Ivan Shishkin, Rye (1878)

Problems/Ring

Un polynôme irréductible géant

by Ancient Tree·
43
Difficulty scaleÉchelle de difficulté

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  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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Trouver un polynôme P∈Q[X]P\in \Q[X], irréductible sur Q\Q, de degré 20262026, et dont les coefficients sont tous non nuls.

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Solutions

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Première solution

On prend P=(X+1)2026−2P=(X+1)^{2026}-2. Ses coefficients sont (2026k)\binom{2026}{k} pour k≥1k \geq 1, et le terme constant vaut -1 , donc aucun n’est nul. Or P(X−1)=P(X-1)= X2026−2X^{2026}-2 est irréductible par Eisenstein en 2.

De même, Φ2027(X+1)=∑k=02026(2027k+1)Xk\Phi_{2027}(X+1)=\sum_{k=0}^{2026}\binom{2027}{k+1} X^k convient.

Seconde solution

Le polynôme

P=∑k=02026pk+1Xk=2+3X+5X2+⋯+p2027X2026,P=\sum_{k=0}^{2026} p_{k+1} X^k=2+3 X+5 X^2+\cdots+p_{2027} X^{2026},

où pkp_k est le kk-ième nombre premier, est irréductible sur Q\mathbb{Q}. Le résultat vaut d’ailleurs en tout degré.

Proposition. Si 0<a0<a1<⋯<an0<a_0<a_1<\cdots<a_n sont des entiers et si ana_n est premier, alors P=P= ∑akXk\sum a_k X^k est irréductible sur Q\mathbb{Q}.

Étape 1 : les racines sont dans le disque unité ouvert (Eneström-Kakeya). On écrit

(1−X)P(X)=a0+∑k=1n(ak−ak−1)Xk−anXn+1.(1-X) P(X)=a_0+\sum_{k=1}^n\left(a_k-a_{k-1}\right) X^k-a_n X^{n+1} .

Soit zz une racine de PP avec ∣z∣≥1|z| \geq 1. Alors

an∣z∣n+1≤a0+∑k=1n(ak−ak−1)∣z∣k≤∣z∣n(a0+∑k=1n(ak−ak−1))=an∣z∣n.a_n|z|^{n+1} \leq a_0+\sum_{k=1}^n\left(a_k-a_{k-1}\right)|z|^k \leq|z|^n\left(a_0+\sum_{k=1}^n\left(a_k-a_{k-1}\right)\right)=a_n|z|^n .

On en déduit ∣z∣=1|z|=1, avec égalité dans l’inégalité triangulaire. Comme a0>0a_0>0 et a1−a0>0a_1-a_0>0, cela force zz à être réel positif, donc z=1z=1. Mais P(1)>0P(1)>0, contradiction. Ainsi toutes les racines vérifient ∣z∣<1|z|<1.

Étape 2 : l’argument de factorisation. Par le lemme de Gauss, il suffit d’exclure une factorisation P=QRP=Q R dans Z[X]\mathbb{Z}[X] avec deg⁡Q,deg⁡R≥1\operatorname{deg} Q, \operatorname{deg} R \geq 1.

On l’applique avec ak=pk+1a_k=p_{k+1} et n=2026n=2026 : la suite est strictement croissante et a2026=p2027a_{2026}=p_{2027} est premier.

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