Polynôme cyclotomique - Cyclotomic polynomial

En mathématiques , le n ème polynôme cyclotomique , pour tout entier positif n , est l' unique polynôme irréductible à coefficients entiers qui est un diviseur de et n'est pas un diviseur de pour tout k < n . Ses racines sont toutes les n ème racines primitives de l'unité , où k s'étend sur les entiers positifs non supérieurs à n et premiers à n (et i est l' unité imaginaire ). En d'autres termes, le n ième polynôme cyclotomique est égal à

Il peut également être défini comme le polynôme monique à coefficients entiers qui est le polynôme minimal sur le corps des nombres rationnels de toute racine primitive n -ième de l'unité ( est un exemple d'une telle racine).

Une relation importante liant les polynômes cyclotomiques et les racines primitives de l'unité est

montrant que x est une racine de si et seulement si c'est une d ième racine primitive de l'unité pour un d qui divise n .

Exemples

Si n est un nombre premier , alors

Si n = 2 pp est un nombre premier impair , alors

Pour n jusqu'à 30, les polynômes cyclotomiques sont :

Le cas du 105e polynôme cyclotomique est intéressant car 105 est le plus petit entier qui est le produit de trois nombres premiers impairs distincts (3*5*7) et ce polynôme est le premier qui a un coefficient autre que 1, 0, ou -1 :

Propriétés

Outils fondamentaux

Les polynômes cyclotomiques sont des polynômes moniques à coefficients entiers irréductibles sur le corps des nombres rationnels. A l'exception de n égal à 1 ou 2, ce sont des palindromiques de degré pair.

Le degré de , ou en d'autres termes le nombre de racines primitives de l'unité n ième, est , où est la fonction totient d'Euler .

Le fait que soit un polynôme de degré irréductible dans l' anneau est un résultat non trivial dû à Gauss . Selon la définition choisie, c'est soit la valeur du degré soit l'irréductibilité qui est un résultat non trivial. Le cas de n premier est plus facile à prouver que le cas général, grâce au critère d' Eisenstein .

Une relation fondamentale impliquant des polynômes cyclotomiques est

ce qui signifie que chaque racine n- ième de l'unité est une racine d- ième primitive de l'unité pour un unique d divisant n .

La formule d'inversion de Möbius permet d'exprimer comme fraction rationnelle explicite :

où est la fonction de Möbius .

Le polynôme cyclotomique peut être calculé en divisant (exactement) par les polynômes cyclotomiques des diviseurs propres de n précédemment calculés récursivement par la même méthode :

(Rappelez-vous cela .)

Cette formule permet le calcul de sur un ordinateur pour tout n , dès que la factorisation en nombres entiers et la division des polynômes sont disponibles. De nombreux systèmes de calcul formel , tels que SageMath , Maple , Mathematica et PARI/GP , ont une fonction intégrée pour calculer les polynômes cyclotomiques.

Cas faciles pour le calcul

Comme indiqué ci-dessus, si n est un nombre premier, alors

Si n est un entier impair supérieur à un, alors

En particulier, si n = 2 p est deux fois un nombre premier impair, alors (comme indiqué ci-dessus)

Si n = p m est une puissance première (où p est premier), alors

Plus généralement, si n = p m r avec r relativement premier à p , alors

Ces formules peuvent être appliquées à plusieurs reprises pour obtenir une expression simple pour tout polynôme cyclotomique en terme d'un polynôme cyclotomique d' indice libre carré : Si q est le produit des diviseurs premiers de n (son radical ), alors

Cela permet de donner des formules pour le n ième polynôme cyclotomique lorsque n a au plus un facteur premier impair : Si p est un nombre premier impair, et h et k sont des entiers positifs, alors :

Pour les autres valeurs de n , le calcul du n ème polynôme cyclotomique se réduit de la même manière à celui de où q est le produit des diviseurs premiers impairs distincts de n . Pour traiter ce cas, on a que, pour p premier et ne divisant pas n ,

Entiers apparaissant sous forme de coefficients

Le problème de la limitation de la grandeur des coefficients des polynômes cyclotomiques a fait l'objet d'un certain nombre de travaux de recherche.

Si n a au plus deux facteurs premiers impairs distincts, alors Migotti a montré que les coefficients de sont tous dans l'ensemble {1, −1, 0}.

Le premier polynôme cyclotomique pour un produit de trois facteurs premiers impairs différents est qu'il a un coefficient -2 (voir son expression ci-dessus ). L'inverse n'est pas vrai : n'a que des coefficients dans {1, −1, 0}.

Si n est un produit de facteurs premiers impairs plus différents, les coefficients peuvent augmenter jusqu'à des valeurs très élevées. Par exemple, a des coefficients allant de -22 à 23, , le plus petit n avec 6 nombres premiers impairs différents, a des coefficients de grandeur jusqu'à 532.

Soit A ( n ) la valeur absolue maximale des coefficients de n . On sait que pour tout k positif , le nombre de n jusqu'à x avec A ( n ) > n k est d'au moins c ( k )⋅ x pour un c ( k ) positif dépendant de k et x suffisamment grand. Dans le sens inverse, pour toute fonction ψ( n ) tendant vers l'infini avec n nous avons A ( n ) borné ci-dessus par n ψ( n ) pour presque tout n .

la formule de Gauss

Soit n impair, sans carré et supérieur à 3. Alors :

A n ( z ) et B n ( z ) ont des coefficients entiers, A n ( z ) a le degré φ ( n )/2, et B n ( z ) a le degré φ ( n )/2 − 2. De plus, Un n ( z ) est palindrome lorsque son degré est pair ; si son degré est impair, il est antipalindromique. De même, B n ( z ) est palindrome sauf si n est composite et 3 (mod 4), auquel cas il est antipalindrome.

Les premiers cas sont

La formule de Lucas

Soit n impair, sans carré et supérieur à 3. Alors

U n ( z ) et V n ( z ) ont des coefficients entiers, U n ( z ) a le degré φ ( n )/2, et V n ( z ) a le degré φ ( n )/2 − 1. Cela peut aussi être écrit

Si n est pair, sans carré et supérieur à 2 (cela force n /2 à être impair),

C n ( z ) et D n ( z ) ont des coefficients entiers, C n ( z ) a le degré φ ( n ) et D n ( z ) a le degré φ ( n ) − 1. C n ( z ) et D n ( z ) sont tous deux palindromes.

Les premiers cas sont :

Polynômes cyclotomiques sur un corps fini et sur les entiers p -adiques

Sur un corps fini avec un nombre premier p d'éléments, pour tout entier n qui n'est pas un multiple de p , le polynôme cyclotomique se factorise en polynômes irréductibles de degré d , où est la fonction totient d'Euler et d est l' ordre multiplicatif de p modulo n . En particulier, est irréductible si et seulement si p est une racine primitive modulo n , c'est-à-dire que p ne divise pas n , et son ordre multiplicatif modulo n est , le degré de .

Ces résultats sont également vrais sur les entiers p -adiques , puisque le lemme de Hensel permet de passer d'une factorisation sur le corps à p éléments à une factorisation sur les entiers p -adiques.

Valeurs polynomiales

Si x prend une valeur réelle, alors pour tout n 3 (cela découle du fait que les racines d'un polynôme cyclotomique sont toutes non réelles, pour n ≥ 3 ).

Pour étudier les valeurs que peut prendre un polynôme cyclotomique lorsqu'on donne à x une valeur entière, il suffit de ne considérer que le cas n 3 , car les cas n = 1 et n = 2 sont triviaux (on a et ).

Pour n 2 , on a

si n n'est pas une puissance première ,
si est une puissance première avec k 1 .

Les valeurs qu'un polynôme cyclotomique peut prendre pour d'autres valeurs entières de x sont fortement liées à l' ordre multiplicatif modulo un nombre premier.

Plus précisément, étant donné un nombre premier p et un entier b premier avec p , l'ordre multiplicatif de b modulo p , est le plus petit entier positif n tel que p est un diviseur de For b > 1 , l'ordre multiplicatif de b modulo p est aussi la période la plus courte de la représentation de 1/ p dans la base numérique b (voir Premier unique ; ceci explique le choix de la notation).

La définition de l'ordre multiplicatif implique que, si n est l'ordre multiplicatif de b modulo p , alors p est un diviseur de L'inverse n'est pas vrai, mais on a ce qui suit.

Si n > 0 est un entier positif et b > 1 est un entier, alors (voir ci-dessous pour une preuve)

  • k est un entier non négatif, toujours égal à 0 lorsque b est pair. (En fait, si n n'est ni 1 ni 2, alors k vaut 0 ou 1. De plus, si n n'est pas une puissance de 2 , alors k est toujours égal à 0)
  • g vaut 1 ou le plus grand facteur premier impair de n .
  • h est impair, premier avec n , et ses facteurs premiers sont exactement les nombres premiers impairs p tels que n est l'ordre multiplicatif de b modulo p .

Cela implique que, si p est un diviseur premier impair de alors n est un diviseur de p − 1 ou p est un diviseur de n . Dans ce dernier cas, ne divise pas

Le théorème de Zsigmondy implique que les seuls cas où b > 1 et h = 1 sont

Il résulte de la factorisation ci-dessus que les facteurs premiers impairs de

sont exactement les nombres premiers impairs p tels que n est l'ordre multiplicatif de b modulo p . Cette fraction ne peut être paire que lorsque b est impair. Dans ce cas, l'ordre multiplicatif de b modulo 2 est toujours 1 .

Il existe de nombreux couples ( n , b ) avec b > 1 tel qu'il soit premier. En fait, la conjecture de Bunyakovsky implique que, pour tout n , il existe une infinité de b > 1 tel que soit premier. Voir OEISA085398 pour la liste des plus petits b > 1 tel qu'il est premier (le plus petit b > 1 tel qu'il est premier est d'environ , où est la constante d'Euler–Mascheroni , et est la fonction totient d'Euler ). Voir aussi OEISA206864 pour la liste des plus petits nombres premiers de la forme avec n > 2 et b > 1 , et, plus généralement, OEISA206942 , pour les plus petits entiers positifs de cette forme.

Preuves
  • Valeurs de Si est une puissance première, alors
Si n n'est pas une puissance première, on a et P est le produit du for k divisant n et différent de 1 . Si p est un diviseur premier de la multiplicité m dans n , alors divisez P ( x ) , et leurs valeurs à 1 sont m facteurs égaux à p de Comme m est la multiplicité de p dans n , p ne peut pas diviser la valeur à 1 de la d'autres facteurs de Ainsi il n'y a pas de nombre premier qui divise
  • Si n est l'ordre multiplicatif de b modulo p , alors Par définition, Si alors p diviserait un autre facteur de et se diviserait ainsi montrant que, si c'était le cas, n ne serait pas l'ordre multiplicatif de b modulo p .
  • Les autres diviseurs premiers de sont des diviseurs de n . Soit p un diviseur premier de tel que n ne soit pas l'ordre multiplicatif de b modulo p . Si k est l'ordre multiplicatif de b modulo p , alors p divise les deux et La résultante de et peut s'écrire où P et Q sont des polynômes. Ainsi p divise cette résultante. Comme k divise n , et que la résultante de deux polynômes divise le discriminant de tout multiple commun de ces polynômes, p divise aussi le discriminant de Ainsi p divise n .
  • g et h sont premiers entre eux . En d'autres termes, si p est un commun diviseur premier de n etalors n n'est pas l'ordre multiplicatif de b modulo p . D'après le petit théorème de Fermat , l'ordre multiplicatif de b est un diviseur de p − 1 , et donc plus petit que n .
  • g est sans carré . Enautres termes, si p est un diviseur commun de prime n etpuisne divise pasSoit n = h . Il suffit de prouver quene divise pas S ( b ) pour un polynôme S ( x ) , qui est un multiple deOn prend
L'ordre multiplicatif de b modulo p divise pgcd( n , p − 1) , qui est un diviseur de m = n / p . Ainsi c = b m − 1 est un multiple de p . À présent,
Comme p est premier et supérieur à 2, tous les termes sauf le premier sont des multiples de Cela prouve que

Applications

En utilisant , on peut donner une preuve élémentaire de l'infinité des nombres premiers congrus à 1 modulo n , ce qui est un cas particulier du théorème de Dirichlet sur les progressions arithmétiques .

Preuve

Supposons une liste finie de nombres premiers congruents à modulo Let et considérons . Soit un facteur premier de (pour voir que le décomposer en facteurs linéaires et noter que 1 est la racine de l'unité la plus proche de ). Puisque nous savons que c'est un nouveau premier qui n'est pas dans la liste. Nous allons montrer que

Soit l'ordre de modulo Puisque nous avons . Ainsi . Nous allons le montrer .

Supposons pour contradiction que . Depuis

on a

pour certains . Alors est une racine double de

Donc doit être une racine de la dérivée donc

Mais et donc C'est une contradiction donc . Dont l'ordre est , doit diviser . Ainsi

Voir également

Remarques

Les références

Le livre de Gauss Disquisitiones Arithmeticae a été traduit du latin en anglais et en allemand. L'édition allemande comprend tous ses articles sur la théorie des nombres : toutes les preuves de réciprocité quadratique, la détermination du signe de la somme de Gauss, les enquêtes sur la réciprocité biquadratique et des notes inédites.

  • Gauss, Carl Friedrich (1986) [1801]. Disquisitiones Arithmeticae . Traduit en anglais par Clarke, Arthur A. (2e éd. corr.). New York : Springer . ISBN 0387962549.
  • Gauss, Carl Friedrich (1965) [1801]. Untersuchungen uber hohere Arithmetik (Disquisitiones Arithmeticae et autres articles sur la théorie des nombres) . Traduit en allemand par Maser, H. (2e éd.). New-York : Chelsea. ISBN 0-8284-0191-8.
  • Lemmermeyer, Franz (2000). Lois de réciprocité : d'Euler à Eisenstein . Berlin : Springer . doi : 10.1007/978-3-662-12893-0 . ISBN 978-3-642-08628-1.
  • Maier, Helmut (2008), "Anatomie des entiers et polynômes cyclotomiques", in De Koninck, Jean-Marie ; Granville, André ; Luca, Florian (éd.), Anatomie des entiers. Basé sur l'atelier CRM, Montréal, Canada, 13-17 mars 2006 , CRM Proceedings and Lecture Notes, 46 , Providence, RI: American Mathematical Society , pp. 89-95, ISBN 978-0-8218-4406-9, Zbl  118611010
  • Riesel, Hans (1994). Nombres premiers et méthodes informatiques pour la factorisation (2e éd.). Boston : Birkhäuser. ISBN 0-8176-3743-5.

Liens externes