2 Fractions de polyn^ omes de Ore
2.1 L’ensemble des paires de polyn^ omes de Ore
Il est classique d’exprimer des identit´es entre deux suites en utilisant un op´erateur de r´ecurrence.
Exemple 4.25. Les suites de polyn^omes de Laguerre 𝐿(𝑛𝛼) et 𝐿(𝑛𝛼+1) v´erifient l’´egalit´e suivante [Nat10,http://dlmf.nist.gov/18.9.E13] :
𝐿(𝑛𝛼)=𝐿(𝑛𝛼+1)−𝐿(𝑛𝛼−+11),
qui se traduit en terme d’op´erateurs en :
𝐿(𝑛𝛼+)1 = (𝑆𝑛−1) ⋅𝐿(𝑛𝛼+1).
Exemple 4.26. Les suites des polyn^omes de Jacobi 𝑃𝑛(𝛼,𝛽) et𝑃𝑛(𝛼,𝛽+1)v´erifient l’´egalit´e suivante [Nat10,http://dlmf.nist.gov/18.9.E5] :
(2𝑛+𝛼+𝛽+1)𝑃𝑛(𝛼,𝛽)= (𝑛+𝛼+𝛽+1)𝑃𝑛(𝛼,𝛽+1)+ (𝑛+𝛼)𝑃𝑛(𝛼,𝛽−1 +1). qui se traduit en terme d’op´erateur en :
𝑃𝑛(𝛼,𝛽+1 ) = (𝑛+𝛼+𝛽+2
2𝑛+𝛼+𝛽+3𝑆𝑛+ 𝑛+𝛼+1
2𝑛+𝛼+𝛽+3) ⋅𝑃𝑛(𝛼,𝛽+1).
Ce qui est moins classique, c’est de repr´esenter une identit´e entre deux suites en s’aidant d’une paire d’op´erateurs de r´ecurrence.
Exemple 4.27. La suite de fonctions𝜓𝑛(𝑥) =2𝐹1(𝑛,2
1 ⋂︀𝑥)v´erifie :
𝑛𝜓𝑛= ((2𝑛+1) − (𝑛−1)𝑥)𝜓𝑛+1(𝑥) − (𝑛+1)(1−𝑥)𝜓𝑛+2(𝑥). On en d´eduit la relation entre les suites𝜓𝑛 et𝑥𝜓𝑛 :
(−𝑛+ (2𝑛+1)𝑆𝑛− (𝑛+1)𝑆𝑛2) ⋅𝜓𝑛(𝑥) = ((𝑛−1)𝑆𝑛− (𝑛+1)𝑆𝑛2) ⋅𝑥𝜓𝑛(𝑥).
De m^eme, les suites de fonctions 𝜓𝑛(𝑥) et𝜓′𝑛(𝑥) v´erifient l’´egalit´e suivante : (𝑛−1)𝜓𝑛+1(𝑥) − (𝑛+1)𝜓𝑛+2(𝑥) =𝜓𝑛′(𝑥) −𝜓′𝑛+2(𝑥), qui se traduit en terme d’op´erateurs en :
((𝑛−1)𝑆𝑛− (𝑛+1)𝑆𝑛2) ⋅𝜓𝑛(𝑥) = (1−𝑆𝑛) ⋅𝜓𝑛′(𝑥). On d´efinit ces deux paires dans le module OreFieldde la fa¸con suivante :
> X_1 := [-n,(2*n+1),-n-1]: X_2 := [0, n-1, -n-1]:
> X := OreFrac(X_1, X_2);
𝑋 ∶= (︀−𝑛+ (2𝑛+1)Sn+ (−𝑛−1)Sn2,(𝑛+1)Sn+ (−𝑛−1)Sn2⌋︀
> Dx_1 := [0, n-1, -n-1]: Dx_2 := [1, -1]:
> Dx := OreFrac(Dx_1, Dx_2);
Dx ∶= (︀(𝑛−1)Sn+ (−𝑛−1)Sn2,1−Sn⌋︀
Cet exemple utilise deux paires d’op´erateurs. C’est l’ensemble de ces paires qui est
´etudi´e dans cette section et permettra par la suite de construire le corps des fractions de polyn^omes de Ore. On peut d´efinir sur cet ensemble deux lois internes, une loi d’addition et une loi de multiplication.
Les lois d’addition et de multiplication entre paires reposent sur le lclm entre deux op´erateurs et notamment sur les cofacteurs du lclm. On reprend la notation d’un cofacteur d´efinit par l’´equation (4.7) page60.
2. FRACTIONS DE POLYN ^OMES DE ORE 69
D´efinition 4.28. L’addition entre deux paires d’op´erateurs est d´efinie par :
(𝐴1, 𝐴2) + (𝐵1, 𝐵2) = ((𝐵2)𝐴2𝐴1+ (𝐴2)𝐵2𝐵1,lclm(𝐴2, 𝐵2)). (4.14) Elle est calcul´ee par l’algorithme4.5.
Entr´ee: deux paires (𝐴1, 𝐴2) et(𝐵1, 𝐵2) Sortie: (𝐴1, 𝐴2) + (𝐵1, 𝐵2)
Calculer (𝐴2)𝐵2 et (𝐵2)𝐴2 tel que lclm(𝐴2, 𝐵2) = (𝐴2)𝐵2𝐵2 = (𝐵2)𝐴2𝐴2 en utilisant l’algorithme4.3
renvoyer ((𝐵2)𝐴2𝐴1+ (𝐴2)𝐵2𝐵1,(𝐴2)𝐵2𝐵2)
Algorithme 4.5: Addition de deux paires d’op´erateurs La proposition suivante interpr`ete cette addition sur des suites.
Proposition 4.29. Si les suites𝑢 et𝑣 sont li´ees par𝐴1⋅𝑢=𝐴2⋅𝑣 et les suites𝑢 et𝑤sont li´ees par𝐵1⋅𝑢=𝐵2⋅𝑤o`u(𝐴1, 𝐴2) et(𝐵1, 𝐵2) sont deux paires d’op´erateurs de r´ecurrence, alors les suites 𝑢 et 𝑣+𝑤 sont li´ees par la relation :
𝐶1⋅𝑢=𝐶2⋅ (𝑣+𝑤), o`u(𝐶1, 𝐶2) = (𝐴1, 𝐴2) + (𝐵1, 𝐵2).
Cette proposition g´en´eralise la remarque 4.16 page 62 sur l’addition de deux suites lorsque celles-ci sont annul´ees par des op´erateurs. En effet si 𝐴2⋅𝑣 =0 et 𝐵2⋅𝑤=0, le second ´el´ement 𝐶2 de la paire(1, 𝐴2) + (1, 𝐵2) permet de retrouver l’´egalit´e :
𝐶2⋅ (𝑣+𝑤) =0. D´emonstration. L’´equation (4.14) entra^ıne :
𝐶1⋅𝑢= (𝐵2)𝐴2𝐴1⋅𝑢+ (𝐴2)𝐵2𝐵1⋅𝑢.
Comme𝐴1⋅𝑢=𝐴2⋅𝑣 et𝐵1⋅𝑢=𝐵2⋅𝑣, le membre droit de cette ´equation se r´e´ecrit : lclm(𝐴2, 𝐵2) ⋅𝑣+lclm(𝐴2, 𝐵2) ⋅𝑤.
D’apr`es (4.14) encore, il s’agit de𝐶2⋅ (𝑣+𝑤).
Exemple 4.30. L’addition est surcharg´ee dans le package OreField. En reprenant les notations de l’exemple4.27, voici comment ´etablir une relation entre les fonctions𝜓𝑛(𝑥) et𝑥𝜓𝑛(𝑥) +𝜓′𝑛(𝑥) en utilisant la propri´et´e d’addition de deux paires.
> X+Dx;
(︀−𝑛+ (3𝑛+2)Sn+ (−4𝑛−4+𝑛2)Sn2− (𝑛+2(2𝑛−1)Sn3) + (𝑛+3) (𝑛+2)Sn4, (𝑛−1)Sn+ (−2𝑛−1)Sn2+ (𝑛+2)Sn3⌋︀
D´efinition 4.31. La multiplication de deux paires est d´efinie par :
(𝐵1, 𝐵2) (𝐴1, 𝐴2) = ((𝐵1)𝐴2𝐴1,(𝐴2)𝐵1𝐵2). (4.15) Elle est calcul´ee par l’algorithme suivant 4.6.
Entr´ee: deux paires (𝐴1, 𝐴2) et(𝐵1, 𝐵2) Sortie: (𝐵1, 𝐵2)(𝐴1, 𝐴2)
Calculer (𝐴2)𝐵1 et (𝐵1)𝐴2 tel que lclm(𝐴2, 𝐵1) = (𝐴2)𝐵1𝐵1 = (𝐵1)𝐴2𝐴2 en utilisant l’algorithme4.3
renvoyer ((𝐵1)𝐴2𝐴1,(𝐴2)𝐵2𝐵2)
Algorithme 4.6:Multiplication de deux paires d’op´erateurs La multiplication est surcharg´ee dans le package OreField.
De cette d´efinition, on d´eduit la proposition suivante :
Proposition 4.32. Soient deux paires d’op´erateurs de r´ecurrence (𝐴1, 𝐴2) et (𝐵1, 𝐵2), et soient trois suites 𝑢, 𝑣 et 𝑤 telles que 𝐴1⋅𝑢=𝐴2⋅𝑣 et 𝐵1⋅𝑣=𝐵2⋅𝑤. Les suites 𝑢 et𝑤 sont reli´ees par l’´egalit´e suivante :
𝐶1⋅𝑢=𝐶2⋅𝑤, o`u (𝐶1, 𝐶2) = (𝐵1, 𝐵2)(𝐴1, 𝐴2).
Si les seconds ´el´ements des paires sont ´egaux `a 1, on retrouve le r´esultat connu de composition d’op´erateurs. C’est-`a-dire si𝐴⋅𝑢=𝑣 et𝐵⋅𝑣=𝑤, on a :
𝐵𝐴⋅𝑢=𝑤.
D´emonstration. Par la d´efinition de la multiplication de paires, on a : 𝐶1⋅𝑢= (𝐵1)𝐴2𝐴1⋅𝑢 et 𝐶2⋅𝑤= (𝐴2)𝐵1𝐵2⋅𝑤.
Comme𝐴1⋅𝑢=𝐴2⋅𝑣 et𝐵1⋅𝑣=𝐵2⋅𝑤, les membres droits se r´e´ecrivent en : 𝐶1⋅𝑢= (𝐵1)𝐴2𝐴2⋅𝑣 et 𝐶2⋅𝑤= (𝐴2)𝐵1𝐵1⋅𝑣.
Revenant `a la d´efinition des cofacteurs, on a
(𝐵1)𝐴2𝐴2= (𝐴2)𝐵1𝐵1, ce qui permet de conclure.
2. FRACTIONS DE POLYN ^OMES DE ORE 71
Remarque 4.33. Tout ´el´ement𝜆deK´etant identifi´e `a la paire(𝜆,1), la multiplication ou l’addition d’une paire par un scalaire s’en d´eduit imm´ediatement. Le code Maple suivant montre comment on peut effectuer l’addition ou la multiplication d’une paire avec la constante 3.
> OreFrac([1], [1,n])+3;
(︀4+3𝑛Sn,1+𝑛Sn⌋︀
> 3*OreFrac([1], [1,n]);
(︀3,1+𝑛Sn⌋︀
Exemple 4.34. Les polyn^omes de Tchebychev𝑇𝑛(𝑥) satisfont les deux ´egalit´es classiques suivantes [AS64, Chapitre 22] :
𝑇𝑛+1(𝑥) −2𝑥𝑇𝑛(𝑥) +𝑇𝑛−1(𝑥) =0, (4.16) et 2(1−𝑥2)𝑇𝑛′(𝑥) = −𝑛𝑇𝑛+1(𝑥) +𝑛𝑇𝑛−1(𝑥). (4.17) Une ´egalit´e moins classique satisfaite par ces polyn^omes est la suivante :
𝑇𝑛(𝑥) = 1 2(𝑇𝑛′+1
𝑛+1− 𝑇𝑛′−1
𝑛−1). (4.18)
En utilisant les propositions 4.29 et4.32 et le packageOreField, il est facile de d´eduire la troisi`eme ´egalit´e des deux premi`eres.
L’´equation (4.16) donne la relation :
(1+𝑆𝑛2) ⋅𝑇𝑛=2𝑆𝑛⋅𝑥𝑇𝑛, qui fournit la paire𝑋.
> X := OreFrac([1,0,1],[0,2]);
𝑋 ∶= (︀1+Sn2,2Sn⌋︀
De la m^eme fa¸con l’´equation (4.17) donne la relation :
2𝑆𝑛⋅𝑇𝑛= ((𝑛+1) − (𝑛+1)𝑆𝑛2) ⋅ (1−𝑥2)𝑇𝑛′, qui fournit la paire𝑋𝐷𝑥 qui repr´esente l’op´erateur(1−𝑥2)𝜕𝑥 :
> XDx := OreFrac([n+1,0, -n-1],[0,2]);
XDx ∶= (︀𝑛+1+ (−𝑛−1)Sn2,2Sn⌋︀
En utilisant les propri´et´es d’addition et de multiplication, l’op´eration𝑋𝐷𝑥(1−𝑋2)−1 permet de retrouver la paire d’op´erateurs associ´ee `a l’op´erateur de d´erivation que l’on a gr^ace `a l’´equation (4.18).
> XDx.(1-X^2)^(-1);
(︀−2(𝑛+1) (𝑛+3)Sn2,(𝑛+3)Sn+ (−𝑛−1)Sn3⌋︀
L’op´eration(1-X)^2^(-1)consiste juste `a ´echanger le num´erateur avec le d´enominateur.
En multipliant chaque ´el´ement de la paire par𝑆𝑛−2, cette paire est bien la repr´esentante de l’´egalit´e ci-dessus que l’on peut d´efinir enMaplepar :
> Dx := OreFrac([0,-2*n*(n+2)],[n+2, 0, -n]);
Dx ∶= (︀−2𝑛(𝑛+2)Sn, 𝑛+2−𝑛Sn2⌋︀
`A ce stade, on n’a pas encore d´efini une fonction pour simplifier directement une fraction.
Celle-ci nous aurait ´evit´e de multiplier par𝑆𝑛−2 `a la main. On verra dans la suite qu’on aurait pu simplifier directement cette fraction par la proc´edurenormal.
Cet exemple illustre une propri´et´e int´eressante et fondamentale pour la suite de cette th`ese. Si on a une relation entre une famille de fonctions 𝑓𝑛et la famille de ses d´eriv´ees 𝑓𝑛′ et une autre relation entre la famille 𝑓𝑛 et la famille𝑥𝑓𝑛, pour tout op´erateur diff´erentiel 𝐿on sait calculer, gr^ace aux op´erations d’addition et de multiplication, une relation entre la famille𝑓𝑛 et la famille 𝐿⋅𝑓𝑛. Cette propri´et´e sera d´evelopp´ee dans le chapitre 8
Exemple 4.35. Les polyn^omes de Tchebychev sont solutions de l’´equation diff´erentielle : (1−𝑥2)𝑇𝑛′′−𝑥𝑇𝑛′+𝑛2𝑇𝑛(𝑥) =0.
On peut retrouver cette ´egalit´e `a partir de la d´efinition de𝑋 et 𝐷𝑥vue dans l’exemple pr´ec´edent en utilisantMaplede la fa¸con suivante :
> (Dx^2).(1-X^2)-Dx.X+OreFrac([n^2],[1]);
(︀0, 𝑛2+7𝑛+12−2𝑛(𝑛+4)Sn2+𝑛(𝑛+1)Sn4⌋︀
En utilisant les propositions4.29 et4.32, on sait que le premier ´el´ement de cette paire appliqu´e `a 𝑇𝑛 est ´egal au second appliqu´e `a 𝐿⋅𝑇𝑛. On d´eduit de cette constatation la relation suivante :
(𝑛2+7𝑛+12−2𝑛(𝑛+4)Sn2+𝑛(𝑛+1)Sn4) ⋅ (𝐿⋅𝑇𝑛(𝑥)) =0, (4.19) avec𝐿∶= (1−𝑥2)𝜕𝑥2−𝑥𝜕𝑥+𝑛2. Les polyn^omes de Tchebychev forment une suite de polyn^omes de degr´e en𝑥 strictement croissant par rapport `a l’indice𝑛. La famille 𝐿⋅𝑇𝑛(𝑥) est donc une famille de polyn^omes nuls ou de degr´e strictement croissant par rapport `a l’indice𝑛 quand celui-ci est plus grand qu’un certain entier. On en d´eduit que si la suite 𝐿⋅𝑇𝑛(𝑥) est non nulle, celle-ci ne peut ^etre annul´ee par un op´erateur de r´ecurrence `a coefficients des fractions rationnelles en l’ind´etermin´e𝑛. L’´equation (4.19) implique donc que𝐿⋅𝑇𝑛(𝑥) =0.
La proposition suivante donne des propri´et´es importantes sur les lois d’addition et de multiplication entre paires de polyn^omes de Ore.
Proposition 4.36. L’addition de deux paires de polyn^omes de Ore est une op´eration associative et commutative. La multiplication de deux paires de polyn^omes de Ore est une op´eration associative et distributive `a gauche par rapport `a l’addition.
2. FRACTIONS DE POLYN ^OMES DE ORE 73
Preuve de la proposition 4.36. La propri´et´e (4.8) donne l’associativit´e de l’addition, en effet si on effectue l’addition de la fa¸con suivante, on obtient :
(𝐴1, 𝐴2) + ((𝐵1, 𝐵2) + (𝐶1, 𝐶2)) = (𝐴1, 𝐴2) + ((𝐵2)𝐶2𝐶1+ (𝐶2)𝐵2𝐵1,lclm(𝐵2, 𝐶2)), qui donne avec (4.8) :
((lclm(𝐵2, 𝐶2))𝐴2𝐴1+ (𝐴2)lclm(𝐵2,𝐶2)((𝐵2)𝐶2𝐶1+ (𝐶2)𝐵2𝐵1),lclm(𝐴2, 𝐵2, 𝐶2)). En utilisant l’´egalit´e (4.9) page60, on a :
(𝐴2)lclm(𝐵2,𝐶2)= (𝐴2)(𝐵2)
𝐶2𝐶2
= ((𝐴2)𝐶2)
(𝐵2)𝐶2
. On a donc :
(𝐴2)lclm(𝐵2,𝐶2)(𝐵2)𝐶2 = ((𝐴2)𝐶2)
(𝐵2)𝐶2
(𝐵2)𝐶2 =lclm((𝐴2)𝐶2,(𝐵2)𝐶2) = (lclm(𝐴2, 𝐵2))𝐶2. De la m^eme fa¸con on a :
(𝐴2)lclm(𝐵2,𝐶2)(𝐵2)𝐶2 = (lclm(𝐴2, 𝐶2))𝐵2, et donc
(𝐴1, 𝐴2)+ ((𝐵1, 𝐵2) + (𝐶1, 𝐶2)) =
((lclm(𝐵2, 𝐶2))𝐴2𝐴1+ (lclm(𝐴2, 𝐶2))𝐵2𝐵1+ (lclm(𝐴2, 𝐵2))𝐶2𝐶1,lclm(𝐴2, 𝐵2, 𝐶2)). Avec les m^emes arguments, on obtient la m^eme paire quand on effectue les additions ((𝐴1, 𝐴2) + (𝐵1, 𝐵2)) + (𝐶1, 𝐶2) et((𝐴1, 𝐴2) + (𝐶1, 𝐶2)) + (𝐵1, 𝐵2).
L’associativit´e de la multiplication est moins ´evidente. Elle repose sur le lemme4.12 page60 : Pour d´emontrer l’associativit´e, on effectue dans un premier temps le produit :
(𝐶1, 𝐶2)((𝐵1, 𝐵2)(𝐴1, 𝐴2)).
On multiplie donc d’abord (𝐵1, 𝐵2) par (𝐴1, 𝐴2), on obtient en utilisant la r`egle de multiplication (4.15) :
(𝐵1, 𝐵2)(𝐴1, 𝐴2) = ((𝐵1)𝐴2𝐴1,(𝐴2)𝐵1𝐵2).
Toujours en utilisant la m^eme r`egle, on multiplie cette paire `a droite avec(𝐶1, 𝐶2) : (𝐶1, 𝐶2) ((𝐵1, 𝐵2)(𝐴1, 𝐴2)) = ((𝐶1)((𝐴2)
𝐵1𝐵2)(𝐵1)𝐴2𝐴1, ((𝐴2)𝐵1𝐵2)
𝐶1
𝐶2).
On effectue dans un second temps le produit ((𝐶1, 𝐶2)(𝐵1, 𝐵2))(𝐴1, 𝐴2). En utilisant encore les r`egles de multiplication, on obtient :
((𝐶1, 𝐶2)(𝐵1, 𝐵2)) (𝐴1, 𝐴2) = (((𝐶1)𝐵2𝐵1)
𝐴2
𝐴1, (𝐴2)(𝐶1)
𝐵2𝐵1(𝐵2)𝐶1𝐶2).
Il reste donc maintenant `a montrer que les deux paires sont ´egales. Pour commencer, l’´equation (4.9) page60 nous donne l’´egalit´e :
(𝐶1)(𝐴2)
𝐵1𝐵2 = ((𝐶1)𝐵2)
(𝐴2)𝐵1
. En utilisant cette ´egalit´e et l’´equation (4.9) page60, on a :
(𝐶1)(𝐴2)
En multipliant cette ´equation par l’op´erateur𝐴1 `a droite, on retrouve les premiers ´el´ements des deux paires. En ´echangeant les polyn^omes𝐴2 avec𝐶1,𝐵1 avec𝐵2 et 𝐶2 avec𝐴1, on se retrouve avec les m^emes ´egalit´es `a d´emontrer. On peut donc conclure sur l’associativit´e de la multiplication.
Il reste `a montrer que la multiplication est distributive `a gauche par rapport `a l’addition.
Pour toutes paires (𝐴1, 𝐴2),(𝐵1, 𝐵2) et(𝐶1, 𝐶2) on a d’une part
(𝐴1, 𝐴2) ((𝐵1, 𝐵2) + (𝐶1, 𝐶2)) =(𝐴1, 𝐴2) ((𝐶2)𝐵2𝐵1+ (𝐵2)𝐶2𝐶1, lclm(𝐵2, 𝐶2))
= ((𝐴1)lclm(𝐵2,𝐶2)((𝐶2)𝐵2𝐵1+ (𝐵2)𝐶2𝐶2), (lclm(𝐵2, 𝐶2))𝐴1𝐴2), (4.20) et d’autre part, en utilisant le lemme4.13,
(𝐴1, 𝐴2)(𝐵1, 𝐵2) + (𝐴1, 𝐴2)(𝐶1, 𝐶2) = ((𝐴1)𝐵2𝐵1, (𝐵2)𝐴1𝐴2) + ((𝐴1)𝐶2𝐶1,(𝐶2)𝐴1𝐴2)
Le lemme 4.13 page 61 permet de simplifier cette expression en supprimant les 𝐴2 du premier ´el´ement de cette paire
On remarque qu’en utilisant l’´equation (4.9) page 60, le premier ´el´ement de la paire pr´ec´edente devient : En utilisant `a nouveau l’´equation (4.9), cet op´erateur est ´egal `a :
((𝐴1)𝐶2)
2. FRACTIONS DE POLYN ^OMES DE ORE 75
On obtient bien de cette fa¸con l’´egalit´e voulue.
L’´egalit´e des seconds ´el´ements des deux paires est une cons´equence imm´ediate du lemme 4.14 page61.
Il existe un ´el´ement neutre pour l’addition qui est (0,1). Il n’y a pas d’inverse pour l’addition. En effet, l’oppos´e naturel(−𝐴1, 𝐴2) se somme avec (𝐴1, 𝐴2)en
(𝐴1, 𝐴2) + (−𝐴1, 𝐴2) = (0, 𝐴2) ≠ (0,1).
En outre, la multiplication n’est pas distributive `a droite sur l’addition : alors que ((𝐴1, 𝐴2) + (−𝐴1, 𝐴2)) (𝐵1, 𝐵2) = (0, 𝐴2),
on a aussi
(𝐴1, 𝐴2)(𝐵1, 𝐵2) + (−𝐴1, 𝐴2)(𝐵1, 𝐵2) = (0,(𝐵2)𝐴1𝐴2).
Malgr´e la pauvret´e de la structure de cet ensemble de paires, celles-ci sont utiles dans le chapitre 8afin de calculer des op´erateurs de r´ecurrence.
2.2 Corps des fractions d’op´erateurs