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Centrale-Supélec 2026 Maths 1MP, MPI

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ÉcoleCentrale-Supélec
Année2026
ÉpreuveMaths 1
OptionMP, MPI
Thème principalAlgèbre, Analyse
ChapitresStructures algébriques usuelles, Endomorphismes d'un espace euclidien, Espaces vectoriels normés, Réduction des endomorphismes et des matrices carrées, Espaces préhilbertiens réels, Dérivabilité et convexité, Dénombrement
Commentaire

Un beau sujet de théorie des groupes matriciels : sous-groupes finis de O₂(ℝ) (cycliques et diédraux) et de Oₙ(ℝ), sous-groupes compacts de GLₙ(ℝ), qui laissent invariant un produit scalaire grâce à la stricte log-concavité du déterminant, puis croissance polynomiale de degré 4 du groupe de Heisenberg discret.

Il demande du recul sur les groupes et une bonne pratique du théorème spectral.

Sur quelques sous-groupes de \(\mathrm{GL}_n(\mathbb{R})\)

Durée : 4 heures. Calculatrice autorisée.

Sujet du concours Centrale-Supélec 2026.

Dans tout le sujet, \(n\) désigne un entier supérieur ou égal à 2. On note :

  • \(\mathcal{M}_n(\mathbb{R})\) l’ensemble des matrices de taille \(n\times n\) à coefficients dans \(\mathbb{R}\), \(I_n\) sa matrice identité.

  • \(\mathrm{GL}_n(\mathbb{R})\) le groupe des matrices inversibles de \(\mathcal{M}_n(\mathbb{R})\).

  • \(\mathcal{S}_n^{+}(\mathbb{R})\) (resp. \(\mathcal{S}_n^{++}(\mathbb{R})\)) l’ensemble des matrices symétriques positives de \(\mathcal{M}_n(\mathbb{R})\) (resp. définies positives).

  • \(\mathrm{O}_n(\mathbb{R})\) le groupe des matrices orthogonales de \(\mathcal{M}_n(\mathbb{R})\), et \(\mathrm{SO}_n(\mathbb{R})\) celui des matrices orthogonales de déterminant 1.

  • La transposée d’une matrice \(M\in\mathcal{M}_n(\mathbb{R})\) sera notée \(M^\top\) et sa trace \(\operatorname{tr}M\).

  • On note \(|X|\) le cardinal d’un ensemble \(X\), en convenant que \(|X|=+\infty\) si \(X\) est un ensemble infini.

  • Si \(\mathcal{A}\) est une partie finie d’un groupe \(G\), on note \(\langle\mathcal{A}\rangle\) le sous-groupe de \(G\) engendré par \(\mathcal{A}\).

Le problème comporte trois parties indépendantes.

Partie A - Sous-groupes finis de \(\mathrm{O}_n(\mathbb{R})\)

Soit \(G\) un groupe de neutre \(e\). On dit que \(G\) est d’exposant fini si et seulement si : \[\exists m\in\mathbb{N}^\ast\quad\forall x\in G\quad x^m=e\] De plus, si \(G\) est un sous-groupe de \(\mathrm{GL}_n(\mathbb{R})\), on note \(\operatorname{tr}G\) la trace du groupe \(G\), qui est l’ensemble : \[\operatorname{tr}G=\{\operatorname{tr}A\ ;\ A\in G\}\]

I - Généralités

Soit \(G\) un sous-groupe de \(\mathrm{GL}_n(\mathbb{R})\).

  1. Montrer que si \(G\) est fini, alors \(G\) est d’exposant fini et \(\operatorname{tr}G\) est fini.

  2. Donner un exemple de sous-groupe infini de \(\mathrm{GL}_n(\mathbb{R})\) dont la trace soit finie.

  3. Donner un exemple (pas nécessairement matriciel) de groupe infini qui soit d’exposant fini.

II - Cas particulier : les sous-groupes finis de \(\mathrm{O}_2(\mathbb{R})\)

Pour tout \(\theta\in\mathbb{R}\), on note \(R_\theta\) et \(S_\theta\) les matrices : \[R_\theta=\begin{pmatrix}\cos\theta & -\sin\theta\\ \sin\theta & \cos\theta\end{pmatrix}\qquad S_\theta=\begin{pmatrix}\cos\theta & \sin\theta\\ \sin\theta & -\cos\theta\end{pmatrix}\] On pourra utiliser sans démonstration les relations suivantes, valables pour tout \((\theta,\varphi)\in\mathbb{R}^2\) : \[R_\theta R_\varphi=R_{\theta+\varphi}\qquad R_\theta S_\varphi=S_{\theta+\varphi}\qquad S_\varphi R_\theta=S_{\varphi-\theta}\qquad S_\theta S_\varphi=R_{\theta-\varphi}\]

  1. Soit \(A\in\mathrm{SO}_2(\mathbb{R})\). Montrer qu’il existe un unique réel \(\theta\in\left[0,2\pi\right[\) tel que \(A=R_\theta\).

  2. Soit \(\theta\in\mathbb{R}\). Dans cette question, \(G=\langle R_\theta\rangle\).

    1. Vérifier que \(G=\{R_{k\theta}\ ;\ k\in\mathbb{Z}\}\).

    2. Dans le cas où \(\theta=\frac{2\pi}{m}\) avec \(m\in\mathbb{N}^\ast\), déterminer \(|G|\).

    3. Montrer que \(G\) est fini si et seulement si \(\frac{\theta}{\pi}\in\mathbb{Q}\).

    4. Montrer que si \(G\) est d’exposant fini, alors \(G\) est fini.

    5. Montrer que si \(\operatorname{tr}G\) est fini, alors \(G\) est fini.

  3. Soient \(\theta\) et \(\theta'\) deux réels. Dans cette question \(G=\langle R_\theta,R_{\theta'}\rangle\).

    1. Montrer que \(|G|=\left|\left(\theta\mathbb{Z}+\theta'\mathbb{Z}\right)\cap\left[0,2\pi\right[\right|\).

    2. En déduire, pour \(p\) et \(q\) deux entiers non nuls premiers entre eux, que \(\left|\langle R_{\frac{\pi}{p}},R_{\frac{\pi}{q}}\rangle\right|=2pq\).

    3. Déterminer \(\left|\langle R_{\frac{\pi}{p}},R_{\frac{\pi}{q}}\rangle\right|\) dans le cas général (où \(p\) et \(q\) ne sont pas forcément premiers entre eux).

  4. Soit \(G\) un sous-groupe fini de \(\mathrm{SO}_2(\mathbb{R})\). Montrer que \(G\) est monogène.

  5. Pour \(m\in\mathbb{N}^\ast\), on note \(\mathcal{D}_m\) le sous-groupe de \(\mathrm{O}_2(\mathbb{R})\) engendré par \(R_{\frac{2\pi}{m}}\) et \(S_{\frac{\pi}{2}}\).

    1. Déterminer le cardinal de \(\mathcal{D}_m\).

      On pourra montrer que \(\mathcal{D}_m\cap\mathrm{SO}_2(\mathbb{R})=\langle R_{\frac{2\pi}{m}}\rangle\), puis chercher une bijection entre \(\mathcal{D}_m\cap\mathrm{SO}_2(\mathbb{R})\) et \(\mathcal{D}_m\backslash\mathrm{SO}_2(\mathbb{R})\).

    2. Soit \(G\) un sous-groupe fini de \(\mathrm{O}_2(\mathbb{R})\) qui n’est pas inclus dans \(\mathrm{SO}_2(\mathbb{R})\). Montrer qu’il existe \(m\in\mathbb{N}^\ast\) tel que \(G\) soit isomorphe à \(\mathcal{D}_m\).

III - Une caractérisation des sous-groupes finis de \(\mathrm{O}_n(\mathbb{R})\)

Dans cette partie, \(G\) est un sous-groupe de \(\mathrm{O}_n(\mathbb{R})\). On désire montrer que : \[G\text{ fini }\iff G\text{ d'exposant fini }\iff\operatorname{tr}G\text{ fini}\]

  1. Rappeler le théorème de réduction des matrices orthogonales.

  2. On suppose dans cette question que \(G\) est d’exposant fini. Montrer, en utilisant le théorème de réduction précédent, que \(\operatorname{tr}G\) est fini.

Jusqu’à la fin de cette partie, on suppose maintenant que \(\operatorname{tr}G\) est fini. On munit \(\mathcal{M}_n(\mathbb{R})\) de son produit scalaire usuel : \[(A|B)=\operatorname{tr}A^\top B\] On note \(\mathcal{F}\) le sous-espace vectoriel de \(\mathcal{M}_n(\mathbb{R})\) engendré par \(G\) et \(d=\dim\mathcal{F}\).

  1. Montrer qu’il existe une famille \(\mathcal{B}=(A_i)_{i\in\left[\kern-0.15em\left[ {1,d} \right]\kern-0.15em\right]}\) de matrices de \(G\) qui forme une base de \(\mathcal{F}\).

  2. Soit \(B=\left((A_i|A_j)\right)_{(i,j)\in\left[\kern-0.15em\left[ {1,d} \right]\kern-0.15em\right]^2}\). On considère la matrice \(C\) des coordonnées des matrices \(A_i\) dans la base canonique de \(\mathcal{M}_n(\mathbb{R})\).

    1. Quelle est la taille de la matrice \(C\) ?

    2. Montrer que \(B=C^\top C\).

    3. Montrer que \(B\) et \(C\) sont de même rang. En déduire que \(B\) est inversible.

  3. Soit \(M\in G\). On peut décomposer \(M\) dans la base \(\mathcal{B}\) : \[M=\sum_{j=1}^dx_jA_j\] On note alors \(X_M=\begin{pmatrix}x_1\\ \vdots\\ x_d\end{pmatrix}\) et \(Y_M=\begin{pmatrix}(A_1|M)\\ \vdots\\ (A_d|M)\end{pmatrix}\). Montrer que \(X_M=B^{-1}Y_M\).

  4. Montrer que \(\{Y_M\mid M\in G\}\) est un ensemble fini. En déduire que \(G\) est fini.

Partie B - Sous-groupes compacts de \(\mathrm{GL}_n(\mathbb{R})\)

On note \(\mathcal{M}_{n,1}(\mathbb{R})\) l’espace vectoriel des matrices colonnes de taille \(n\times1\) à coefficients dans \(\mathbb{R}\).

Dans cette partie, on se place dans \(\mathcal{M}_{n,1}(\mathbb{R})\), muni de son produit scalaire canonique noté \((.|.)\) et de sa norme associée \(\|.\|\). Pour \(r\geqslant0\), on note \(\mathcal{B}(0,r)\) la boule fermée de centre 0 et de rayon \(r\) de \(\mathcal{M}_{n,1}(\mathbb{R})\) pour cette norme, et \(\mathcal{B}=\mathcal{B}(0,1)\) la boule unité fermée.

I - Quelques propriétés utiles

Soient \(A\in\mathcal{S}_n^{++}(\mathbb{R})\) et \(B\in\mathcal{S}_n(\mathbb{R})\).

  1. On pose, pour \(X\) et \(Y\) dans \(\mathcal{M}_{n,1}(\mathbb{R})\) : \[\langle X,Y\rangle_A=(AX|Y)\] Montrer que \(\langle.,.\rangle_A\) est un produit scalaire sur \(\mathcal{M}_{n,1}(\mathbb{R})\).

On note alors \(\|.\|_A\) la norme associée à ce produit scalaire et \(\mathcal{B}_A\) la boule unité fermée pour cette norme. Existe-t-il une matrice \(A\) telle que \(\mathcal{B}(0,r)=\mathcal{B}_A\) ?

  1. Vérifier que \(X\mapsto A^{-1}BX\) est autoadjoint pour le produit scalaire \(\langle.,.\rangle_A\). Que peut-on en déduire pour la matrice \(A^{-1}B\) ?

Soient \(A\) et \(B\) dans \(\mathcal{S}_n(\mathbb{R})\). On note \(B\preccurlyeq A\) si et seulement si pour tout \(X\in\mathcal{M}_{n,1}(\mathbb{R})\), \((BX|X)\leqslant(AX|X)\).

  1. Montrer que \(B\preccurlyeq A\) si et seulement si \(A-B\in\mathcal{S}_n^{+}(\mathbb{R})\).

  2. Soient \(A\) et \(B\) dans \(\mathcal{S}_n^{++}(\mathbb{R})\). Montrer que \(B\preccurlyeq A\) si et seulement si le spectre de \(A^{-1}B\) est inclus dans \(\left]0,1\right]\).

    Pour la réciproque, on pourra utiliser une base orthonormée pour le produit scalaire \(\langle.,.\rangle_A\) bien choisie.

  3. On suppose toujours que \(A\) et \(B\) sont deux matrices de \(\mathcal{S}_n^{++}(\mathbb{R})\), et que \(B\preccurlyeq A\). Montrer que \(\det B\leqslant\det A\), avec égalité si et seulement si \(A=B\).

  4. Montrer que \(B\preccurlyeq A\) si et seulement si \(\mathcal{B}_A\subset\mathcal{B}_B\).

  5. Soit \(\mathcal{K}\) une partie de \(\mathcal{S}_n^{+}(\mathbb{R})\). Montrer que \(\mathcal{K}\) est une partie bornée de \(\mathcal{S}_n^{+}(\mathbb{R})\) si et seulement s’il existe \(\alpha\in\mathbb{R}_+^\ast\) telle que pour tout \(A\in\mathcal{K}\), \(A\preccurlyeq\alpha I_n\).

II - Stricte log-concavité de l’application det

Soit \(\mathcal{C}\) une partie convexe de \(\mathcal{M}_n(\mathbb{R})\) et \(\varphi:\mathcal{C}\to\mathbb{R}\) une fonction. On dit que \(\varphi\) est strictement concave si et seulement si : \[\forall(A,B)\in\mathcal{C}^2\quad\forall t\in[0,1]\qquad\varphi\big(tA+(1-t)B\big)\geqslant t\varphi(A)+(1-t)\varphi(B)\] avec égalité si et seulement si \(A=B\) ou \(t=0\) ou \(t=1\).

  1. Montrer que \(\mathcal{S}_n^{++}(\mathbb{R})\) est une partie convexe de \(\mathcal{M}_n(\mathbb{R})\).

  2. Montrer que \(\varphi : A\mapsto\ln(\det A)\) est une fonction strictement concave sur \(\mathcal{S}_n^{++}(\mathbb{R})\).

    On pourra utiliser le résultat de la question Q16.

III - Groupe orthogonal associé à une matrice symétrique définie positive

À toute matrice \(A\in\mathcal{S}_n^{++}(\mathbb{R})\) on associe son groupe orthogonal : \[\mathrm{O}(A)=\{M\in\mathcal{M}_n(\mathbb{R})\ ;\ M^\top AM=A\}\]

  1. Montrer que \(\mathrm{O}(A)\) est un sous-groupe de \(\mathrm{GL}_n(\mathbb{R})\), isomorphe à \(\mathrm{O}_n(\mathbb{R})\).

    On pourra montrer qu’il existe une matrice \(B\) telle que \(A=B^\top B\), et chercher un isomorphisme sous la forme \(M\mapsto B^{-1}MB\).

  2. Montrer que \(\mathrm{O}(A)\) est une partie compacte de \(\mathcal{M}_n(\mathbb{R})\).

IV - Sous-groupes compacts de \(\mathrm{GL}_n(\mathbb{R})\)

Dans cette partie, \(G\) désigne un sous-groupe compact de \(\mathrm{GL}_n(\mathbb{R})\). On désire montrer que \(G\) est alors isomorphe à un sous-groupe de \(\mathrm{O}_n(\mathbb{R})\).

  1. Montrer que pour tout \(M\in G\), \(|\det M|=1\).

  2. On pose : \[\mathcal{C}=\{MX\ ;\ (M,X)\in G\times\mathcal{B}\}\] Montrer que \(\mathcal{C}\) est compact, et que 0 est un point intérieur à \(\mathcal{C}\).

  3. Montrer qu’il existe une unique matrice \(A\in\mathcal{S}_n^{++}(\mathbb{R})\) telle que \(\mathcal{C}\subset\mathcal{B}_A\) et qui soit de déterminant maximal.

    On pourra commencer par montrer que \(\mathcal{E}=\{A\in\mathcal{S}_n^{+}(\mathbb{R})\ ;\ \mathcal{C}\subset\mathcal{B}_A\}\) est non vide, compact et convexe, puis utiliser la question Q23 pour démontrer l’unicité.

  4. Montrer que \(G\) est un sous-groupe de \(\mathrm{O}(A)\).

Partie C - Croissance du groupe de Heisenberg discret

I - Croissance d’un groupe

Soit \(G\) un groupe de neutre \(e\), engendré par une partie finie \(\mathcal{S}=\{s_i\}_{i\in\left[\kern-0.15em\left[ {1,N} \right]\kern-0.15em\right]}\). À tout élément \(g\in G-\{e\}\) on associe sa longueur relativement à \(\mathcal{S}\) par : \[\ell_{\mathcal{S}}(g)=\min\left\{\sum_{i=1}^k|a_i|\ \middle|\ g=s_1^{a_1}\dots s_k^{a_k}\ ;\ s_i\in\mathcal{S}\ ,\ a_i\in\mathbb{Z}\right\}\] \(\ell_{\mathcal{S}}(g)\) est le nombre minimal d’éléments de \(\mathcal{S}\) permettant d’obtenir \(g\). Par convention, on pose \(\ell_{\mathcal{S}}(e)=0\). On note alors, pour \(p\in\mathbb{N}\) : \[\mathcal{V}_{\mathcal{S}}(p)=\{g\in G\ ;\ \ell_{\mathcal{S}}(g)\leqslant p\}\] \(\mathcal{V}_{\mathcal{S}}(p)\) est l’ensemble des éléments de \(G\) s’obtenant à partir d’au maximum \(p\) éléments de \(\mathcal{S}\).

Nous dirons que \(G\) est un groupe à croissance polynomiale de degré \(d\in\mathbb{N}\) si et seulement si il existe deux réels strictement positifs \(\alpha\) et \(\beta\) tels que, pour tout \(p\geqslant1\) : \[\alpha p^d\leqslant|\mathcal{V}_{\mathcal{S}}(p)|\leqslant\beta p^d\]

  1. Montrer que pour tous \(g\) et \(h\) dans \(G\), \(\ell_{\mathcal{S}}(g^{-1})=\ell_{\mathcal{S}}(g)\) et \(\ell_{\mathcal{S}}(gh)\leqslant\ell_{\mathcal{S}}(g)+\ell_{\mathcal{S}}(h)\).

  2. Soit \(\Sigma\) une autre partie finie génératrice de \(G\). Montrer qu’il existe deux constantes \(C\) et \(C'\) strictement positives telle que, pour tout \(g\in G\) : \[C\ell_{\mathcal{S}}(g)\leqslant\ell_\Sigma(g)\leqslant C'\ell_{\mathcal{S}}(g)\] En déduire que le fait que \(G\) soit un groupe à croissance polynomiale de degré \(d\) ne dépend pas du système \(\mathcal{S}\) de générateurs choisis.

  3. Soit \(p\in\mathbb{N}\). Dénombrer le nombre de triplets \((x,y,z)\in\mathbb{N}^3\) tels que \(x+y+z\leqslant p\). En déduire que \((\mathbb{Z}^3,+)\) est un groupe à croissance polynomiale et déterminer son degré.

II - Le groupe de Heisenberg discret

Dans cette partie, \(n=3\). On considère les trois matrices suivantes : \[S=\begin{pmatrix}1&0&0\\0&1&1\\0&0&1\end{pmatrix}\qquad T=\begin{pmatrix}1&1&0\\0&1&0\\0&0&1\end{pmatrix}\qquad U=\begin{pmatrix}1&0&1\\0&1&0\\0&0&1\end{pmatrix}\] On note \(\mathcal{A}=\{S,T,U\}\). \(\mathbb{H}\) désigne alors le sous-groupe de \(\mathrm{GL}_3(\mathbb{R})\) engendré par \(\mathcal{A}\).

  1. Pour tout \((i,j,k)\in\mathbb{Z}^3\), calculer \(S^iT^jU^k\).

  2. Pour \((i,j,k,i',j',k')\in\mathbb{Z}^6\), déterminer un triplet \((i'',j'',k'')\in\mathbb{Z}^3\) tel que : \[S^iT^jU^kS^{i'}T^{j'}U^{k'}=S^{i''}T^{j''}U^{k''}\]

  3. Vérifier que \(U\) commute avec tous les éléments de \(\mathbb{H}\), et que pour tout \((i,j)\in\mathbb{Z}^2\) : \[S^iT^jU^{ij}=T^jS^i\]

  4. Le groupe \(\mathbb{H}\) est-il commutatif ? Quel est le groupe engendré par \((S,T)\) ?

  5. Montrer que l’application \(f\) définie par : \begin{align*}f\ :\ \mathbb{Z}^3&\to\mathbb{H}\\(i,j,k)&\mapsto S^iT^jU^k\end{align*} est bien définie et bijective. Est-ce un isomorphisme de groupe (en munissant \(\mathbb{Z}^3\) de sa structure usuelle) ? Peut-on munir \(\mathbb{Z}^3\) d’une structure de groupe telle que \(f\) soit un isomorphisme ?

  6. Soit \(M\in\mathbb{H}\) et \(p\in\mathbb{N}^\ast\). Montrer que si \(\ell_{\mathcal{A}}(M)\leqslant p\), alors il existe \((i,j,k,z)\in\mathbb{Z}^4\) tels que \(M=S^iT^jU^{k+z}\) avec \(|i|+|j|+|k|\leqslant p\) et \(|z|\leqslant|ij|\). En déduire que \(|\mathcal{V}_{\mathcal{A}}(p)|=O(p^4)\) quand \(p\) tend vers \(+\infty\).

    On pourra utiliser les résultats de la question Q35.

  7. Montrer que, pour tout \((i,j,k)\in\mathbb{Z}^3\), si \(|i|+|j|\leqslant p\) et \(|k|\leqslant|ij|\), alors \(\ell_{\mathcal{A}}(S^iT^jU^k)\leqslant p\).

  8. Montrer que : \[\operatorname{card}\{(i,j,k)\in\mathbb{N}^3\ ,\ i+j\leqslant p\text{ et }k\leqslant ij\}\geqslant\frac{p^3}{2}\sum_{i=0}^p\frac{i}{p}\left(1-\frac{i}{p}\right)^2\] et déterminer un équivalent de cette dernière quantité quand \(p\) tend vers \(+\infty\).

  9. En déduire que \(\mathbb{H}\) est un groupe à croissance polynomiale de degré 4.

\(\diamond\)Fin\(\diamond\)

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