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author | Fabrice (Darwin) <Fabrice.Orgogozo+git@gmail.com> | 2012-03-01 18:55:06 +0100 |
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committer | Fabrice Orgogozo <Fabrice.Orgogozo+git@gmail.com> | 2012-03-01 18:55:06 +0100 |
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-rw-r--r-- | chapitres/radicaux.tex | 143 |
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diff --git a/chapitres/radicaux.tex b/chapitres/radicaux.tex index fc78b19..224fe2d 100644 --- a/chapitres/radicaux.tex +++ b/chapitres/radicaux.tex @@ -397,7 +397,7 @@ ou parfois chez certains auteurs des racines $p$-ièmes inséparables). \subsection{Généralités} -Même si ce n'est pas immédiatement apparement, la +\subsubsection{} Même si ce n'est pas immédiatement apparement, la proposition \ref{extension-resoluble-egale-extension-par-radicaux} est constructive, au sens où elle permet (en principe) de calculer une expression par radicaux explicite pour un élément d'une extension de @@ -434,26 +434,90 @@ caractéristique $0$ pour simplifier) : premiers de $\varphi(m)$). \end{itemize} -\subsection{Expressions en radicaux de quelques $\cos\frac{2\pi}{m}$} +Comme on le voit, l'expression des racines de l'unité en radicaux est +un point crucial pour l'écriture par radicaux de n'importe quelle +autre quantité. + +\subsubsection{} En réalité, le problème de l'écriture en radicaux des racines +$n$-ièmes de l'unité ne se pose réellement que pour $n$ premier +impair. En effet, si $n = n_1 n_2$, et si on sait déjà exprimer les +racines $n_1$-ièmes et $n_2$-ièmes de l'unité par radicaux, alors les +racines $n$-ièmes de l'unité s'écrivent comme racines $n_1$-ièmes des +racines $n_2$-ièmes de l'unité (fois une éventuelle racine $n_1$-ième +de l'unité) ; en fait, si $n_1$ et $n_2$ sont premiers entre eux, le +théorème chinois permet d'obtenir quelque chose de plus agréable +puisqu'il garantit que toute racine primitive $n$-ième de l'unité est +produit d'une racine primitive $n_1$-ième et d'une racine primitive +$n_2$-ième. + +Supposons maintenant $n$ premier impair. On a alors $\varphi(n) = +n-1$ ; soit $g$ un élément primitif modulo $n$, c'est-à-dire un +générateur du groupe cyclique $(\ZZ/n\ZZ)^\times$. Pour calculer +l'expression en radicaux d'une racine $n$-ième de l'unité $\omega$, on +peut décrire l'algorithme précédent de la manière suivante, en +supposant déjà connue une racine $(n-1)$-ième de l'unité $\zeta$ : +poser $\alpha_j := \sum_{i=0}^{n-2} \zeta^{ij} \omega^{g^i}$ (on a +alors $\omega = \sum_{j=0}^{n-2} \alpha_j$) et calculer $a_j := +(\alpha_j)^{n-1}$, qui s'exprime en fonction de $\zeta$ uniquement. +Pour justifier ce fait, on peut invoquer le fait que +$\QQ(\zeta,\omega)$ est galoisienne sur $\QQ(\zeta)$ de groupe de +Galois $(\ZZ/n\ZZ)^\times = \ZZ/(n-1)\ZZ$ (\XXX --- référence ?), mais +en fait on peut aussi simplement affirmer qu'on fait les calculs dans +$\QQ(\zeta)[X]/(\Phi_n)$ (pour lequel il est évident que $\omega +\mapsto \omega^g$ constitue un automorphisme en notant $\omega$ la +classe de $X$), ce qui est le cas en pratique. En fait, on n'est pas +obligé de monter jusqu'à $(\alpha_j)^{n-1}$ pour chaque $j$ : si $d$ +désigne le pgcd de $n-1$ et $j$, alors déjà $(\alpha_j)^{(n-1)/d}$ +s'exprime en fonction de $\zeta$, et même de $\zeta^d$, uniquement. + +Dans le cadre qu'on vient de décrire, on s'intéresse souvent à +l'expression $\gamma := \frac{1}{2}(\omega + \omega^{-1})$ +(c'est-à-dire $\cos\frac{2\pi}{n}$ pour le bon choix de $\omega$, +cf. ci-dessous). Remarquons que $\omega^{-1} = \omega^{g^{(n-1)/2}}$, +de sorte que $\sum_{i=0}^{n-2} \zeta^{ij} \omega^{-g^i}$ vaut $(-1)^j +\alpha_j$ (toujours avec $\alpha_j = \sum_{i=0}^{n-2} \zeta^{ij} +\omega^{g^i}$ défini plus haut). La somme $\frac{1}{2} +\sum_{i=0}^{n-2} \zeta^{ij} (\omega^j + \omega^{-j})$ qui sert, dans +l'algorithme considéré ici, à calculer $\gamma$, vaut donc $\alpha_j$ +ou $0$ selon que $j$ est pair ou impair ; ou pour dire les choses +différemment, le calcul de $\gamma$ passe par le calcul des $\alpha_j$ +avec $j$ pair uniquement (c'est-à-dire qu'on peut se contenter des +racines $\frac{n-1}{2}$-ièmes de l'unité) : on a $\gamma = +\sum_{j=0}^{(n-3)/2} \alpha_{2j}$. + +Une fois calculé $\gamma = \frac{1}{2}(\omega + \omega^{-1})$ (en +radicaux), on peut éventuellement en déduire une expression (toujours +en radicaux) de $\omega$ de la façon suivante : si on pose $\delta := +\frac{1}{2} \sqrt{-1} (-\omega + \omega^{-1})$ en notant $\sqrt{-1}$ +une racine carrée de $-1$ (disons $\zeta^{(n-1)/4}$ si $n\equiv +1\pmod{4}$), c'est-à-dire en fait $\delta = \sin\frac{2\pi}{n}$ pour +le bon choix de $\omega$, alors on vérifie facilement que $\gamma^2 + +\delta^2 = 1$, ce qui permet de calculer $\delta$ connaissant $\gamma$ +(il n'y a qu'à retrouver son signe), et du coup $\omega = \gamma + +\sqrt{-1} \delta$. Cette remarque revient en fait à calculer $\omega$ +comme élément de degré $2$ au-dessus de l'extension engendrée +par $\gamma$ et appliquer la technique générale. + +\subsection{Expressions en radicaux de quelques $\cos\frac{2\pi}{n}$} \subsubsection{} Nous nous proposons dans cette section de calculer -les expressions en radicaux de $e^{2 i \pi/m}$ ou au moins -$\cos\frac{2\pi}{m}$ pour quelques valeurs de $m$. Pour rendre cette +les expressions en radicaux de $e^{2 i \pi/n}$ ou au moins +$\cos\frac{2\pi}{n}$ pour quelques valeurs de $n$. Pour rendre cette idée plus précise, on considère la clôture par radicaux $\QQ\resol$ de -$\QQ$ dans $\CC$, en utilisant la notation $\root m \of x$ pour la -« détermination principale » de la racine $m$-ième de $x$, +$\QQ$ dans $\CC$, en utilisant la notation $\root n \of x$ pour la +« détermination principale » de la racine $n$-ième de $x$, c'est-à-dire celle dont la partie réelle est la plus grande et, en cas -d'égalité (qui se produit uniquement si $m$ est pair et $x$ réel +d'égalité (qui se produit uniquement si $n$ est pair et $x$ réel négatif), celle qui a la partie imaginaire positive ; et on cherche à -exprimer, avec cette notation, le nombre $\cos\frac{2\pi}{m}$ qui est -défini comme $\frac{1}{2}(\zeta_m + \zeta_m^{-1})$, voire le nombre -$e^{2 i \pi/m} = \zeta_m$, où $\zeta_m$ est la racine primitive -$m$-ième de l'unité de partie réelle la plus grande et de partie +exprimer, avec cette notation, le nombre $\cos\frac{2\pi}{n}$ qui est +défini comme $\frac{1}{2}(\omega_n + \omega_n^{-1})$, voire le nombre +$e^{2 i \pi/n} = \omega_n$, où $\omega_n$ est la racine primitive +$n$-ième de l'unité de partie réelle la plus grande et de partie imaginaire positive. \XXX --- Ce texte est tout pourri. Le réécrire. -\subsubsection{$m=3$} Si $\omega$ désigne une racine cubique +\subsubsection{$n=3$} Si $\omega$ désigne une racine cubique primitive de l'unité, c'est-à-dire une racine de $\Phi_3 = X^2 + X + 1$, alors on a $\omega^2 = -1-\omega = \omega^{-1}$, et la quantité $\alpha := (\omega - \omega^{-1})$ vérifie $\alpha^2 = \omega^2 - 2 + @@ -464,7 +528,7 @@ la détermination principale des racines, on peut écrire $\alpha = e^{2i\pi/3} = \frac{1}{2}(-1+\sqrt{-3}) \] -\subsubsection{$m=4$} Si $\omega$ désigne une racine +\subsubsection{$n=4$} Si $\omega$ désigne une racine primitive $4$-ième de l'unité, c'est-à-dire une racine de $\Phi_4 = X^2 + 1$, alors on a $\omega^2 = -1$. Eu égard aux conventions que nous avons faites sur la détermination principale des racines, on peut @@ -473,7 +537,7 @@ nous avons faites sur la détermination principale des racines, on peut e^{i\pi/2} = \sqrt{-1} \] -\subsubsection{$m=5$} Si $\omega$ désigne une racine +\subsubsection{$n=5$} Si $\omega$ désigne une racine primitive $5$-ième de l'unité, c'est-à-dire une racine de $\Phi_5 = X^4 + X^3 + X^2 + X + 1$, alors on considère les quantités $\alpha_j := \sum_{i=0}^3 (\sqrt{-1})^{ij} \omega^{2^i}$, c'est-à-dire : @@ -507,6 +571,57 @@ calculer $(\alpha_1)^4 = -15 + 20\sqrt{-1}$, d'où on déduit $\alpha_1 20\sqrt{-1}} + \root4\of{-15 - 20\sqrt{-1}} = \sqrt{10 + 2\sqrt{5}}$. +\subsubsection{$n=6$} Si $1,\zeta,\zeta^2$ désignent les racines +cubiques de l'unité, alors les racines sixièmes de l'unité sont +$1,-\zeta^2, \zeta,-1, -\zeta,\zeta^2$. (Citées dans cet ordre car +avec nos conventions sur le fait que la racine principale est celle +qui a la partie réelle la plus grande et la partie imaginaire +positive, si $\zeta$ est la racine cubique principale, la racine +sixième principale est $-zeta^2$.) + +\subsubsection{$n=7$} Si $\omega$ désigne une racine +primitive $7$-ième de l'unité, alors on considère les quantités +$\alpha_j := \sum_{i=0}^6 (-\zeta^2)^{ij} \omega^{3^i}$ où $\zeta$ est +une racine cubique primitive de l'unité. On a bien sûr $\alpha_0 = +-1$. + +Commençons par nous intéresser à $\gamma := \frac{1}{2}(\omega + +\omega^{-1})$. Comme on l'a expliqué, pour ce faire, on va calculer +$\alpha_2$ et $\alpha_4$. On a $(\alpha_2)^3 = -7 - 21\zeta$, et +d'après l'expression $\zeta = \frac{1}{2}(-1+\sqrt{-3})$ calculée plus +haut avec nos conventions sur les déterminations principales, on peut +écrire $\alpha_2 = \root3\of{\frac{7}{2} - \frac{21}{2}\sqrt{-3}}$. +De même (ou en appliquant la conjugaison complexe), on a $\alpha_4 = +\root3\of{\frac{7}{2} + \frac{21}{2}\sqrt{-3}}$. Ceci conduit déjà à +l'expression suivante pour $\gamma$ : +\[ +\cos\frac{2\pi}{7} = \frac{1}{6}\Big( +-1 + \root3\of{\frac{7}{2} + \frac{21}{2}\sqrt{-3}} ++ \root3\of{\frac{7}{2} - \frac{21}{2}\sqrt{-3}} +\Big) +\] + +On a par ailleurs $(\alpha_3)^2 = -7$, et avec nos déterminations, on +a $\alpha_3 = \sqrt{-7}$. Restent à déterminer $\alpha_1$ et +$\alpha_5$. On peut calculer $(\alpha_1)^6 = -385 - 273\zeta = +-\frac{497}{2} - \frac{273}{2}\sqrt{-3}$ d'où $\alpha_1 = +-\root6\of{-\frac{497}{2} - \frac{273}{2}\sqrt{-3}}$ ; et de même, +$\alpha_5 = \root6\of{-\frac{497}{2} + \frac{273}{2}\sqrt{-3}}$. Au +final, on obtient l'expression suivante de $\omega$ : +\[ +\begin{array}{rl} +\displaystyle e^{2i\pi/7} &\displaystyle = \frac{1}{6}\Big( +-1 + \sqrt{-7} + \root3\of{\frac{7}{2} + \frac{21}{2}\sqrt{-3}} ++ \root3\of{\frac{7}{2} - \frac{21}{2}\sqrt{-3}}\\\noalign{\vskip.5ex} +&\displaystyle\hphantom{= \frac{1}{6}\Big(} ++ \root6\of{-\frac{497}{2} + \frac{273}{2}\sqrt{-3}} +- \root6\of{-\frac{497}{2} - \frac{273}{2}\sqrt{-3}} +\Big)\\ +\end{array} +\] + +\XXX --- On doit pouvoir écrire ça un peu autrement (comme pour $n=5$). + \ifx\danslelivre\undefined |