Ivan Shishkin, Rye (1878)

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Les sous-groupes finis de SL2(Z)\mathrm{SL}_{2}(\mathbb{Z}) sont de cardinal 1,2,3,41,2,3,4 ou 6.6.

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Solution by FiniteField · FR

Preuve en vidéo : https://youtu.be/T1W0erDKjY0

  1. La symétrie provient de la symétrie de ⟨⋅,⋅⟩\left\langle \cdot,\cdot\right\rangle. La bilinéarité provient aussi de celle de ⟨⋅,⋅⟩\left\langle \cdot,\cdot\right\rangle ainsi que de la linéarité de la somme. Enfin pour x∈Rnx\in\mathbb{R}^n, ⟨x,x⟩G≥0\left\langle x,x\right\rangle_G\geq 0 par positivité de ⟨⋅,⋅⟩\left\langle \cdot,\cdot\right\rangle et, si ⟨x,x⟩G=0\left\langle x,x\right\rangle_G=0, alors ∀g∈G\forall g\in G, ⟨gx,gx⟩=0\left\langle gx,gx\right\rangle=0 donc gx=0gx=0. En particulier pour g=idg=\mathrm{id}, x=0x=0. On remarque que pour h∈Gh\in G, on a
    ∀x∈Rn,⟨hx,hx⟩G=1∣G∣∑g∈G⟨ghx,ghx⟩=1∣G∣∑g∈G⟨gx,gx⟩\forall x\in\mathbb{R}^n,\quad \left\langle hx,hx\right\rangle_G =\dfrac{1}{|G|}\sum_{g\in G}\left\langle ghx,ghx\right\rangle =\dfrac{1}{|G|}\sum_{g\in G}\left\langle gx,gx\right\ranglecar l’application g↦ghg\mapsto gh définit une bijection sur GG (car injective entre deux ensembles de même cardinal fini). Par conséquent les éléments de GG sont des isométries de Rn\mathbb{R}^n pour le produit scalaire ⟨⋅,⋅⟩G\left\langle \cdot,\cdot\right\rangle_G. Ainsi, en notant P∈GLn(R)P\in\mathrm{GL}_n(\mathbb{R}) la matrice de passage de la base canonique de Rn\mathbb{R}^n à une base orthonormée B\mathcal{B} pour ⟨⋅,⋅⟩G\left\langle \cdot,\cdot\right\rangle_G, on a l’inclusion φ ⁣:g⟼PgP−1\varphi\colon g\longmapsto PgP^{-1} de GG dans On(R)\mathrm{O}_n(\mathbb{R}).
  2. Soit GG un sous-groupe fini de SL2(Z)\mathrm{SL}_2(\mathbb{Z}). On rappelle que les isométries de R2\mathbb{R}^2 sont de deux types possibles : les rotations et les symétries orthogonales. Les premières étant de déterminant 11 et les symétries de déterminant −1-1. On note P∈GL2(R)P\in\mathrm{GL}_2(\mathbb{R}) telle que G′=PGP−1⊆SO2(R)G'=PGP^{-1}\subseteq\mathrm{SO}_2(\mathbb{R}), i.e. telle que les PgP−1PgP^{-1} soient des matrices de rotations pour g∈Gg\in G. On note
    Rθ=(cos⁡(θ)−sin⁡(θ)sin⁡(θ)cos⁡(θ))R_\theta= \begin{pmatrix} \cos(\theta)&-\sin(\theta)\\ \sin(\theta)&\cos(\theta) \end{pmatrix}la matrice de la rotation d’angle θ∈[0,2π[\theta\in\left[0,2\pi\right[ dans la base B\mathcal{B} et G′={Rθi∣i∈1,…,d}G'=\{R_{\theta_i}\mid i\in{1,\dots,d}\}.
    Par finitude de GG, l’ensemble des θi≠0\theta_i\neq 0 admet un minimum que l’on note θ0\theta_0. On montre alors que G′G' est engendré par R0=Rθ0R_{0}= R_{\theta_0}. Soit Rθ∈GR_\theta\in G, par archimédianité de R\mathbb{R} il existe n∈Nn\in\mathbb{N} tel que 0≤θ−nθ0<θ0<2π0\leq\theta-n\theta_0<\theta_0<2\pi, mais alors RθR0−n=Rθ−nθ0∈GR_\theta R_0^{-n}=R_{\theta-n\theta_0}\in G. Ainsi θ−nθ0\theta-n\theta_0 apparaît comme un angle de rotation d’un élément de GG qui est inférieur à θ0\theta_0, c’est donc 00. Ainsi Rθ=R0nR_\theta=R_0^n.

Il ne nous reste plus qu’à borner le cardinal possible de GG. Pour cela on remarque que les traces des éléments de GG sont des entiers mais, par invariance par changement de base, l’angle de rotation θ0\theta_0 doit aussi vérifier 2cos⁡(θ0)∈Z2\cos(\theta_0)\in\mathbb{Z}, ce qui impose cos⁡(θ0)∈{−1,−12,0,12,1}\cos(\theta_0)\in\left\{-1,-\dfrac{1}{2},0,\dfrac{1}{2},1\right\}.
Ainsi on a les alternatives suivantes possibles pour l’angle θ0\theta_0 du générateur :

  • θ0=0\theta_0=0 ce qui donne GG trivial.
  • θ0=π3\theta_0=\dfrac{\pi}{3} ce qui donne G≃Z/6ZG\simeq\mathbb{Z}/6\mathbb{Z}.
  • θ0=π2\theta_0=\dfrac{\pi}{2} ce qui donne G≃Z/4ZG\simeq\mathbb{Z}/4\mathbb{Z}.
  • θ0=2π3\theta_0=\dfrac{2\pi}{3} ce qui donne G≃Z/3ZG\simeq\mathbb{Z}/3\mathbb{Z}.
  • θ0=π\theta_0=\pi ce qui donne G≃Z/2ZG\simeq\mathbb{Z}/2\mathbb{Z}.

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