Ivan Shishkin, Rye (1878)

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Sinus de diviseurs de π\pi

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Rappel de la définition. Un réel α\alpha est dit exprimable par radicaux réels s’il existe une tour de corps
Q=K0⊆K1⊆⋯⊆Kr⊆R,Ki+1=Ki(aini)  avec ai∈Ki, ai>0,\mathbb{Q}=K_0\subseteq K_1\subseteq\cdots\subseteq K_r\subseteq\mathbb{R},\qquad K_{i+1}=K_i\bigl(\sqrt[n_i]{a_i}\bigr)\ \text{ avec } a_i\in K_i,\ a_i>0,telle que α∈Kr\alpha\in K_r. Toutes les extractions de racines se font donc à l’intérieur de R\mathbb{R} : c’est là toute la différence avec la résolubilité par radicaux complexes.

Réponse

 sin⁡(π5) oui ;sin⁡(π7) non. \boxed{\ \sin\left(\tfrac{\pi}{5}\right)\ \text{oui}\ ;\qquad \sin\left(\tfrac{\pi}{7}\right)\ \text{non}.\ }

  1. Le cas de sin⁡(π/5)\sin(\pi/5)
    Il suffit d’une formule explicite. De cos⁡(2π5)=5−14\cos\left(\frac{2\pi}{5}\right)=\frac{\sqrt5-1}{4} et de sin⁡2θ=1−cos⁡2θ2\sin^2\theta=\frac{1-\cos 2\theta}{2} on tire
    sin⁡(π5)=10−254.\sin\left(\frac{\pi}{5}\right)=\frac{\sqrt{10-2\sqrt5}}{4}.Les deux radicaux portent sur des quantités positives : 5>05>0, puis 10−25≈5,528>010-2\sqrt5\approx 5{,}528>0. La tour Q⊂Q(5)⊂Q(10−25)\mathbb{Q}\subset\mathbb{Q}(\sqrt5)\subset\mathbb{Q}\bigl(\sqrt{10-2\sqrt5}\bigr) est donc entièrement contenue dans R\mathbb{R}, et la réponse est positive.

On notera que sin⁡(π/5)\sin(\pi/5) est racine de 16X4−20X2+516X^{4}-20X^{2}+5, irréductible sur Q\mathbb{Q} : son degré vaut 4=224=2^{2}. Ce n’est pas un hasard, comme la suite va le montrer.

  1. Le cas de sin⁡(π/7)\sin(\pi/7)
    Le polynôme minimal. La formule de multiplication sin⁡(7θ)=7s−56s3+112s5−64s7\sin(7\theta)=7s-56s^{3}+112s^{5}-64s^{7}, où s=sin⁡θs=\sin\theta, appliquée à θ=π/7\theta=\pi/7 donne sin⁡(7θ)=0\sin(7\theta)=0 avec s≠0s\neq 0, donc
    64s6−112s4+56s2−7=0.64s^{6}-112s^{4}+56s^{2}-7=0.Le critère d’Eisenstein en p=7p=7 s’applique (77 divise −112-112, 5656, −7-7 ; 7∤647\nmid 64 ; 49∤749\nmid 7) : ce polynôme est irréductible, et sin⁡(π/7)\sin(\pi/7) est de degré 66 sur Q\mathbb{Q}.

Réduction à un cubique. Posons u=s2u=s^{2}. Alors sin⁡2(π/7)\sin^{2}(\pi/7) annule
P(u)=64u3−112u2+56u−7,P(u)=64u^{3}-112u^{2}+56u-7,irréductible pour la même raison. Ses trois racines sont
sin⁡2(π7),sin⁡2(2π7),sin⁡2(3π7),\sin^{2}\left(\frac{\pi}{7}\right),\qquad \sin^{2}\left(\frac{2\pi}{7}\right),\qquad \sin^{2}\left(\frac{3\pi}{7}\right),qui sont toutes réelles. Autrement dit, PP est un cubique irréductible sur Q\mathbb{Q} à trois racines réelles.

On invoque le théorème suivant, dû pour l’essentiel à Cardan et formalisé par Galois.

Théorème. Soit K⊆RK\subseteq\mathbb{R} et P∈K[X]P\in K[X] un polynôme irréductible de degré 33 dont les trois racines sont réelles. Alors aucune de ces racines n’appartient à une extension radicale réelle de KK.

Idée de la preuve. Soit LL le corps de décomposition de PP, de groupe de Galois C3C_3 ou S3\mathfrak{S}_3 ; il contient une sous-extension cyclique de degré 33. Si une racine appartenait à une tour radicale réelle, on pourrait raffiner celle-ci en étapes de degré premier, et l’on aboutirait à une extension réelle de degré 33 contenant une sous-extension normale de même degré, ce que la présence des racines cubiques de l’unité, non réelles, interdit. La contradiction vient précisément de ce que μ3⊈R\mu_3\not\subseteq\mathbb{R}, alors que μ2={±1}⊆R\mu_2=\{\pm 1\}\subseteq\mathbb{R}.

Conclusion. Par ce théorème, sin⁡2(π/7)\sin^{2}(\pi/7) n’est pas exprimable par radicaux réels. Or si sin⁡(π/7)\sin(\pi/7) l’était, son carré le serait aussi (une tour radicale réelle est un corps, stable par produit). Donc sin⁡(π/7)\sin(\pi/7) n’est pas exprimable par radicaux réels. ■\blacksquare

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