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8 D´ emonstration du th´ eor` eme 1

Siq >2, pour tout k ∈ {1, . . . , m−1}, on a C(q, k/m) = 4kk/mk2/qlogq≥ 4/m2qlogq, d’o`u

|mπ(m, a, N)−ΠN| ≤(m−1)A(q)N2qN(1−3/256/m2qlogq)

. Si q= 2 et si m est impair, la mˆeme m´ethode conduit `a

|mπ(m, a, N)−ΠN| ≤(m−1)A(2)N22N(1−3/512m2log 2).

8 D´ emonstration du th´ eor` eme 1

Rappelons que

(8.1) µ(q) = q−1

q , σ(q) = (q−1)1/2 q

Pour tout polynˆome A =a0+a1T +· · ·+aNTN de degr´e N appartenant `a A, posons xj(A) = aj pour j ∈ {0, . . . N}.

SiP =a0+a1T +· · ·+aN−1TN−1+TN est un polynˆome irr´eductible de A, on a w(P) = w0(P) + 2, o`u l’on a pos´e pour tout polynˆome X ∈ A de degr´e N

(8.2) w0(X) =

N−1

X

j=1

w(xj(X)).

Dans ce qui suit nous d´emontrons la propositon suivante dont le th´eor`eme 1 est une cons´equence.

Proposition 8.1 Soit η un nombre r´eel tel que 0 < η < 121. On a uni-form´ement pour t∈[−Nη, Nη]

(8.3) ϕI(t) = exp(−t2

2)(1 +O(q3/2t3

N )) +O(q3/2N−(1/12−η)N1/6)).

o`u l’on a pos´e pour tout nombre r´eel t,

(8.4) ϕI(t) = 1 ΠN

X

P∈IN

e(t(w0(P)−µ(q)(N −1)) 2πσ(q)√

N −1 ), les constantes impliqu´ees par le symbole O ´etant absolues.

Nous interpr´etons ϕI comme la fonction caract´eristique de la variable al´eatoire

YI :P → w0(P)−µ(q)(N −1) σ(q)√

N −1

d´efinie sur l’espace IN muni de la mesure uniforme. Nous d´efinissons pour tout nombre r´eel t,

(8.5) ϕM(t) = q−N X

H∈MN

e(t(w0(H)−µ(q)(N −1)) 2πσ(q)√

N −1 )

et nous interpr´etons ϕM comme a fonction caract´eristique de la variable al´eatoire

YM:H → w0(H)−µ(q)(N −1) σ(q)√

N −1

d´efinie sur l’espace MN. Notre strat´egie est la suivante. Nous commen¸cons par d´emontrer au lemme 8.21 que ϕM est bien approch´ee par la fonction caract´eristique de la loi centr´ee r´eduite puis nous appliquons une variante de la m´ethode des moments pour montrer que pourt ∈[−Nη, NηI(t) est bien approch´e par ϕM(t). La m´ethode des moments classique consiste `a montrer la convergence en loi de YI vers la loi normale centr´ee r´eduite en montrant que pour tout d∈Nfix´e on a

(8.6) E(YId) = E(YMd) +o(1)

(voir par exemple [2, Theorem 30.2]). Cette approche utilis´ee par Bassily et Katai dans [3] ne s’appliquant pas directement `a notre situation, nous utiliserons la variante d´evelopp´ee par Drmota, Mauduit et Rivat dans [10]

(voir aussi [20]). Celle-ci consiste `a ´etablir au lemme 8.4 une version uniforme de (8.6) qui permet grˆace `a la formule de Taylor, d’obtenir au corollaire 8.6 la majoration recherch´ee. Dans ce qui suit, les constantes contenues dans les symboles O sont absolues et on suppose que N ≥128.

1. Ce lemme est formul´e dans le plan complexe afin de nous permettre de majorer la quatit´e ΓD efinie par (8.17) dans la d´emonstration du lemme 8.5.

Lemme 8.2 On a uniform´ement pour tout nombre complexe t tel que |t| ≤ N1/2

(8.7) ϕM(t) = exp(−t2

2)(1 +O(q3/2N−1/2|t|3).

Preuve : On a

ϕM(t) = exp(−µ(q)it√ N −1

σ(q) )Θ( t

σ(q)√

N −1), (†) o`u pour tout nombre complexe z,

Θ(z) =q−N X

H∈MN

eizw0(H)

=q−N X

(a0,...,aN−1)∈F

eiz(w(a1)+···+w(aN−1))= (1 + (q−1)eiz q )N−1. Un d´eveloppement de Taylor `a l’ordre 3 au voisinage de 0 nous donne

log(1 + (q−1)eiz

q ) =µ(q)iz− σ(q)2z2

2 +O(|z|3), d’o`u l’on d´eduit

Θ(z) = exp((N −1)(µ(q)iz− σ(q)2z2

2 ))(1 +O(N|z|3)).

On porte ce r´esultat dans (†) en rempla¸cant z par σ(q)tN−1.

Pour approcher ϕI(t) par ϕM(t) nous aurons besoin du lemme crucial suivant.

Lemme 8.3 Soitr un nombre entier tel que1≤r < N. Sij1, j2, . . . , jr sont des nombres entiers v´erifiant 0< j1 < j2 <· · ·< jr < N et si (a1, . . . , ar)∈ Fr, on a

(8.8) |π(N,~j, ~a)

ΠN − 1

qr| ≤4 q1/4N qN/(r+3),

o`u π(N,~j, ~a) = Card({P ∈IN, xj1(P) =a1, . . . , xjr(P) = ar}).

Preuve : Ce lemme r´esulte de [26, Theorem 1], o`u Pollack d´emontre que2

|π(N,~j, ~a)−ΠNq−r| ≤qN−[N/2]/2 +qN−1−[N/(r+1)]

et dont on d´eduit

|π(N,~j, ~a)

ΠN −q−r| ≤2q1/4qN

ΠNq−N/(r+3). De l’´egalit´e bien connueqN = P

d|N

d(voir par exemple [17, Corollary 3.21]), on d´eduit la minoration NΠN ≥qNq−1q qN/2 qui nous donne

|π(N,~j, ~a)

ΠN −q−r| ≤4 q1/4N qN/(r+3).

Posons, pour tout nombre entier strictement positif d,

(8.9) Φd,I(N) = 1 ΠN

X

P∈IN

(w0(P)−µ(q)(N −1))d et

(8.10) Φd,M(N) = q−N X

H∈MN

(w0(H)−µ(q)(N −1))d. Nous approchons Φd,I(N) par Φd,M(N).

Lemme 8.4 On a pour 1≤d < N

(8.11) |Φd,I(N −Φd,M(N)| ≤4q1/4N(q(N −1))dq−N/(d+3). Preuve : On a

Φd,M(N) =q−N X

H∈MN

(

N−1

X

j=1

(w(xj(H))−µ(q)))d,

2. Ce r´esultat n’est int´eressant que lorsquer(r+ 1)< N. Mentionnons que Ha a ´etendu dans [14] ce r´esultat au casr < δN pour δ δ0(q) en adaptant la m´ethode d´evelopp´ee par Bourgain dans [4] et [5].

d’o`u

Φd,M(N) =q−N X

H∈MN d

X

r=1

X

0<j1<···<jr<N

X

d1,...,dr>0 d1+···+dr=d

d!

d1!. . . dr!(w(xj1(H))−µ(q))d1. . .(w(xjr(H))−µ(q))dr,

d’o`u, apr`es inversion de l’ordre des sommations

(8.12) Φd,M(N) =

d

X

r=1

X

0<j1<···<jr<N

X

d1,...,dr>0 d1+···+dr=d

d!

d1!. . . drM(~j, ~d),

o`u pour~j= (j1, . . . , jr),

(8.13) ΨM(~j, ~d) =q−N X

H∈MN

(w(xj1(H))−µ(q))d1. . .(w(xjr(H))−µ(q))dr. De la mˆeme fa¸con on obtient que

(8.14) Φd,I(N) =

d

X

r=1

X

0<j1<···<jr<N

X

d1,...,dr>0 d1+···+dr=d

d!

d1!. . . drI(~j, ~d),

o`u

(8.15) ΨI(~j, ~d) = 1 ΠN

X

P∈IN

(w(xj1(P))−µ(q))d1. . .(w(xjr(P))−µ(q))dr. Pour 0 < j1 <· · ·< jr < N et pour 0< d1, . . . ,0< dr, on a

ΨM(~j, ~d) = q−r X

(aj1,...,ajr)∈Fr

(w(aj1)−µ(q))d1. . .(w(ajr)−µ(q))dr

et

ΨI(~j, ~d) = 1 ΠN

X

(aj1,...,ajr)∈Fr

(w(aj1)−µ(q))d1. . .(w(ajr)−µ(q))dr

×Card({P ∈IN, xj1(P) = aj1, . . . , xjr(P) = ajr}).

Le lemme pr´ec´edent nous donne

I(~j, ~d)−ΨM(~j, ~d)| ≤ 4N qr+1/4 qN/(r+3) , d’o`u

d,I(N)−Φd,M(N)| ≤4N q1/4

d

X

r=1

X

1<j1<···<jr<N

X

d1,...,dr>0 d1+···+dr=d

d!

d1!. . . dr! qr qN/(r+3)

≤4q1/4N(q(N −1))dq−N/(d+3).

Lemme 8.5 Soitηun nombre r´eel tel que0< η <1/12. On a uniform´ement pour t ∈[−Nη, Nη] :

(8.16) |ϕI(t)−ϕM(t)|=O(q3/2N−(1/12−η)N1/6).

Preuve. Soit D = D(N) = 2dN1/6e. Il r´esulte de la formule de Taylor que pour tout nombre r´eel y on a

|exp(iy)−

D−1

X

d=0

(iy)d

d! | ≤ |y|D D! = yD

D!. Par suite, pour tout nombre r´eel x on a

| 1 ΠN

X

P∈IN

e(x(w0(P)−µ(q)(N−1))− 1 ΠN

X

P∈IN D−1

X

d=0

(2iπx(w0(P)−µ(q)(N −1)))d

d! |

≤ 1

N −1 et on inverse les sommations. Avec (8.4) et (8.9) on obtient De la mˆeme fa¸con on obtient

M(t)− Le lemme pr´ec´edent nous donne alors

I(t)−ϕM(t)| ≤2|t|ηΓ(D) + 4q1/4N

On a donc La formule de Stirling nous donne

S2

Pour majorer Γ(D)) rappelons que d’apr`es (8.5) et (8.10), pour tout nombre complexe u, La formule de Cauchy nous donne

Γ(D) = 1 et le Lemme 8.2 nous donne alors

|Γ(D)| ≤ exp(D/2)

Observons maintenant que, puisque D= 2dN1/6e, on a pour N assez grand q1/4−N/(D+3)+2D ≤21/4−N/(D+3)+2D et donc

q1/4N q−N/(D+3)

2eq4N D

D/2

=o(1), d’o`u avec (8.18) et (8.19)

I(t)−ϕM(t)|=O(q3/2NηDexp(D/2) DD/2 ).

Pour tout nombre r´eel K >0, la fonction ρqui `a tout nombre r´eel x >0 associe ρ(x) = (Kx)x est d´ecroissante sur l’intervalle [Ke,+∞[. Comme pour tout N ≥1, on aD/2≥N1/6N2, il en r´esulte (en prenantK = N2ηe dans la remarque pr´ec´edente) que

NηDexp(D/2)

DD/2 = (Ne

2D/2)D/2 ≤(Ne

2N1/6)N1/6 = (N2η−1/6e 2)N1/6, d’o`u

NηDexp(D/2)

DD/2 =O(N(η−1/12)N1/6).

La proposition 8.1 d´ecoule alors des lemmes 8.2 et 8.5.

Nous pouvons maintenant d´emontrer le Th´eor`eme 1. Il nous faut distin-guer le cas q = 2 du cas q 6= 2. Nous commencerons par ce dernier cas qui est plus simple. Posons pour tout nombre entier k≥2

(8.20) b(N, k) = Card({P ∈IN, w(P) = k}).

On a avec (8.2)

b(N, k) = X

P∈IN

Z 1/2

−1/2

e(α(w0(P)−k+ 2))dα = Z 1/2

−1/2

g(α)dα

o`u

(8.21) g(α) = X

P∈IN

e(α(w0(P)−k+ 2)).

On pose v = (N −1)η−1/2/2πσ(q) et on ´ecrit

(8.22) b(N, k) = β(N, k) +β0(N, k), o`u

(8.23) β(N, k) =

Z

|α|≤v

g(α)dα

et

(8.24) β0(N, k) =

Z

v<|α|≤1/2

g(α)dα.

Le th´eor`eme 7.2 joint aux relations (3.10) et (2.10) nous donne

|g(α)|=| X

P∈IN

e(α(w(P)−k))|=| X

P∈IN

e(αw(P))| ≤ A(q)N2qN(1−B(q)kαk2),

o`u B(q) = 64q3logq. Si l’on pose

(8.25) B1(q) = B(q)

2σ(q)2 = 3q

256π2(q−1) logq, il vient avec (8.24), |β0(N, k)| ≤A(q)N2qNq−B1(q)N(N−1)2η−1 ≤ A(q)N2qNq−B1(q)(N−1), soit

(8.26). β0(N, k) = O(A(q)ΠNN3q−B1(q)N−2η).

Pour traiter β(N, k) observons que g(α) = X

P∈IN

e(α(w0(P)−µ(q)(N −1)))e(α(µ(N −1)−k+ 2)), d’o`u, avec (8.4),

g(α) = ΠNϕI(2πσ(q)α√

N −1)e(α(µ(q)(N −1)−k+ 2)) et le changement de variable t = 2πσ(q)α√

N −1 nous donne

β(N, k) = ΠN

Avec (8.3) il vient (8.27)

ce qui d´emontre la premi`ere partie du th´eor`eme 1.

Lorsque q = 2, on observe que tout polynˆome irr´eductible est de poids impair. On suppose donc que k est impair et on ´ecrit

b(N, k) =β(N, k) +β0(N, k) +β+(N, k) +β0 (N, k) +β+0 (N, k) avec

β0(N, k) = Z

|α|≤v

g(α)dα,

β(N, k) =

Z −1/2+v

−1/2

g(α)dα, β+(N, k) = Z 1/2

1/2−v

g(α)dα et

β0 (N, k) = Z −v

−1/2+v

g(α)dα, β+0 (N, k) =

Z 1/2−v v

g(α)dα.

Le th´eor`eme 7.2 nous donne ici |g(α)| ≤A(2)N22N(1−3kαk21/2/256 log(2))

, d’o`u

0 (N, k)|+|β+0 (N, k)| ≤A(2)N22N(1−3kαk21/2/256 log(2))

=O(ΠNN3q−3N/256 log(2)).

Observons que comme pour tout P ∈ IN, w(P)−k est pair, il r´esulte de (8.21) que pour tout nombre r´eel α, on a g(α−1/2) = g(α) =g(α+ 1/2).

Donc,

β(N, k) = Z v

0

g(α−1/2)dα= Z v

0

g(α)dα et de mˆeme

β+(N, k) = Z 0

−v

g(α+ 1/2)dα = Z v

0

g(α)dα.

Donc β(N, k) +β0(N, k) +β+(N, k) = 2β0(N, k) et on termine la preuve comme dans le cas q6= 2.

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