Considérons le polynôme en k: P(k):=det(A+kB)
On peut montrer que si A∈Mn(Z), on a l’équivalence (voir problèmes liés):
A inversible dans Mn(Z)⟺det(A)∈{−1,1}Ainsi, on sait que ∀j∈{k∈Z,A+kB∈GLn(Z)}=E,P(j)∈{−1,1}.
Montrons que P est un polynôme constant.
Pour cela, montrons qu’un polynome de degré n est entièrement déterminé par la donnée de n+1 de ses points.
Autrement dit, si deux polynômes de degré n coincident en n+1 points distincts, alors il sont égaux.
Soient P,Q∈Kn[X] tels que pour (a0,...,an)∈Kn distincts deux aˋ deux ,∀i=0,...,n,P(ai)=Q(ai).
Donc ∀i=0,...,n,(P−Q)(ai)=0, et deg(P−Q)≤n
On a exposé n+1 racines de P−Q, de degré au plus n, donc P−Q=0
On a bien prouvé que P=Q
(à noter que l’on pourrait utiliser directement les polynômes inyerpolateurs de Lagrange, ici la démonstration est faite sans connaitre l’existence de ceux-ci)
De plus, on note C={j∈E,P(j)=1} et D={j∈E,P(j)=−1}.
Ainsi E=C∪D, où l’union est disjointe.
Donc card(E)=card(C)+card(D)≥2n+1.
Si card(C)≤n et card(D)≤n, alors 2n+1≤card(E)=card(C)+card(D)≤2n, ce qui est contradictoire, donc card(C)≥n+1 ou card(D)≥n+1 (ce ou est d’ailleurs exclusif)
Il vient donc 2 cas:
- si card(C)≥n+1, on connait n+1 points notés a0,...,an tels que P(ai)=1, et P est de degré au plus n. Ainsi, comme montré précedemment, P=1.
- Si card(D)≥n+1, on connait n+1 points notés a0,...,an tels que P(ai)=−1, et P est de degré au plus n. Ainsi, comme montré précedemment, P=−1.
Donc P∈{−1,1}
Donc ∀k∈Z,det(A+kB)=P(k)∈{−1,1}
Donc ∀k∈Z,A+kB inversible dans Mn(Z).
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