WikiPrépaLivrets

_{2}(\mathbb{Z})$}

Déterminer l'ensemble des entiers nNn \in \mathbb{N}^{*} pour lesquels il existe une matrice MM2(Z)M \in \mathcal{M}_{2}(\mathbb{Z}) dont l'ordre multiplicatif dans GL2(Z)\text{GL}_2(\mathbb{Z}) est exactement nn.

On rappelle que l'ordre de MM est le plus petit entier n1n \geq 1 tel que Mn=I2M^n = I_2.

1.

Si Mn=I2M^n = I_2, quelles sont les valeurs propres possibles de MM dans C\mathbb{C} ?

2.

Utiliser le fait que le polynôme caractéristique χM=X2Tr(M)X+det(M)\chi_M = X^2 - \text{Tr}(M)X + \det(M) est à coefficients entiers.

3.

Étudier les valeurs possibles de la trace de MM en distinguant le cas où les valeurs propres sont réelles et le cas où elles sont complexes non réelles.

4.

Pour la réciproque, construire explicitement des matrices pour chaque valeur de nn candidate (penser aux matrices compagnons).

Idées clés

Lien entre ordre fini et diagonalisabilité sur C\mathbb{C}.

Propriétés arithmétiques de la trace et du déterminant pour une matrice à coefficients entiers.

Utilisation du polynôme caractéristique en dimension 2.

Analyse : conditions nécessaires sur nn.

Soit nNn \in \mathbb{N}^* et MM2(Z)M \in \mathcal{M}_2(\mathbb{Z}) une matrice d'ordre nn. Le polynôme P(X)=Xn1P(X) = X^n - 1 est un polynôme annulateur de MM.

Comme PP est scindé à racines simples sur C\mathbb{C}, la matrice MM est diagonalisable sur C\mathbb{C}. Ses valeurs propres λ1,λ2\lambda_1, \lambda_2 sont des racines nn-ièmes de l'unité.

Le polynôme caractéristique de MM est donné par :

χM(X)=X2Tr(M)X+det(M)\chi_M(X) = X^2 - \text{Tr}(M)X + \det(M)

Puisque MM2(Z)M \in \mathcal{M}_2(\mathbb{Z}), on a nécessairement :

Tr(M)Zetdet(M)Z\boxed{\text{Tr}(M) \in \mathbb{Z}   \text{et}   \det(M) \in \mathbb{Z}}

Les valeurs propres sont de module 1 (racines de l'unité), donc det(M)=λ1λ2=1|\det(M)| = |\lambda_1 \lambda_2| = 1. Comme det(M)Z\det(M) \in \mathbb{Z}, on a det(M){1,1}\det(M) \in \{-1, 1\}.

De plus, Tr(M)=λ1+λ2λ1+λ2=2|\text{Tr}(M)| = |\lambda_1 + \lambda_2| \leq |\lambda_1| + |\lambda_2| = 2. Comme la trace est entière, Tr(M){2,1,0,1,2}\text{Tr}(M) \in \{-2, -1, 0, 1, 2\}.

Premier cas : Les valeurs propres sont réelles.

Alors λ1,λ2RUn={1,1}\lambda_1, \lambda_2 \in \mathbb{R} \cap \mathbb{U}_n = \{1, -1\}. Les couples de valeurs propres possibles sont (1,1)(1,1), (1,1)(-1,-1) et (1,1)(1,-1).

  • Si (λ1,λ2)=(1,1)(\lambda_1, \lambda_2) = (1,1), MM est semblable à I2I_2, donc M=I2M=I_2 (ordre n=1n=1).
  • Si (λ1,λ2)=(1,1)(\lambda_1, \lambda_2) = (-1,-1), MM est semblable à I2-I_2, donc M=I2M=-I_2 (ordre n=2n=2).
  • Si (λ1,λ2)=(1,1)(\lambda_1, \lambda_2) = (1,-1), M2M^2 est semblable à diag(12,(1)2)=I2\text{diag}(1^2, (-1)^2) = I_2, donc M2=I2M^2 = I_2. L'ordre est n=2n=2.

Second cas : Les valeurs propres ne sont pas réelles.

Alors λ2=λ1\lambda_2 = \overline{\lambda_1}. Posons λ1=eiθ\lambda_1 = e^{i\theta} avec θπZ\theta \notin \pi\mathbb{Z}. La trace est T=2cos(θ)ZT = 2\cos(\theta) \in \mathbb{Z}. Comme θπZ\theta \notin \pi\mathbb{Z}, on a 2cos(θ)<2|2\cos(\theta)| < 2, d'où T{1,0,1}T \in \{-1, 0, 1\}.

  1. Si T=1T=1, alors cos(θ)=1/2\cos(\theta) = 1/2, donc θ±π/3(mod2π)\theta \equiv \pm \pi/3 \pmod{2\pi}. Les valeurs propres sont eiπ/3e^{i\pi/3} et eiπ/3e^{-i\pi/3}, qui sont des racines primitives 6-ièmes de l'unité. L'ordre est n=6n=6.

  2. Si T=0T=0, alors cos(θ)=0\cos(\theta) = 0, donc θ±π/2(mod2π)\theta \equiv \pm \pi/2 \pmod{2\pi}. Les valeurs propres sont ii et i-i, qui sont des racines primitives 4-ièmes de l'unité. L'ordre est n=4n=4.

  3. Si T=1T=-1, alors cos(θ)=1/2\cos(\theta) = -1/2, donc θ±2π/3(mod2π)\theta \equiv \pm 2\pi/3 \pmod{2\pi}. Les valeurs propres sont e2iπ/3e^{2i\pi/3} et e2iπ/3e^{-2i\pi/3}, qui sont des racines primitives 3-ièmes de l'unité. L'ordre est n=3n=3.

Ainsi, nécessairement n{1,2,3,4,6}n \in \{1, 2, 3, 4, 6\}.

Synthèse : construction d'exemples.

Vérifions que chacun de ces ordres est réalisable dans M2(Z)\mathcal{M}_2(\mathbb{Z}) :

  • Pour n=1n=1 : M1=(1001)M_1 = \begin{pmatrix} 1 & 0
    0 & 1 \end{pmatrix}
    convient.
  • Pour n=2n=2 : M2=(1001)M_2 = \begin{pmatrix} -1 & 0
    0 & -1 \end{pmatrix}
    convient.
  • Pour n=4n=4 : La matrice M4=(0110)M_4 = \begin{pmatrix} 0 & -1
    1 & 0 \end{pmatrix}
    a pour polynôme caractéristique X2+1X^2+1. Ses valeurs propres sont ±i\pm i. Elle est d'ordre 4.
  • Pour n=3n=3 : La matrice M3=(0111)M_3 = \begin{pmatrix} 0 & -1
    1 & -1 \end{pmatrix}
    a pour polynôme caractéristique X2+X+1X^2+X+1. Ses valeurs propres sont j,j2j, j^2. Elle est d'ordre 3.
  • Pour n=6n=6 : La matrice M6=(0111)M_6 = \begin{pmatrix} 0 & -1
    1 & 1 \end{pmatrix}
    a pour polynôme caractéristique X2X+1X^2-X+1. Ses valeurs propres sont eiπ/3,eiπ/3e^{i\pi/3}, e^{-i\pi/3}. Elle est d'ordre 6.

L'ensemble recherché est donc :

S={1,2,3,4,6}\boxed{ \mathcal{S} = \{1, 2, 3, 4, 6\} }

Ne pas oublier que si une matrice est d'ordre nn, ses valeurs propres sont des racines nn-ièmes de l'unité, mais pas forcément toutes primitives. L'ordre de la matrice est le PPCM des ordres des valeurs propres. En dimension 2, l'ordre est soit l'ordre d'une valeur propre (si elles sont identiques), soit le PPCM des deux.