M. Tibouchi Ulm-Lyon 2001 16 septembre 2002
1. Pr´eliminaires
Soit pun nombre premier impair, et y(Z/pZ).
1.1 Consid´erons la permutation involutive ϕ:x→ y/x de (Z/pZ).SilonnoteO(ϕ)
l’ensemble de ses orbites, il vient, puisque O(ϕ)estune partition de (Z/pZ):
x(Z/pZ)
x=
XO(ϕ)
xX
x
Chaque orbite de cette involution a un ou deux ´el´ements. Si Xest une orbite `adeux
´el´ements et zX,onaX={z, y/z},doncxXx=y.Ilestdoncfacile d’´evaluer
le produit pr´ec´edent si l’on connaˆıt les pointsfixesdeϕ.Orxest point fixe de ϕsi et
seulement si x2=y.Siyn’est pas un carr´e, toutes les oribites ont donc deux ´el´ements,
et il y en a en particulier (p1)/2, d’o`u:
x(Z/pZ)
x=
XO(ϕ)
y=y(p1)/2
Si maintenant yest un carr´e, l’´equation x2=yaaumoins une solution zdans (Z/pZ),
mais comme elle est de degr´e2,elle en a au plus deux dans le corps Z/pZ.Orzest
´egalement solution, et z(z)=2z=0puisque pest impair. ϕadonclesdeux points
fixes zet z,etparcons´equent (p3)/2orbites`adeux´el´ements, d’o`u:
x(Z/pZ)
x=z·(z)·y(p3)/2=y(p1)/2
1.2 1 = 12est un carr´edans(Z/pZ),donc:
x(Z/pZ)
x=1(p1)/2=1
Les calculs pr´ec´edents montrent donc imediatement quepourtout y(Z/pZ),y(p1)/2
vaut 1 si yest un carr´eet1sinon.
2. G´en´eralit´es
2.1 Soit ζCquelconque. Supposons qu’il existe PQ[X]unitaire tel que P(ζ)=0.
Alors le noyau de la surjection canonique Q[X]Q[ζ]contient l’id´eal non nul (P).
En particulier, ladite surjection se factorise par Q[X]/(P), qui est de dimension finie
comme Q-espace vectoriel. Q[ζ]estdonc a fortiori de dimension finie comme Q-espace
vectoriel. Or c’est une Q-alg`ebre int`egre, donc pour tout xQ[ζ]−{0},l’endomorphisme
mx:y→ xy est injectif, donc surjectif, et xest donc inversible. Q[ζ]estdonc un corps
de nombres.
eciproquement, supposons que Q[ζ]soituncorps de nombres, et soit alors nsa dimen-
sion.Lafamille de n+1 vecteurs (1,...n)estdonc li´ee. Soit (a0,···,a
n)Qn−{0},
tel que akζk=0,etsoitetQ=akXk.Qest un polynˆome non nul de Q[X]telque
Q(ζ)=0,donc le quotient Pde Qpar son coefficient dominant est un polyome unitaire
`acoecientsrationnels annulant ζ.
2.2 Soit Vun Qespace vectoriel de dimension finie et fun endomorphisme de V.On
suppose qu’il existe un polynˆome Punitaire `acoecientsentiersannulant f.´
Ecrivons
P=Xdad1Xd1···−a0,etpourtoutxV,notons :
Mx=Zx+Zf(x)+···+Zfd1(x)
On a alors pour 0 k<d1, on a f[fk(x)] = fk+1(x)Mx,etdautre part :
f[fd1(x)] = fd(x)=a0x+a1f(x)+···+ad1fd1(x)Mx
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donc par Z-lin´earit´e, il vient que f(Mx)Mx.Soitmaintenant (u1,···,u
k)estune
famille g´en´eratrice de V.Comme flaisse stable chacun des Mui,illaisse stable le Z-
module :
M=Mu1+···+Muk=Zu1+···+Zfd1(u1)+···+Zuk+···+Zfd1(uk)
qu’ils engendrent. On a donc bien montr´equesifest annul´eparunpolyome unitaire
`acoecientsentiers,illaisse stable un sous-Z-module de Vde la forme Zv1+···+Zvn,
avec VectQ(vi)=V.
Pour obtenir la r´eciproque, on se propose de d´emontrer le lemme suivant : tout sous-Z-
module de type fini d’un Q-espace vectoriel de dimension nest libre de rang au plus n.
Pour n=0cest imediat. On traite `apartlecasn=1.SoitMun sous-Z-module de
type fini non nul de Q.Iladmet donc une famille g´en´eratrice de la forme (a1/q,...,a
k/q)
o`ulesaisont des entiers nonnuls,etqest dans N.Ilvientalors:
qM ={qx / x M}=a1Z+···+akZ=aZavec a=pgcd(a1,...,a
k)
Donc M=Za/q est bien de rang 1.
On suppose maintenant le esultat vrai entouteslesdimensions inf´erieures `auncertain
n1, et l’on se place dans V=Qn+1.Onsedonne ´egalement une forme lin´eaire
p:VQnon nulle, et l’on pose H=Kerp.SoitalorsMun sous-Z-module detype
fini de V,etM=MH.Mest de type fini, car Zest noeterien, donc Maussi. M
est donc unsous-Z-module de type fini du Q-espace vectoriel H,quiestdedimension n.
Il est donc libre de rang rn.SiM=M,cestdonc termin´e. Sinon, le sous-Z-module
de type fini p(M)deQest non nul. Il s’´ecrit donc Zepour un certain eQ.Soitalors
une base de M,etuMtel que p(u)=e.Notons que p(mu)=0sietseulementsi
m=0,desortequeMZu=0.Dautrepart, si xest un ´el´ement quelconque de M,et
p(x)=me,onap(xmu)=0,donc xMZu.M=MZuest donc bien libre
de rang r+1n+1.
Revenons alors `anotreprobl`eme. On suppose que flaisse stable M=Zv1+···+Zvnpour
une certaine famille (v1,...,v
n)quiengendre V.Onvientdevoir que M´etait libre de rang
ddim V.Soit(e1,...,e
d)une base de Mcomme Z-module. On aVectQ(ei)1id=
VectQ(vi)1in=V,donconaenfaitd=dimV,et(e1,...,e
d)estune base de
V.Lefaitqueflaisse stable Msignifie par cons´equent que la matrice Ade fdans
la base (e1,...,e
d)est`acoecientsentiers, donc il en est de mˆeme de son polyome
caract´eristique : P=det(XA)Z[X], et Pest unitaire. Le th´eor`eme deCayley-
Hamilton permet de conclure qu’il existe bien un polynˆome unitaire `acoecientsentiers
qui annule f.
Remarquons que l’on a emontr´eaupassage un r´esultat plus fort : un endomorphisme
erifie les conditions ´equivalentes qui pr´ec`edent (on dit qu’il est entier )sietseulement
si son polynˆome caract´eristique est `acoecientsentiers.
2.3 Soient fet gdeux endomorphismes entiers de Vqui commutent, et P=Xpap1Xp1
···−a0et Q=Xqbq1Xq1···b0des polynˆomes unitaires `acoecientsentiers
qui annulent respectivement fet g.Pourtout xV,onposealors:
Mx=Zx0,0+···+Zx0,q1+···+Zxp1,0+···+Zxp1,q1avec xi,j =figj(x)
Pour tout (i, j), on a :
f(xi,j )=fi+1 gj(x)=xi+1,j si i<p1
p1
k=0 akxk,j si i=p1
donc flaisse stable Mx.Comme fet gcommutent, ils jouent le mˆeme rˆole dans les
efinitions pr´ec´edentes, et il vient donc de mˆeme que Mxest stable par g.Si(u1,...,u
k)
engendre V,fet glaissent donc stable le Z-module de type fini M=Mu1+···+Muk
qui contient un syst`eme g´en´erateur de V.Parcons´equent, f+get fg=gflaissent
´egalement stable M,etsontdoncentiers.
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Ce r´esultat nesubsiste pas en g´en´eral si l’on ne suppose plus que fet gcommutent.
Prenons par exemple V=Q2,etpourfet gles endomorphismes dont les matrices dans
la base canonique sont respectivement :
A=01/2
20
et B=11/3
01
fet gsont bien entiers, puisqu’ils ont pour polynˆomes caract´eristiques respectifs X21
et X22X+1. En revanche, on a :
A+B=15/6
21
et AB =01/2
22/3
Par conequent det(f+g)=2/3∈ Z,ettr(fg)=2/3∈ Z.Lesendomorphismes f+g
et fg ont donc des polynˆomes caract´eristiques `acoecientsnontousentiers, donc ils ne
sont pas entiers.
2.4 Soit Kun corps de nombres et nsa dimension comme Q-espace vectoriel. Pour tout
rQ,onasimplement mr=rid. En particulier, si rZ,mrest annul´eparlepolynˆome
unitaire `acoecientsentiersXr,doncr∈O
K.R´eciproquement, si r∈O
KQ,on
doit avoir det mr=rnZ,doncrZ.Finalement, on a OKQ=Z.
3. Entiers des corps quadratiques
Soit DQqui n’est pas le carr´edunentier. On va consid´erer le corps Q[D]. On note
σl’automorphisme de ce corps efini par σ(x+yD)=xyD.
3.1 Soit ϕun automorphisme de corps de Q[D]. On a ϕ(1) = 1, donc ϕ(m)=mpour tout
mZ,puis ϕ(p/q)=p/q pour tout p/q Q.Enoutre,x=ϕ(D)v´erifie x2=D,
donc x=εD,avecε=±1. On a donc pour tout a+bDQ[D]:
ϕ(a+bD)=a+bx =a+εbD
Donc ϕest l’identit´eouσselon le signe de ε.
3.2 Soit DQtel que Q[D]=Q[D]. Alors en particulier, Q[D]=Q,doncDn’est
pas le carr´edunentier. Il existe de plus (a, b)Q2tel que D=a+bD.Eelevant
cette relation au carr´e, il vient :
D=(a2+bD2)+2abD
donc en ´egalisant les composantes sur la base (1,D), il vient ab =0.Orsib´etait nul,
on aurait D=a,cequi,onlavu,estimpossible.Donca=0,etD/D=(1/b)2est
bien le carr´edunrationnel.
eciproquement, si D=k2Dpour un certain kQ,Q[D]etQ[D]sontclairement
´egaux, puisque alors, pour tout (a, b)Q2,onaa+bD=a+kbD.
3.3 Soit D=εpα1
1···pαn
nla d´ecomposition de Den facteurs premiers (avec ε=±1, les pi
des nombres premiers distincts, et les αidans Z). On pose pour tout i,αi=2βi+ηi,
avec ηi∈{0,1},d=εpη1
1···pηn
n,r=pβ1
1···pβn
n.dest alors un entier sans facteur carr´e,
et l’on a D=k2d.Enparticulier, Q[D]=Q[d].
Supposons que dsoit un entier sans facteur carr´etelqueQ[D]=Q[d]. D’apr`es ce
qui pr´ec`ede, il existe donc kQtel que d=k2d.Silon´ecrit dsous forme de fraction
irr´eductible p/q,ilvientq2d=p2d.Enparticulier, comme p2est premier `aq2il divise
d,quiestsansfacteur carr´e, donc p2=1.Demˆeme, q2divise ddonc vaut 1, et l’on
ad=d.Parcons´equent, il existe un et un seul entier dsans facteur carr´ev´erifiant
Q[D]=Q[d].
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3.4 Soit Kun sous-corps de Cde dimension 2 comme Q-espace vectoriel, et soit αKQ.
(1)estalors une base du Q-espace vectoriel K,etenparticulier il existe (u, v)Q2
tel que α2++v=0.Posons D=u24v.Ilexistealorsε∈{1,1}tel que
α=[u+εD]/2. En particulier, comme αest irrationnel, Dn’est pas le caredun
rationnel. De plus, D=εu +2ε·αK,do`uQ[D]K.OrQ[D]etKsont des
Q-espaces vectoriels de mˆeme dimension, d’o`uK=Q[D]. Kest donc bienuncorps
quadratique.
On fixe alors dZsans facteur carr´etelqueK=Q[d].
3.5 Soit x=a+bDKquelconque. La matrice de mxdans la base (1,D)s´ecrit :
M(mx)=aDb
ba
donc le polynˆome caract´eristique de mxest X22aX +(a2Db2). On a de plus :
x+σ(x)=(a+bD)+(abD)=2aet (x)=(a+bD)(abD)=a2Db2
Or x∈O
Ksi et seulement si le polynˆome caract´eristique de mxest `acoecientsentiers,
ce qui donne bien le r´esultat.
3.6 Soit ω∈O
Kefini par :
ω=1+d
2si d1(mod4)
dsinon
Comme OKest un anneau contenant Z,ϕ:(x, y)→ x+efinit bien une application
Z2→O
K,quiestclairement un morphisme de groupes ab´eliens. Dans tous les cas, ωest
irrationnel, donc il n’existe pas de (x, y)Z2−{0}tel que x+=0,etϕest injectif.
Montrons qu’il est surjectif. Soit z∈O
Kquelconque. Comme ω∈ Q,(1)estune base
de K,ilexiste(u, v)Q2tel que z=u+.Notons Tet Nles entiers z+σ(z)et
(z).
Si d≡ 1(mod4),onaT=2uet N=u2dv2,do`uT24N=4dv2=(2v)2dZ.
Comme dest sans facteur carr´e, il en r´esulte que 2vZ.Siv∈ Q,2vest impair, donc
(2v)2=1,etl’on a donc dT24NT2(mod 4). Puisque d≡ 1(mod4),Test
donc pair, d’o`ud0(mod4),cequiestimpossible, puisque dest sans facteur carr´e. v
est donc entier, et u2=N+dv2aussi, donc (u, v)Zet z=ϕ(u, v).
Si maintenant d1(mod4),onaT=2u+vet N=u2+uv +v2·(1 d)/4. Alors
T24N=dv2Z,do`uvZ.Donc2u=TvZ,et:
04N(2u)2+4uv +v2·(1 d)(Tv)2+2v(Tv)+0T22v2(mod 4)
donc Test pair et u=T/2Z.Do`uler´esultat.
4. Un calcul analytique de τn
Soit n1fix´e. Pour k=0,...,n1, on d´efinit fk:[0,1] C,t→ exp(2(t+k)2/n),
et l’on pose f=f0+···+fn1.
4.1 On a :
f(0) =
n1
k=0
exp(2k2/n)=τnet f(1) =
n1
k=0
exp(2(k+1)
2/n)=τn
En particulier, f(0) = f(1), donc il existe une unique fonction ˜
f:RCcontinue
1-p´eriodique ettelle que ˜
f|[0,1] =f.˜
fest de plus C1par morceaux, donc elle est ´egale
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`asas´erie de Fourier (au sens habituel de la convergence des s´eries de Fourier). On a
autrement dit pour tout xR:
˜
f(x)= lim
k→∞
k
m=k
cm(˜
f)e2iπmx
o`ul’on a pos´e:
cm(˜
f)=1
0
˜
f(t)e2iπmtdt =1
0
f(t)exp(2mt)dt
Si l’on chosit enparticulier x=0,ilvientquelasuite de terme g´en´eral :
uk=
k
m=k
cm(˜
f)=
k
m=k1
0
f(t)exp(2mt)dt
converge vers ˜
f(0) = f(0) = τn.
4.2 Soit g:RCla fonction x→ exp(2t2/n). On a, pour tout x1:
x
x
g(t)dt =1
1
g(t)dt +2x
1
g(t)dt
Or on peut effectuer une inegration parpartiesdans le derni`ere int´egrale :
x
1
g(t)= n
4x
1
1
t·4t
nexp 2t2
ndt
x
1
g(t)= n
41
texp 2t2
nx
1
+n
4x
1
1
t2exp 2t2
ndt
x
1
g(t)=n
4g(1) + n
4
g(x)
x+n
4x
1
g(t)
t2dt
Comme t→ g(t)/t2est int´egrablesur[1,+[, on voit donc que x→ x
1g(t)dt aune
limite dans Cquand xtend vers +.Ilenestdonc de mˆeme de x→ x
xg(t)dt.On
pose :
In=lim
x+x
x
g(t)dt
Notons que Inest dans C,maisenfaitpas dans R,contrairement `acequesugg`ere
l’´enonc´e.
4.3 En effectuant le changement de variable u=tn,ilvientpour tout x0
x
x
exp 2t2
ndt =nxn
xn
exp(2u)du
d’o`u, en faisant tendre xvers +:
In=nI1
4.4 Pour tout mZ,ona:
1
0
f(t)exp(2mt)dt =
n1
j=0 1
0
exp 2(t+j)2
nexp(2mt)dt
1
0
f(t)exp(2mt)dt =
n1
j=0 j+1
j
exp 2u2
nexp(2m(uj))du
1
0
f(t)exp(2mt)dt =n
0
exp 2t2
nexp(2mt)dt
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