Ivan Shishkin, Rye (1878)

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Polynômes qui induisent une surjection

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Commençons par un petit lemme préliminaire :
Soit K=RK=\mathbb{R} ou K=QK=\mathbb{Q}. Si P(K)⊆KP(K)\subseteq K, alors P∈K[X]P\in K[X].

En effet, posons n=deg⁡Pn=\deg P. Les valeurs P(0),P(1),…,P(n)P(0),P(1),\dots,P(n) appartiennent à KK, et la formule
d'interpolation de Lagrange aux points 0,1,…,n0,1,\dots,n
P=∑k=0nP(k)∏j=0j≠knX−jk−jP=\sum_{k=0}^{n}P(k)\prod_{\substack{j=0\\ j\neq k}}^{n}\frac{X-j}{k-j}exprime PP comme combinaison KK-linéaire de polynômes de K[X]K[X].

  1. Le cas P(C)=CP(\mathbb{C})=\mathbb{C}
    Caractérisation : deg⁡P⩾1\deg P\geqslant 1.

Si PP est constant, son image est réduite à un point. Sinon, pour tout w∈Cw\in\mathbb{C}
le polynôme P−wP-w est non constant, donc admet une racine par le théorème de D’Alembert-Gauss : ainsi w∈P(C)w\in P(\mathbb{C}).

  1. Le cas P(R)=RP(\mathbb{R})=\mathbb{R}
    Caractérisation : P∈R[X]P\in\mathbb{R}[X] et deg⁡P\deg P impair.

Par le lemme, P∈R[X]P\in\mathbb{R}[X]. Si deg⁡P=2m\deg P=2m avec coefficient dominant
a2m>0a_{2m}>0 (resp. a2m<0a_{2m}<0), alors P(x)→+∞P(x)\to+\infty (resp. −∞-\infty) en ±∞\pm\infty, donc
PP est minorée (resp. majorée) sur R\mathbb{R} par continuité, et P(R)≠RP(\mathbb{R})\neq\mathbb{R} ;
le cas constant est clair.

Réciproquement, si deg⁡P\deg P est impair, PP tend vers +∞+\infty à un bout et −∞-\infty à
l’autre, et le théorème des valeurs intermédiaires donne P(R)=RP(\mathbb{R})=\mathbb{R}.

  1. Le cas P(Q)=QP(\mathbb{Q})=\mathbb{Q}
    Caractérisation : P=aX+bP=aX+b avec a∈Q∗a\in\mathbb{Q}^{*} et b∈Qb\in\mathbb{Q}.

Un tel PP est bijectif de Q\mathbb{Q} sur Q\mathbb{Q}, d’inverse y↦(y−b)/ay\mapsto (y-b)/a.

Réciproquement, le lemme donne P=∑i=0naiXi∈Q[X]P=\sum_{i=0}^{n}a_iX^i\in\mathbb{Q}[X],
avec n⩾1n\geqslant 1. Supposons n⩾2n\geqslant 2 et notons vqv_q la valuation qq-adique. Choisissons un
nombre premier qq ne divisant ni les numérateurs ni les dénominateurs des aia_i non nuls,
de sorte que vq(ai)=0v_q(a_i)=0 pour tout ii tel que ai≠0a_i\neq 0. Soient x∈Q∗x\in\mathbb{Q}^{*} et
m=vq(x)m=v_q(x).

  • Si m⩾0m\geqslant 0, alors vq(P(x))⩾0v_q(P(x))\geqslant 0.
  • Si m<0m<0, alors vq(aixi)=im>nmv_q(a_ix^i)=im>nm pour tout i<ni<n tel que ai≠0a_i\neq 0, tandis que
    vq(anxn)=nmv_q(a_nx^n)=nm. Le minimum étant atteint une seule fois, l'inégalité ultramétrique est une égalité :
    vq(P(x))=nm∈nZ.v_q\bigl(P(x)\bigr)=nm\in n\mathbb{Z}.

Ainsi, pour tout x∈Qx\in\mathbb{Q}, on a vq(P(x))⩾0v_q(P(x))\geqslant 0 ou vq(P(x))∈nZv_q(P(x))\in n\mathbb{Z}.
Comme n⩾2n\geqslant 2, l’entier −1-1 n’appartient pas à nZn\mathbb{Z}, donc 1/q∉P(Q)1/q\notin P(\mathbb{Q}) :
contradiction. D’où n=1n=1.

Pourquoi a-t-on vq(P(x))⩾0v_q(P(x))\geqslant0 ? N’a-t-on pas carrément une valuation nulle au vu des hypothèses sur les aia_i ?

Non je ne crois pas, on a seulement l’inégalité, et elle peut être stricte.

L’inégalité vq(∑iaixi) ⩾ min⁡i : ai≠0vq(aixi)v_q\Bigl(\sum_{i} a_ix^i\Bigr)\ \geqslant\ \min_{i\,:\,a_i\neq0} v_q\bigl(a_ix^i\bigr) n’est une égalité que si le minimum est atteint par un seul terme.
C’est ce qui se passe dans le cas m<0m<0 (les imim sont deux à deux distincts pour les ii tels que
ai≠0a_i\neq0, et nmnm est strictement le plus petit), d’où l’égalité vq(P(x))=nmv_q(P(x))=nm.

Contre-exemple : q=5q=5, P=X+1P=X+1, x=4x=4. On a v5(a0)=v5(a1)=0v_5(a_0)=v_5(a_1)=0 et v5(4)=0v_5(4)=0,
mais P(4)=5P(4)=5, donc v5(P(4))=1v_5(P(4))=1. On peut même rendre la valuation arbitrairement grande
en prenant x=5N−1x=5^N-1.

Cela ne gêne pas la preuve : on cherche seulement à exclure la valeur vq=−1v_q=-1, et
l’inégalité large vq(P(x))⩾0v_q(P(x))\geqslant 0 suffit pour cela. La dichotomie utilisée est donc
vq(P(x))⩾0v_q(P(x))\geqslant 0$ ou vq(P(x))∈nZ<0v_q(P(x))\in n\mathbb{Z}_{<0}, et $-1 n’est dans aucun des deux ensembles dès que n⩾2n\geqslant2.