Classes de conjugaison de ${\rm SL}_2(K)$

$\def\SL{\text{SL}}\def\GL{\text{GL}}\def\tra#1{{\,^{\rm t}\!#1}}\def\mat#1#2#3#4{\left[\matrix{#1&#2\cr#3&#4\cr}\right]}$Je n'ai pas assez réfléchi à ce que j'écris ci-dessous, c'est pas bien. Soit $K$ un corps commutatif. Tester si deux matrices à coefficients dans $K$ sont semblables peut-être déterminé à l'aide des lois de $K$. Mais si on remplace la conjugaison $\text{GL}$ par $\text{SL}$, cela me semble hors de portée. Je vais me limiter à la dimension 2 et au cas où les matrices sont dans $\SL_2(K)$ et considérer des exemples, histoire de montrer que ce n'est pas de la tarte.

1. Soient $A = \mat{1}{1}{0}{1}$ et $B = \tra{A} = \mat{1}{0}{1}{1}$, de déterminant 1. Elles peuvent être vues à coefficients n'importe où. Elles sont conjuguées dans $\GL_2(\Z)$ donc de manière universelle. Quid de la conjugaison dans $\SL_2(K)$ ? Elles sont conjuguées dans $\SL_2(K)$ si et seulement si $-1$ est un carré dans $K$. Couverture : sauf erreur de ma part. Note : $-1$ carré dans $K$ ne peut pas se décider à partir uniquement des lois de $K$.

2. Même chose avec $A = \mat{0}{-1}{1}{0}$ et $B = \tra{A} = \mat{0}{1}{-1}{0}$, de déterminant 1. Elles sont conjuguées dans $\SL_2(K)$ si et seulement si $-1$ est la somme de deux carrés dans $K$. Avec la même couverture.

3. Quid de $K = \R$ ? Classification des éléments ``elliptique, parabolique, hyperbolique''. Cf par exemple l'excellent K. Conrad in https://kconrad.math.uconn.edu/blurbs/grouptheory/SL(2,R).pdf

4. Quid si $K$ est un corps fini de caractéristique $\ne 2$. Il y a une classification complète des classes de conjugaison de $\SL_2(K)$ mais Il faut quand même travailler. On y trouve des histoires de carrés, non-carrés. Pour un corps fini de caractéristique 2, je me souviens pas de l'avoir vu.

5. Quid si $K$ est un corps local ?

6. Et si $K = \Q$ ? Un corps de nombres ?

Réponses

  • Salut Claude. Je trouve intéressante ta phrase "$-1$ carré dans $K$ ne peut pas se décider à partir uniquement des lois de $K$." Tu as un énoncé précis ?
  • @Poirot
    Disons qu'il y a des personnes qui savent formaliser cela. Par exemple Fred Richman in http://math.fau.edu/Richman/docs/vanderW.pdf (j'attache un extrait bas de la page 2). Peut-être trouve-t-on des informations dans https://qcpages.qc.cuny.edu/~rmiller/slides/MathFest2014.pdf ou Michael O. Rabin in http://pdfs.semanticscholar.org/5d80/5d73797437a8772e1c660eb89ece4c9bbb2f.pdf ?

    A vrai dire, je n'ai pas été voir dans les papiers que je pointe car cela ne m'amuse plus (d'ailleurs, peut-être que cela ne m'a jamais trop amusé ?). Je fais au feeling (en restant prudent, j'essaie de comprendre ce qui est calculable et ce qui ne l'est pas car cela m'arrive de programmer).

    On part avec un corps commutatif $(K, +, \times, 0,1)$ pour lequel on a test à $0$, un algorithme pour calculer $\bullet + \bullet$, $\bullet \times \bullet$, $\bullet^{-1}$ si $\bullet$ est $\ne 0$. Je te pose des petites questions. Avec ces primitives de base :

    1. Peut-on déterminer la caractéristique de $K$ ?
    2. Etant donnés $P,Q \in K[X]$ (une seule variable) peut-on déterminer un pgcd de $P,Q$ ?
    3. Dans $K[X_1, \cdots, X_n]$ sait-on décider si $F \in \langle F_1, \cdots, F_s\rangle$ où $F, F_1, \cdots, F_s$ sont donnés ? Sous-entendu : si oui, déterminer des $U_j$ tels que $F = \sum_j U_j F_j$.
    4. Peut-on factoriser $X^2 + 1$ dans $K[X]$ ? Si oui, comment ?

    5. Question en dehors de ... : est ce que l'on croit encore au Père Noël ?89360
  • Trouver la classe de conjugaison de $A \in SL_n(K)$ (ou tester si elle est conjuguée à $B$) c'est pareil que savoir factoriser $\det(xI-A)$ pour trouver sa forme normale de Jordan, non ?
  • Bill Casselman donne un système complet d'invariants pour les classes de conjugaison dans ${\rm SL}(2)$ dans ses notes :


    https://pdfs.semanticscholar.org/b2bd/a6892d6c260dd2e1ce077c735d10d6c7e1ac.pdf
  • $\def\SL{\text{SL}}\def\GL{\text{GL}}\def\tra#1{{\,^{\rm t}\!#1}}\def\mat#1#2#3#4{\left[\matrix{#1&#2\cr#3&#4\cr}\right]}$@Paul Merci. J'avais vu cette référence mais pas fait assez attention au fait qu'il traitait le cas corps de base quelconque (enfin presque, de caractéristique $\ne 2$) et pas seulement le cas des corps $\mathfrak p$-adiques.

    @Reuns Non pour plusieurs raisons. D'abord Jordan cela n'existe pas sur un corps quelconque. Ensuite, c'est de la $\GL$-conjugaison et pas de la $\SL$-conjugaison. Et enfin, si le polynôme caractéristique est $(X-1)^n$, cela ne dit rien sur les classes de $\GL$-conjugaison et encore moins sur les classes de $\SL$-conjugaison.

    Via les petits exemples, j'avais essayé de dire que ce n'était pas simple. J'en prends un autre. Soit $M \in \SL_2(K)$ de trace 2, autre que l'identité.

    1. $M$ est $\SL_2$-conjuguée à une certaine matrice $A_b = \mat{1}{b}{0}{1}$ avec $b \ne 0$.

    2. Du coup, pour $\GL_2$, c'est simple : $M$ est $\GL_2$-conjuguée à $\mat{0}{-1}{1}{2}$. Le $-1$, c'est $-$ le déterminant et 2 la trace. Avec une matrice de passage de déterminant $-b$. Donc une seule classe de $\GL$-conjugaison. On peut également prendre comme représentant $\mat{1}{1}{0}{1}$.

    3. Pour $\SL_2$, c'est plus compliqué. Soient $b,b' \ne 0$. Alors $A_b$ et $A_{b'}$ sont $\SL_2$-conjuguées si et seulement si $b'b^{-1}$ est un carré.
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