M1 – Théorie de Galois – Université Lyon I – 2011-2012 1
Le corps de décomposition de Φ15(X)
D’après la formule d’inversion de Möbius :
Φ15(X) = (X15 1)(X1)
(X51)(X31)
=X10 +X5+ 1
X2+X+ 1
=X8X7+X5X4+X3X+ 1 .
Soit z:= e2/15.
Soit P(X)le polynôme minimal de 2 cos(2π/15) = z+z1sur Q.
On sait que z+z1est de degré 8/2=4sur Qcar :
Q(z)
2
8
Q(z+z1)
4
Q
Donc P(X)est de degré 4. Mais alors, le polynôme unitaire X4P(X+X1)
Q[X]est de degré 8et annule z. Comme Φ15(X)est le polynôme minimal de
zsur Q, on a :
Φ15(X) = X4P(X+X1)
pour des raisons de degrés.
D’où :
P(X+X1) = Φ15(X)
X4
=X4+X4X3X3+X+X11.
Or, si n1,Xn+Xnest un polynôme en X+X1. On vérifie en effet
facilement que :
Xn+Xn=e
Tn(X+X1)
e
Tn(X) := 2Tn(X/2) avec Tnle nème polynôme de Tchebychev (rappe-
lons que Tnest défini par la formule : (Tn(cos x) = cos nx).
Donc :
P(X) = e
T4e
T3+X1.
Or : T3= 4X33Xet T4= 8X48X2+ 1.
Donc :
P=X4X34X2+ 4X+ 1 .
b) Soit Gle groupe de Galois de Q(z)sur Q. Rappelons que l’on a un
isomorphisme de groupes :
(/15 )×'//G
a//σa:z7→ za.
Comme T3(cos 2π/15) = cos 2π/5,Q(cos 2π/5) Q(cos 2π/15).
Soit Q(X)Q(cos 2π/5)[X]le polynôme minimal de cos 2π/15 sur
Q(cos(2π/5)).
2
Soit yune racine de Qdans C. Il existe un Q(cos(2π/5)plongement
de Q(cos 2π/15) dans C:σtel que σ(x) = y. Ce plongement se pro-
longe an un automorphisme σaG. Réciproquement si σaGest un
Q(cos(2π/5)automorphisme, alors :
0 = Q(cos 2π/15)
0 = σa(Q(cos 2π/15))
Q(σa(cos 2π/15)) = 0 .
Donc σa(cos 2π/15) est une racine de Q.
Ainsi les racines de Qsont les σa(cos 2π/15) tels que σa
Gal(Q(z)/QQ(cos 2π/5)).
Or :
σ(cos(2kπ/15)) = σa(1/2(zk+zk)
= 1/2(zak +zak)
= cos(2akπ/15) .
Donc σaGalQ(z)/QQ(cos 2π/5) a=±1ou ±4 mod 15.
Ainsi Q= (Xcos 2π/15)(Xcos 8π/15) (car Qest à racines simples).
Donc Q=X2λX +µoù :
λ= cos 2π/15 + cos 8π/15 = 2 cos π/3 cos π/5)
µ= cos 2π/15 cos 8π/15 = 1/2(cos 2π/3 + cos 2π/5) .
Or :
cos π/3 = cos 2π/3=1/2
et :
cos 2π/5 = 1 + 5
4
cos π/5 = cos 4π/5 = 1 + 5
4
(en particulier, Q(cos 2π/5) = Q(5)).
Donc Q=X21+5
4X+3+5
8.
On en déduit que :
cos 2π/15 = 1 + 5
8+p15 35
4.
Le corps des nombres constructibles
On dit qu’un sous-corps Kde Cest stable par si pour tout aK,
aK.
On note Cl’intersection des sous-corps de Cstables par . Le corps C
contient Q, mais aussi :
cos 2π/15 = 1 + 5
8+p15 35
4
et
cos 2π/17 =
1
16+1
1617+ 1
16q34 217+1
8r17 + 317 q34 217 2q34 + 217.
Le corps Cest le corps des nombres complexes qui « peuvent s’expriment
avec des racines carrées ». Soit zC. On note PzQ[X]son polynôme
minimal (unitaire) sur Q.
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Sont équivalentes :
i) zC;
ii) l’ordre du groupe de Galois de Pzsur Qest une puissance de 2;
iii) il existe une tour d’extensions :
Q=K0... Kn
telle que [Ki:Ki1] = 2 pour tout 1inet zKn.
*
En effet :
ii iii :
soit Kle corps de décomposition de Pzsur Q. Soit Gle groupe de galois de K
sur Qi.e. le groupe de Galois de Pzsur Q. Soit ntel que |G|= 2n. Le groupe
Gpossède un sous-groupe d’indice 2. Cela se montre par récurrence sur n:
c’est facile si n= 0 et plus généralement si Gest abélien. En effet, dans ce
cas, d’après la description des groupes abéliens finis, on a :
G'/2a1×... ×/2ak
pour certains entiers 1a1... ak. On voit que le groupe :
/2a11×... ×/2ak
est d’indice 2dans /2a1×... ×/2ak.
Si Gn’est pas abélien, notons Zle centre de G. En considérant l’action de
Gsur lui-même par conjugaison, on peut montrer que 1
6=ZG. On peut
donc appliquer l’hypothèse de récurrence à G/Z.
Il existe un sous-groupe Hde G/Z d’indice 2. Si p:GG/Z est la surjec-
tion g7→ gZ, le sous-groupe p1(H)est d’indice 2dans Gcar :G/p1(H)'
(G/Z)/H.
Donc il existe un sous-groupe G1d’indice 2dans G. Par récurrence, on peut
construire une suite de sous-groupes :
G=G0G1... Gn1Gn= 1
tels que Giest d’indice 2dans Gi1pour tout i.
Posons Ki:= KGi. On a :
Q=K0K1... Kn=K
avec zKet [Ki:Ki1] = [KGi:KGi1] = [K:KGi1]/[K:KGi] =
|Gi1|/|Gi|= 2.
D’où iii.
iii i:
Soit Q=K0... Kncomme dans l’énoncé iii.
Soit xiKi\Ki1.Ona:Ki=Ki1(xi). Soit iKi1le discriminant
du polynôme minimal de xisur Ki1. On a :
Ki=Ki1(pi).
Comme Cest stable par , on montre facilement par récurrence que i
Cpour tout id’où KnCet zC.
iii :
4
Soit Cl’ensemble des nombres complexes zqui vérifient ii. L’ensemble Cest
un sous-corps de C. En effet, soient x, y C. Notons x1=x, x2, ..., xmles
conjugués de xet y1=y, ..., ynles conjugués de y. D’après le théorème de
l’élément primitif, il existe u, v Ctels que :
Q(x1, ..., xm) = Q(u),Q(y1, ..., yn) = Q(v).
Comme Q(u)/Qet Q(v)/Qsont des extensions galoisiennes, l’extension
Q(u, v)/Qest aussi galoisienne (si s:Q(u, v)Cest un plongement,
alors s(u)Q(u)et s(v)Q(v)donc s(Q(u, v)) Q(u, v)). On a de plus
[Q(u) : Q]=2aet [Q(v) : Q]=2bpour certains a, b entiers.
Le morphisme Gal(Q(u, v)/Q(v)Gal(Q(u)/Q),s7→ sQ(u)est clairement
injectif. Donc |Gal(Q(u, v) : Q(v)|= [Q(u, v) : Q(v)] est une puissance de 2. On
en déduit que [Q(u, v) : Q] = [Q(u, v) : Q(v)][Q(v) : Q]est aussi une puissance
de 2. En particulier, tous les éléments de Q(u, v)vérifient ii. Donc Q(u, v)C
et Q(x, y)Q(u, v)C.
Il est facile de voir que le corps Cest stable par tout plongement de Cdans
C(i.e. C/Qest une extension normale). Le corps Cest stable par la racine
carrée. En effet, soit xCtel que x2C. Alors tous les conjugués x1, ..., xnde
xvérifient x2
iC. D’après le théorème de l’élément primitif, il existe zCtel
que Q(z) = Q(x2
1, ..., x2
n). L’extension Q(x1, ..., xn)/Qest galoisienne de degré
une puissance de 2car Q(x1, ..., xn)/Q(z)est de degré une puissance de 2tout
comme Q(z)/Q. Donc xQ(x1, ..., xn)C.
On en conclut que CCi.e. iii.
Application :
Si z=3
2,zest de degré 3sur Q. Donc son polynôme minimal a un corps de
décomposition sur Qde degré un multiple de 3. Donc zn’est pas constructible.
Si z=e2/n, le polynôme minimal de zsur Qest Φn(X). Son corps de
décomposition est Q(z). Le groupe de Galois correspondant est isomorphe à
(/n )×, d’ordre ϕ(n).
Or si n= 2apa1
1...par
rpour certains nombres premiers impairs distincts
p1, ..., pret certains entiers a0,ai1.
On a ϕ(n)=2a1pa11
1(p11)...par1
r(pr1). C’est une puissance de 2si
et seulement si ai= 0 et pi12>0pour tout i.
Les nombres 2l+ 1 sont premiers seulement si lest lui-même une puissance
de 2.
En effet, écrivons l= 2ql0avec q0et l0impair. On a alors :
2l+ 1 = (2q+ 1)(1 ±... ±2q(l01)).
Les nombres premiers de la forme :
Fα:= 22α+ 1
sont appelés nombres premiers de Fermat.
Donc z=e2/n est constructible si et seulement si
n= 2aF1...Ft
pour un a0et certains nombres premiers Fide Fermat distincts.
Par exemple, 3,5,17,257,65537 sont des nombres premiers de Fermat mais
on ne sait pas s’il en existe d’autres.
Par exemple : F5n’est pas premier.
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