposant fini.

II - Cas particulier : les sous-groupes finis de O_2(ℝ)

Pour tout θ ∈ ℝ, on note R_θ et S_θ les matrices :
R_θ = (cosθ, − sinθ; sinθ, cosθ) S_θ = (cosθ, sinθ; sinθ, − cosθ)
On pourra utiliser sans démonstration les relations suivantes, valables pour tout (θ, φ) ∈ ℝ^2 :
R_θ R_φ = R_(θ + φ) R_θ S_φ = S_(θ + φ) S_φ R_θ = S_(φ − θ) S_θ S_φ = R_(θ − φ)
Q4. Soit A ∈ SO_2(ℝ). Montrer qu'il existe un unique réel θ ∈ [0, 2π[ tel que A = R_θ.
  • Q5.Soit θ ∈ ℝ. Dans cette question, G = ⟨R_θ⟩.
    • a)Vérifier que G = {R_(kθ); k ∈ ℤ}.
    • b)Dans le cas où θ = (2π)/m avec m ∈ ℕ^∗, déterminer |G|.
    • c)Montrer que G est fini si et seulement si θ/π ∈ ℚ.
    • d)Montrer que si G est d'exposant fini, alors G est fini.
    • e)Montrer que si trG est fini, alors G est fini.
  • Q6.Soient θ et θ^′ deux réels. Dans cette question G = ⟨R_θ, R_(θ^′)⟩.
    • a)Montrer que |G|=|(θℤ + θ^′ ℤ) ∩ [0, 2π[|.
    • b)En déduire, pour p et q deux entiers non nuls premiers entre eux, que |⟨R_(π/p), R_(π/q)⟩| = 2pq.
    • c)Déterminer |⟨R_(π/p), R_(π/q)⟩| dans le cas général (où p et q ne sont pas forcément premiers entre eux).
  • Q7.Soit G un sous-groupe fini de SO_2(ℝ). Montrer que G est monogène.
  • Q8.Pour m ∈ ℕ^∗, on note D_m le sous-groupe de O_2(ℝ) engendré par R_((2π)/m) et S_(π/2).
    • a)Déterminer le cardinal de D_m.
      On pourra montrer que D_m ∩ SO_2(ℝ) = ⟨R_((2π)/m)⟩, puis chercher une bijection entre D_m ∩ SO_2(ℝ) et D_m∖SO_2(ℝ).
    • b)Soit G un sous-groupe fini de O_2(ℝ) qui n'est pas inclus dans SO_2(ℝ). Montrer qu'il existe m ∈ ℕ^∗ tel que G soit isomorphe à D_m.

III - Une caractérisation des sous-groupes finis de O_n(ℝ)

Dans cette partie, G est un sous-groupe de O_n(ℝ). On désire montrer que :
G fini ⟺ G d'exposant fini ⟺ trG fini
  • Q9.Rappeler le théorème de réduction des matrices orthogonales.
  • Q10.On suppose dans cette question que G est d'exposant fini. Montrer, en utilisant le théorème de réduction précédent, que trG est fini.
Jusqu'à la fin de cette partie, on suppose maintenant que trG est fini. On munit M_n(ℝ) de son produit scalaire usuel :
(A|B) = trA^⊤B
On note F le sous-espace vectoriel de M_n(ℝ) engendré par G et d = dimF.
  • Q11.Montrer qu'il existe une famille B = (A_i)_(i ∈ [ [1, d] ]) de matrices de G qui forme une base de F.
  • Q12.Soit B = ((A_i|A_j))_((i, j) ∈ [ [1, d] ]^2). On considère la matrice C des coordonnées des matrices A_i dans la base canonique de M_n(ℝ).
    • a)Quelle est la taille de la matrice C ?
    • b)Montrer que B = C^⊤C.
    • c)Montrer que B et C sont de même rang. En déduire que B est inversible.
  • Q13.Soit M ∈ G. On peut décomposer M dans la base B :
    M = ∑_(j = 1)^d x_j A_j
    On note alors X_M = (x_1; ⋮; x_d) et Y_M = ((A_1|M); ⋮; (A_d|M)). Montrer que X_M = B^(− 1)Y_M.
  • Q14.Montrer que {Y_M|M ∈ G} est un ensemble fini. En déduire que G est fini.

Partie B - Sous-groupes compacts de GL_n(ℝ)

On note M_(n, 1)(ℝ) l'espace vectoriel des matrices colonnes de taille n × 1 à coefficients dans ℝ.
Dans cette partie, on se place dans M_(n, 1)(ℝ), muni de son produit scalaire canonique noté (.|.) et de sa norme associée ‖. ‖.Pourr ⩾ 0, on note B(0, r) la boule fermée de centre 0 et de rayon r de M_(n, 1)(ℝ) pour cette norme, et B = B(0, 1) la boule unité fermée.

I - Quelques propriétés utiles

Soient A ∈ S_n^(+ +)(ℝ) et B ∈ S_n(ℝ).
Q15. On pose, pour X et Y dans M_(n, 1)(ℝ) :
⟨X, Y⟩_A = (AX|Y)
Montrer que ⟨., .⟩_A est un produit scalaire sur M_(n, 1)(ℝ).
On note alors ‖.‖_A la norme associée à ce produit scalaire et B_A la boule unité fermée pour cette norme. Existe-t-il une matrice A telle que B(0, r) = B_A ?
Q16. Vérifier que X ↦ A^(− 1)BX est autoadjoint pour le produit scalaire ⟨., .⟩_A. Que peut-on en déduire pour la matrice A^(− 1)B ?
Soient A et B dans S_n(ℝ). On note B≼A si et seulement si pour tout X ∈ M_(n, 1)(ℝ), (BX|X) ⩽ (AX|X).
Q17. Montrer que B≼A si et seulement si A − B ∈ S_n^+(ℝ).
Q18. Soient A et B dans S_n^(+ +)(ℝ). Montrer que B≼A si et seulement si le spectre de A^(− 1)B est inclus dans ] 0, 1]. Pour la réciproque, on pourra utiliser une base orthonormée pour le produit scalaire ⟨., .⟩_A bien choisie.
Q19. On suppose toujours que A et B sont deux matrices de S_n^(+ +)(ℝ), et que B≼A. Montrer que detB ⩽ detA, avec égalité si et seulement si A = B.
Q20. Montrer que B≼A si et seulement si B_A ⊂ B_B.
Q21. Soit K une partie de S_n^+(ℝ). Montrer que K est une partie bornée de S_n^+(ℝ) si et seulement s'il existe α ∈ ℝ_+^∗ telle que pour tout A ∈ K, A≼αI_n.

II - Stricte log-concavité de l'application det

Soit C une partie convexe de M_n(ℝ) et φ : C → ℝ une fonction. On dit que φ est strictement concave si et seulement si :
∀(A, B) ∈ C^2 ∀t ∈ [0, 1] φ(tA + (1 − t)B) ⩾ tφ(A) + (1 − t)φ(B)
avec égalité si et seulement si A = B ou t = 0 ou t = 1.
Q22. Montrer que S_n^(+ +)(ℝ) est une partie convexe de M_n(ℝ).
Q23. Montrer que φ : A ↦ ln(detA) est une fonction strictement concave sur S_n^(+ +)(ℝ).
On pourra utiliser le résultat de la question Q16.

III - Groupe orthogonal associé à une matrice symétrique définie positive

À toute matrice A ∈ S_n^(+ +)(ℝ) on associe son groupe orthogonal :
O(A) = {M ∈ M_n(ℝ); M^⊤AM = A}
Q24. Montrer que O(A) est un sous-groupe de GL_n(ℝ), isomorphe à O_n(ℝ).
On pourra montrer qu'il existe une matrice B telle que A = B^⊤B, et chercher un isomorphisme sous la forme M ↦ B^(− 1)MB.
Q25. Montrer que O(A) est une partie compacte de M_n(ℝ).

IV - Sous-groupes compacts de GL_n(ℝ)

Dans cette partie, G désigne un sous-groupe compact de GL_n(ℝ). On désire montrer que G est alors isomorphe à un sous-groupe de O_n(ℝ).
Q26. Montrer que pour tout M ∈ G, |detM| = 1.
Q27. On pose :
C = {MX; (M, X) ∈ G × B}
Montrer que C est compact, et que 0 est un point intérieur à C.
Q28. Montrer qu'il existe une unique matrice A ∈ S_n^(+ +)(ℝ) telle que C ⊂ B_A et qui soit de déterminant maximal.
On pourra commencer par montrer que E = {A ∈ S_n^+(ℝ); C ⊂ B_A} est non vide, compact et convexe, puis utiliser la question Q23 pour démontrer l'unicité.
Q29. Montrer que G est un sous-groupe de O(A).

Partie C - Croissance du groupe de Heisenberg discret

I - Croissance d'un groupe

Soit G un groupe de neutre e, engendré par une partie finie S = {s_i}_(i ∈ [ [1, N] ]). À tout élément g ∈ G − {e} on associe sa longueur relativement à S par :
ℓ_S(g) = min{∑_(i = 1)^k|a_i||g = s_1^(a_1)…s_k^(a_k); s_i ∈ S, a_i ∈ ℤ}
ℓ_S(g) est le nombre minimal d'éléments de S permettant d'obtenir g. Par convention, on pose ℓ_S(e) = 0. On note alors, pour p ∈ ℕ :
V_S(p) = {g ∈ G; ℓ_S(g) ⩽ p}
V_S(p) est l'ensemble des éléments de G s'obtenant à partir d'au maximum p éléments de S.
Nous dirons que G est un groupe à croissance polynomiale de degré d ∈ ℕ si et seulement si il existe deux réels strictement positifs α et β tels que, pour tout p ⩾ 1 :
αp^d ⩽ |V_S(p)| ⩽ βp^d
Q30. Montrer que pour tous g et h dans G, ℓ_S(g^(− 1)) = ℓ_S(g) et ℓ_S(gh) ⩽ ℓ_S(g) + ℓ_S(h).
Q31. Soit Σ une autre partie finie génératrice de G. Montrer qu'il existe deux constantes C et C^′ strictement positives telle que, pour tout g ∈ G :
Cℓ_S(g) ⩽ ℓ_Σ(g) ⩽ C^′ ℓ_S(g)
En déduire que le fait que G soit un groupe à croissance polynomiale de degré d ne dépend pas du système S de générateurs choisis.
Q32. Soit p ∈ ℕ. Dénombrer le nombre de triplets (x, y, z) ∈ ℕ^3 tels que x + y + z ⩽ p. En déduire que (ℤ^3, +) est un groupe à croissance polynomiale et déterminer son degré.

II - Le groupe de Heisenberg discret

Dans cette partie, n = 3. On considère les trois matrices suivantes :
S = (1, 0, 0; 0, 1, 1; 0, 0, 1) T = (1, 1, 0; 0, 1, 0; 0, 0, 1) U = (1, 0, 1; 0, 1, 0; 0, 0, 1)
On note A = {S, T, U}. ℍ désigne alors le sous-groupe de GL_3(ℝ) engendré par A.
Q33. Pour tout (i, j, k) ∈ ℤ^3, calculer S^i T^j U^k.
  • Q34.Pour (i, j, k, i^′, j^′, k^′) ∈ ℤ^6, déterminer un triplet (i^(′′), j^(′′), k^(′′)) ∈ ℤ^3 tel que :
    S^i T^j U^k S^(i^′)T^(j^′)U^(k^′) = S^(i^(′′))T^(j^(′′))U^(k^(′′))
  • Q35.Vérifier que U commute avec tous les éléments de ℍ, et que pour tout (i, j) ∈ ℤ^2 :
    S^i T^j U^(ij) = T^j S^i
  • Q36.Le groupe ℍ est-il commutatif? Quel est le groupe engendré par(S, T) ?
  • Q37.Montrer que l'application f définie par :
    f :, ℤ^3, →, ℍ; (i, j, k), ↦, S^i T^j U^k
    est bien définie et bijective. Est-ce un isomorphisme de groupe (en munissant ℤ^3 de sa structure usuelle)? Peut-on munir ℤ^3 d'une structure de groupe telle que f soit un isomorphisme?
  • Q38.Soit M ∈ ℍ et p ∈ ℕ^∗. Montrer que si ℓ_A(M) ⩽ p, alors il existe (i, j, k, z) ∈ ℤ^4 tels que M = S^i T^j U^(k + z) avec |i| + |j| + |k| ⩽ p et |z| ⩽ |ij|. En déduire que |V_A(p)| = O(p^4) quand p tend vers + ∞.
    On pourra utiliser les résultats de la question Q35.
  • Q39.Montrer que, pour tout (i, j, k) ∈ ℤ^3, si |i| + |j| ⩽ p et |k| ⩽ |ij|, alors ℓ_A(S^i T^j U^k) ⩽ p.
  • Q40.Montrer que :
    card{(i, j, k) ∈ ℕ^3, i + j ⩽ p et k ⩽ ij} ⩾ (p^3)/2∑_(i = 0)^p i/p(1 − i/p)^2
    et déterminer un équivalent de cette dernière quantité quand p tend vers + ∞.
  • Q41.En déduire que ℍ est un groupe à croissance polynomiale de degré 4.

Questions fréquentes

4 questions
Sur quels chapitres porte le sujet de mathématiques 1 Centrale MP/MPI 2026 ?
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Sur quels chapitres porte le sujet de mathématiques 1 Centrale MP/MPI 2026 ?

Il porte sur la théorie des groupes, la réduction des matrices orthogonales et symétriques, le produit scalaire euclidien et la compacité en dimension finie.

Les trois parties du sujet sont-elles indépendantes ?

Oui, l'énoncé précise que le problème comporte trois parties indépendantes.

Qu'est-ce que le groupe de Heisenberg discret étudié dans ce sujet ?

C'est le sous-groupe de GL3(R) engendré par trois matrices triangulaires particulières, dont le sujet montre qu'il est à croissance polynomiale de degré 4.

Quels résultats de cours faut-il maîtriser pour traiter ce sujet ?

Le théorème de réduction des matrices orthogonales et symétriques, la notion de sous-groupe engendré par une partie, le produit scalaire canonique sur les matrices et la compacité en dimension finie.

Pas de description pour le moment