Ivan Shishkin, Rye (1878)

Problems/General algebraUnreviewed

La restriction cristallographique en toute dimension

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69
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  1. 110First steps / middle schoolPremiers pas / collège
  2. 1125Beginner / high schoolDébutant / lycée
  3. 2650Intermediate / undergraduateIntermédiaire / licence
  4. 5170Advanced / graduateAvancé / master
  5. 7190Expert / specializedExpert / spécialisé
  6. 91100Research levelNiveau recherche
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Pour n1n\geqslant 1, on pose
ψ(n)=ppcm{d1 : φ(d)n},\psi(n)=\operatorname{ppcm}\bigl\{\,d\geqslant 1\ :\ \varphi(d)\leqslant n\,\bigr\},φ\varphi désigne l'indicatrice d’Euler. On note ΦdZ[X]\Phi_d\in\mathbb{Z}[X] le dd-ième polynôme cyclotomique, et l’on admettra son irréductibilité sur Q\mathbb{Q} ainsi que la factorisation Xm1=dmΦdX^{m}-1=\prod_{d\mid m}\Phi_d.

1. Justifier que l’ensemble {d1:φ(d)n}\{d\geqslant 1 : \varphi(d)\leqslant n\} est fini, de sorte que ψ(n)\psi(n) est bien défini. Calculer ψ(1)\psi(1), ψ(2)\psi(2), ψ(3)\psi(3) et ψ(4)\psi(4).

2. Soit MMn(Z)M\in\mathcal{M}_n(\mathbb{Z}) telle que Mm=InM^{m}=I_n pour un certain entier m1m\geqslant 1. Montrer que MM est diagonalisable sur C\mathbb{C} et que ses valeurs propres sont des racines de l’unité.

3. Montrer que le polynôme minimal de MM s’écrit μM=dSΦd\mu_M=\prod_{d\in S}\Phi_d pour une partie finie SNS\subseteq\mathbb{N}^{*}, et en déduire que φ(d)n\varphi(d)\leqslant n pour tout dSd\in S.

4. En déduire que toute matrice MMn(Z)M\in\mathcal{M}_n(\mathbb{Z}) d'ordre fini vérifie
Mψ(n)=In.M^{\psi(n)}=I_n.

5. (Optimalité.) Soit dd tel que φ(d)n\varphi(d)\leqslant n. En considérant la matrice compagnon de Φd\Phi_d, construire un élément de GLn(Z)\mathrm{GL}_n(\mathbb{Z}) d’ordre exactement dd. Conclure que ψ(n)\psi(n) est le plus petit exposant possible, c’est-à-dire le ppcm des ordres effectivement réalisés.

6. Expliquer pourquoi ψ(2k)=ψ(2k+1)\psi(2k)=\psi(2k+1) pour tout k1k\geqslant 1. Établir la formule
ψ(n)=p premierpνp(n),νp(n)=max{a0 : pa1(p1)n}.\psi(n)=\prod_{p\ \text{premier}}p^{\,\nu_p(n)},\qquad \nu_p(n)=\max\bigl\{a\geqslant 0\ :\ p^{a-1}(p-1)\leqslant n\bigr\}.

7. (Application.) Déterminer tous les ordres possibles d’une matrice d’ordre fini de M2(Z)\mathcal{M}_2(\mathbb{Z}). En déduire qu’un réseau du plan ne peut admettre de symétrie d’ordre 55 : c’est la restriction cristallographique, qui interdit les pavages périodiques à symétrie pentagonale.

8. (Critère effectif en dimension 2.) Montrer que MM2(Z)M\in\mathcal{M}_2(\mathbb{Z}) est d’ordre fini si et seulement si detM=±1\det M=\pm 1 et trM{2,1,0,1,2}\operatorname{tr}M\in\{-2,-1,0,1,2\}.

9. (Extensions.) Que devient l’énoncé de la question 4 si l’on remplace Z\mathbb{Z} par Q\mathbb{Q} ? par l'anneau des entiers OK\mathcal{O}_K d’un corps de nombres de degré rr ? par C\mathbb{C} ?

10. (Contre-exemple.) Montrer que l’hypothèse « d’ordre fini » ne peut pas être affaiblie en « toutes les valeurs propres sont de module 11 ».

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