CZ - SUITES D’ENTIERS
Généralités
Dans tout ce qui suit Kdésigne un anneau commutatif et unitaire. Nous prendrons souvent des sous-
anneaux de C(donc contenant Z), et en particulier Zlui-même, mais parfois aussi Z/pZ.
Nous noterons :
(K)l’ensemble des suites à coefficients dans K.
00(K)le sous-ensemble de (K)formé des suites nulles à partir d’un certain rang.
(i)(K)le sous-ensemble de (K)formé des suites dont le ième terme est nul.
Lorsque Kest un sous-anneau de C, à toute suite a= (an)n0de (K), on associe deux séries formelles
ϕ(a)et Φ(a), que l’on pourra considérer comme des séries entières si le rayon de convergence n’est pas
nul,
la fonction caractéristique géométrique : ϕ(a)(z) =
X
n=0
anzn.
la fonction caractéristique exponentielle : Φ(a)(z) =
X
n=0
an
n!zn.
L’application a7→ ϕ(a)est alors une application bijective de (K)sur l’ensemble K[[z]] des séries
formelles à coefficients dans K.
L’application a7→ Φ(a)est une application bijective de (K)sur l’ensemble K[[z]] des séries formelles
ftelles que, pour tout entier n0, le nombre f(n)(0) soit dans K.
Les ensembles K[[z]] et K[[z]] sont des Kalgèbres, et, en particulier
X
n=0
anzn!
X
n=0
bnzn!=
X
n=0 n
X
k=0
akbnk!zn,
et
X
n=0
an
n!zn!
X
n=0
bn
n!zn!=
X
n=0
1
n! n
X
k=0 n
kakbnk!zn.
On remarque que si aest la suite constante égale à 1, on a
ϕ(a)(z) = 1
1zet Φ(a)(z) = ez.
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On remarque également que K[[z]] est inclus dans K[[z]], puisque l’on peut écrire
X
n=0
anzn=
X
n=0
n!an
n!zn.
Si Pest un polynôme, on notera P(D)l’opérateur différentiel associé à P.
Produits dans (K)
En plus des opérations usuelles de somme et de multiplication par un nombre de Kqui font de (K)
un Kmodule, on peut définir trois produits :
ab= (an)(bn) = n
X
k=0
akbnk!,
a ⋆ b = (an)(bn) = n
X
k=0 n
kakbnk!,
a×b= (an)×(bn) = (anbn).
Muni de l’un de ces trois produits, l’ensemble (K)est alors une Kalgèbre, et en particulier, si Kest
un sous-anneau de C,
a7→ ϕ(a)est un isomorphisme de (K), muni du produit , sur K[[z]],
a7→ Φ(a)est un isomorphisme de (K), muni du produit , sur K[[z]].
Nous allons étudier les éléments inversibles selon le produit utilisé.
Nous noterons 1l la suite dont tous les termes sont nuls sauf le premier qui vaut 1.
Produit
Proposition 1 Un élément aest inversible si et seulement si a0est inversible dans K.
Ecrire que ab= 1l, signifie que
a0b0= 1
et que pour tout n1,n
X
k=0
akbnk= 0 .
La première équation signifie que a0est inversible dans K.
CZ 3
Réciproquement, si a0est inversible dans K, et si b0est son inverse, on définit par récurrence une suite
de Ken posant, si n1,
bn=b0
n
X
k=1
akbnk,
Mais alors, en multipliant par a0,
a0bn=
n
X
k=1
akbnk,
puis n
X
k=0
akbnk= 0 .
Il en résulte que best dans (K)et que ab= 1l.
En particulier, si K=Z, la condition s’écrit a0=±1et b0=a0.
Produit
Proposition 2 Un élément aest inversible si et seulement si si a0est inversible dans K.
Ecrire que a ⋆ b = 1l, signifie que
a0b0= 1
et que pour tout n1,n
X
k=0 n
kakbnk= 0 .
Le raisonnement est le même que dans le cas précédent. La suite inverse est définie en posant, si n1,
bn=b0
n
X
k=1 n
kakbnk,
b0est l’inverse de a0.
La remarque est la même dans le cas de Z.
Produit ×
Proposition 3 L’élément unité est la suite constante égale à 1, et un élément aest inversible si
et seulement si ses coefficients sont inversibles.
Dans le cas de Z, l’inverse de aest égal à lui-même.
CZ 4
Composition dans (Z)
Dans cette partie on suppose que Kest l’anneau Z.
Nous allons étudier maintenant d’autres opérations résultant de la composition des séries formelles. De
manière générale, si l’on a deux séries formelles (à coefficients réels),
f(z) =
X
n=0
anznet g(z) =
X
n=0
bnzn,
la composée fg(z)a un sens dans les deux cas suivants (voir BZ) :
1) fest un polynôme,
2) b0=g(0) = 0.
donc si fet gsont les fonctions caractéristiques des suites aet brespectivement, il faut déjà que l’on
se trouve dans l’un des deux cas suivants :
1) aappartient à 00(Z),
2) bappartient à (0)(Z).
On va regarder ce qu’il en est du résultat, suivant la fonction caractéristique utilisée.
Théorème 1 Si fet gappartiennent à Z[[z]] et si g(0) = 0, alors fgappartient à Z[[z]].
Ceci résulte du fait que (fg)(k)s’écrit comme somme de séries formelles du type
(f(i)g)g(e1)···g(ep),
iest compris entre 1 et k, et e1,...,epsont des entiers non nuls tels que
e1+···+ep=k ,
ce qui se démontre facilement par récurrence. Comme par hypothèse
f(i)g(0) = f(i)(0)
est entier, ainsi que les nombres g(ej)(0), on en déduit que les nombres (fg)(k)sont entiers, et donc
que fgappartient à Z[[z]].
Cela permet de définir une opération abdans (Z)lorsque aest dans (Z)et bdans (0)(Z).
CZ 5
Corollaire 1 Si gappartient à Z[[z]] et si g(0) = 0, alors, pour tout nombre entier r1, la
série formelle gr/r!appartient à Z[[z]]. De plus, si
g(z) =
X
n=1
bn
zn
n!,
alors
gr(z)
r!=
X
n=r
Pn,r(b1,···, bn)zn
n!,
Pn,r(z1,···, zn)est un polynôme à coefficients entiers indépendant de g.
Cela résulte du théorème en prenant f(z) = zr/r!. Le coefficient d’ordre nde cette série entière s’ex-
prime alors comme polynôme à coefficients entiers en les variables (b1,···, bn).
Par contre si fet gsont dans Z[[z]], et si fest un polynôme, alors fgn’est pas nécessairement dans
Z[[z]]. Par exemple, si l’on prend f(z) = zr/r!, et g(z) = 1, alors fg(z) = 1/r!n’est pas entier.
Théorème 2 Si fet gappartiennent à Z[[z]] alors fgappartient à Z[[z]] lorsque la composée
a un sens.
Les coefficients de fgs’expriment comme sommes finies de produits de coefficients de fet de get
tous ces nombres sont entiers.
Cela permet de définir une opération abdans (Z)lorsque aest dans (Z)et bdans (0)(Z), ou
lorsque aest dans 00(Z)et bdans (Z).
Opérateurs dans (K)
On peut définir deux opérateurs de translation dans (K): si a= (an)n0,
Td(a) = (0, a0, a1,...,an,...) et Tg(a) = (an+1)n0.
On remarque que 00(K)est stable par ces opérateurs.
On a donc
TgTd= Id(K),
mais
TdTg(a) = aa01l .
Lorsque Kest un sous-anneau de C, on a pour les fonctions indicatrices :
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