Ivan Shishkin, Rye (1878)

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Polynômes stabilisateurs

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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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