Ivan Shishkin, Rye (1878)

Problems/Number theoryExerciseUnreviewedEdited since review

Valuation pp-adique d’un produit, d’un quotient et d’une puissance

by Sequoia·translated by Nolan_2o·
29
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
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Soient nn et mm deux entiers strictement positifs et pp un nombre premier. Démontrer les propriétés suivantes de la valuation pp-adique :

  1. vp(nm)=vp(n)+vp(m)v_{p}(nm) = v_{p}(n) + v_{p}(m)
  2. Si mm divise nn : vp(m)⩽vp(n)v_{p}(m) \leqslant v_{p}(n) et vp(nm)=vp(n)−vp(m)v_{p}(\frac n m) = v_{p}(n) - v_{p}(m)
  3. vp(nm)=m vp(n)v_p(n^m)=m\,v_p(n).
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Solutions

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Solution by darktoaster

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Question 1

Par le théorème fondamental de l’arithmétique : n=∏q premierqvq(n)n = \prod\limits_{q \text{ premier}} q^{v_{q}(n)} et m=∏q premierqvq(m)m = \prod\limits_{q \text{ premier}} q^{v_{q}(m)}
Par produit : nm=∏q premierqvq(n)∏q premierqvq(m)=∏q premierqvq(n)qvq(m)=∏q premierqvq(n)+vq(m)nm = \prod\limits_{q \text{ premier}} q^{v_{q}(n)} \prod\limits_{q \text{ premier}} q^{v_{q}(m)} = \prod\limits_{q \text{ premier}} q^{v_{q}(n)} q^{v_{q}(m)} = \prod\limits_{q \text{ premier}} q^{v_{q}(n) + v_{q}(m)}
En conclusion : vp(nm)=vp(n)+vp(m)v_{p}(nm) = v_{p}(n) + v_{p}(m)

Question 2

pvp(m)∣mp^{v_{p}(m)} | m par définition de la valuation pp-adique et m∣nm | n par hypothèse
alors par transitivté, pvp(m)∣np^{v_{p}(m)}|n , autrement dit vp(m)∈{i∈N;pi∣n}v_{p}(m) \in \{i \in \N ; p^{i} | n\}

De plus, par définition de la valuation pp-adique : vp(n)=max⁡{i∈N;pi∣n}v_{p}(n) = \max\{i \in \N ; p^{i} | n\}

On conclut que vp(m)⩽vp(n)v_{p}(m) \leqslant v_{p}(n)

Ensuite avec les factorisations premières de mm et nn : nm=∏q premierqvq(n)∏q premierqvq(m)=∏q premierqvq(n)−vq(m)\frac n m = \frac{\prod\limits_{q \text{ premier}} q^{v_{q}(n)}}{\prod\limits_{q \text{ premier}} q^{v_{q}(m)}} = \prod\limits_{q \text{ premier}} q^{v_{q}(n) - v_{q}(m)}
Par le résultat démontré précédemment, on s’assure que tous les exposants de la factorisation sont positifs. Il s’agit bien d’une décomposition en produit de facteurs premiers.
On en déduit alors que vp(nm)=vq(n)−vq(m)v_{p}(\frac n m) = v_{q}(n) - v_{q}(m)

Question 3

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Par le théorème fondamental de l’arithmétique : n=∏q premierqvq(n)n = \prod\limits_{q \text{ premier}} q^{v_{q}(n)}
En élevant à la puissance mm : nm=(∏q premierqvq(n))m=∏q premier(qvq(n))m=∏q premierqmvq(n)n^{m} = \left(\prod\limits_{q \text{ premier}} q^{v_{q}(n)}\right)^{m} = \prod\limits_{q \text{ premier}} (q^{v_{q}(n)})^{m} = \prod\limits_{q \text{ premier}} q^{m v_{q}(n)}
Conclusion : vp(nm)=mvp(n)v_{p}(n^{m}) = m v_{p}(n)

Ou bien on peut raisonner à partir de la propriété démontrée à la question 1 :
vp(nm)=vp(∏k=1mn)=∑k=1mvp(n)=mvp(n)v_{p}(n^{m}) = v_{p}\left(\prod\limits_{k=1}^{m}n \right) = \sum\limits_{k=1}^m v_{p}(n) = mv_{p}(n)
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