Ivan Shishkin, Rye (1878)

Problems/Real analysisUnreviewedEdited since review

Polynômes stabilisateurs

by Uettechat·
45
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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Français

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Déterminer les polynômes de R[X]\mathbb{R}[X] qui laissent stable l’ensemble des nombres entiers s’écrivant uniquement par des 1 en base 10. (1; 11; 111 etc...)

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Montrons que ce sont exactement les polynômes
P(X)=10a (9X+1)d−19,d∈N, a∈Z, a+d⩾1.P(X)=\frac{10^{a}\,(9X+1)^{d}-1}{9},\qquad d\in\mathbb{N},\ a\in\mathbb{Z},\ a+d\geqslant 1 .Notons Rm=11⋯1⏟m=10m−19R_m=\underbrace{11\cdots1}_{m}=\frac{10^{m}-1}{9}, et l’on pose E={Rm:m⩾1}E=\{R_m:m\geqslant 1\}.
Un tel PP envoie RnR_n sur Rdn+aR_{dn+a} : il agit sur la longueur de l’écriture par la fonction affine n↦dn+an\mapsto dn+a.

L’application x↦9x+1x\mapsto 9x+1 envoie bijectivement EE sur l’ensemble {10n:n⩾1}\{10^{n}:n\geqslant 1\}, puisque 9Rn+1=10n9R_n+1=10^{n}. Posons
Q(Y)=9 P ⁣(Y−19)+1 ∈R[Y],de sorte queQ(9x+1)=9P(x)+1.Q(Y)=9\,P\!\left(\frac{Y-1}{9}\right)+1\ \in\mathbb{R}[Y],\qquad\text{de sorte que}\qquad Q(9x+1)=9P(x)+1 .Alors P(Rn)=RmP(R_n)=R_{m} équivaut à Q(10n)=10mQ(10^{n})=10^{m}. La condition étudiée devient :
∀n⩾1, ∃ m(n)⩾1,Q(10n)=10m(n).(∗)\forall n\geqslant 1,\ \exists\, m(n)\geqslant 1,\qquad Q(10^{n})=10^{m(n)} . \qquad \qquad\tag{$\ast$}La correspondance P↔QP\leftrightarrow Q est bijective et préserve le degré.

Si QQ est constant, (∗)(\ast) dit Q≡10aQ\equiv 10^{a} avec a⩾1a\geqslant 1, c’est-à-dire P≡RaP\equiv R_a : ce sont les solutions avec d=0d=0.

Supposons d=deg⁡Q⩾1d=\deg Q\geqslant 1, de coefficient dominant cc. Comme Q(10n)=10m(n)>0Q(10^{n})=10^{m(n)}>0 pour tout nn et Q(y)∼cydQ(y)\sim cy^{d} en +∞+\infty, on a c>0c>0 et
10m(n)−dn=Q(10n)10dn →n→∞ c.10^{m(n)-dn}=\frac{Q(10^{n})}{10^{dn}}\ \xrightarrow[n\to\infty]{}\ c .En passant au logarithme, la suite d’entiers un=m(n)−dnu_n=m(n)-dn converge vers log⁡10c\log_{10}c : une suite d’entiers convergente est stationnaire, donc un=au_n=a pour nn assez grand, et c=10ac=10^{a} avec a∈Za\in\mathbb{Z}.

Le polynôme Q(Y)−10aYdQ(Y)-10^{a}Y^{d} s’annule alors en 10n10^{n} pour tout nn assez grand, donc est nul, ainsi Q(Y)=10a YdQ(Y)=10^{a}\,Y^{d}.

Réinjectons dans (∗)(\ast) : Q(10n)=10dn+aQ(10^{n})=10^{dn+a}, et il faut dn+a⩾1dn+a\geqslant 1 pour tout n⩾1n\geqslant 1. Le cas le plus défavorable est n=1n=1, d’où la condition exacte a⩾1−da\geqslant 1-d, soit a+d⩾1a+d\geqslant 1. Elle englobe le cas constant (d=0d=0, a⩾1a\geqslant 1).

Réciproquement, pour d⩾0d\geqslant 0 et a+d⩾1a+d\geqslant 1, le polynôme P(X)=10a(9X+1)d−19P(X)=\frac{10^{a}(9X+1)^{d}-1}{9} vérifie, pour tout n⩾1n\geqslant 1,
P(Rn)=10a⋅10dn−19=Rdn+a∈E,P(R_n)=\frac{10^{a}\cdot 10^{dn}-1}{9}=R_{dn+a}\in E,puisque dn+a⩾d+a⩾1dn+a\geqslant d+a\geqslant 1. ■\blacksquare

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