Ivan Shishkin, Rye (1878)

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Caractérisation des sous-groupes de (R,+)(\mathbb{R},+)

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Solution by darktoaster · FR

Preuve du théorème

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Question 1.1 - Existence de la borne inférieure

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  • G∩R+∗G \cap \mathbb{R}^{*}_{+} est non-vide. En effet, GG est non-réduit à {0}\{0\} par hypothèse, c’est-à-dire qu’il existe un élément xx de GG non-nul. Puisque GG est un groupe, donc stable par passage à l’opposée, −x-x aussi est dans GG. Parmi xx et −x-x, un de ces deux éléments est strictement positif donc un de ces deux éléments est bien dans G∩R+∗G \cap \mathbb{R}^{*}_{+}.
  • G∩R+∗G \cap \mathbb{R}^{*}_{+} est minorée par 00.
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    Par la propriété de la borne inférieure, G∩R+∗G \cap \mathbb{R}^{*}_{+} admet une borne inférieure que l’on note α\alpha.
    De plus α≥0\alpha \ge 0. En effet 00 est un minorant de G∩R+∗G \cap \mathbb{R}^{*}_{+} et α\alpha est le plus grand minorant de G∩R+∗G \cap \mathbb{R}^{*}_{+}.
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Question 1.2 - Cas monogène

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Dans cette question seulement, on se place dans le cas où α>0\alpha > 0.
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Supposons par l’absurde que α∉G∩R+∗\alpha \notin G \cap \mathbb{R}^{*}_{+}.

Par caractérisation séquentielle de la borne inférieure, il existe une suite (αn)n∈N∈(G∩R+∗)N(\alpha_{n})_{n \in \mathbb{N}} \in (G \cap \mathbb{R}^{*}_{+})^{\mathbb{N}} qui converge vers α\alpha.
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Comme α\alpha minore G∩R+∗G \cap \mathbb{R}^{*}_{+}, on a ∀n∈N,α≤αn\forall n \in \mathbb{N}, \alpha \le \alpha_{n}. De plus, α\alpha n’est pas dans G∩R+∗G \cap \mathbb{R}^{*}_{+}, on a plus précisément ∀n∈N,α<αn\forall n \in \mathbb{N}, \alpha < \alpha_{n}.

En prenant un epsilon ε1=α2\varepsilon_{1} = \frac{\alpha} 2 , on a, à partir d’un certain rang (APCR), αn∈]α−ε1,α+ε1[=]α2,3α2[\alpha_{n} \in ]\alpha - \varepsilon_{1}, \alpha + \varepsilon_{1}[ = ]\frac {\alpha}{2}, \frac{3\alpha}{2}[,
APCR, αn∈]α,3α2[⊂]α,2α[\alpha_{n} \in ]\alpha, \frac{3\alpha}{2}[ \subset ]\alpha, 2\alpha[. Ce qui assure l’existence d’un αn1∈]α,2α[\alpha_{n_{1}} \in ]\alpha, 2\alpha[ avec un certain n1∈Nn_{1} \in \mathbb{N}.
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En prenant un autre epsilon ε2=αn1−α2\varepsilon_{2} = \frac{\alpha_{n_1} - \alpha}{2} , on a APCR, αn∈]α,α+ε2[=]α,αn1+α2[⊂]α,αn1[\alpha_{n} \in ]\alpha, \alpha + \varepsilon_{2}[ = ]\alpha, \frac{\alpha_{n_{1}} + \alpha}{2}[ \subset ]\alpha, \alpha_{n_{1}}[ . Ce qui assure l’existence d’un αn2∈]α,αn1[\alpha_{n_2} \in ]\alpha, \alpha_{n_1}[ avec un certain n2∈Nn_{2} \in \mathbb{N}.
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On a en résumé : α<αn2<αn1<2α\alpha < \alpha_{n_{2}} < \alpha_{n_{1}} < 2 \alpha
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Comme αn1\alpha_{n_{1}} et αn2\alpha_{n_{2}} sont dans GG, αn1−αn2\alpha_{n_{1}} - \alpha_{n_{2}} est dans GG aussi car GG est un groupe.
De plus, par l’inégalité ci-dessus : αn1−αn2∈ ]0,α[\alpha_{n_{1}} - \alpha_{n_{2}} \in ~ ]0, \alpha[
Ainsi αn1−αn2∈G∩R+∗\alpha_{n_{1}}- \alpha_{n_{2}} \in G \cap \mathbb{R}^{*}_{+} et αn1−αn2<α\alpha_{n_{1}} - \alpha_{n_2} < \alpha.
Ce qui est contradictoire avec le fait que α\alpha minore tout élément de G∩R+∗G \cap \mathbb{R}^{*}_{+}.
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Ainsi nous avons montré que α∈G∩R+∗\alpha \in G \cap \mathbb{R}^{*}_{+}.
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Comme GG est un groupe, ∀n∈Z,nα∈G\forall n \in \mathbb{Z}, n \alpha \in G. Ce qui signifie que αZ⊂G\alpha \mathbb{Z} \subset G.
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Montrons réciproquement que G⊂αZG \subset \alpha \mathbb{Z}
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Soit x∈Gx \in G
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On pose n=⌊xα⌋n = \lfloor \frac x {\alpha} \rfloor,
on a l’encadrement suivant : n≤xα<n+1n \le \frac{x} {\alpha} < n + 1 , c’est-à-dire nα≤x<nα+αn \alpha \le x < n \alpha + \alpha
ou encore 0≤x−nα<α0 \le x - n\alpha < \alpha
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xx et nαn \alpha sont dans GG donc x−nαx - n\alpha est encore dans GG comme GG est un groupe.
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Comme α\alpha minore G∩R+∗G \cap \mathbb{R}^{*}_{+}, la seule valeur possible pour x−nαx - n\alpha est x−nα=0x - n\alpha = 0.
Ce qui donne x=nα∈αZx = n\alpha \in \alpha \mathbb{Z}
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Ainsi G⊂αZG \subset \alpha \mathbb{Z}
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Par double-inclusion, on conclut que G=αZG = \alpha \mathbb{Z}.
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Question 1.3 - Cas dense

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Dans cette question seulement, on se place dans le cas où α=0\alpha = 0.
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On souhaite montrer que GG est dense. Soient aa et bb dans R\mathbb{R}, montrons qu’il existe un élément de GG dans ]a,b[]a,b[.
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Soit ε=b−a\varepsilon = b - a. ε\varepsilon ne minore pas G∩R+∗G \cap \mathbb{R}^{*}_{+}, il existe donc un x∈G∩R+∗x \in G \cap \mathbb{R}^{*}_{+} strictement plus petit que ε\varepsilon.
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Comme GG est un groupe et comme ⌊ax⌋+1∈Z\lfloor \frac a x \rfloor + 1\in \mathbb{Z}, (⌊ax⌋+1)x∈G(\lfloor \frac a x \rfloor +1) x \in G. On note yy cet élément de GG
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Par encadrement de la partie entière :
(ax)x<(⌊ax⌋+1)x≤(ax+1)x(\frac a x) x < (\lfloor \frac a x \rfloor + 1) x \le (\frac a x + 1) x
\newlinea<y≤a+x<a+ε=ba < y \le a + x < a + \varepsilon = b
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On conclut que y∈]a,b[y \in ]a, b[
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GG est dense dans R\mathbb{R}.
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Quelques applications

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Question 2.1 - Somme de deux groupes monogènes

Supposons d’abord que ab∈Q\frac a b \in \mathbb{Q}

Ils existent donc pp et qq dans Z∗\mathbb{Z}^{*} premiers entre-eux tels que ab=pq\frac a b = \frac p q.

Montrons que dans le cas où ab∈Q\frac a b \in \mathbb{Q}, aZ+bZ=bqZa \mathbb{Z} + b \mathbb{Z} = \frac b q \mathbb{Z}

Soit x∈aZ+bZx \in a \mathbb {Z} + b \mathbb{Z}
Ils existent n1n_{1} et n2n_{2} dans Z\mathbb{Z} tels que x=an1+bn2x= an_{1} + bn_{2}
xb=abn1+n2\frac x b = \frac a b n_{1} + n_{2}
qxb=pn1+qn2∈Zq\frac x b = p n_{1 } + qn_{2} \in \mathbb{Z}
x=bq(pn1+qn2)∈bqZx = \frac b q (pn_{1} + qn_{2}) \in \frac b q \mathbb{Z}
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Soit x∈bqZx \in \frac b q \mathbb{Z}
Il existe n∈Zn \in \mathbb{Z} tel que x=bqnx = \frac b q n
Comme pp et qq sont premiers entre-eux, d’après le théorème de Bachet-Bézout, ils existent deux entiers uu et vv tels que pu+qv=1pu + qv = 1
A partir de cette relation, bqn(pu+qv)=bqn\frac b q n (pu + qv) = \frac b q n
anu+bnv=xa n u + bn v = x
Nous avons bien x∈aZ+bZx \in a \mathbb{Z} + b\mathbb{Z}
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En conclusion nous avons aZ+bZ=bqZa\mathbb{Z} + b\mathbb{Z} = \frac b q \mathbb{Z}
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Montrons maintenant la réciproque du théorème. On montre la contraposée de la réciproque.
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Soit ab∈R∖Q\frac a b \in \mathbb{R} \setminus \mathbb{Q}
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Supposons par l’absurde que aZ+bZa \mathbb{Z} + b\mathbb{Z} est monogène, c’est-à-dire qu’il existe un réel positif α\alpha tel que aZ+bZ=αZa \mathbb{Z} + b\mathbb{Z} = \alpha\mathbb{Z}
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a=a⋅1+b⋅0∈aZ+bZ=αZa = a \cdot 1 + b \cdot 0 \in a\mathbb{Z} + b\mathbb{Z} = \alpha \mathbb{Z} donc il existe un entier n1n_{1} tel que a=n1αa = n_{1} \alpha
De même, il existe un entier n2n_{2} tel que b=n2αb = n_{2} \alpha
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En passant au quotient, ab=n1αn2α=n1n2∈Q\frac a b = \frac{n_{1} \alpha}{n_{2} \alpha} = \frac{n_{1}}{n_{2}} \in \mathbb{Q}
Ce qui est contradictoire avec le fait que ab∉Q\frac a b \notin \mathbb{Q}
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Ainsi on conclut grâce à la caractérisation des sous-groupes de (R,+)(\mathbb{R},+) que nous avons démontré en première partie de ce problème que aZ+bZa\mathbb{Z} + b\mathbb{Z} est dense dans R\mathbb{R}.
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Question 2.2 - Densité d’ensembles trigonométriques

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Le résultat de la question précédente nous permet de dire que Z+2πZ\mathbb{Z} + 2\pi \mathbb{Z} et Z+πZ\mathbb{Z} + \pi\mathbb{Z} sont dense dans R\mathbb{R} en admettant l’irrationnalité de π\pi.
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Montrons que l’ensemble {cos⁡(n) ; n∈N}\{\cos(n) ~ ; ~n \in \mathbb{N} \} est dense dans [−1,1][-1,1].
Soit x∈[−1,1]x \in [-1,1]. Montrons qu’il existe une suite d’éléments de cet ensemble convergeant vers xx.
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Par surjectivité de cos⁡\cos de R\mathbb{R} sur [−1,1][-1,1], il existe un θ∈R\theta \in \mathbb{R} tel que x=cos⁡(θ)x = \cos(\theta).
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Par densité de Z+2πZ\mathbb{Z} + 2\pi\mathbb{Z} sur R\mathbb{R}, il existe une suite (θn)n∈(Z+2πZ)N(\theta_{n})_{n} \in (\mathbb{Z} +2\pi\mathbb{Z})^{\mathbb{N}} qui converge vers θ\theta.
Comme, pour tout n∈Nn \in \mathbb{N}, θn∈Z+2πZ\theta_n \in \mathbb{Z} +2\pi\mathbb{Z} , ils existent an∈Za_{n} \in \mathbb{Z} et bn∈Zb_{n} \in \mathbb{Z} telles ques ∀n∈N,θn=an+2πbn\forall n \in \mathbb{N}, \theta_{n} = a_{n} + 2\pi b_{n}

Par continuité du cosinus : lim⁡n→+∞cos⁡(θn)=cos⁡(θ)=x\lim\limits_{n \to +\infty} \cos(\theta_{n}) = \cos(\theta) = x

Par ailleurs, par 2π2\pi-périodicité et par parité du cosinus : ∀n∈N,cos⁡(θn)=cos⁡(an+2πbn)=cos⁡(∣an∣)\forall n \in \mathbb{N}, \cos(\theta_n) = \cos(a_n + 2\pi b_n) = \cos(|a_{n}|)

Ainsi nous avons trouvé une suite d’éléments de {cos⁡(n) ; n∈N}\{\cos(n) ~ ; ~n \in \mathbb{N} \} convergeant vers xx, c’est la suite (cos⁡(∣an∣))n(\cos(|a_{n}|))_{n}
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De même, on montre que {sin⁡(n) ; n∈Z}\{\sin(n) ~ ; ~n \in \mathbb{Z} \} et {tan⁡(n) ; n∈Z}\{\tan(n) ~ ; ~n \in \mathbb{Z} \} sont respectivement denses dans [−1,1][-1,1] et R\mathbb{R} en utilisant respectivement la 2π2\pi-périodicité du sinus et la π\pi-périodicité de la tangente.

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