Ivan Shishkin, Rye (1878)

Problems/General algebraUnreviewed

An equation solvable by radicals ?

by Ancient Tree·
59
Difficulty scaleÉchelle de difficulté

This score reflects both the level of the required concepts and the difficulty of the solution.Ce score tient compte à la fois du niveau des notions nécessaires et de la difficulté de la résolution.

  1. 1–10First steps / middle schoolPremiers pas / collège
  2. 11–25Beginner / high schoolDébutant / lycée
  3. 26–50Intermediate / undergraduateIntermédiaire / licence
  4. 51–70Advanced / graduateAvancé / master
  5. 71–90Expert / specializedExpert / spécialisé
  6. 91–100Research levelNiveau recherche
These levels are approximate guides.Ces niveaux sont des repères approximatifs.
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Is the equation X5−4X+2=0X^{5}-4X+2=0 solvable by radicals ?

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Solution by visitorFR

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Non. Dit autrement, en termes savants, le groupe de Galois de P=X5−4X+2P=X^{5}-4X+2 sur Q\mathbb{Q} est S5\mathfrak{S}_5, qui n’est pas résoluble.

Irréductibilité. Eisenstein en p=2p=2 s’applique : 22 divise −4-4 et 22, ne divise pas le coefficient dominant 11, et 4∤24\nmid 2. Donc PP est irréductible sur Q\mathbb{Q}, et 55 divise ∣G∣|G| où G=Gal(P)G=\mathrm{Gal}(P), vu comme sous-groupe transitif de S5\mathfrak{S}_5. Par Cauchy, GG contient un 55-cycle.

Exactement trois racines réelles. On a P′(x)=5x4−4P'(x)=5x^{4}-4, qui s’annule en ±c\pm c avec c=(4/5)1/4c=(4/5)^{1/4}. Alors
P(−c)=4c−c5+2>0,P(c)=c5−4c+2<0,P(-c)=4c-c^{5}+2>0,\qquad P(c)=c^{5}-4c+2<0,numériquement P(−c)≈5,0P(-c)\approx 5{,}0 et P(c)≈−1,0P(c)\approx -1{,}0. La fonction PP croît jusqu’à −c-c, décroît de −c-c à cc, puis croît ; avec les limites ∓∞\mp\infty en ∓∞\mp\infty, elle s’annule exactement une fois sur chacun des trois intervalles. Donc PP a 33 racines réelles et 22 racines complexes conjuguées.

Conclusion. La conjugaison complexe échange les deux racines non réelles et fixe les trois autres : GG contient une transposition. Or un sous-groupe de S5\mathfrak{S}_5 contenant un 55-cycle et une transposition est S5\mathfrak{S}_5 tout entier.

Comme A5\mathfrak{A}_5 est simple non abélien, S5\mathfrak{S}_5 n’est pas résoluble. Par le théorème de Galois, PP n’est pas résoluble par radicaux. ■\blacksquare

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