L`adhérence des décimaux inversibles Une preuve

Lambert Arsac CRCG
L’adhérence des décimaux inversibles
Une preuve
On se propose d’énoncer puis de démonter le résultat suivant.
Théorème 1 L’ensemble des nombres décimaux inversibles est dense dans l’en-
semble des nombres réels :
D×=R.
Pour cela, commençons par rappeler ce qu’est un nombre décimal.
Définition 1 Un nombre réel dest appelé nombre décimal s’il existe nNtel que
10ndZ.
On note Dl’ensemble des nombre décimaux, et D×l’ensemble des nombres décimaux
inversibles dans D.
Essayons maintenant de caractériser les décimaux inversibles.
Proposition 1
D×={ε2α5β,(ε,α,β)∈ {−1,1} × Z2}.
Preuve.
Notons E:= {ε2α5β,(ε,α,β)∈ {−1,1} × Z2}.
Soit d1D×. Il existe donc d2Dtel que d1d2= 1
Par définition d’un nombre décimal, il existe donc (k1,k2)Z2tel que 10kidiZ
pour i= 1,2. Même mieux, on peut choisir εi∈ {−1,1}tel que ni:= εi10kidiN
pour i= 1,2.
On a donc
n1n2=ε1ε210k1+k2=ε1ε22k1+k25k1+k2N,
et d’après le théorème fondamental de l’arithmétique, il existe donc (ε,α,β)
{−1,1} × Z2tel que n1=ε2α5β.
Donc
d1=εn1
10k1=ε2α5β10k1=ε2αk15βk1E.
Donc D×E.
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Réciproquement, soit (ε,α,β)∈ {−1,1} × Z2.
On a
1
ε=ε
1
2α=5α
10α
1
5β=2β
10β
,
donc
1
ε2α5β=ε2β5α10αβ.
Donc 10α+β(ε2α5β)1Z, ce qui donne bien que ε2α5βD×.
Finalement, D×=E.
Approchons maintenant de la preuve du théorème principal, pour cela choisissons
xR, et essayons de construire une suite (δn)nNd’éléments de D×telle que
δnD×
n+
xR.
Pour cela, construisons par récurrence une suite (δn)nNtelle que
nN|xδn|610n.
On pose δ0:= bxc ∈ ZD×, on a bien |xδ0|6100= 1.
Soit nN>1tel qu’il existe (δk)06k6n1vérifiant les propriétés énoncées.
On a xR, donc il existe ε∈ {−1,1},mZ,(xi)i[[1,m]] tels que
x=ε
m
X
i=−∞
xi10i.
Nous allons avoir besoin de petits lemmes que nous énonçons et démontrons (ce qui
est fait n’est plus à faire).
Lemme 1 Soit Hun sous-groupe de (R,+).
L’ensemble Hest soit monogène, soit dense dans R.
Preuve.
Soit Hun sous-groupe additif de R.
On a clairement HR+6=.
Posons
η:= inf{hHR+}.
Distinguons deux cas.
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?Si η > 0.
Soit hH, et kZtel que
kη 6|h|<(k+ 1)η.
On a |h| − kη H, et 06|h| − kη < (k+ 1)ηkη =η.
Donc pas définition de η,|h| − kη = 0, donc h=±kη.
Donc H= [η], et donc en particulier Hest monogène.
?Si η= 0.
Soit rR,ε > 0.
Comme η= 0, il existe h]0]H.
On considère r>0, le cas rnégatif se traitant exactement de la même façon.
Soit kNtel que
kh 6r < (k+ 1).
On a bien kh H, et de plus
06rkh
6(k+ 1)hkh
=h
6ε
Donc |rkh|6ε, ce qui montre que Hest dense dans R.
Lemme 2 L’ensemble
G:= {αln(2) + βln(10),(α,β)Z2}
est dense dans R.
Preuve.
On a clairement que Gest un sous-groupe additif de R.
Or d’après le lemme 1, Gest soit monogène, soit dense dans R.
Il suffit donc de montrer que Gn’est pas monogène.
Supposons par l’absurde qu’il existe γRtel que G= [γ].
On a (ln(2),ln(10)) G2, donc il existe (a,b)Z2tel que
(ln(2) =
ln(10) = ,
donc bln(2) = aln(10), ce qui revient à dire que 2b= 10a.
D’après le théorème fondamental de l’arithmétique, on a donc a=b= 0, ce qui est
absurde.
L’ensemble Gest donc dense dans R.
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Revenons à la construction de notre suite.
Posons
Nn:=
m+n
X
i=0
xi10i.
On veut trouver (α,β)N2tel que
Nn10β62α<(Nn+ 1)10β.(1)
En passant au logarithme, cela revient à vouloir
ln(Nn) + βln(10) 6αln(2) <ln(Nn+ 1) + βln(10),
soit
ln(Nn)6αln(2) βln(10) <ln(Nn+ 1).
Or |ln(Nn+ 1) ln(Nn)|>0.
Donc d’après le lemme 2, un tel couple (α,β)existe.
Ce couple vérifie alors l’équation (1).
On a donc
Nn62α10β< Nn+ 1.
Posons
δn:= ε2α10β10n
=ε2αβn5βn.
D’après la proposition 1, nous avons bien δnD×.
De plus,
|xδn|=
m
X
i=−∞
xi10iε2α10β
| {z }
>Nn
10n
6
m
X
i=−∞
xi10iεNn10n
=
m
X
i=−∞
xi10iε m+n
X
i=0
xi10i!10n
=
m
X
i=−∞
xi10iε
m
X
i=n
xi10i
=
(n+1)
X
i=−∞
xi10i
610n
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Ainsi, nous avons bien construit une suite (δn)nNtelle que
nNδnD×et |xδn|610n
n+0.
Donc
D×=R,
ce qui conclut la preuve du théorème.
La résolution d’une conjecture en appelant une autre, voici ce que nous proposons.
Nous savons déjà que
D6Q6A6R,
(ce sont tous des sous-anneaux de (R,+,×)) et comme D×D, nous avons aussi
montré la densité des tous ces sous-ensembles de R.
Cependant.
Existe-t-il E D un sous-anneau de (R,+,×)tel que E×=R?
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