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Soit n∈Nn \in \mathbb{N} avec n≥2n \geq 2. On s'intéresse à l'ensemble des matrices entières de dimension nn ayant un ordre fini :

En={M∈Mn(Z)∣∃k∈N∗,Mk=In}E_{n}=\left\{M \in \mathcal{M}_{n}(\mathbb{Z}) \mid \exists k \in \mathbb{N}^{*}, M^{k}=I_{n}\right\}
Pour M∈EnM \in E_n, on note ω(M)\omega(M) son ordre (le plus petit k≥1k \geq 1 tel que Mk=InM^k = I_n).

  1. Montrer que l'ensemble des polynômes caractéristiques des matrices de EnE_n est fini.
  2. En déduire qu'il existe un entier γn∈N∗\gamma_n \in \mathbb{N}^* tel que :
    ∀M∈En,Mγn=In\forall M \in E_n,   M^{\gamma_n} = I_n
  3. L'ensemble {ω(M)∣M∈En}\{\omega(M) \mid M \in E_n\} est-il fini ? Justifier.

1.

Pour la question 1, exprimer les coefficients du polynôme caractéristique en fonction des valeurs propres. Rappeler que ces valeurs propres sont sur le cercle unité.

2.

Pour la question 2, utiliser le fait qu'il n'y a qu'un nombre fini de spectres possibles.

3.

Pour la question 3, l'ordre d'une matrice diagonalisable est le PPCM des ordres de ses valeurs propres.

Idées clés

•

Le polynôme caractéristique d'une matrice entière est à coefficients entiers.

•

Les racines d'une matrice M∈EnM \in E_n sont des racines de l'unité (donc de module 1).

•

Il n'existe qu'un nombre fini de polynômes de Z[X]\mathbb{Z}[X] de degré nn dont les racines sont de module 1.

Résolution.

  1. Soit M∈EnM \in E_n. Son polynôme caractéristique χM\chi_M s'écrit :
    χM(X)=Xn+an−1Xn−1+⋯+a1X+a0\chi_M(X) = X^n + a_{n-1}X^{n-1} + \dots + a_1 X + a_0
    Les coefficients aka_k sont des entiers (car M∈Mn(Z)M \in \mathcal{M}_n(\mathbb{Z})). Soient λ1,…,λn\lambda_1, \dots, \lambda_n les valeurs propres de MM dans C\mathbb{C}. Puisque Mk=InM^k = I_n, chaque λj\lambda_j vérifie λjk=1\lambda_j^k = 1, donc ∣λj∣=1|\lambda_j| = 1. Les relations entre coefficients et racines (formules de Viète) donnent :
    an−k=(−1)k∑1≤i1<⋯<ik≤nλi1…λika_{n-k} = (-1)^k \sum_{1 \leq i_1 < \dots < i_k \leq n} \lambda_{i_1} \dots \lambda_{i_k}
    Par l'inégalité triangulaire :
    ∣an−k∣≤∑1≤i1<⋯<ik≤n∣λi1∣…∣λik∣=∑1≤i1<⋯<ik≤n1=(nk)|a_{n-k}| \leq \sum_{1 \leq i_1 < \dots < i_k \leq n} |\lambda_{i_1}| \dots |\lambda_{i_k}| = \sum_{1 \leq i_1 < \dots < i_k \leq n} 1 = \binom{n}{k}
    Chaque coefficient an−ka_{n-k} est un entier compris dans l'intervalle [−(nk),(nk)]\left[ -\binom{n}{k}, \binom{n}{k} \right]. Il n'y a qu'un nombre fini de choix possibles pour chaque aia_i. Ainsi, l'ensemble des polynômes caractéristiques P={χM∣M∈En}\mathcal{P} = \{ \chi_M \mid M \in E_n \} est \boxed{\text{fini}}.

  2. Soit SS l'ensemble de toutes les racines complexes des polynômes de P\mathcal{P}. Comme P\mathcal{P} est fini et que chaque polynôme a nn racines, SS est un ensemble fini. Chaque λ∈S\lambda \in S est une racine de l'unité. Soit kλk_\lambda son ordre (le plus petit entier tel que λkλ=1\lambda^{k_\lambda} = 1). Toute matrice M∈EnM \in E_n est diagonalisable sur C\mathbb{C} (car annulée par Xk−1X^k-1). Ses valeurs propres appartiennent à SS. Posons γn\gamma_n le PPCM des ordres des éléments de SS :
    γn=ppcm{kλ∣λ∈S}\boxed{\gamma_n = \text{ppcm} \{ k_\lambda \mid \lambda \in S \}}
    Pour toute matrice M∈EnM \in E_n, ses valeurs propres λ1,…,λn\lambda_1, \dots, \lambda_n vérifient λiγn=1\lambda_i^{\gamma_n} = 1 par définition du PPCM. Comme MM est diagonalisable, il existe P∈GLn(C)P \in GL_n(\mathbb{C}) telle que M=PΔP−1M = P \Delta P^{-1} avec Δ=diag(λ1,…,λn)\Delta = \mathrm{diag}(\lambda_1, \dots, \lambda_n). On a alors Mγn=PΔγnP−1=PInP−1=InM^{\gamma_n} = P \Delta^{\gamma_n} P^{-1} = P I_n P^{-1} = I_n. L'entier γn\gamma_n convient.

  3. L'ensemble des ordres Ω={ω(M)∣M∈En}\Omega = \{ \omega(M) \mid M \in E_n \} est un ensemble d'entiers naturels. D'après la question précédente, pour tout M∈EnM \in E_n, ω(M)\omega(M) divise γn\gamma_n. L'ensemble des diviseurs d'un entier fixé est fini. Par conséquent, \boxed{\Omega \text{ est fini}}.

Ne pas confondre "ensemble des matrices" (qui est infini, par exemple les matrices de permutation) et "ensemble des polynômes caractéristiques" (qui est fini).