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On s'intéresse à l'existence de matrices à coefficients rationnels dont les puissances s'annulent selon un cycle donné.
Pour la question 1, raisonner par l'absurde. Si est d'ordre 5, son polynôme minimal doit diviser . Étudier les valeurs propres complexes possibles et leur trace.
Utiliser le fait que le polynôme caractéristique d'une matrice à coefficients rationnels est à coefficients rationnels.
Pour la généralisation, se souvenir que si une matrice rationnelle admet une racine primitive -ième de l'unité comme valeur propre, alors son polynôme minimal (sur ) est divisible par le -ième polynôme cyclotomique .
Pour la question 2(b), résoudre .
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.
Premier cas : Si est valeur propre de . Comme , la seconde valeur propre doit aussi être une racine 5-ième de l'unité. . Pour que , il faut . Les seules racines 5-ièmes de l'unité réelles (donc rationnelles) sont . Alors . Comme est diagonalisable, . Mais est d'ordre 1, ce qui contredit l'hypothèse (ordre 5).
Second cas : Si n'est pas valeur propre. Les valeurs propres sont dans . Comme , les valeurs propres doivent être conjuguées. Les paires possibles sont ou . Si , alors :
Calculons ces valeurs. On sait que , donc . En posant , on utilise , d'où , soit :
Ne pas oublier de vérifier si la matrice est diagonalisable. Ici, est à racines simples dans , donc toute matrice d'ordre fini est diagonalisable sur . Sans cette propriété, l'analyse des valeurs propres ne suffirait pas à caractériser la matrice.