Ivan Shishkin, Rye (1878)

Problems/General algebraReviewed

Une équation résoluble par radicaux ?

by Ancient Tree·translated by Catalpa·
59
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  1. 110First steps / middle schoolPremiers pas / collège
  2. 1125Beginner / high schoolDébutant / lycée
  3. 2650Intermediate / undergraduateIntermédiaire / licence
  4. 5170Advanced / graduateAvancé / master
  5. 7190Expert / specializedExpert / spécialisé
  6. 91100Research levelNiveau recherche
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L’équation X54X+2=0X^{5}-4X+2=0 est-elle résoluble par radicaux ?

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Non. Dit autrement, en termes savants, le groupe de Galois de P=X54X+2P=X^{5}-4X+2 sur Q\mathbb{Q} est S5\mathfrak{S}_5, qui n’est pas résoluble.

Irréductibilité. Eisenstein en p=2p=2 s’applique : 22 divise 4-4 et 22, ne divise pas le coefficient dominant 11, et 424\nmid 2. Donc PP est irréductible sur Q\mathbb{Q}, et 55 divise G|G|G=Gal(P)G=\mathrm{Gal}(P), vu comme sous-groupe transitif de S5\mathfrak{S}_5. Par Cauchy, GG contient un 55-cycle.

Exactement trois racines réelles. On a P(x)=5x44P'(x)=5x^{4}-4, qui s’annule en ±c\pm c avec c=(4/5)1/4c=(4/5)^{1/4}. Alors
P(c)=4cc5+2>0,P(c)=c54c+2<0,P(-c)=4c-c^{5}+2>0,\qquad P(c)=c^{5}-4c+2<0,numériquement P(c)5,0P(-c)\approx 5{,}0 et P(c)1,0P(c)\approx -1{,}0. La fonction PP croît jusqu’à c-c, décroît de c-c à cc, puis croît ; avec les limites \mp\infty en \mp\infty, elle s’annule exactement une fois sur chacun des trois intervalles. Donc PP a 33 racines réelles et 22 racines complexes conjuguées.

Conclusion. La conjugaison complexe échange les deux racines non réelles et fixe les trois autres : GG contient une transposition. Or un sous-groupe de S5\mathfrak{S}_5 contenant un 55-cycle et une transposition est S5\mathfrak{S}_5 tout entier.

Comme A5\mathfrak{A}_5 est simple non abélien, S5\mathfrak{S}_5 n’est pas résoluble. Par le théorème de Galois, PP n’est pas résoluble par radicaux. \blacksquare

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