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On note Qˉ\bar{\mathbb{Q}} l'ensemble des nombres complexes dits algébriques sur Q\mathbb{Q}, c'est-à-dire les racines des polynômes non nuls à coefficients dans Q\mathbb{Q}. Pour tout xCx \in \mathbb{C}, on note Q[x]={P(x)PQ[X]}\mathbb{Q}[x] = \{ P(x) \mid P \in \mathbb{Q}[X] \}.

  1. Soit xCx \in \mathbb{C}. Montrer que xQˉx \in \bar{\mathbb{Q}} si et seulement si Q[x]\mathbb{Q}[x] est un Q\mathbb{Q}-espace vectoriel de dimension finie.
  2. Soient x,yQˉx, y \in \bar{\mathbb{Q}}. En considérant l'espace vectoriel V=VectQ{xiyji,jN}V = \text{Vect}_{\mathbb{Q}} \{ x^i y^j \mid i,j \in \mathbb{N} \}, montrer que x+yx+y et xyxy appartiennent à Qˉ\bar{\mathbb{Q}}.
  3. Soit nNn \in \mathbb{N}^* et a0,,an1Qˉa_0, \dots, a_{n-1} \in \bar{\mathbb{Q}}. Soit zCz \in \mathbb{C} une racine du polynôme P=Xn+an1Xn1++a0P = X^n + a_{n-1}X^{n-1} + \dots + a_0.
    1. Justifier l'existence d'un Q\mathbb{Q}-espace vectoriel ECE \subset \mathbb{C} de dimension finie non réduit à {0}\{0\} tel que pour tout i{0,,n1}i \in \{0, \dots, n-1\}, aiEEa_i E \subset E.
    2. En considérant l'espace F=E+zE++zn1EF = E + zE + \dots + z^{n-1}E, montrer que zQˉz \in \bar{\mathbb{Q}}.
  4. Conclure que Qˉ\bar{\mathbb{Q}} est un corps algébriquement clos. Est-il égal à C\mathbb{C} ?

1.

Pour la question 1, utiliser la division euclidienne pour le sens réciproque.

2.

Pour la question 2, montrer que VV est de dimension finie en utilisant les degrés des polynômes annulateurs de xx et yy, puis observer que x+yx+y et xyxy stabilisent VV.

3.

Pour la question 3(a), on peut construire EE par récurrence ou comme somme de sous-espaces de type Q[ai]\mathbb{Q}[a_i].

4.

Pour la question 4, dénombrer l'ensemble des polynômes à coefficients rationnels.

Idées clés

Caractérisation de l'algébricité par la dimension finie (structure de Q\mathbb{Q}-espace vectoriel).

Stabilité par les opérations algébriques via la construction d'espaces stables de dimension finie.

Argument de dénombrabilité pour la comparaison avec C\mathbb{C}.

Résolution.

  1. Sens direct : Supposons xQˉx \in \bar{\mathbb{Q}}. Il existe AQ[X]A \in \mathbb{Q}[X] non nul tel que A(x)=0A(x) = 0. Soit n=deg(A)n = \deg(A). Par division euclidienne de tout PQ[X]P \in \mathbb{Q}[X] par AA, on a P=AQ+RP = AQ + R avec deg(R)<n\deg(R) < n. Alors P(x)=A(x)Q(x)+R(x)=R(x)P(x) = A(x)Q(x) + R(x) = R(x), donc Q[x]=VectQ(1,x,,xn1)\mathbb{Q}[x] = \text{Vect}_{\mathbb{Q}}(1, x, \dots, x^{n-1}).
    dimQ(Q[x])deg(A)<+\boxed{\dim_{\mathbb{Q}}(\mathbb{Q}[x]) \leq \deg(A) < +\infty}

    Sens réciproque : Si dimQ(Q[x])=d<+\dim_{\mathbb{Q}}(\mathbb{Q}[x]) = d < +\infty, la famille (1,x,,xd)(1, x, \dots, x^d) est liée dans Q[x]\mathbb{Q}[x]. Il existe donc des coefficients (c0,,cd)Qd+1(c_0, \dots, c_d) \in \mathbb{Q}^{d+1} non tous nuls tels que k=0dckxk=0\sum_{k=0}^d c_k x^k = 0. Le polynôme P=ckXkP = \sum c_k X^k est non nul et annule xx, donc xQˉx \in \bar{\mathbb{Q}}.

  2. Soient x,yQˉx, y \in \bar{\mathbb{Q}}. Notons n=dimQ(Q[x])n = \dim_{\mathbb{Q}}(\mathbb{Q}[x]) et m=dimQ(Q[y])m = \dim_{\mathbb{Q}}(\mathbb{Q}[y]). L'espace V=VectQ{xiyj0i<n,0j<m}V = \text{Vect}_{\mathbb{Q}} \{ x^i y^j \mid 0 \leq i < n, 0 \leq j < m \} est un Q\mathbb{Q}-espace vectoriel de dimension au plus nmnm. Comme xQˉx \in \bar{\mathbb{Q}} et yQˉy \in \bar{\mathbb{Q}}, toute puissance supérieure de xx (resp. yy) se réexprime comme combinaison linéaire des puissances inférieures. Ainsi, pour tout vVv \in V, on a (x+y)vV(x+y)v \in V et (xy)vV(xy)v \in V. L'espace VV est donc un sous-espace de C\mathbb{C} de dimension finie, stable par l'endomorphisme de multiplication par x+yx+y (noté mx+ym_{x+y}). D'après le théorème de Cayley-Hamilton (ou simplement par liberté liée), mx+ym_{x+y} possède un polynôme annulateur non nul à coefficients dans Q\mathbb{Q}, donc son unique valeur propre x+yx+y est racine de ce polynôme.
    x+yQˉetxyQˉ\boxed{x+y \in \bar{\mathbb{Q}}   \text{et}   xy \in \bar{\mathbb{Q}}}

    1. Pour chaque aiQˉa_i \in \bar{\mathbb{Q}}, l'espace Ei=Q[ai]E_i = \mathbb{Q}[a_i] est de dimension finie. Posons E=VectQ{i=0n1viviEi}E = \text{Vect}_{\mathbb{Q}} \{ \prod_{i=0}^{n-1} v_i \mid v_i \in E_i \}. C'est l'espace engendré par les produits d'éléments des EiE_i. Si (ei,k)k(e_{i,k})_k est une base de EiE_i, alors (ei,ki)(\prod e_{i, k_i}) engendre EE. Sa dimension est donc au plus le produit des dimensions des EiE_i, ce qui est fini. Par construction, pour tout j{0,,n1}j \in \{0, \dots, n-1\}, on a ajEEa_j E \subset E.
      dimQ(E)<+\boxed{\dim_{\mathbb{Q}}(E) < +\infty}

    2. L'espace F=E+zE++zn1EF = E + zE + \dots + z^{n-1}E est une somme finie d'espaces de dimension finie, donc dimQ(F)<+\dim_{\mathbb{Q}}(F) < +\infty. Montrons que FF est stable par la multiplication par zz. Soit fFf \in F, f=k=0n1ekzkf = \sum_{k=0}^{n-1} e_k z^k avec ekEe_k \in E. zf=k=0n2ekzk+1+en1znzf = \sum_{k=0}^{n-2} e_k z^{k+1} + e_{n-1} z^n. Or zn=i=0n1aiziz^n = -\sum_{i=0}^{n-1} a_i z^i. Donc zf=k=1n1ek1zken1i=0n1aizi=i=0n1(eiaien1)zizf = \sum_{k=1}^{n-1} e_{k-1} z^k - e_{n-1} \sum_{i=0}^{n-1} a_i z^i = \sum_{i=0}^{n-1} (e'_{i} - a_i e_{n-1}) z^i. Puisque aien1Ea_i e_{n-1} \in E par stabilité de EE par les aia_i, on a zfFzf \in F. Comme FF est de dimension finie sur Q\mathbb{Q} et stable par multiplication par zz, le même argument qu'à la question 2 montre que :
      zQˉ\boxed{z \in \bar{\mathbb{Q}}}

  3. Les questions 2 et 3 montrent que Qˉ\bar{\mathbb{Q}} est un sous-corps de C\mathbb{C} et que tout polynôme à coefficients dans Qˉ\bar{\mathbb{Q}} y possède toutes ses racines (puisqu'elles sont dans C\mathbb{C} d'après d'Alembert-Gauss, et qu'on vient de prouver qu'elles sont alors dans Qˉ\bar{\mathbb{Q}}). L'ensemble Q[X]\mathbb{Q}[X] est dénombrable (union dénombrable d'ensembles de type Qn\mathbb{Q}^n). Chaque polynôme ayant un nombre fini de racines, Qˉ\bar{\mathbb{Q}} est une union dénombrable d'ensembles finis, donc Qˉ\bar{\mathbb{Q}} est dénombrable. Or, C\mathbb{C} n'est pas dénombrable par l'argument de la diagonale de Cantor.
    QˉC\boxed{\bar{\mathbb{Q}} \subsetneq \mathbb{C}}

Attention à ne pas confondre "algébrique sur Q\mathbb{Q}" et "algébrique sur R\mathbb{R}". Tout nombre complexe est algébrique sur R\mathbb{R} car il est racine de (Xz)(Xzˉ)R[X](X-z)(X-\bar{z}) \in \mathbb{R}[X]. La difficulté ici est la restriction des coefficients à Q\mathbb{Q}.