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Polytechnique Mathématiques 2 MP 2010Sujet, corrigé et rapport du jury

Sur les sous-groupes finis de Gn(C)

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Présentation du sujet

Difficile
Sous-groupes finis de GL2(C) sans homothétie autre que l'identité
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Le problème caractérise les sous-groupes finis de GL2(C) qui ne contiennent aucune homothétie autre que l'identité. Il montre d'abord que les éléments d'un groupe fini d'automorphismes sont diagonalisables, étudie le groupe des isométries du triangle équilatéral, établit le lemme de Schur et le fait que la dimension d'une représentation irréductible divise l'ordre du groupe, puis conclut par une caractérisation des groupes diédraux D_n pour n impair.

  1. 1Partie I : sous-groupes finis de GL(E)Diagonalisabilité des éléments d'un groupe fini et codiagonalisation dans le cas commutatif (question 1).
  2. 2Partie II : isométries du triangleInventaire des six isométries d'un triangle équilatéral et isomorphisme avec le groupe D3 (questions 2a à 2c).
  3. 3Partie III : lemme de SchurMorphisme de conjugaison, matrices fixées par le groupe, projecteur moyenne, traces et divisibilité de |G| par n (questions 3 à 10d).
  4. 4Partie IV : une caractérisation de D_n, n impairProduit scalaire hermitien invariant, éléments d'ordre 2 de SL2(C), étude de G ∩ SL2(C) et isomorphisme avec D_n (questions 11a à 18).

Difficile. Le jury indique que l'épreuve a désarçonné de nombreux candidats par sa longueur et sa relative difficulté ; la moyenne est de 8,25.

L'épreuve en chiffres

Moyenne 8,25 / 20 · écart-type 4,12 · 1 564 copies · où vous situez-vous ?
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Moyenne
8,25/ 20
Écart-type
4,12
Copies
1 564
moyenne 8,2505101520
Deux tiers des copies environ (moyenne ± écart-type)

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

Source : rapport du jury. Notes publiées par le concours (après harmonisation le cas échéant). Courbe : estimation par une loi normale.

Ce qu'a observé le jury

5 erreurs relevées
Polynôme annulateur scindé à racines simples non justifié · Stabilité par commutation mal énoncée · Résultats du cours utilisés sans preuve quand elle est demandée
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L'épreuve, longue et relativement difficile, a désarçonné de nombreux candidats ; la plupart n'ont pas dépassé la question 11, ce qui suffisait pourtant largement pour obtenir la moyenne. Beaucoup ont perdu du temps sur les questions 1 et 2. Le jury déplore une rédaction désinvolte : quantificateurs absents, fins de démonstration négligées et justifications manquantes.

Les erreurs les plus sanctionnées

  1. 1
    Polynôme annulateur scindé à racines simples non justifiéQuestion 1

    Beaucoup affirment sans explication que X^{|G|} − 1 est scindé à racines simples, et la codiagonalisation de deux endomorphismes ne se généralise pas directement à un groupe.

    « Beaucoup traitent partiellement cette question qui appara ît comme classique »
  2. 2
    Stabilité par commutation mal énoncéeQuestions 1, 3 et 4

    Deux endomorphismes qui commutent ne stabilisent pas les mêmes sous-espaces en général ; seuls les sous-espaces propres (et noyau, image) sont stables.

    « Si f et g commutent, tout sous-espace stable par f est stable par g ce qui est manifestement faux lorsque f est l’identité »
  3. 3
    Résultats du cours utilisés sans preuve quand elle est demandéeQuestions 3, 4 et 9a

    Le commutant de Mn(C) ou la stabilité de ker M sont affirmés alors que l'énoncé demandait de les démontrer.

    « sans le démontrer, le résultat (au programme) que tout sous-espace propre de f est stable par g lorsque f et g commutent »
  4. 4
    Calculs formels sans notations ni justificationQuestions 6 et 10b

    Aligner des sommes qui aboutissent au résultat donné ne suffit pas : il faut définir les notations et justifier chaque étape.

    « Peu de candidats ont fourni une réponse convaincante »
  5. 5
    Existence affirmée sans exemple expliciteQuestion 14c

    Dire qu'une construction est possible sans la donner laisse au correcteur la vérification.

    « c’est possible, laissant au correcteur le soin de le »

Ce qui a été bien réussi

  • La question 2a est traitée correctement par la plupart des candidats.
  • La question 10a est relativement bien traitée.
  • Les questions 13a, 13c, 14b et 16a sont en général bien résolues par ceux qui les abordent.
  • Une dizaine de candidats a obtenu la note 20.

Conseils du jury

  • Ne pas s'enliser dans les premières questions et savoir sauter une question difficile, sans se limiter aux questions faciles.
  • Écrire les quantificateurs et terminer proprement les démonstrations.
  • Justifier chaque passage d'une ligne de calcul à la suivante, en citant la question ou l'hypothèse utilisée.
  • Expliquer pourquoi un projecteur est diagonalisable plutôt que de l'affirmer.
  • Utiliser la translation g ↦ g0 g, qui est une bijection du groupe, dans les calculs de moyennes.

Synthèse rédigée par WikiPrépa à partir du rapport officiel du jury (à télécharger en PDF). Les citations sont extraites du rapport.

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L'énoncé complet, avec les formules et les figures, sans ouvrir le PDF.
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DEUXIÈME COMPOSITION DE MATHÉMATIQUES

(Durée : 4 heures)
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Sur les sous-groupes finis de GL_2(C)

Le but de ce problème est de caractériser les sous-groupes finis de GL_2(C) ne contenant pas d'homothétie autre que l'identité.

Notations et conventions

Soit G un groupe fini (noté multiplicativement) de cardinal |G|. On note 1_G l'unité de G. On rappelle que tout élément g de G vérifie g^(|G|) = 1_G et on admet que si p est un nombre premier qui divise |G|, alors il existe g ∈ G∖{1_G} tel que g^p = 1_G.
Si E est un C-espace vectoriel de dimension finie, on note GL(E) le groupe des endomorphismes inversibles de E et Id_E l'identité de E. Si φ un endomorphisme de E, on note Tr(φ) la trace de φ et det(φ) son déterminant.
Si G est un sous-groupe fini de GL(E), et V un sous-espace vectoriel de E, on note V^G l'ensemble des vecteurs fixés par G : V^G = {v ∈ V|∀g ∈ G, g(v) = v}. On dit que V est stable par G si quels que soient g ∈ G, v ∈ V, on a g(v) ∈ V et on dit que E est irréductible pour G si ses seuls sous-espaces stables par G sont E et {0}.
On note M_n(C) l'espace des matrices carrées de taille n à coefficients complexes et GL_n(C) le groupe des matrices inversibles dans M_n(C).
On note D_n le sous-groupe de GL_2(C) à 2n éléments formé des matrices (c^k, 0; 0, c^(− k)) et (0, − c^k; − c^(− k), 0), où k est un entier compris entre 0 et n − 1 et c = e^(2iπ/n) (on ne demande pas de vérifier que D_n est un groupe).

I - Sous-groupes finis de GL(E)

  1. Soit E un C-espace vectoriel de dimension finie et soit G un sous-groupe fini de GL(E). Démontrer que, pour tout g ∈ G, g est diagonalisable et que, si G est commutatif, tous les éléments de G sont diagonalisables dans une même base.

II - Isométries du triangle

  1. On se place dans le plan euclidien, muni d'un repère orthonormé centré en O. On s'intéresse au sous-groupe D˜_3 des isométries du plan qui préservent un triangle équilatéral ABC de centre O.
2a. Faire l'inventaire des éléments de D˜_3 et démontrer que D˜_3 est de cardinal 6 .
2b. En se plaçant dans la base (non orthonormée) (OA^(→−), OB^(→−)), démontrer que le groupe D˜_3 est isomorphe à un sous-groupe de GL_2(C) formé de matrices (a, b; c, d) où a, b, c, d sont dans { − 1, 0, 1}.
2c. Diagonaliser dans C la matrice (0, − 1; 1, − 1). En déduire que le groupe D˜_3 est isomorphe au groupe D_3.

III - Lemme de Schur

Notons A = M_n(C) et E = C^n. Notons I_n la matrice identité de M_n(C). On appelle homothétie une matrice de la forme λI_n, λ ∈ C. Soit G un sous-groupe fini de GL_n(C). Pour tout B ∈ G, on note i(B) l'application :
i(B) : {A ⟶ A; M ↦ BMB^(− 1)
  1. Montrer que i : B ↦ i(B) est un morphisme de groupes de G dans GL(A), et que i est injectif si et seulement si G ne contient pas d'homothéties autres que l'identité.
On note G˜ l'image par i de G et A^(G˜) l'ensemble des matrices M ∈ A telles que i(B)(M) = M pour tout B dans G˜.
4. Soit M ∈ A^(G˜). Démontrer que Ker(M) et Im(M) sont des sous-espaces stables par G.
5. On suppose que E est irréductible pour G. Soit M ∈ A^(G˜), démontrer que M est soit nulle, soit inversible. En déduire que A^(G˜) est de dimension 1 .
6. Soient M, N ∈ A. On considère l'endomorphisme de A suivant, Φ : X ↦ MXN.
Démontrer que Tr(Φ) = Tr(M)Tr(N).
7. Soit P = 1/(|G|)∑_(B ∈ G)B.
7a. Démontrer que P^2 = P. En déduire que P est diagonalisable.
7b. Démontrer que Im(P) = E^G et en déduire que dim(E^G) = 1/(|G|)∑_(B ∈ G)Tr(B).
8. Démontrer que dim(A^(G˜)) = 1/(|G|)∑_(B ∈ G)Tr(B^(− 1))Tr(B).
(On pourra considérer d'abord le cas où i est injectif.)
On suppose, jusqu'à la fin de cette partie, que E est irréductible pour G.
9a. Soit X dans A une matrice qui commute avec toutes les matrices de G. Démontrer que X = 1/nTr(X)I_n 。
9b. Soit Y = ∑_(B ∈ G)Tr(B^(− 1))B. Démontrer que Y = (|G|)/nI_n.
10. On garde la notation Y jusqu'à la fin de cette partie. Soit ζ = e^(2iπ/|G|). On note
Z_G = {a_0 ζ^0 + a_1 ζ^1 + ⋯ + a_(|G| − 1)ζ^(|G| − 1), a_i ∈ Z}
et Z_G[G] les combinaisons linéaires, à coefficients dans Z_G, de matrices de G.
10a. Démontrer que pour tout B ∈ G, Tr(B) est dans Z_G, puis que Y est dans Z_G[G].
10b. On note (C_k)_(1 ≤ k ≤ |G|^2) les |G|^2 matrices ζ^i B (où 1 ≤ i ≤ |G| et B ∈ G ) de Z_G[G]. Démontrer que pour tous 1 ≤ k ≤ |G|^2, on peut trouver des coefficients (a_(ij))_(1 ≤ i, j ≤ |G|^2) dans Z tels que YC_k = ∑_(1 ≤ ℓ ≤ |G|^2)a_(ℓk)C_ℓ.
10c. On pose A = (a_(ij))_(1 ≤ i, j ≤ |G|^2) et R = (|G|)/nI_(|G|^2) − A. Démontrer que det(R) = 0.
10d. Démontrer que (|G|)/n est racine d'un polynôme à coefficients dans Z de degré |G|^2 et de terme dominant égal à 1 . En déduire que n divise |G|.

IV - Une caractérisation de D_n, n impair

Soit G un sous-groupe fini de GL_2(C). Notons ⟨.,. ⟩leproduitscalairehermitienusuelsurC^2, et posons pour tout v, w ∈ C^2
⟨v, w⟩_0 = 1/(|G|)∑_(B ∈ G)⟨B(v), B(w)⟩
11a. Montrer que ⟨., .⟩_0 est un produit scalaire hermitien sur C^2, vérifiant quels que soient v, w ∈ C^2 et B ∈ G, ⟨B(v), B(w)⟩_0 = ⟨v, w⟩_0.
11b. Démontrer que si C^2 n'est pas irréductible pour G, il existe une base orthogonale de C^2 pour le produit scalaire hermitien ⟨., .⟩_0 qui diagonalise les matrices de G. En déduire que G est commutatif.
12a. On note SL_2(C) le sous-groupe de GL_2(C) des matrices de déterminant 1. Quels sont les matrices B ∈ SL_2(C) telles que B^2 = I_2 ?
12b. Démontrer que si G ⊂ SL_2(C) est non commutatif, alors |G| est pair. En déduire que − I_2 ∈ G. (Utiliser les rappels du préambule.)
On suppose par la suite que G est un sous groupe fini de GL_2(C) ne contenant aucune homothétie autre que l'identité. On note G_0 = G ∩ SL_2(C)
13a. Démontrer que G_0 est commutatif. En déduire qu'il existe P dans GL_2(C) et un sous-
groupe Γ_0 de GL_2(C) formé de matrices diagonales de la forme (λ, 0; 0, λ^(− 1)) tels que B ↦ PBP^(− 1) soit un isomorphisme de G_0 sur Γ_0.
13b. Démontrer qu'il existe un entier m tel que Γ_0 soit le groupe Z_m des matrices (c^k, 0; 0, c^(− k)) où c = e^(2iπ/m) et k prend les valeurs de 0 à m − 1.
13c. Si G_0 = {I_2} démontrer qu'alors G est commutatif (considérer le morphisme de groupe det : G → C^∗).
On suppose dans les questions 14 et 15 que G n'est pas commutatif et que G_0 est exactement le groupe Z_m.
14. Soit B_0 une matrice dans G qui n'est pas diagonale.
14a. Démontrer que pour tout C ∈ Z_m on a B_0 CB_0^(− 1) ∈ Z_m. En déduire que B_0 est de la forme B_0 = (0, b; b^′, 0) avec b, b^′ ∈ C.
14b. Calculer B_0^2 et en déduire que b^′ = b^(− 1).
14c. Montrer qu'il existe Q ∈ GL_2(C) diagonale telle que QB_0 Q^(− 1) = (0, − 1; − 1, 0).
15a. Soit B une matrice diagonale dans G. Montrer que B ∈ Z_m.
15b. Montrer que B ↦ QBQ^(− 1) est un isomorphisme de G sur le groupe D_m.
16. Soit G un sous-groupe fini commutatif de GL_2(C) qui ne contient pas d'homothétie autre que l'identité.
16a. Montrer qu'il existe une matrice P ∈ GL_2(C) et deux morphismes de groupes χ_1, χ_2 : G → C^∗ tels que toute matrice de G s'écrive B = P(χ_1(B), 0; 0, χ_2(B))P^(− 1).
16b. Montrer que B ↦ χ_1(B)χ_2(B)^(− 1) est un isomorphisme de G dans le groupe des racines |G|-ièmes de l'unité.
16c. Montrer que G est le groupe des matrices de la forme P(c^k, 0; 0, d^k)P^(− 1), k variant de 0 à |G| − 1, où l'on a posé c = e^(2iπp/|G|) et d = e^(2iπq/|G|), p et q étant deux entiers tels que p − q est premier avec |G|.
17. Décrire à partir des questions précédentes tous les sous-groupes finis de GL_2(C) ne contenant pas d'homothétie autre que l'identité.
18. Montrer que le groupe fini commutatif Z/2Z × Z/2Z × Z/2Z ne peut pas être isomorphe à un sous-groupe de GL_2(C).

Questions fréquentes

4 questions
Sur quoi porte le sujet X Maths 2 MP 2010 ?
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Sur quoi porte le sujet X Maths 2 MP 2010 ?

Sur les sous-groupes finis de GL2(C) sans homothétie autre que l'identité : diagonalisation, lemme de Schur, traces et caractérisation des groupes diédraux D_n pour n impair.

Quelle est la moyenne en Maths 2 X MP 2010 ?

Le rapport indique une moyenne de 8,25 avec un écart-type de 4,12 sur 1564 copies.

Le sujet de Maths 2 Polytechnique MP 2010 est-il long ?

Oui. Le jury le juge long et relativement difficile ; la plupart des candidats n'ont pas dépassé la question 11, ce qui suffisait pourtant pour obtenir largement la moyenne.

Quelles erreurs le jury a-t-il relevées en Maths 2 X MP 2010 ?

Justifications absentes sur les polynômes annulateurs, confusion sur la stabilité des sous-espaces par des endomorphismes qui commutent, résultats affirmés sans preuve et calculs formels non justifiés.

Pas de description pour le moment