Ivan Shishkin, Rye (1878)

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Familles de matrices inversibles dans Mn(Z)\mathcal{M}_n(\mathbb{Z})

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Solution by Uettechat · FR

Considérons le polynôme en kk: P(k):=det(A+kB)P(k):=\det(A+kB)
On peut montrer que si AMn(Z)A \in \mathcal{M}_n(\mathbb{Z}), on a l’équivalence (voir problèmes liés):
A inversible dans Mn(Z)det(A){1,1}A \text{ inversible dans } \mathcal{M}_n(\mathbb{Z}) \Longleftrightarrow \det(A) \in \{-1,1\}Ainsi, on sait que j{kZ,A+kBGLn(Z)}=E,P(j){1,1}\forall j \in \{k \in \mathbb{Z}, A+kB \in \mathrm{GL}_n(\mathbb{Z}) \}=E, P(j) \in \{-1,1\}.

Montrons que PP est un polynôme constant.

Pour cela, montrons qu’un polynome de degré nn est entièrement déterminé par la donnée de n+1n+1 de ses points.
Autrement dit, si deux polynômes de degré nn coincident en n+1n+1 points distincts, alors il sont égaux.
Soient P,QKn[X]P,Q \in \mathbb{K_{n}}[X] tels que pour (a0,...,an)Kn distincts deux aˋ deux ,i=0,...,n,P(ai)=Q(ai)(a_{0},...,a_{n}) \in \mathbb{K^{n}} \text{ distincts deux à deux }, \forall i=0,...,n, P(a_{i})=Q(a_{i}).
Donc i=0,...,n,(PQ)(ai)=0\forall i=0,...,n, (P-Q)(a_{i})=0, et deg(PQ)n\deg(P-Q) \leq n
On a exposé n+1n+1 racines de PQP-Q, de degré au plus nn, donc PQ=0P-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={jE,P(j)=1}C=\{j \in E, P(j)=1\} et D={jE,P(j)=1}D=\{j \in E, P(j)=-1\}.
Ainsi E=CDE=C \cup D, où l’union est disjointe.
Donc card(E)=card(C)+card(D)2n+1\operatorname{card}(E)=\operatorname{card}(C)+\operatorname{card}(D) \geq 2n+1.
Si card(C)n et card(D)n\operatorname{card}(C) \leq n \text{ et } \operatorname{card}(D) \leq n, alors 2n+1card(E)=card(C)+card(D)2n2n+1\leq\operatorname{card}(E)=\operatorname{card}(C)+\operatorname{card}(D) \leq 2n, ce qui est contradictoire, donc card(C)n+1 ou card(D)n+1\operatorname{card}(C) \geq n+1 \text{ ou } \operatorname{card}(D) \geq n+1 (ce ou est d’ailleurs exclusif)
Il vient donc 2 cas:

  1. si card(C)n+1\operatorname{card}(C) \geq n+1, on connait n+1n+1 points notés a0,...,ana_{0},...,a_{n} tels que P(ai)=1P(a_{i})=1, et PP est de degré au plus n. Ainsi, comme montré précedemment, P=1P=1.
  2. Si card(D)n+1\operatorname{card}(D) \geq n+1, on connait n+1n+1 points notés a0,...,ana_{0},...,a_{n} tels que P(ai)=1P(a_{i})=-1, et PP est de degré au plus n. Ainsi, comme montré précedemment, P=1P=-1.

Donc P{1,1}P \in \{-1,1\}
Donc kZ,det(A+kB)=P(k){1,1}\forall k \in \mathbb{Z}, \det(A+kB)=P(k) \in \{-1,1\}
Donc kZ,A+kB inversible dans Mn(Z)\forall k \in \mathbb{Z}, A+kB \text{ inversible dans } \mathcal{M}_n(\mathbb{Z}).

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