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8-Lien entre entiers, nombres dcadiques et entiers, nombres 2-adiques et 5-adiques

Avant de pouvoir faire ce lien, quelques résultats sur les nombres p-adiques (p1er) sont nécessaires : je les donnerai sans démonstration (on les trouvera dans tout ouvrage relatif à la question).

Dans tout ce qui suit p sera un nombre 1er.
P8.1->On note Qp le corps (commutatif) des nombres p-adiques : on peut le munir d'une norme ou valeur absolue, notée | |p avec les propritétés suivantes :
pour tout x et y dans Qp on a :


|x|p0 et |x|p=0x=0
|x+y|pmax(|x|p,|y|p)|x|p+|y|p
elle est multiplicative : |xy|p=|x|p|y|p
elle définit une distance sur Qp : dp(x,y)=|x-y|p

P8.2->Zp est le sous-anneau (unitaire, commutatif) de Qp constitué des nombres p-adiques de norme 1 : ce sont les entiers p-adiques.

P8.3->Les limites étant prises au sens dp, pour n tendant vers +, et notées limp, on a :

tout élément e de Zp s'écrit limp e0+e1p+...+enpn , avec ei{0;1;...;p-1}, les ei étant uniques et e est inversible dans Zp|e|p=1 e00 tout élément x de Qp s'écrit limp x-rp-r+...+x-1p-1+x0+x1p+...+xnpn , avec xi{0;1;...;p-1}, les xi étant uniques.
P8.4->Tout élément de Z peut être identifié à un élément de Zp : ZZp
et pour e dans Z, |e|p=1/(pval(e)), avec val(e)=exposant de p dans la décomposition en nombres 1er de e.
Donc limp pn=0.

P8.5->Et enfin une propriété qui va beaucoup servir ci-après :

Toute suite (kn)(n1) d'éléments de Z tels que pour tout n1 on a 0knpn-1 et kn+1kn (pn), est une suite (appelée suite cohérente) qui converge (au sens dp)
vers un entier p-adique e=limp e0+e1p+...+enpn avec e0=k1 et pour n1, en=(kn+1-kn)/pn.
(On peut vérifier que tous ces ei sont bien dans {0;1;...;p-1}).

Réciproquement, tout entier p-adique est la limite d'une unique suite cohérente.

(note perso : p406/1)

Le lien annoncé est le fait que les anneaux EN(10) et Z2×Z5 sont isomorphes ainsi que les anneaux NB(10) et Q2×Q5.
Avant de le prouver (compte-tenu de ce qui vient d'étre rappelé sur les p-adiques), je rappelle la notion de produit d'anneaux.
Rappelons, par exemple, que Z2×Z5 est l'ensemble des couples (a,b) avec a dans Z2 et b dans Z5, ensemble structuré par (a,b)+(a'+b')=(a+a',b+b') et (a,b)×(a',b')=(aa',bb') : on vérifie facilement qu'ainsi, le produit de deux anneaux reste un anneau, (0,0) étant le neutre pour l'addition et (1,1) le neutre pour la multiplication. Par contre le produit de deux corps ne sera pas un corps mais seulement un anneau, car ce produit admet des diviseurs de 0 (dont on a vu qu'ils n'admettent pas d'inverse : voir exercice 5 du chapitre 2 ) : (0,1) et (1,0) sont deux éléments non nuls de Q2×Q5 et leur produit est (0,0)=0, le neutre de l'addition. P8.6->
1) Dans Z2×Z5, comme dans Q2×Q5, les diviseurs de 0 sont (a,b) avec (a=0 et b0) ou (a0 et b=0)

2) Dans Q2×Q5, les éléments inversibles sont (a,b) avec a et b non nuls

3) Le résultat 2) n'est plus vrai dans Z2×Z5. On a uniquement :
si (a,b)Z2×Z5, (a,b) est inversible (dans Z2×Z5) a est inversible dans Z2 et b inversible dans Z5.
Voir P8.3 pour la caractérisation d'un élément de Zp inversible dans Zp.

4) Dans Q2×Q5, x non inversible x=(a,b) avec a=0 ou b=0 x=0 ou x diviseur de 0

5) Ce résultat 4) n'est plus vrai dans Z2×Z5.

Exercice 1 : prouver P8.6.

P8.7->Attention : dans tout l'énoncé ci-dessous de P8.7, p est soit toujours égal à 2, soit toujours égal à 5.
Soit xEN(10) : pour tout n1 on définit un unique entier naturel kn par kn[x]n-1 (pn) avec 0knpn-1.
Cette suite (kn)n1 est une suite cohérente qui converge, dans Qp au sens de la distance dp, vers un élément x(p) de Zp.
En notant fp l'application de EN(10) dans Zp qui à x dans EN(10) associe fp(x)=x(p) (projeté de x sur Zp), alors
fp est un homomorphisme surjectif (d'anneau), c'est-à-dire pour tous les entiers décadiques x et y, on a :

fp(x+y)=fp(x)+fp(y) ; fp(-x)=-fp(x) ; fp(xy)=fp(x)fp(y) ;
et pour tout s dans Zp il existe x dans EN(10) tel que fp(x)=s

Pour tout x dans Z on a fp(x)=x
Pour tout x dans EN(10), fp(x)=0 pour tout n1 pn divise [x]n-1 ; il existe effectivement x dans NB(10) non nul tel que fp(x)=0
. Donc fp n'est pas injective, donc n'est pas un isomorphisme.

Soit gp l'application de NB(10) dans Qp qui à x dans NB(10) associe gp(x)=10-rfp(10rx) où r est un entier naturel quelconque tel que 10rx soit dans EN(10) : gp est aussi un homomorphisme surjectif.

Bien sûr cette définition ne dépend pas du choix de r et si x est entier décadique alors gp(x)=fp(x) (on peut prendre r=0).

Exercice 2 : prouver P8.7

P8.8->Soit f l'application de EN(10) dans Z2×Z5 définie par f(x)=(f2(x),f5(x)) : f est un isomorphisme d'anneaux (homomorphisme et bijectif).
De même si g est l'application de NB(10) dans Q2×Q5 définie par g(x)=(g2(x),g5(x)), alors g est aussi un isomorphisme d'anneaux.

Exercice 3 : prouver P8.8

P8.9->
1) Soit xNB(10) :

x inversible g(x) inversible
x diviseur de 0 g(x) diviseur de 0

2) Soit xEN(10) :

x inversible f(x) inversible
x diviseur de 0 f(x) diviseur de 0

3) Soit xNB(10) : x non inversible x=0 ou x diviseur de 0

4) Attention : si x est dans EN(10) et si x n'est pas inversible dans EN(10) alors, on n'a pas cette fois obligatoirement x=0 ou x diviseur de zéro.

Exemple : d'après P4.2, 70 n'est pas inversible dans EN(10), mais il a un inverse dans NB(10), et pourtant 700 et 70 n'est pas un diviseur de 0 (puisqu'il est inversible dans NB(10)).

5) xEN(10) est un diviseur de 0(f2(x)=0 et f5(x)0) ou (f2(x)0 et f5(x)=0)

6) xNB(10) est un diviseur de 0(g2(x)=0 et g5(x)0) ou (g2(x)0 et g5(x)=0)

7) xEN(10) est un diviseur de 0 x0 et (pour tout nN*, 2n divise [x]n-1 ou pour tout nN*, 5n divise [x]n-1)

Remarque 1 : le ou est exclusif.

Remarque 2 : tout diviseur de 0 se termine par un chiffre pair ou par 5, la terminaison 0 étant à exclure s'il s'agit d'un nombre décadique ayant effectivement des chiffres après la virgule.

8) Soient x et y deux entiers décadiques (ou brenoms entiers) non nuls :

xy=0 (cad x et y sont deux diviseurs de 0 associés)

("nN, 2n+1 divise [x]n et 5n+1 divise [y]n) ou ("nN, 5n+1 divise [x]n et 2n+1 divise [y]n)

Remarque : le ou est exclusif.

On retrouve donc P5.2.

9) Soient a et b deux nombres décadiques diviseurs de 0 associés (a et b non nuls, ab=0).
Alors pour tout x nombre décadique diviseur de 0 on a ax=0 ou (exclusif) bx=0.

Soient x et y deux diviseurs de 0 quelconques, alors ils sont associés ou (exclusif) ils sont associés chacun à un même 3ième.

Exercice 4 : prouver P8.9

Exercice 5 : en utilisant P8.9, P8.7, P8.5, P8.3 retrouver P4.3, c'est-à-dire : un entier décadique a un inverse entier décadique il se termine par 1 ou 3 ou 7 ou 9.

P8.10->Soit P un polynôme à coefficients dans NB(10) de degré n.
On note, pour p=2 ou p=5, gp(P) le polynôme obtenu en remplacant les coefficients de P par leurs images par gp : ainsi gp(P) est un polynôme à coefficients dans Qp qui est de degré n.
Soit x un nombre décadique (ou brenom) :
x est racine de P g2(x) est racine de g2(P) et g5(x) est racine de g5(P)

P a au plus n2 racines dans NB(10).

Exemple :
c'est celui du chapitre 6) : le polynôme P(X)=X2-X a quatre racines 0, 1 et a et b entiers décadiques caractérisés par f(a)=(1,0) et f(b)=(0,1) ; a et b vérifient a+b=1, ab=0.

Exercice 6 : prouver P8.10

Exercice 7 : on a vu au chapitre 6 une méthode pour trouver des valeurs approchées de a et b, les racines non triviales de X2-X.
Trouver deux autres méthodes :

l'une s'inspirant de la preuve de la surjectivité de fp
l'autre utilisant le théorème des restes chinoix (rappelé lors de la preuve de la surjectivité de f).
Quelle est parmi ces trois méthodes permettant d'obtenir des valeurs approchées de a et b, celle qui semble la plus intéressante pour une programmation?

Solution des exercices du chapitre 8

Exercice 1 : preuve de P8.6
1) Un diviseur de 0=(0,0) de Z2×Z5 est tel (a,b) non nul tel qu'il existe (a',b'), non nul, dans Z2×Z5 avec (a,b)×(a',b')=(0,0), soit aa'=0 et bb'=0 ; quoique Z2 et Z5 ne soient pas des corps, ils sont inclus dans des corps (Q2 et Q5), et donc aa'=0 et bb'=0 (a=0 ou a'=0) et (b=0 ou b'=0) ; mais comme a et b ne sont pas tous les deux nuls, ainsi que a' et b' , c'est qu'on (a=0 et b0 et a'0 et b'=0) ou (a0 et b=0 et a'=0 et b'0) ; donc nécessairement on a (a=0 et b0 ) ou (a0 et b=0). Réciproquement si on a cette condition, on peut effectivement trouver (a',b') non nul tel que (a,b)×(a',b')=0.

Même raisonnement pour les diviseurs de 0 dans Q2×Q5.

2) Un élément (a,b) de Q2×Q5 est inversible signifie qu'il existe (a',b') dans dans Q2×Q5 avec (a,b)×(a',b')=(1,1), ce qui équivaut aa'=1 et bb'=1, donc a et b inversibles (respectivement dans Q2 et Q5) ; mais Q2 et Q5 sont des corps, et cette dernière condition équivaut à a et b non nuls.

3) Par le même raisonnement que celui fait au 2), on voit qu'un élément de Z2×Z5 est inversible dans Z2×Z5 équivaut à a inversible dans Z2 et b inversible dans Z5, mais là on ne peut dire que cela équivaut à a et b non nuls car Z2 et Z5 ne sont pas des corps.

4) Cf le 2) un élément (a,b) de Q2×Q5 est non inversible équivaut à a=0 ou b=0, donc soit a=b=0, et x=0, soit (a=0 et b0) ou (a0 et b=0), et x est diviseur de 0 cf le 2ième résultat ci-dessus.

5) Ce résultat 4) n'est plus vrai si on remplace Q2×Q5 par Z2×Z5 à cause du 3).

Exercice 2 : preuve de P8.7
Soit xEN(10) : pour n1 on pose kn[x]n-1 (pn) avec 0knpn-1.
Il s'agit de montrer que cette suite converge, dans Qp au sens de la distance dp, vers un élément x(p) de Zp.

On a kn+1[x]n (pn+1) et ainsi kn=[x]n-1+Kpn et kn+1=[x]n+K'pn+1 avec K et K' dans Z ; comme on a [x]n=xn10n+[x]n-1, kn+1-kn=xn10n+K'pn+1-Kpn.
Comme p=2 ou p=5, 100 (p) et 10n0 (pn) et ainsi kn+1-kn0 (pn).
Cette suite kn vérifie les hypothèses de P8.5 : c'est donc une suite cohérente et elle converge donc, au sens dp, vers un élément x(p)=fp(x) de Zp.

Montrons que fp est surjectif.
Soit s dans Zp : donc s=limp kn, avec kn suite cohérente.
Il s'agit de montrer qu'il existe (au moins) un entier décadique x tel que fp(x)=s.
Par définition, fp(x)=limp k'n avec, pour tout n1, k'n[x]n-1 (pn) et 0k'npn-1 ; et, on vient de le voir, cette suite k'n est une suite cohérente.
Dire que fp(x)=s, c'est dire que les deux suites cohérentes kn et k'n ont la même limite, d'où, cf l'unicité (voir P8.5), ceci est équivalent à ce que pour tout n1, on a kn=k'n, soit [x]n-1kn (pn), car kn=k'nknk'n (pn), puisque ces deux entiers sont dans {0;1;...;pn-1}.
Il s'agit donc de voir, les kn étant donnés, si on peut trouver x dans NB(10) tel que pour tout n1 on ait [x]n-1kn (pn).

n=1 donne x0k1 (p) : donc il y a une solution x0 dans {0;1;...;p-1} (rappel p=2 ou 5, donc cet x0 est bien dans {0;1;...;9} ; il y a une autre solution x0+p, qui reste dans {0;1;...;9}).
Pour n1, supposons x0,...,xn-1 obtenus de telle sorte que "xi-1...x0"ki (pi) soient vérifiées pour i=1,2,...n.
("xi-1...x0" désigne l'entier naturel dont les chiffres sont, à partir de la gauche, xi-1,...,x0)
Cherchons xn tel que "xn...x0"kn+1 (pn+1), soit :
10nxn+"xn-1...x0"kn+1 (pn+1), soit
10nxnkn-"xn-1...x0"+kn+1-kn (pn+1)
mais pn divise kn+1-kn, cf suite cohérente, et divise kn-"xn-1...x0", cf hypothèse de récurrence, et enfin il divise aussi 10n ; d'où en notant qn le membre de droite divisé par pn, xn est caractérisé par
(10/p)nxnqn (p) ; comme 10/p est 1er avec p (si p=2, 10/p=5 et si p=5, 10/p=2), (10/p)n a un inverse modulo p et il existe une unique solution xn dans {0;1;...;p-1}, solution qui est dans {0;1;...;9} ; mais dans {0;1;...;9} il y a d'autres possibilités que cet xn : si p=5 il y a xn+5, si p=2 il y a xn+2, xn+4, xn+6, xn+8.
Donc par récurrence, on montré que pour tout n1, il existe x0,...,xn-1 tels que "xi-1...x0"ki (pi) soient vérifiées pour i=1,2,...n.
Donc en notant x l'entier décadique x dont les chiffres sont ces xi, on a pour tout n1, [x]n-1kn (pn), soit fp(x)=s.

Montrons tout de suite que pour tout x dans Z on a fp(x)=x.
1er cas : x dans N
Pour n assez grand, [x]n-1=x et ainsi knx (pn) ; mais pour n assez grand on aura aussi 0xpn-1 et donc, à partir d'un certain rang on a toujours kn=x, donc limp kn=x (suite constante à partir d'un certain rang), soit fp(x)=x.
2ième cas : -x dans N
Posons y=-x ; [x]n-1=[-y]n-1-[y]n-1 (10n), d'après P2.4.
Comme pour n assez grand [y]n-1=y on a [x]n-1x (10n), soit [x]n-1=x+K10n, avec K dans Z. Mais on a vu plus haut que 10n0 (pp) et donc knx (pn) ; mais cette fois on n'a pas 0xpn-1 et donc on ne peut dire que kn=x à partir d'un certain rang.
En fait on peut écrire kn-x=Kpn, avec K dans Z et dépendant de n ; donc |kn-x|p=|Kpn|p=1/(pr), avec r exposant de p dans la décomposition en nombres 1er de Kpn (voir P8.4), donc rn et ainsi |kn-x|p1/pn, quantité qui tend vers 0, au sens habituel, si n tend vers + : cela signifie que limp kn=x donc on a encore fp(x)=x.

Montrons que fp(x+y)=fp(x)+fp(y), pour x et y entiers décadiques quelconques.
fp(x+y)=limp k''n avec k''n[x+y]n-1 (pn) et 0k''npn-1
fp(x)=limp kn avec kn[x]n-1 (pn) et 0knpn-1
fp(y)=limp k'n avec k'n[y]n-1 (pn) et 0k'npn-1
Cf D1.2, pour n1, on a [x+y]n-1=[x]n-1+[y]n-1-K×10n, avec K=0 ou 1.
Comme 10n0 (pn), on a k''nkn+k'n (pn), soit k"n-kn-k'n=Kpn avec K dans Z et |k"n-(kn+k'n)|p=|Kpn|p=1/(pr), avec r exposant de p dans la décomposition en nombres 1er de Kpn (voir P8.4), donc rn et ainsi |k"n-(kn+k'n)|p1/pn, quantité qui tend vers 0, au sens habituel, si n tend vers + : cela signifie que limp k"n-(kn+k'n)=0 donc limp k"n=limp (kn+k'n)=limp kn+limp k'n, soit fp(x+y)=fp(x)+fp(y).

Montrons que fp(-x)=-fp(x).
fp(x+(-x))=fp(x)+fp(-x), cf le résultat précédent. Mais on a aussi fp(x+(-x))=fp(0)=0 (puisque fp(x)=x, pour x dans Z) et donc fp(x)+fp(-x)=0, ce qui prouve le résultat annoncé
Remarque :
ce résultat, combiné avec le précédent et le fait que fp(x)=x pour x dans N, permet de démontrer que fp(x)=x pour -x dans N.
En effet puisque -x est dans N, fp(-x)=-x, soit -fp(x)=-x et fp(x)=x, ce qui donne une preuve plus rapide que celle ci-dessus (voir 2ième cas de fp(x)=x).

Montrons que fp(xy)=fp(x)fp(y).
Une fois n'est pas coutume, la preuve est laissée au lecteur : même technique que pour la somme.

Montrons que pour tout x dans NB(10), fp(x)=0 pour tout n1 pn divise [x]n-1.
Cf P8.5 et la définition de fp(x) on a fp(x)=limp e0+e1p+...+enpn avec e0=k1 et pour n1, en=(kn+1-kn)/pn et kn[x]n-1 (pn).
Et cf l'unicité des ei (voir P8.3), on a fp(x)=0 pour tout i0 ei=0 pour tout n1 kn=0 pour tout n1 [x]n-10 (pn) pour tout n1 pn divise [x]n-1.
On aurait pu utiliser la preuve de la surjectivité de fp.

Montrons qu'il existe effectivement un entier décadique non nul tel que fp(x)=0.

En utilisant la preuve de la surjectivité de fp, en y faisant s=0 (donc les kn son nuls), on voit qu'il existe x entier décadique tel que fp(x)=0 en prenant x0 quelconque tel que x00 (p), donc par exemple x0=p, et cet x est alors non nul.

Montrons que gp est aussi un homomorphisme
Il faut cependant vérifier que la définition de gp(x) ne dépend pas du choix de r.
Soient r et r' deux entiers naturels tels que 10rx et 10r'x soient entiers décadiques : 10-rfp(10rx)=10-rfp(10r-r'×10r'x), et comme fp est un homomorphisme on a 10-rfp(10rx)=10-rfp(10r-r')fp(10r'x)=10-r'fp(10r'x), puisque fp(x)=x pour x dans Z.

Montrons maintenant que gp(x+y)=gp(x)+gp(y), gp(-x)=-gp(x), gp(xy)=gp(x)gp(y).
Soient r et r' deux entiers naturels tels que 10rx et 10r'y soient entiers décadiques : on a alors gp(x)=10-rfp(10rx) et gp(y)=10-r'fp(10r'y), mais quitte à augmenter l'un (ce qui ne changera pas le gp correspondant, cf ce qui précéde) on peut supposer r=r'.
Ainsi 10r(x+y) est entier décadique et
gp(x+y)=10-rfp(10r(x+y))=10-r(fp(10rx)+fp(10ry))=gp(x)+gp(y).

En faisant y=-x dans la relation ci-dessus et en remarquant que gp(0)=fp(0)=0 on obtient gp(-x)=-gp(x).

Pour l'image du produit on remarque que 10rx×10ry=102rxy est entier décadique et
gp(xy)=10-2rfp(102rxy)=10-2rfp(10rx)fp(10ry)=(10-rfp(10rx))(10-rfp(10ry))=gp(x)gp(y).

Montrons que gp est surjectif.
Soit q dans Qp : il faut montrer l'existence d'un nombre décadique tel que gp(x)=10-rfp(10rx)=q, avec 10rx dans EN(10).
On sait qu'on peut augmenter r sans changer gp(x) : si nécessaire, augmentons alors r de telle sorte que 10rq=s soit dans Zp (cela se justifie à l'aide de P8.3, puisque 10=2×5 et que p est soit 2, soit 5).
Donc on doit avoir fp(10rx)=s : comme fp est surjective il existe u entier décadique y tel que fp(y)=s et on prend x=10-ry.

Exercice 3 : preuve de P8.8
Il s'agit de montrer que f application de EN(10) dans Z2×Z5 est un isomorphisme d'anneaux.
f est définie par f(x)=(f2(x),f5(x)).

Le fait que f soit un homorphisme d'anneaux est une conséquence directe du fait que f2 et f5 sont des homomorphismes (il suffit de l'écrire).

Montrons que f est injective.
Il s'agit de montrer que f(x)=f(y) entraîne x=y.
f(x)=f(y) équivaut à f2(x)=f2(y) et f5(x)=f5(y).
On a f2(x)=lim2 kn, f5(x)=lim2 k'n, f2(y)=lim2 Kn, f5(y)=lim5 K'n, les quatre suites kn, k'n, Kn, K'n étant cohérentes.
Puisque f2(x)=f2(y) et compte-tenu de l'unicit (voir P8.5) c'est que pour tout n1 on a kn=k'n et donc [x]n-1[y]n-1 (2n), cf la définition de kn et k'n.
De même [x]n-1[y]n-1 (5n) et comme 2n et 5n sont 1er entre eux c'est que [x]n-1[y]n-1 (2n×5n=10n) ; mais [x]n-1 et [y]n-1 sont dans {0;1;...;10n-1}, cf D1.1, et donc [x]n-1=[y]n-1, cela pour tout n1 : donc x=y.
Montrons la surjectivité
Il s'agite de montrer que tout élément de Z2×Z5 est atteint par f.
Soit (s,t) un élément quelconque de Z2×Z5 : on cherche x entier décadique tel que f(x)=(s,t).
d'après la réciproque de P8.5
s=lim2 kn avec pour tout n1 : 0kn2n-1 et kn+1kn (2n)
t=lim2 k'n avec pour tout n1 : 0k'n5n-1 et k'n+1k'n (5n)
On va utiliser le théorème dit des restes chinoix

a et b tant deux entiers relatifs premiers entre eux, x0 et x des entiers relatifs quelconques, les solutions du systéme (d'inconnue x) : xx0 (a)
xx1 (b)
sont les entiers relatifs x tels que xaux1+bvx0 (ab) avec u tel que au1 (b) et v tel que bv1 (v) ; en fait il suffit de choisir "un" u et "un" v tels que au+bv=1, l'existence d'un tel couple étant assurée par le théorème de Bezout.
Donc ce systéme admet une seule solution dans {0;1;...;ab-1}.
Application : pour tout n 1, il existe un et un seul entier naturel un tel que unkn (2n) et unk'n (5n) et un dans {0;1;...;10n-1}.
Cet un a donc au plus n chiffres, et quitte à mettre des zéros devant il en a n+1. Par ailleurs un+1-unkn+1-kn0 (2n) ; de même un+1-un0 (5n) et, 2n et 5n étant 1er entre eux, un+1un (10n) : donc un+1, qui a n+1 chiffres (quitte à rajouter des zéros devant), se termine par les n chiffres de un.
On peut alors appliquer la réciproque énoncée en fin de D1.1 : il existe un et un seul entier décadique tel que pour tout n 0 [x]n=un+1.
Cet entier décadique vérifie donc, pour tout n1 [x]n-1kn (2n), donc f2(x)=s et [x]n-1k'n (5n), donc f5(x)=t et ainsi f(x)=(s,t).
Remarque : f étant surjective, on retrouve le fait que f2 et f5 le sont aussi.

Montrons que g application de NB(10) dans Q2×Q5 est un isomorphisme d'anneaux.
L'aspect homomorphisme est immédiat, g2 et g5 étant des homomorphismes.
Montrons que g est injective
Supposons g(x)=g(y) :
donc 10-rf2(10rx)=10-r'f2(10r'y) et 10-rf5(10rx)=10-r'f5(10r'y), avec 10rx et 10r'y dans EN(10).
En fait quitte à augmenter r ou r' (ca ne change pas les gp correspondants), on peut supposer r=r', donc on a f2(10rx)=f2(10ry) et f5(10rx)=f5(10ry), soit f(10rx)=f(10ry) donc 10rx=10ry car f injective et ainsi on a bien x=y et g est injective.

Montrons que g est surjective
Soit (q,q') dans Q2×Q5 : il faut montrer l'existence d'un nombre décadique tel que g(x)=(q,q'), soit x tel que 10-rf2(10rx)=q et 10-rf5(10rx)=q' avec 10rx dans EN(10).
Là aussi (voir preuve de la surjectivité de gp) on peut choisir r assez grand pour que 10rq=s et 10rq'=t soient respectivement dans Z2 et dans Z5 : il faut alors trouver x tel que f2(10rx)=s et f5(10rx)=t, soit f(10rx)=(s,t) ; comme f est surjective il existe un entier décadique y tel que f(y)=(s,t) et on prend x=10-ry.

Exercice 4 : preuve de P8.9
1) Si x est inversible, c'est qu'il existe y dans NB(10) tel que xy=1, donc g(xy)=g(1), g(x)g(y)=1 et g(x) est inversible, d'inverse g(y) ;
si g(x) est inversible, c'est qu'il existe UQ2×Q5 tel que g(x)U=1 ; mais g est bijective, donc il existe y dans NB(10) tel que g(y)=U et g(x)g(y)=1, soit g(xy)=g(1) et xy=1, donc x est inversible.
Si x est diviseur de 0 alors x0 et il existe y0 avec xy=0, donc g(xy)=g(0), soit g(x)g(y)=0, et commme g est bijective, g(x) et g(y) sont non nuls et ainsi g(x) est diviseur de 0 ;
si g(x) est diviseur de 0, alors g(x)0, et donc x0, et il existe U0 tel que g(x)U=0 ; mais il existe y dans NB(10) tel que g(y)=U, donc y0, et g(x)g(y)=0, soit g(xy)=g(0) et ainsi xy=0, soit x diviseur de 0.

2) Preuve analogue à celle ci-dessus.

3) soit xNB(10) :
x non inversibleg(x) non inversible, d'après le 1) ci-dessus, g(x)=0 ou g(x) diviseur de 0, d'après le 4) de P8.6, x=0 ou x diviseur de 0, d'après le 1) ci-dessus.

4) Tout a été dit dans l'énoncé.

5) x dans EN(10) est un diviseur de 0 signifie que x est non nul et qu'il existe y dans EN(10) non nul tel que xy=0.
Mais f étant un homomorphsime de EN(10) dans Z2×Z5, on a f(x)f(y)=f(xy)=f(0)=0 et comme f est bijectif, f(u)0u0, et donc f(x) et f(y) sont non nuls et ainsi f(x) est diviseur de 0.
Réciproquement si f(x) est diviseur de 0, il est non nul , donc x aussi et il existe U non nul dans Z2×Z5 tel que f(x)×U=0 ; mais f est bijectif donc U=f(y) avec y dans EN(10) non nul et f(x)f(y)=0, soit f(xy)=0 et xy=0, avec x et y non nuls : x est diviseur de 0.
Donc x diviseur de 0 dans EN(10)f(x) diviseur de 0 dans Z2×Z5.
Il n'y a plus qu'à appliquer le 1er résultat de P8.6 en remarquant que f(x)=(f2(x),f5(x)).

6) Démonstration analogue pour les diviseurs de 0 de NB(10), g étant aussi un isomorphisme.

7) En fait le 1er résultat de P8.9 ci-dessus peut s'écrire
x diviseur de 0 dans EN(10)x0 et (f2(x)=0 ou f5(x)=0), car x0 et f2(x)=0 entraîne f5(x)0 sinon on aurait f(x)=0 et alors x=0, et aussi f2(x)=0 et f5(x)0 entraîne x0 et f2(x)=0 ; idem si on remplace 2 par 5.
Il suffit alors d'appliquer le résultat de P8.7 relatif à fp(x)=0.

Justification du fait que le ou est exclusif : si on avait (pour tout nN, 2n+1 divise [x]n et 5n+1 divise [y]n) et (pour tout nN, 5n+1 divise [x]n et 2n+1 divise [y]n), alors pour tout n0, 10n+1 diviserait [x]n, donc [x]n serait nul et donc on aurait x=0, ce qui est exclu.

Quant au dernier chiffre, ce résultat 7) entraîne que, pour un entier décadique diviseur de 0, 2 ou 5 divise x0 et donc le dernier chiffre est bien pair ou égal à 5 ; par contre s'il agit d'un nombre décadique diviseur de 0 avec r1 chiffres après la virgule ( par définition son dernier chiffre x-r est non nul ), en le multipliant par 10r on obtient un entier décadique (de dernier chiffre x-r) diviseur de 0 et donc x-r est pair (0 exclu) ou égal à 5.

8) xy=0f(x)f(y)=0(f2(x)f2(y),f5(x)f5(y))=0 f2(x)f2(y)=0 et f5(x)f5(y)=0 ; mais f2(x) et f5(x) ne peuvent être tous les deux nuls (sinon f(x)=0 et x=0, ce qui est exclu), de même f2(y) et f5(y) ne peuvent être tous les deux nuls et donc il n'y a que deux possibilités :
f2(x)=0 et f5(y)=0 (et donc f5(x) et f2(y) sont non nuls car x et y sont non nuls)
ou
f5(x)=0 et f2(y)=0 (et donc f2(x) et f5(y) sont non nuls car x et y sont non nuls)
ce qui donne le résultat annoncé, compte-tenu, là encore, du résultat de P8.7 relatif à fp(x)=0.

Justification du fait que le ou est exclusif : résulte du 7) ;

9) C'est une application directe du 7) et du 8).
1er cas : a, b, x sont entiers décadiques.

Quitte à changer a et b, on peut supposer, cf le 7), que pour tout n0 2n+1 divise [a]n et que pour tout n0 5n+1 divise [b]n.
Et, cf le 7), puisque x est un diviseur de 0, c'est que pour tout n0 2n+1 divise [x]n ou (exclusif) que pour tout n0 5n+1 divise [x]n ; donc cf le 8), ax=0 ou (exclusif) bx=0 .

2ième cas : a, b, x ne sont pas tous entiers décadiques.

Il existe alors r1 tel que a'=10ra, b'=10rb, x'=10rx soient tous entiers décadiques.
Comme ab=0 entraîne a'b'=0 et que x' reste un diviseur de 0, on peut appliquer le 1er cas :
a'x'=0 ou (exclusif) b'x'=0, et puisque 102ru=0 entraîne u=0, on a ax=0 ou (exclusif) bx=0.
Soient x et y deux diviseurs de 0 ; en particulier il existe z0 tel que xz=0.
Le résultat précédent donne alors tout de suite : xy=0 (donc x et y associés) ou (exclusif) zy=0 (donc x et z associés à un même 3ième).

Exercice 5 : il s'agit de retrouver P4.3.
Soit x dans EN(10) :
x inversible dans EN(10) f(x) inversible (dans Z2×Z2), d'après le 2) de P8.9
f2(x) inversible dans Z2 et f5(x) inversible dans Z5, d'après le 3) de P8.6
mais f2(x)=lim2 e0+e12+...+en2n, avec e0=k1[x]0=x0 (2) et e0{0;1}, d'après P8.7 et P8.5 ;
et d'après P8.3, f2 est inversible dans Z2e00 2 ne divise pas x0,
de même, f5(x) est inversible dans Z5 5 ne divise pas x0
et donc x est inversible dans EN(10) x0 n'est pas divisible par 2, ni par 5, ce qui équivaut à x0 se termine par 1 ou 3 ou 7 ou 9.

Exercice 6 : preuve de P8.10
Le polynôme gp(P) est de degrén, car gp(c) peut être nul, sans que c le soit.

x, dans NB(10), sera une racine de P P(x)=0 g(P(x))=0=(0,0), puisque g est un isomorphisme.
Or g(P(x))=(g2(P(x)),g5(P(x))=(g2(P)(g2(x)),g5(P)(g5(x)), puisque g2 et g5 sont des homomorphismes et de part la définition de g2(P) et g5(P).
Donc x racine de P équivaut à g2(P)(g2(x))=0 et g5(P)(g5(x))=0.

Comme g2(P) et g5(P), sont des polynômes à coefficients dans un corps (Q2 et Q5), leurs nombres de racines dans ce corps est à leur degré qui est n, donc chacun des ces polynômes a au plus n racines et donc il y a au plus n possibilités pour g2(x), de même pour g5(x), et donc il y a au plus n×n possibilités pour g(x)=(g2(x),g5(x)) ; et comme g est une bijection, il y a au plus n2 possibilités pour x.

cas de P(X)=X2-X
Cf la résultat ci-dessus, x, dans NB(10), est racine de P, équivaut à g2(P)(g2(x))=0 et g5(P)(g5(x))=0 ; mais ici g2(P)=P et g5(P)=P. Donc x racine de P équivaut à g2(x)(g2(x)-1)=0 ou g5(x)(g5(x)-1)=0 et comme Q2 et Q5 cela donne g2(x)=0 ou 1 et g5(x)=0 ou 1. Finalement x racine de Pg(x)=(0,0) ou (0,1) ou (1,0) ou (1,1) ; comme g est une bijection P a quatre racines, les antécédents (uniques) de ces quatre couples :

x tel que g(x)=(0,0) : c'est 0 puisque g(0)=(0,0) (pour x dans NB(10), gp(x)=fp(x) et pour x dans Z, cas de x=0, fp(x)=x)
x tel que g(x)=(1,1) c'est 1 puisque g(1)=(1,1)
x tel que g(x)=(1,0) : notons là a : g2(a)=1 et g5(a)=0 (donc a n'est pas nul car sinon g2(a)=0)
x tel que g(x)=(0,1) : notons là b : g2(b)=0 et g5(b)=1 (donc b n'est pas nul)

En fait (1,0) est dans Z2×Z5, et f étant une bijection, il existe un seul entier décadique a' tel que f(a')=(0,1) ; mais pour x entier décadique on a g(x)=f(x) et ainsi g(a')=(1,0)=g(a) et, g étant aussi une bijection, c'est que a=a' :
et ainsi f(a)=(1,0), soit f2(a)=1 et f5(a)=0.
De même f(b)=(0,1) et f2(b)=0 et f5(b)=1.

f étant un homomorphisme, f(a+b)=f(a)+f(b)=(1,0)+(0,1)=(1,1)=f(1) et donc a+b=1 ;
de même f(ab)=f(a)f(b)=(1,0)(0,1)=(0,0)=f(0) et ab=0.
Remarque :
Cf la preuve de la surjectivité de f on a, pour tout n1, [a]n-1 1 (2n) et [a]n-1 0 (5n), car s=1=lim2 kn avec kn=1 et t=0=lim5 k'n avec k'n=0. En fait la dernière congruence est aussi une conséquence du résultat sur fp(x)=0 de P8.7.
Donc, en particulier 2 divise a0-1 et 5 divise a0, ce qui donne a0=5 et a se termine par 5.
De même, pour tout n1, [b]n-1 0 (2n) et [b]n-1 1 (5n).
Donc 2 divise b0 et 5 divise b0-1, ce qui donne b0=6 et b se termine par 6.

Exercice 7 : détermination de valeurs approchées de a et b.
Rappelons que a est caractérisé par f2(a)=1 et f5(a)=0, donc puisque s=1=lim2 kn avec kn=1, et t=0=lim2 k'n avec k'n=0,
a est caractérisé par : pour tout n1, [x]n-11 (2n) et [x]n-10 (5n). (Bien entendu, pour la dernière congruence on pouvait utiliser directement la caractérisation de fp(x)=0, voir P8.7).
1ière méthode : on applique directement ces deux relations, en commencant par la 2ième, car modulo 5 on n'aura que deux solutions dans {0;1;...;9} et on regarde celle qui convient pour la 1ière congruence.
n=1 donne x01 (2) et x00 (5) ; la 2ième donne x0=0 ou 5, et seul 5 vérifie la 1ière et x0=5
n=2 donne 10x1+51 (4) et 10x1+50 (25), soit

5x1-2 (2) et 2x1-1 (5), soit x10 (2) et x12 (5) : la 2ième donne x1=2 ou 7 et seul 2 vérifie la 1ière et x1=2 n=3 donne 100x2+251 (8) et 100x2+250 (125), soit 25x2-6 (2) et 4x2-1 (5), soit x20 (2) et x21 (5) : la 2ième donne x1=1 ou 6 et seul 6 vérifie la 1ière et x2=6 etc.....

2ième méthode : on utilise le théorème sur les restes chinoix.
On peut obtenir directement [x]2 (par exemple) : en effet on a [x]21 (8) et [x]20 (125).
On va alors chercher la solution génèrale de ce système et prendre la solution qui est dans {0;1;...;999}.
On cherche u et v tels que 8u+125v=1 (peuvent s'obtenir en remontant l'algorithme d'Euclide) : u=47, v=-3 est un couple solution et donc [x]2=8×47×0+125×(-3)×1+8×125×k, avec k dans Z, soit [x]2=-375+1000k et la seule façon d'avoir [x]2 dans {0;1;...;999} est k=1 et [x]2=625.

Commentaire sur les méthodes :
D'un point de vue programmation, la méthode vue au chapitre 6 présente le gros inconvénient de faire intervenir ([x]n)2 pour trouver xn+1 et donc on va manipuler de grands entiers ce qui va poser des problèmes de capacité.
La méthode utilisant le théorème des restes chinoix permet certes de trouver "d'un seul coup" [x]n, mais là aussi on va manipuler (à un degré peut être moindre) de grands nombres, notamment 2n et 5n.
C'est la 1ère méthode ci-dessus qui me semble la plus appropriée pour une programmation, puisqu'on travaille toujours au niveau des chiffres et toujours modulo 2 et 5 : on n'a jamais de grands nombres à manipuler, d'autant plus qu'en fait on va faire des divisions par 2n et 5n pour obtenir xn.

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