Matrices `a coefficients dans un corps fini
Adrien REISNER1
Abstract. It is considered the set Apof matrices of order 2 with their entries in Zp,defined by
Ap={a=λM +µI;λ, µ Zp}, and some properties of this set are presented (Theorems 1,3,6,7,9).
Keywords: unitary ring, the order of an element, the field Zp, isomorphism.
MSC 2000: 15A33.
A´etant un anneau unitaire d´el´ements neutre eon appelle ordre dun ´el´ement
inversible ade Ale plus petit entier positif ndel que an=e; dans ce cas lensemble
Ga={e, a, a2, . . . , an1}forme un sous-groupe du groupe Gdes ´el´ements inversibles
de lanneau A: lordre nde l´el´ement aGest le cardinal du ce sous-groupe Ga.
Pour toute matrice carr´ee M`a coefficients dans un corps on d´esigne par Tet ∆
respectivement les deux applications suivantes: T:MT(M)=trace de la matrice M,
∆ : M∆(M)=d´eterminant de la matrice M.
pd´esignant un nombre premier strictement sup´erieur `a 3, on consid`ere le corps
fini Zpdes classes r´esiduelles modulo p.Met I´etant les deux matrices suivantes `a
coefficients dans Zp:
M=4 1
1 0 , I =1 0
0 1 ,
on consid`ere lensemble Apdes matrices dordre 2 `a coefficinets dans Zpd´efini par:
Ap={a=λM +µI;λ, µ Zp}.
Th´eor`eme 1. Lensemble Apest un anneau commutatif unitaire pour les op´erations
usuelles. De plus: Card Ap=p2.
emonstration. On a imm´ediatement M2= 4MI; on en d´eduit compte tenu
de la structure de lensemble M2(Zp) que Apest un alg`ebre associative et unitaire.
Enfin, la commutativit´e se v´erifie directement. Dautre part, (I, M) ´etant une base
de lalg`ebre Ap, on a ApZ2
pet par suite: Card Ap= (Card Zp)2=p2.
La proposition suivante se v´erifie imm´ediatement par le calcul.
Proposition 2. Pour toute matrice A=λM +µI Ap, on a:
a)T(A) = 2(2λ+µ),∆(A) = λ2+µ2+ 4λµ;
b)T(A2) = T2(A)2∆(A).
En particulier, T(A2) = 2(7λ2+µ2+ 4λµ).
Th´eor`eme 3. Pour AAp, deux quelconques des conditions suivantes impliquent
la troisi`eme: a)T(A) = 0,b) ∆(A) = 1,c)Aest une matrice dordre 4.
1Centre de Calcul E.N.S.T., Paris; e-mail: adrien.r[email protected]
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emonstration. a) + b)c) Le th´eor`eme de Cayley-Hamilton appliqu´ee `a la
matrice Adonne:
A2T(A)A+ ∆(A)I=O.
Il vient alors avec les hypoth`eses a) et b): A2=Iet A4=I. Lordre de la matrice
Adevise donc 4 et comme A2̸=I(p´etant impair), 2 nest pas multiple de cet ordre.
Finalement, Aest dordre 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)AIdo`u
I=A4=T2(A)A22T(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, do´u, A´etant dordre 4: µ2̸= 1, µ4= 1, µ2=1 et A2=I,T(A)A= 0.
Si T(A)̸= 0, alors A=Odo`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) do´u T(A) = 0. Le th´eor`eme est ainsi d´emontr´e.
On consid`ere la suite des entiers {Yk}k0d´efinie par Y0= 2 et Yk+1 = 2Y2
k1,
k0, dont les premiers terms sont: Y0= 2, Y1= 7, Y2= 97, Y3= 18817, . . .
Th´eor`eme 4. Pour tout k0, on a 2YkT(M2k).
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 lordre k,
d´emontrons-l`a pour k+ 1. On a imm´ediatment dune part: 2Yk+1 = 4Y2
k2 =
(2Yk)22 et dautre part T(M2k+1 ) = T[(M2k)2] = T2(M2k)2, compte tenu
de lassertion b) de la Proposition 2 et puisque ∆(M) = 1. Donc, compte tenu de
lhypoth`ese de r´ecurrence: 2Yk+1 = (2Yk)22T(M2k+1 ).
Th´eor`eme 5. La matrice Mest dordre 2ksi et seulement si p|Yk2.
emonstration. Supposons la matrice Mdordre 2k, i.e. M2k=I. On a:
M2=15 4
41et par suite lordre de Mne divise pas 2 soit k2.En posant
alors A=M2k2on a, M´etant dordre 2k:A2=M2k1̸=I,A4=M2k=I.
AApest donc une matrice dordre 4 v´erifiant aussi ∆(A) = 1.Compte tenu du
th´eor`eme 3, b) + c)a), il vient alors: T(A) = 0 soit dapr`es le th´eor`eme pr´ec´edent:
2Yk2T(A) = 0, i.e. pdivise 2Yk2et finalement p´etant impair p|Yk2.
R´eciproquement, avec les mˆemes notations si p|Yk2i.e. Yk20 (mod p), alors
T(A) = 0. Mais, comme ∆(A) = 1, le th´eor`eme 3, a)+b)c),montre que la matrice
Aest dordre 4 soit M2k=Iet M2k1=A2̸=I. Lordre de Mdivisant 2kmais non
2k1est donc ´egal `a 2k.
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Th´eor`eme 6. Les deux assertions suivantes sont ´equivalentes:
a) 3 nest pas le carr´e dun ´el´ement de Zp;
b)Apest un corps.
emonstration. a)b) Si 3 nest pas le carr´e dun ´el´ement de Zp, alors pour
AAp:
∆(A) = 0 A=O.
En effet, supposons ∆(A) = 0. Pour AApon a: ∆(A)=0=(λ+ 2µ)23µ2.
µ̸= 0 impliquerait 3 = (λµ1+ 2)2ce qui est exclut par hypoth`ese. Donc µ= 0 et
∆(A) = 0 = λ2soit: λ= 0 et finalement: A=O. Donc lensemble Apest form´e de
la matrice nulle et de matrices inversibles dans M2(Zp).
A̸=O´etant une matrice de Ap, lapplication ApApefinie par XAX est
lin´eaire et injective, donc surjective (dim Ap= 2). Pour A̸=Oil existe BAptelle
que: AB = 1 soit A1=BAp: les inverse des matrices non nulles de Apsont dans
Ap.
b)a) Nous allons montrer que, non a)non b).Supposons quil existe aZp
tel que a2= 3. Dans ce cas: ∆(A) = [λ+ (2 a)µ][λ+ (2 + a)µ]. Pour la matrice
A= (a2)M+I(a̸= 2 puisque 223 = 1) on a ∆(A) = 0 et (Cayley-Hamilton)
A(AT(A)I) = Oavec A̸=Oet A̸=T(A)I. On en d´eduit que Apnest pas int`egre
et par suite que Apnest pas un corps.
Th´eor`eme 7. En supposant que 3est un carr´e dans Zp:
a)Mest semblable `a une matrice diagonale;
b)Apest isomorphe `a lanneau produit Zp×Zp;
c)dans Apil y a p1´el´ements de d´eterminant 1et (p1)2´el´ements inversibles.
emonstration. a) L´equation caract´eristique de la matrice Ms´ecrit X24X+
1 = (x2)2a2= 0 o`u aest tel que a2= 3. Mayant deux valeurs propre distinctes
λ1= 2 + aet λ2= 2 a, on en d´eduit que la matrice Mest diagonalisable i.e. il
existe PGL2(Zp) telle que M=2 + a0
0 2 aP1.
b) Lapplication RP1RP qui est un automorphisme pour la structure danneau,
transforme toute matrice A=λM +µI de Apen une matrice diagonale. Or lensemble
Dpdes matrices diagonales de M2(Zp) ayant comme cardinal p2(je rappelle que Card
Ap=p2), lapplication Ap→ Dp, A P1AP est donc un isomorphisme.
Dautre part, lapplication Zp×Zp→ Dp, (α, β)α0
0β, ´etant de fa¸con
imm´ediate un isomorphism, on en d´eduit que: ApZp×Zp(cet isomorphisme est
mˆeme un isomorphisme dalg`ebre).
c) Compte tenu de lisomorphisme pr´ec´edent, comme ∆(A) = ∆(P1AP ), le
nombre de matrices AAptelles que ∆(A) = 1 est ´egal aux nombre de couple (α, β)
v´erifiant αβ = 1. Il y en a p1 (choisir dabord α).
La d´emonstration de limplication a)b) du Th´eoreme 6 a montr´e que ∆(A)̸=
0A1Ap. On en d´eduit que le nombre de matrices Ainversibles de Ap(i.e. le
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nombre des matrices AAptelles que ∆(A)̸= 0) est ´egal aux nombre des couples
(α, β)Zp×Zperifiant αβ = 0 soit (p1)2.
Corollaire 8. Dans le cas o`u 3est un carr´e dans Zp:
a)lordre de la matrice Mdivise p1;
b)si p|Yk2, alors 2k|p1.
emonstration. a) Lensemble des matrices de Apde d´eterminant 1 forment un
sous-groupe multiplicatif de A
p, groupe des matrices inversibles de Ap(si AApet
∆(A)̸= 0, alors A1Ap–voir a)b) du th´eor`eme 6). Compte tenu de lassertion
c) du th´eor`eme pr´ec´edent ce sous-groupe est fini de cardinal p1. Or la matrice
Mappartient `a ce sous-groupe. Lordre de Mdivise par suite p1 (ordre de ce
sous-groupe).
b) Si pdivise Yk2, alors la matrice Mest dordre 2kdapr´es le Th´eor`eme 5.
Lassertion a) de ce corollaire permet alors de conclure.
Th´eor`eme 9. En supposant que 3nest pas un carr´e dans Zp:
a) ∆ est un homomorphisme du groupe multiplicatif des ´el´ements non nuls de Ap
dans celui des ´el´ements non nuls de Zp;
b)il existe ktel que p1 = Card (Im ∆) et Card Ker = k(p + 1);
c)il existent p+ 1 ´el´ements de d´eterminant 1dans Ap.
emonstration. a) Ap´etant un corps dapr`es le Th´eor`eme 6, lassertion a) est
´evidente.
b) On en d´eduit lisomorphisme Im ∆ A
p/Ker∆ et par suite: Card A
p=p21 =
(Card Im ∆)(Card Ker ∆). De plus, Im ∆ est un sous-groupe de Z
p: il existe ktel
que p1 = kCard (Im ∆),do`u Card Ker ∆ = k(p+ 1). Notons que 1 kp1.
c) Les matrices Ade Ker ∆ v´erifient ∆(A) = 1. Il sagit de montrer que Card
Ker ∆ = p+ 1. L´egalit´e ∆(A) = 1 entraˆıne, compte tenu de lassertion a) de la
Proposition 2: λ2+µ2+ 4λµ 1 = 0 (1). λZp´etant donn´e, il existe donc 0,1 ou
2 ´el´ements µZptels que ∆(A) = 1 (Zp´etant un corps), donc il existe au plus 2p
couples (λ, µ) v´erifiant l´equation (1). Dautre part, le nombre de tels couples est ´egal
`a-voir b)-k(p+ 1) = Card Ker ∆.On en d´eduit finalement que k= 1 et par suite
Card Ker ∆ = p+ 1.
Corollaire 10. Dans le cas o`u 3nest pas un carr´e dans Zp:
a)lordre de la matrice Mdivise p+ 1;
b)si p|Yk2, alors 2k|p+ 1.
emonstration. a) La matrice Mde d´eterminant 1 appartient au sous-groupe
Ker ∆.Lordre de Mdivise par suite lordre p+ 1 de ce sous-groupe Ker ∆ -voir
lassertion c) du Th´eor`eme 9.
b) De mˆeme quau Corollaire 8, si pdivise Yk2,alors la matrice Mest dordre
2kdapr´es le Th´eor`eme 5. Lassertion a) de ce corollaire permet alors de conclure.
Remarque. Dans le cas o`u 3 nest pas un carr´e dans Zp, lordre de toute matrice
Ade Apv´erifiant ∆(A) = 1 divise p+ 1 - ordre de sous-groupe Ker ∆.Par suite
AAp:Ap+1 =I.
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