
M. Tibouchi Ulm-Lyon 2001 16 septembre 2002
donc par Z-lin´earit´e, il vient que f(Mx)⊂Mx.Soitmaintenant (u1,···,u
k)estune
famille g´en´eratrice de V.Comme flaisse stable chacun des Mui,illaisse stable le Z-
module :
M=Mu1+···+Muk=Zu1+···+Zfd−1(u1)+···+Zuk+···+Zfd−1(uk)
qu’ils engendrent. On a donc bien montr´equesifest annul´eparunpolynˆome unitaire
`acoefficientsentiers,illaisse stable un sous-Z-module de Vde la forme Zv1+···+Zvn,
avec VectQ(vi)=V.
Pour obtenir la r´eciproque, on se propose de d´emontrer le lemme suivant : tout sous-Z-
module de type fini d’un Q-espace vectoriel de dimension nest libre de rang au plus n.
Pour n=0c’est imm´ediat. On traite `apartlecasn=1.SoitMun sous-Z-module de
type fini non nul de Q.Iladmet donc une famille g´en´eratrice de la forme (a1/q,...,a
k/q)
o`ulesaisont des entiers nonnuls,etqest dans N∗.Ilvientalors:
qM ={qx / x ∈M}=a1Z+···+akZ=aZavec a=pgcd(a1,...,a
k)
Donc M=Za/q est bien de rang 1.
On suppose maintenant le r´esultat vrai entouteslesdimensions inf´erieures `auncertain
n≥1, et l’on se place dans V=Qn+1.Onsedonne ´egalement une forme lin´eaire
p:V→Qnon nulle, et l’on pose H=Kerp.SoitalorsMun sous-Z-module detype
fini de V,etM=M∩H.Mest de type fini, car Zest noeth´erien, donc Maussi. M
est donc unsous-Z-module de type fini du Q-espace vectoriel H,quiestdedimension n.
Il est donc libre de rang r≤n.SiM=M,c’estdonc termin´e. Sinon, le sous-Z-module
de type fini p(M)deQest non nul. Il s’´ecrit donc Zepour un certain e∈Q∗.Soitalors
une base de M,etu∈Mtel que p(u)=e.Notons que p(mu)=0sietseulementsi
m=0,desortequeM∩Zu=0.D’autrepart, si xest un ´el´ement quelconque de M,et
p(x)=me,onap(x−mu)=0,donc x∈M⊕Zu.M=M⊕Zuest donc bien libre
de rang r+1≤n+1.
Revenons alors `anotreprobl`eme. On suppose que flaisse stable M=Zv1+···+Zvnpour
une certaine famille (v1,...,v
n)quiengendre V.Onvientdevoir que M´etait libre de rang
d≤dim V.Soit(e1,...,e
d)une base de Mcomme Z-module. On aVectQ(ei)1≤i≤d=
VectQ(vi)1≤i≤n=V,donconaenfaitd=dimV,et(e1,...,e
d)estune base de
V.Lefaitqueflaisse stable Msignifie par cons´equent que la matrice Ade fdans
la base (e1,...,e
d)est`acoefficientsentiers, donc il en est de mˆeme de son polynˆome
caract´eristique : P=det(X−A)∈Z[X], et Pest unitaire. Le th´eor`eme deCayley-
Hamilton permet de conclure qu’il existe bien un polynˆome unitaire `acoefficientsentiers
qui annule f.
Remarquons que l’on a d´emontr´eaupassage un r´esultat plus fort : un endomorphisme
v´erifie les conditions ´equivalentes qui pr´ec`edent (on dit qu’il est entier )sietseulement
si son polynˆome caract´eristique est `acoefficientsentiers.
2.3 Soient fet gdeux endomorphismes entiers de Vqui commutent, et P=Xp−ap−1Xp−1−
···−a0et Q=Xq−bq−1Xq−1−···−b0des polynˆomes unitaires `acoefficientsentiers
qui annulent respectivement fet g.Pourtout x∈V,onposealors:
Mx=Zx0,0+···+Zx0,q−1+···+Zxp−1,0+···+Zxp−1,q−1avec xi,j =figj(x)
Pour tout (i, j), on a :
f(xi,j )=fi+1 gj(x)=xi+1,j si i<p−1
p−1
k=0 akxk,j si i=p−1
donc flaisse stable Mx.Comme fet gcommutent, ils jouent le mˆeme rˆole dans les
d´efinitions pr´ec´edentes, et il vient donc de mˆeme que Mxest stable par g.Si(u1,...,u
k)
engendre V,fet glaissent donc stable le Z-module de type fini M=Mu1+···+Muk
qui contient un syst`eme g´en´erateur de V.Parcons´equent, f+get f◦g=g◦flaissent
´egalement stable M,etsontdoncentiers.
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