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On s'intéresse à l'existence de matrices à coefficients rationnels dont les puissances s'annulent selon un cycle donné.

  1. Démontrer qu'il n'existe aucun élément d'ordre 5 au sein du groupe GL2(Q)\mathrm{GL}_{2}(\mathbb{Q}).
  2. Généralisation :
    1. Soient n,dNn, d \in \mathbb{N}^*. On suppose qu'il existe une matrice MGLd(Q)M \in \mathrm{GL}_d(\mathbb{Q}) d'ordre nn. Montrer que ϕ(n)d\phi(n) \le d, où ϕ\phi désigne l'indicatrice d'Euler.
    2. En déduire l'ensemble des ordres possibles pour les éléments de GL2(Q)\mathrm{GL}_2(\mathbb{Q}) ayant un ordre fini.

1.

Pour la question 1, raisonner par l'absurde. Si MM est d'ordre 5, son polynôme minimal μM\mu_M doit diviser X51X^5-1. Étudier les valeurs propres complexes possibles et leur trace.

2.

Utiliser le fait que le polynôme caractéristique d'une matrice à coefficients rationnels est à coefficients rationnels.

3.

Pour la généralisation, se souvenir que si une matrice rationnelle admet une racine primitive nn-ième de l'unité comme valeur propre, alors son polynôme minimal (sur Q\mathbb{Q}) est divisible par le nn-ième polynôme cyclotomique Φn\Phi_n.

4.

Pour la question 2(b), résoudre ϕ(n)2\phi(n) \le 2.

Idées clés

Lien entre ordre d'une matrice et polynômes annulateurs.

Propriétés de rationalité de la trace et du polynôme caractéristique.

Utilisation des polynômes cyclotomiques (pour la généralisation).

Résolution.

  1. Supposons par l'absurde qu'il existe MGL2(Q)M \in \mathrm{GL}_2(\mathbb{Q}) d'ordre 5. Alors M5=I2M^5 = I_2 et MkI2M^k \neq I_2 pour k{1,2,3,4}k \in \{1, 2, 3, 4\}. Le polynôme P(X)=X51P(X) = X^5 - 1 est un polynôme annulateur de MM. Dans C[X]\mathbb{C}[X], les racines de PP sont les racines 5-ièmes de l'unité : {1,ω,ω2,ω3,ω4}\{1, \omega, \omega^2, \omega^3, \omega^4\} avec ω=e2iπ5\omega = e^{\frac{2i\pi}{5}}. Comme PP est à racines simples dans C\mathbb{C}, MM est diagonalisable dans M2(C)\mathcal{M}_2(\mathbb{C}). Notons Sp(M)={λ1,λ2}\mathrm{Sp}(M) = \{\lambda_1, \lambda_2\} le spectre de MM. Puisque MM2(Q)M \in \mathcal{M}_2(\mathbb{Q}), son polynôme caractéristique χM=X2Tr(M)X+det(M)\chi_M = X^2 - \mathrm{Tr}(M)X + \det(M) est dans Q[X]\mathbb{Q}[X]. En particulier :
    Tr(M)Q\boxed{\mathrm{Tr}(M) \in \mathbb{Q}}

    Premier cas : Si 11 est valeur propre de MM. Comme det(M)0\det(M) \neq 0, la seconde valeur propre λ2\lambda_2 doit aussi être une racine 5-ième de l'unité. χM=(X1)(Xλ2)=X2(1+λ2)X+λ2\chi_M = (X-1)(X-\lambda_2) = X^2 - (1+\lambda_2)X + \lambda_2. Pour que χMQ[X]\chi_M \in \mathbb{Q}[X], il faut λ2Q\lambda_2 \in \mathbb{Q}. Les seules racines 5-ièmes de l'unité réelles (donc rationnelles) sont {1}\{1\}. Alors λ1=λ2=1\lambda_1 = \lambda_2 = 1. Comme MM est diagonalisable, M=I2M = I_2. Mais I2I_2 est d'ordre 1, ce qui contredit l'hypothèse (ordre 5).

    Second cas : Si 11 n'est pas valeur propre. Les valeurs propres sont dans {ω,ω2,ω3,ω4}\{\omega, \omega^2, \omega^3, \omega^4\}. Comme χMR[X]\chi_M \in \mathbb{R}[X], les valeurs propres doivent être conjuguées. Les paires possibles sont (ω,ωˉ=ω4)(\omega, \bar{\omega} = \omega^4) ou (ω2,ω2ˉ=ω3)(\omega^2, \bar{\omega^2} = \omega^3). Si Sp(M)={e2iπ5,e2iπ5}\mathrm{Sp}(M) = \{e^{\frac{2i\pi}{5}}, e^{-\frac{2i\pi}{5}}\}, alors :

    Tr(M)=2cos(2π5)\mathrm{Tr}(M) = 2\cos\left(\frac{2\pi}{5}\right)
    Si Sp(M)={e4iπ5,e4iπ5}\mathrm{Sp}(M) = \{e^{\frac{4i\pi}{5}}, e^{-\frac{4i\pi}{5}}\}, alors :
    Tr(M)=2cos(4π5)\mathrm{Tr}(M) = 2\cos\left(\frac{4\pi}{5}\right)

    Calculons ces valeurs. On sait que k=04ωk=0\sum_{k=0}^4 \omega^k = 0, donc 1+2cos2π5+2cos4π5=01 + 2\cos\frac{2\pi}{5} + 2\cos\frac{4\pi}{5} = 0. En posant x=2cos2π5x = 2\cos\frac{2\pi}{5}, on utilise 2cos(2θ)=(2cosθ)222\cos(2\theta) = (2\cos\theta)^2 - 2, d'où 1+x+(x22)=01 + x + (x^2 - 2) = 0, soit :

    x2+x1=0x^2 + x - 1 = 0
    Les solutions sont 1±52\frac{-1 \pm \sqrt{5}}{2}. Aucune de ces valeurs n'est rationnelle.
    Tr(M)Q\boxed{\mathrm{Tr}(M) \notin \mathbb{Q}}
    Ceci est une contradiction. Donc, il n'existe pas d'élément d'ordre 5 dans GL2(Q)\mathrm{GL}_2(\mathbb{Q}).

  2. Généralisation :
    1. Soit MGLd(Q)M \in \mathrm{GL}_d(\mathbb{Q}) d'ordre nn. Le polynôme minimal μM\mu_M de MM sur Q\mathbb{Q} est un diviseur de Xn1X^n-1. Puisque MM est exactement d'ordre nn, il existe une valeur propre λ\lambda qui est une racine primitive nn-ième de l'unité. Le polynôme minimal sur Q\mathbb{Q} de toute racine primitive nn-ième de l'unité est le nn-ième polynôme cyclotomique Φn\Phi_n. Puisque μMQ[X]\mu_M \in \mathbb{Q}[X] annule λ\lambda, on en déduit que Φn\Phi_n divise μM\mu_M. Par le théorème de Cayley-Hamilton, μM\mu_M divise le polynôme caractéristique χM\chi_M, donc Φn\Phi_n divise χM\chi_M. En comparant les degrés :
      deg(Φn)deg(χM)\deg(\Phi_n) \le \deg(\chi_M)
      Comme deg(Φn)=ϕ(n)\deg(\Phi_n) = \phi(n) et deg(χM)=d\deg(\chi_M) = d, on obtient :
      ϕ(n)d\boxed{\phi(n) \le d}

    2. Pour d=2d=2, on cherche nn tel que ϕ(n)2\phi(n) \le 2. Rappelons que si n=piαin = \prod p_i^{\alpha_i}, alors ϕ(n)=n(11pi)\phi(n) = n \prod (1 - \frac{1}{p_i}). - Si n=pn=p est premier, ϕ(p)=p12    p{2,3}\phi(p) = p-1 \le 2 \implies p \in \{2, 3\}. - Si n=pkn=p^k, ϕ(pk)=pk1(p1)2\phi(p^k) = p^{k-1}(p-1) \le 2. Pour p=2p=2 : 2k12    k{1,2}2^{k-1} \le 2 \implies k \in \{1, 2\}, donc n{2,4}n \in \{2, 4\}. Pour p=3p=3 : 3k1(2)2    3k11    k=13^{k-1}(2) \le 2 \implies 3^{k-1} \le 1 \implies k=1, donc n=3n=3. - Pour les produits : ϕ(nm)=ϕ(n)ϕ(m)\phi(nm) = \phi(n)\phi(m) si n,mn, m sont premiers entre eux. ϕ(3)ϕ(2)=2×1=2    n=3×2=6\phi(3)\phi(2) = 2 \times 1 = 2 \implies n = 3 \times 2 = 6. ϕ(4)ϕ(3)=2×2=4>2\phi(4)\phi(3) = 2 \times 2 = 4 > 2. Les valeurs possibles de nn telles que ϕ(n)2\phi(n) \le 2 sont {1,2,3,4,6}\{1, 2, 3, 4, 6\}. L'ensemble des ordres possibles est donc :
      n{1,2,3,4,6}\boxed{n \in \{1, 2, 3, 4, 6\}}

Ne pas oublier de vérifier si la matrice est diagonalisable. Ici, Xn1X^n-1 est à racines simples dans C\mathbb{C}, donc toute matrice d'ordre fini est diagonalisable sur C\mathbb{C}. Sans cette propriété, l'analyse des valeurs propres ne suffirait pas à caractériser la matrice.