Analyse : conditions nécessaires sur n.
Soit n∈N∗ et M∈M2(Z) une matrice d'ordre n.
Le polynôme P(X)=Xn−1 est un polynôme annulateur de M.
Comme P est scindé à racines simples sur C, la matrice M est diagonalisable sur C.
Ses valeurs propres λ1,λ2 sont des racines n-ièmes de l'unité.
Le polynôme caractéristique de M est donné par :
χM(X)=X2−Tr(M)X+det(M) Puisque M∈M2(Z), on a nécessairement :
Tr(M)∈Zetdet(M)∈Z Les valeurs propres sont de module 1 (racines de l'unité), donc ∣det(M)∣=∣λ1λ2∣=1.
Comme det(M)∈Z, on a det(M)∈{−1,1}.
De plus, ∣Tr(M)∣=∣λ1+λ2∣≤∣λ1∣+∣λ2∣=2.
Comme la trace est entière, Tr(M)∈{−2,−1,0,1,2}.
Premier cas : Les valeurs propres sont réelles.
Alors λ1,λ2∈R∩Un={1,−1}.
Les couples de valeurs propres possibles sont (1,1), (−1,−1) et (1,−1).
- Si (λ1,λ2)=(1,1), M est semblable à I2, donc M=I2 (ordre n=1).
- Si (λ1,λ2)=(−1,−1), M est semblable à −I2, donc M=−I2 (ordre n=2).
- Si (λ1,λ2)=(1,−1), M2 est semblable à diag(12,(−1)2)=I2, donc M2=I2. L'ordre est n=2.
Second cas : Les valeurs propres ne sont pas réelles.
Alors λ2=λ1. Posons λ1=eiθ avec θ∈/πZ.
La trace est T=2cos(θ)∈Z.
Comme θ∈/πZ, on a ∣2cos(θ)∣<2, d'où T∈{−1,0,1}.
- Si T=1, alors cos(θ)=1/2, donc θ≡±π/3(mod2π).
Les valeurs propres sont eiπ/3 et e−iπ/3, qui sont des racines primitives 6-ièmes de l'unité.
L'ordre est n=6.
- Si T=0, alors cos(θ)=0, donc θ≡±π/2(mod2π).
Les valeurs propres sont i et −i, qui sont des racines primitives 4-ièmes de l'unité.
L'ordre est n=4.
- Si T=−1, alors cos(θ)=−1/2, donc θ≡±2π/3(mod2π).
Les valeurs propres sont e2iπ/3 et e−2iπ/3, qui sont des racines primitives 3-ièmes de l'unité.
L'ordre est n=3.
Ainsi, nécessairement n∈{1,2,3,4,6}.
Synthèse : construction d'exemples.
Vérifions que chacun de ces ordres est réalisable dans M2(Z) :
- Pour n=1 : M1=(1001) convient.
- Pour n=2 : M2=(−100−1) convient.
- Pour n=4 : La matrice M4=(01−10) a pour polynôme caractéristique X2+1. Ses valeurs propres sont ±i. Elle est d'ordre 4.
- Pour n=3 : La matrice M3=(01−1−1) a pour polynôme caractéristique X2+X+1. Ses valeurs propres sont j,j2. Elle est d'ordre 3.
- Pour n=6 : La matrice M6=(01−11) a pour polynôme caractéristique X2−X+1. Ses valeurs propres sont eiπ/3,e−iπ/3. Elle est d'ordre 6.
L'ensemble recherché est donc :
S={1,2,3,4,6}