A NNALES DE LA FACULTÉ DES SCIENCES DE T OULOUSE
M ICHEL L AURENT
Approximation diophantienne de valeurs de la fonction bêta aux points rationnels
Annales de la faculté des sciences de Toulouse 5
esérie, tome 2, n
o1 (1980), p. 53-65
<http://www.numdam.org/item?id=AFST_1980_5_2_1_53_0>
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APPROXIMATION DIOPHANTIENNE DE VALEURS DE LA FONCTION BETA AUX POINTS RATIONNELS
Michel Laurent (1)
Annales Faculté des Sciences Toulouse Vol
I I,1980,
P. 53 à 65(1 )
Laboratoire deMathématiques,
Université Pierre et MarieCurie,
Tour45-46, 4, place Jussieu
75230 Paris Cédex 05.
Résumé : :
Désignons
parB(a,b)
=r(a) r (b) / r (a+b) l’intégrale
eulérienne de deuxièmeespèce.
Le but de cet article est de donner une mesure de transcendance du nombre
B(a,b), lorsque
a et bsont des nombres rationnels non entiers.
Soit N un dénominateur commun aux nombres a et b. Posons alors n =
sup(1, cp(N) j2),
où c~ dé-signe
la fonction indicatrice d’Euler. L’auteur montrequ’il
existe un nombre C >0,
effectivement calculable en fonction deN,
tel que pour tout nombrealgébrique £
de hauteur ~ H(H
>ee)
etde
degré D,
on ait :où T = log H + D log D.
Le
principe
de la démonstration consiste d’abord à déterminer une certaine variété abélienne de dimension n, telle queB(a,b)
soit unequasi-période
de cette variété. Celle-ci est obtenue commefacteur de la
jacobienne
de la courbe de Fermatd’équation
affinexN
+yN
= 1. Deplus,
cettevariété est de
type
CM(au
sens deShimura).
L’auteur utilise alors destechniques classiques d’ap- proximation diophantienne spécifiques
à cette situation.Summary :
Let us denoteby B(a,b) = r (a) r(b) / r(a+b)
the Euler’sintegral
of the second kind.The purpose of this article is to furnish some transcendence measure of the number
B(a,b),
if aand b are rational numbers and not
integral.
Let N be a common denominator of a and
b,
and put n =sup(1, cp(N)/2),
where VJ is the usual Euler function. The author shows that there exists some number C >0, effectively computable
54
in term of
N,
so that for everyalgebraic number £,
withheight ~
H(H
>ee)
anddegree D,
wehave :
where T =
log
H + Dlog
D.The
principle
of theproof
is to exhibit some abelianvariety
of dimension n, so thatB(a,b)
shouldbe a
quasi-period
of thisvariety.
That is obtained as a factor of thejacobian variety
of theFermat’s curve with cartesian
equation xN
+yN
= 1.Moreover,
thisvariety
is of CMtype (in
theShimura’s
sense). Then,
the author uses classical tools ofdiophantine analysis,
welladapted
tothat situation.
1 - INTRODUCTION
Pour tous nombres réels x et y
positifs, désignons
parB(x,y) l’intégrale
eulériennede deuxième
espèce égale
àEn
1941,
Th. Schneider a montré que si x et y sont rationnels et nonentiers,
le nombreB(x,y)
est transcendant(cf. [S] ). L’objet
de cetarticle,
est de donner une version effective dece résultat. De
façon plus précise,
nous démontrons leTHEOREME. Soient r, s, N trois
entiers naturels, premiers
entre eux dans leur ensemble. On suppo-se que ni r, ni s n’est divisible par N. Il existe un nombre C >
0,
effectivement calculable en fonc- tion de r, s, N tel que pour tout nombrealgébrique 03B2
de hauteur B( B
>ee)
et dedegré
.D,
on ai t :
où H =
BDD,
et où n =sup(l,
c~(N) / 2),
cpdésignant
la fonction indicatrice d’Euler.COROLLAIRE. Si on suppose de
plus
que r + s n’est pas divisible parN,
il existe un nombreC’ >
0,
effectivement calculable en fonction de r, s, N tel que pour tout nombrealgébrique 03B2’
dehauteur B
(B
>ee)
et dedegré D,
on ait :où H et n sont définis comme
précédemment.
L’équation
fonctionneller (z
+1 )
= zr(z)
montrequ’il
suffit de prouver le théorème et son co-rollaire
lorsque
0 r N et 0 s N. Le corollaire se déduit alorssimplement
du théorèmeen remarquant que :
On pourra en outre supposer que N > 3 et que r + s ~ N. En
effet,
dans le cas contrairer s ~r
B( -, - ) _
si n -, et le théorème est alors uneconséquence
de résultatsclassiques
surN N N
l’approximation diophantienne
du nombre 1T(
voir parexemple [W] ,
prop.3-2).
Le
principe
de la démonstration consiste à associer à touttriplet, (r,
s,N)
vérifiant les conditionsprécédentes,
une certaine variété abélienne de dimension n, facteur de lajacobienne JN
de la cour-be de Fermat
F~
Nd’équation
affinexN
+yN = 1,
telle queB( r , S )
soit unequasi-période
deN N q p
cette variété. On utilise les
techniques spécifiques
detranscendance,
tellesqu’elles
ont étédévelop- pées
par Th. Schneider dans[S].
Commençons
par donnerquelques propriétés
desjacobiennes J N.
2 -
JACOBIENNES
DES COURBES DE FERMATSupposons
que N >3, la jacobienne JN
a pour dimension g =(N-1 )(N-2) /
2. Pourtout
couple (r,s)
d’entiers tels que 0 rN,
0 s N et r + s ~N,
notons la forme différentielle surFN égale
à :xr 1 ys-N
dx.On peut montrer
(cf. appendice
de[GR] )
que est une forme différentielle depremière
ou dedeuxième
espèce
et que l’ensembler+s N est
une base del’espace
vectoriel des formesdifférentielles de
première espèce.
De
plus
le groupe despériodes
de estengendré
paroù
y(j,k) (0 j N,
0 kN) désigne
un certain lacet deFN
et où l’on aposé ~’
= ,Après
avoir ordonné lescouples (r,s)
tels que r + sN,
introduisons le vecteur(0 C j N,
0 kN)
dont les coordonnées dans~~
sontl~
et notons L le réseau de
~g engendré
par les vecteursLEMME 2.1. Soient r et s deux entiers tels que 0 r
N,
0 s N et r + s ~ N. existeune fonction
H r
s,méromorphe
dans~g
telle que : :i)
Pour toutcouple
d’entiers(j,k)
tels que 0j
N et 0 kN,
on al’égalité
fonctionnelle suivante : :
-
+
p 1> k) -
+’
ü)
La_fonction Hr,s
estrégulière
àl’origine
0 deg,
ses coefficients deTaylor
en 0appartiennent
au corpsQ ( ~’ ),
deplus H r 5 (0)
= o. .Preuve. Il est bien connu que les
quasi-périodes
du réseau L sont lespériodes
des formes différen- tielles surFN
depremière
ou deuxièmeespèce,
d’où l’existence d’une fonctionquasi-abélienne
Hr
S, satisfaisanti).
L’isomorphisme
thêta entre L etJ N dépend
du choix d’unreprésentant
del’origine
deJ
N,c’est-à-dire d’un diviseur de
FN
linéairementéquivalent
à0, lequel
peut bien sûr être choisi ration- nel surQ (03BE ).
La deuxième assertion se déduit alors du fait que les formes différentielles~r
,ssont définies sur
Q.
Pour tout élément a de Z
/ NZ,
notons a > lereprésentant
de acompris
entre 0et N - 1 .
Dorénavant,
nous supposons donnés uncouple (r,s)
d’entiers tels que 0 rN,
0 sN,
r + s ~ N et
pgcd (r,s,N)
=1. Introduisons le sous ensemble T de(1 /
NZ)*,
constitué des élé-ments t de
(1 / NZ)*
vérifiant : .tr > + ts > N .
Il est facile de voir que les ensembles T et - T forment une
partition
de(Z /
N~’)*.
Pour tout entier h et tout élément u de
(Z /
NZ)*,
notonset
après
avoir ordonnéT,
notonsqh
le vecteur deCn (rappelons
que n(N) / 2)
dont les coor-données sont
(... q(h,t) ...)t
E T.Il est clair que les vecteurs
qh (h E Z ) ) engendrent
un réseau A deCn.
Le lemme suivantexpli-
cite les
quasi-périodes
associées à ce réseau.LEMME 2.2. Pour tout u appartenant à
(Z /
N~’ )’~,
il existe une fonctionKu, méromorphe
dansCn,
telle que : :i)
Pour tout entier h on al’égalité
fonctionnelleqh)
=.
ü)
La fonctionKu
estrégulière
àl’origine
0 deCn,
ses coetficients deTaylor
en 0appartiennent
au corps~ ( ~’ ) et Ku (0)
= o.Preuve. Soient P la
projection canonique
deCg
dansen qui
au vecteur de coordonnées(...
zp~ Q ...)
N associe le vecteur de coordonnées(...
z tr > ts >""’)t
E T~ et 1l’injection canonique
deCn
dansCg
de telle sorte que P o = idIl est clair que = d’où il s’ensuit que
P(L)
= A . °D’autre part, il est
possible
de montrer que1 ( A)
est un facteur du réseauL,
de telle sortequ’il
existe un entier m non nul tel que
ml(A )
C L(cf. [GR] ).
Poursimplifier,
notonsHu
la fonctionH
ur> us>
introduite dans le lemme 2.1. Nous allons montrer que si p appartenant à L véri- fieP(p)
=0,
alors p est unepériode
deHu.
Eneffet,
il existe des entiers(0 j N ,
0 k
N)
tel que p =~
Soit x =~ rj+sk. Il est facile de voir,
d’une part
que
1~
~ ~
l~
où
ou désigne
leQ automorphisme
du corpsQ( ~’ )
tel queQu(~’ ) _ ~’ u,
et d’autre part queP(p)
= 0 estéquivalent
à x =0,
d’où lapropriété
depériodicité.
1
Posons alors
Ku
= - mHu
o(ml).
Il est clair que
Ku
vérifie l’assertionii).
Soient j
et k deux entierscompris
entre 0 et N - 1 tels querj
+ sk soit congru à h moduloN,
de telle sorte que =
qh
et quep(j,k, ur > ,
us> )
=q(h,u)
on a alors :1
ml o
P(
m ’
Or p,= ml o
appartient
à L etP(p)
=0,
d’où il s’ensuit que 1qh) _ -
+p) =
ce
qui
achève la démonstration.3 - LEMMES AUXILIAIRES
Il
s’agit
dans cettepartie
de donnerquelques propriétés algébriques
etanalytiques
desfonctions abéliennes associées au réseau
A,
ainsi que de la fonctionquasi-abélienne Ku
introduiteprécédemment.
Enfait,
seul le cas u = ~I sera utilisé par la suite de telle sorte que l’on écrira K aulieu de
Ku.
Comme
I ( A )
est un facteur du réseau L associé à lajacobienne
il existe des fonctionsA1,...,An, méromorphes
dans~n
et Apériodiques,
telles que :i)
Les fonctionsAn
sontalgébriquement indépendantes
sur ~.ii)
Les fonctionsAn
sontrégulières
àl’origine
0 de~n
et les coefficients deTaylor
en 0 de ces fonctionsappartiennent
au corpsQ( ~’ ).
Dans la
suite, c1
...c4 désignent
des nombrespositifs,
nedépendant
que de r, de s, et du choix des fonctionsK, An précédentes.
LEMME 3.1. Les coefficients de
Taylor
en 0 des fonctionsK, An, correspondant
à des déri-vations d’ordre k ont une hauteur
majorée
park 1
et un dénominateur communégal
àk!ck+~ .
°Preuve. Voir le lemme 2.4 de
[M 1 ]. ~
LEMME 3.2. Soit
1 ...
X n ]
crnpolynôme
non nul dedegré
totalL,
la fonction(z),...,An (z) ] a
un zéro en 0 d’ordre L.Preuve. Voir le lemme 2.2 de
[M 1 ].
Pour tout élément p = " de
Z[03B6 ] ,
notons~03C1 Il
= max( |ah|)
et intro-h=0
duisons le vecteur p . q de
~" égal
à~
ainsi que le nombrecomplexe p
*B égal
àh
p (1 - ~)(1 -~) B( ~- , 2014 ) /
N=~ a~ q(hj),
où etq(h,1)
sont définis dans lapartie
N N
~
précédente,
de telle sorte que l’on al’égalité
fonctionnelleK(z+p
*B)
=K(z)
+ p ~ B .LEMME 3.3. Soient T un entier
1
, R un nombre 1. pour tout R’ > 2R et toute fonctionF
entière dans~",
on a :où
1
F1
R
désigne
le maximum de la valeur absolue de la fonction F dans la boule de centre 0 et de rayon R et où 1 aF1
T
R désigne
le maximum des nombres 1ôF( p.q) I
, a décrivant les dérivations d’ordre T et p décrivant les éléments de Z[ 03B6 J
tels que~03C1
II R. .Preuve. C’est un cas
particulier
du lemme 7 de[M2] .
Indiquons
enfinquelques
lemmesalgébriques classiques.
LEMME 3.4. Soient
03B11
...Ci.j
des nombresalgébriques
dedegré D
et de hauteursH1,...,Hj,
,engendrant
un corps de nombres dedegré
D. Soit ...Xj]
unpolynôme
à coefficientsentiers,
de hauteurH,
et dedegré
Len
X i.
(
1 C ij ) .
Si ...] est
nonnul,
on a laminoration suivante : :
Preuve. Ceci est essentiellement du à
Feld’man,
voir parexemple
lemme 3 de[M.W].
LEMME 3.5. Soient ... comme dans le lemme
précédent et P~ ~ [X1 ... X~] ~1 ~ L,
1
M),
despolynômes
à coefficients entiers de hauteur H et dedegré
L- i en X. i~1
il).
Si L >
M D,
lesystème d’équations
admet une solution
(x~) ~ C ~ C
~ en nombresentiers,
non tousnuls,
tels que :Preuve. Il
s’agit
d’une version raffinée du lemme deSiegel,
voir parexemple
le lemme 4 de[MW] .
4 - PREUVE DU THEOREME
Posons S =
Dn log
H(log log H)n.
Pour prouver lethéorème,
nous supposons que1 B( ( r , S ) - ~i I
N Nexp(- p( v 12n S), )~
et nous déduisons de cetteinégalité
g une contradiction siv est suffisamment
grand
par rapport aux nombres réelspositifs c~,c2,..., indépendants
de B et deD, apparaissant
au cours de la démonstration.Pour tout élément p de Z
[ç ] ,
notons p *j3
le nombre p(1 - ç r) (1 - ç S)(3/N,
de telle sorte que p* ~i - p * B- p (1 -- ~ r) (1 - ~’ s) (~-B(2014 , 2014 )) / N
soit« petit»
en valeur absolue.N N
A tout
polynôme
associons lafonction ~ , méromorphe
dans~n,
telle que~
(z)
=A~ (z),...,An(z) ].
Deplus
si pappartient
à~[ ~’ ] ,
posons.
p (z) = P[(3,K(z) +
p* ~i-
p *B, A-, (z),...,An(z)] .
°1 ntrodùisons enfin les
paramètres
suivants :et notons
Do
ledegré
du nombrealgébrique ~i.
LEMME 4.1. Il existe un
polynôme ] non nul,
dedegré Do
en, de degré Lo
enXo,
dedegré
L enXn,
dont les coefficients sont des entiers rationnels de va- leur absolue exp(
v ~S/D) ) , tel
que â ~p
(p . q)
= 0 pour tout dérivation a de~
d’or-dre T et tout élément p de
Z[ ~ ]
te! que Il p Il R.Preuve. Soit p appartenant à Z
[ ~’ ]
tel que Il p Il R. Alors :où la somme est
prise
sur tous les n + 2 -uples
X =(X_~ , À~
...À~)
d’entiers tels que° ~
~~l ~ ~O’
° ~~O ~ ~O
~~ ° ~~i
~~~~ ~ ~ ~ ~’~ ’
Soit à une dérivation d’ordre T. On déduit du lemme 3,1 que le coefficient d’indice à du dé-
veloppement
deTaylor
en o de la fonction(K(z)
+ p *03B2)03BBo A1 (z)03BB1
... estégal
àQ03BB,03C1,~[03B2, § ] où ,x2] désigne
unpolynôme
dedegré L °
en dedegré
w(N)
en
x2,
à coefficients rationnels de hauteurRc1Lo(LoLT)c1T exp(03BD
5n+1S/D).
On doit donc résoudre le
système d’équations
Le nombre
d’équations
de cesystème
estT n (R
+1 ) 2n c 4 n D n2 (log H) n (log log H) , n2
tandis que le nombre d’inconnues estégal
à +1 )(L
+ > vDo(log H)n (log log
Il suffit alors d’utiliser le lemme
3.5, après
avoirmultiplié
ceséquations
par un dénominateur com-mun .
Soit 8 une fonction thêta associée au réseau A telle
que 03B8 (0)
~ 0 etque 0 K, 8 A1 ... 8 An
soient des fonctions entières dans
~n
d’ordre 2. L’existence d’un tel dénominateur 8 est clas-sique
pour les fonctions abéliennesAn,
pour la fonctionquasi-abélienne K,
voir parexemple
L +nL
le lemme 2.1 de
[M1 ] .
Notons alors0(z) = B (z) °
etF(z)
= 0(z)
~(z).
LEMME 4.2. Soient p un élément de ll
[ ~ ]
tel que Il p Ilv 2
R et a une dérivation de~n
d’ordre T. On suppose que pour toute dérivation ô de
~n,
d’ordre inférieur à l’ordre de~,
on a(
pq )
= 0. A lors si v est suffisammentgrand,
on a :Preuve. On a les
égalités
fonctionnellesLes fonctions
K, A~ ... An
sontrégulières
en0,
elles sont donc bornées dans un certainvoisinage
de 0. Il est clair que si z
appartient
à cevoisinage,
on aD’autre
part, l’équation
fonctionnelle vérifiée par la fonction 0 montre pour z voisin de 0 on a :La formule de
Cauchy
permet de différentier par rapport à z cetteinégalité.
La substitution de 0 àz entraîne alors
l’inégal ité
recherchée en remarquant queLEMME 4.3. Pour toute dérivation â de
~n
d’ordre T et tout élément p de Z[ ~ ]
tel queIlp Il ~~
R OA7 a 3S (
p .. q)
= 0.Preuve. Soit R’ le
plus grand
entierv 2
R tel que( p’ . q)
= 0 pour toute dérivation a’de
~"
d’ordre T et tout élémentp’
de Z[03B6 ]
tel que!! p’
II R’.D’après
le lemme4.1,
R’ > R.
Supposons
queR’ v2
R.Soitp
un élément de1 [ ~’ ]
tel quep
Il = R’ +1,
et a une dérivationde
~n
d’ordre T telle que3’ E ( p . q)
= 0 pour toute dérivation a’ d’ordre inférieur à l’ordre de a.Le lemme 4.2 montre que
D’autre part,
où
c3 désigne
ici la constante intervenant dans le lemme 3.3. On déduit alors de ce lemme 3.3 que pour v suffisammentgrand, IF
I64n2R’ ~ exp(- c TR’2).
La formule deCauchy
et le lemme 4.2 montre ensuite que 64n2R’D’autre part, avec des notations
analogues
à celles du lemme4.1,
on a :où
Q~ p
est unpolynôme
dedegré La
en dedegré
enx~,
à coefficientsrationnels
de hauteurexp( v S/D).
D’après
le lemme3.4,
ou bien~039603C1 ( p . q)
=0,
ou bien on aCette dernière
inégalité
estimpossible
pour v suffisammentgrand
carS/8.
Pour tout élément p de Z
[ ~ ]
tel que Il p Il = R’+1 1 et toute dérivation a de~n
d’ordre T on aprouvé
quep . q~
= o.On en déduit donc que R’
= v2R,
cequi
achève la preuve. -LEMME 4.4. Pour tout entier
Ao
tel que 0Lo,
la fonction ~ ~ admet un zéro en 00
d’ordre > T .
Preuve. Il
s’agit
de montrer que~ 03A603BB (0)
= 0 pour toute dérivation a den
d’ordre T et tout 0entier
Ao
tel que 0Lo.
Raisonnons par récurrence sur l’ordre de a. On suppose que ô’~~ (0)
= 0 pour tout indiceAo
et toute dérivation ô’ d’ordre inférieur à l’ordre de a.o
Pour tout p dans Z
[ ~ ],
on al’égalité
fonctionnelle :d’où l’on déduit que
Le
polynôme 03A3
x03BBO ~ 03A603BB (0)
s’annule donc pour x == p* 03B2
si Il p Il Cepolynôme
de~ ~o
odegré Dn(log !og H)"
admet donc au moins!og H)"/4"
racines dis-tinctes,
pour ~ suffisammentgrand,
i!s’agit
donc dupolynôme
nu!, aComme T >
L,
le lemme 3.2 montre que lespolynômes Q~ (0 Lo)
sontidentiquement
À
0
nuls,
’ c’est-à-dire q ueL.r p(03BB-1, A o
...03BBn)03B2 03BB-1
= 4 pour tous les entiersAo
...An
tels que~1=0
0
Lo,
0~i
L(1
in). Do
étant parhypothèse
dedegré
de~i,
on en déduit quele
polynôme
Pestidentiquement
nul cequi
contredit le lemme 4.1.Le théorème est donc démontré.
65
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Reine