D´emonstration. a) + b)⇒c) Le th´eor`eme de Cayley-Hamilton appliqu´ee `a la
matrice Adonne:
A2−T(A)A+ ∆(A)I=O.
Il vient alors avec les hypoth`eses a) et b): A2=−Iet A4=I. L′ordre de la matrice
Adevise donc 4 et comme A2̸=I(p´etant impair), 2 n′est pas multiple de cet ordre.
Finalement, Aest d′ordre 4.
a) + c)⇒b) Supposant les conditions a) et c) v´erifi´ees, on a:
A2=−∆(A)Iet I=A4= ∆2(A)I.
On en d´eduit: ∆2(A) = 1,∆(A)̸=−1 soit ∆(A) = 1.
b) + c)⇒a) Compte tenu de b) et c), A2=T(A)A−Id′o`u
I=A4=T2(A)A2−2T(A)A+I=T(A)[T2(A)−2]A+ [1 −T2(A)]I.
On peut distinguer deux cas: I Aet Isout li´es, i.e. A=µI. Dans ce cas, A2=µ2I,
A4=µ4I, d′o´u, A´etant d′ordre 4: µ2̸= 1, µ4= 1, µ2=−1 et A2=−I,T(A)A= 0.
Si T(A)̸= 0, alors A=Od′o`u T(A) = 0, impossible. Par suite T(A) = 0. II {A, I}
est une famille libre. Dans ce cas l′´egalit´e I=T(A)[T2(A)−2]A+ [1 −T2(A)]I
implique: 1 = 1 −T2(A) d′o´u T(A) = 0. Le th´eor`eme est ainsi d´emontr´e.
On consid`ere la suite des entiers {Yk}k≥0d´efinie par Y0= 2 et Yk+1 = 2Y2
k−1,
k≥0, dont les premiers terms sont: Y0= 2, Y1= 7, Y2= 97, Y3= 18817, . . .
Th´eor`eme 4. Pour tout k≥0, on a 2Yk∈T(M2k).
D´emonstration. Par r´ecurrence sur k. Pour k= 0 la propri´et´e se v´erifie trivi-
alment puisque 2Y0= 4 ∈4 = T(M). Supposant la propri´et´e v´erifi´ee `a l′ordre k,
d´emontrons-l`a pour k+ 1. On a imm´ediatment d′une part: 2Yk+1 = 4Y2
k−2 =
(2Yk)2−2 et d′autre part T(M2k+1 ) = T[(M2k)2] = T2(M2k)−2, compte tenu
de l′assertion b) de la Proposition 2 et puisque ∆(M) = 1. Donc, compte tenu de
l′hypoth`ese de r´ecurrence: 2Yk+1 = (2Yk)2−2∈T(M2k+1 ).
Th´eor`eme 5. La matrice Mest d′ordre 2ksi et seulement si p|Yk−2.
D´emonstration. Supposons la matrice Md′ordre 2k, i.e. M2k=I. On a:
M2=15 4
−4−1et par suite l′ordre de Mne divise pas 2 soit k≥2.En posant
alors A=M2k−2on a, M´etant d′ordre 2k:A2=M2k−1̸=I,A4=M2k=I.
A∈Apest donc une matrice d′ordre 4 v´erifiant aussi ∆(A) = 1.Compte tenu du
th´eor`eme 3, b) + c)⇒a), il vient alors: T(A) = 0 soit d′apr`es le th´eor`eme pr´ec´edent:
2Yk−2∈T(A) = 0, i.e. pdivise 2Yk−2et finalement p´etant impair p|Yk−2.
R´eciproquement, avec les mˆemes notations si p|Yk−2i.e. Yk−2≡0 (mod p), alors
T(A) = 0. Mais, comme ∆(A) = 1, le th´eor`eme 3, a)+b)⇒c),montre que la matrice
Aest d′ordre 4 soit M2k=Iet M2k−1=A2̸=I. L′ordre de Mdivisant 2kmais non
2k−1est donc ´egal `a 2k.
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