Ivan Shishkin, Rye (1878)

Discussions

Lemme de Liouville et transcendance

0 messages

Solution

Solution by Pinus halepensis · FR

  1. Soit αRQ\alpha\in \mathbb{R}\setminus \mathbb{Q} tel qu’il existe PP comme précisé dans l’énoncé tel que P(α)=0P(\alpha)=0. On se donne donc (pn)n(p_n)_n et (qn)n(q_n)_n comme dans l’énoncé. Alors pour tout nNn\in\mathbb{N} :
    qndP(pnqn)Zq_n^d P\left(\frac{p_n}{q_n}\right)\in\mathbb{Z}^\astdonc on a l’inégalité :
    1qndP(pnqn)\left|\frac{1}{q_n^d}\right|\leq \left|P\left(\frac{p_n}{q_n}\right)\right|Comme PP est un polynôme, en particulier c’est une fonction continue sur [α,pnqn]\left[\alpha,\frac{p_n}{q_n}\right] ou [pnqn,α]\left[\frac{p_n}{q_n},\alpha\right] et dérivable sur les intervalles ouverts en α\alpha et en pnqn\frac{p_n}{q_n}, alors par le théorème des accroissements finis il existe C>0C>0 tel que :
    1qndP(pnqn)Cαpnqn\left|\frac{1}{q_n^d}\right|\leq\left|P\left(\frac{p_n}{q_n}\right)\right|\leq C\left|\alpha-\frac{p_n}{q_n}\right|Or on sait que :
    pnqnn+α\frac{p_n}{q_n}\underset{n\to+\infty}{\longrightarrow}\alphadonc qu’il existe C>0C'>0 tel que :
    qndCpnd\left|q_n^d\right|\leq C'\left|p_n^d\right|et donc que :
    1pndC1qndCCαpnqn\left|\frac{1}{p_n^d}\right|\leq C'\left|\frac{1}{q_n^d}\right|\leq C'C\left|\alpha-\frac{p_n}{q_n}\right|Ce que l’on voulait.

  2. Montrons maintenant que :
    α=k0110k!\alpha=\sum_{k\geq 0}\frac{1}{10^{k!}}est transcendant. On raisonne donc par l’absurde en supposant qu’il existe PQ[X]P\in\mathbb{Q}[X] de degré dd tel que P(α)=0P(\alpha)=0. On s’intéresse à la suite des sommes partielles Sn=k=0n110k!S_n=\sum_{k=0}^n \frac{1}{10^{k!}}, on a pour tout nNn\in\mathbb{N} :
    Sn=110n!k=0n10n!k!S_n=\frac{1}{10^{n!}}\sum_{k=0}^n10^{n!-k!}donc d’après le lemme suivant il existe C>0C>0 tel que l’on a l’inégalité de contrôle suivante :
    1(k=0n10n!k!)dCαSn=Ckn+1110k!\frac{1}{\left(\sum_{k=0}^n10^{n!-k!}\right)^d}\leq C\left|\alpha-S_n\right|=C\sum_{k\geq n+1}\frac{1}{10^{k!}}Le terme (k=0n10n!k!)d(n+1)d10(n!)d\left(\sum_{k=0}^n10^{n!-k!}\right)^d\leq (n+1)^d10^{(n!)d} et le terme kn+1110k!C10(n+1)!\sum_{k\geq n+1}\frac{1}{10^{k!}}\leq\frac{C'}{10^{(n+1)!}}CC' est une constante. Donc on a l’inégalité suivante :
    1(n+1)d10(n!)dK110(n+1)!ouˋK=CC\frac{1}{(n+1)^d10^{(n!)d}}\leq K\frac{1}{10^{(n+1)!}}\quad \text{où}\quad K=CC'Or :
    (n+1)d10(n!)d10(n+1)!n+0\frac{(n+1)^d10^{(n!)d}}{10^{(n+1)!}}\underset{n\to+\infty}{\longrightarrow}0Donc pour nn assez grand l’inégalité ci-dessus sera fausse, on obtient donc une contradiction. Donc α\alpha est transcendant.

  3. Pour α=k0ak10k!\alpha=\sum_{k\geq0}\frac{a_{k}}{10^{k!}}, on procède de la même manière. On raisonne par l’absurde on a alors l’inégalité de contrôle suivante pour tout nNn\in\mathbb{N} :

    1(k=0nak10n!k:)dCαSn=Ckn+1ak10k!\frac{1}{\left(\sum_{k=0}^{n}a_{k}10^{n!-k:}\right)^{d}}\leq C\left|\alpha-S_{n}\right|=C\sum_{k\geq n+1}\frac{a_{k}}{10^{k!}}

    On a donc comme pour tout kk :0ak90\leq a_{k}\leq 9 les inégalité suivantes,

    19d(n+1)d10(n!)d1(k=0nak10n!k:)dCαSn=Ckn+1ak10k!K110(n+1)!\frac{1}{9^{d}(n+1)^{d}10^{(n!)d}}\leq\frac{1}{\left(\sum_{k=0}^{n}a_{k}10^{n!-k:}\right)^{d}}\leq C\left|\alpha-S_{n}\right|=C\sum_{k\geq n+1}\frac{a_{k}}{10^{k!}}\leq K\frac{1}{10^{(n+1)!}}

    KK est une constante. On conlut alors de la même manière que précédemment que α\alpha est transcendant.

No messages yet.