Calcula totes les matrius $X = \begin{pmatrix} a & b \\ c & d \end{pmatrix}$ tals que la suma dels elements de la diagonal principal és $1$, tenen determinant $1$ i que commuten amb la matriu $A$, sent $A = \begin{pmatrix} 0 & -1 \\ 1 & 0 \end{pmatrix}$.
Per resoldre el problema, hem d'aplicar les tres condicions donades sobre la matriu $X$:
1. Condició de commutativitat ($A \cdot X = X \cdot A$):
Calculem ambdós productes i igualem els elements corresponents:
$$A \cdot X = \begin{pmatrix} 0 & -1 \\ 1 & 0 \end{pmatrix} \begin{pmatrix} a & b \\ c & d \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} -c & -d \\ a & b \end{pmatrix}$$ $$X \cdot A = \begin{pmatrix} a & b \\ c & d \end{pmatrix} \begin{pmatrix} 0 & -1 \\ 1 & 0 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} b & -a \\ d & -c \end{pmatrix}$$D'aquí obtenim el sistema d'equacions:
$$\begin{cases} -c = b \\ -d = -a \implies a = d \end{cases}$$Per tant, la matriu ha de tenir la forma: $X = \begin{pmatrix} a & b \\ -b & a \end{pmatrix}$.
2. Condició de la suma dels elements de la diagonal, també coneguda com a traça ($a + d = 1$):
Com que hem determinat que $a = d$, substituïm en la condició de la suma:
$$a + a = 1 \implies 2a = 1 \implies a = \frac{1}{2}$$Així doncs, $a = \frac{1}{2}$ i $d = \frac{1}{2}$. La matriu ara és $X = \begin{pmatrix} 1/2 & b \\ -b & 1/2 \end{pmatrix}$.
3. Condició del determinant ($|X| = 1$):
Calculem el determinant de la matriu resultant i l'igualem a $1$:
$$|X| = \begin{vmatrix} 1/2 & b \\ -b & 1/2 \end{vmatrix} = \left(\frac{1}{2} \cdot \frac{1}{2}\right) - (b \cdot (-b)) = \frac{1}{4} + b^2$$Resolem per a $b$:
$$\frac{1}{4} + b^2 = 1 \implies b^2 = 1 - \frac{1}{4} \implies b^2 = \frac{3}{4} \implies b = \pm \sqrt{\frac{3}{4}} = \pm \frac{\sqrt{3}}{2}$$Conclusió:
Obtenim dues matrius possibles segons el valor de $b$:
$$\boxed{X_1 = \begin{pmatrix} 1/2 & \sqrt{3}/2 \\ -\sqrt{3}/2 & 1/2 \end{pmatrix}, \quad X_2 = \begin{pmatrix} 1/2 & -\sqrt{3}/2 \\ \sqrt{3}/2 & 1/2 \end{pmatrix}}$$