Pour , on pose
où désigne l'indicatrice d’Euler. On note le -ième polynôme cyclotomique, et l’on admettra son irréductibilité sur ainsi que la factorisation .
1. Justifier que l’ensemble est fini, de sorte que est bien défini. Calculer , , et .
2. Soit telle que pour un certain entier . Montrer que est diagonalisable sur et que ses valeurs propres sont des racines de l’unité.
3. Montrer que le polynôme minimal de s’écrit pour une partie finie , et en déduire que pour tout .
4. En déduire que toute matrice d'ordre fini vérifie
5. (Optimalité.) Soit tel que . En considérant la matrice compagnon de , construire un élément de d’ordre exactement . Conclure que est le plus petit exposant possible, c’est-à-dire le ppcm des ordres effectivement réalisés.
6. Expliquer pourquoi pour tout . Établir la formule
7. (Application.) Déterminer tous les ordres possibles d’une matrice d’ordre fini de . En déduire qu’un réseau du plan ne peut admettre de symétrie d’ordre : c’est la restriction cristallographique, qui interdit les pavages périodiques à symétrie pentagonale.
8. (Critère effectif en dimension 2.) Montrer que est d’ordre fini si et seulement si et .
9. (Extensions.) Que devient l’énoncé de la question 4 si l’on remplace par ? par l'anneau des entiers d’un corps de nombres de degré ? par ?
10. (Contre-exemple.) Montrer que l’hypothèse « d’ordre fini » ne peut pas être affaiblie en « toutes les valeurs propres sont de module ».
