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Une nouvelle minoration pour la trace absolue des entiers algébriques totalement positifs
Valérie Flammang
To cite this version:
Valérie Flammang. Une nouvelle minoration pour la trace absolue des entiers algébriques totalement
positifs. 2016. �hal-01346165�
UNE NOUVELLE MINORATION DE LA TRACE DES ENTIERS ALGEBRIQUES TOTALEMENT POSITIFS
V. FLAMMANG
1 Introduction
Soit α un entier alg´ ebrique de degr´ e d ≥ 2, totalement positif, i.e., dont les conjugu´ es α = α
1, . . . , α
dsont tous des r´ eels positifs et de polynˆ ome minimal P . On pose
S
k=
d
X
i=1
α
ki.
La trace absolue de α se d´ efinit par
T race(α) = 1
d trace(α) = 1 d S
1et on d´ esigne par T l’ensemble de tels T race(α).
Le probl` eme de Schur-Siegel-Smyth pour la trace (appel´ e ainsi par P. Borwein dans son livre [B]) est le suivant :
On se fixe ρ < 2. Il faut alors montrer que tous les entiers alg´ ebriques totalement positifs, sauf un nombre fini, v´ erifient T race(α) > ρ.
Le probl` eme a ´ et´ e r´ esolu en 1918 par I. Schur pour ρ < √
e [Sc] puis en 1945 par C. L. Siegel pour ρ < 1.7337 [Si]. Les r´ esultats de Schur et de Siegel font intervenir des in´ egalit´ es sur le discriminant d’un entier alg´ ebrique qui est la quantit´ e
Disc(α) = Y
1≤i<j≤d
(α
i− α
j)
2.
Tous les nombreux r´ esultats ult´ erieurs se basent sur le principe des fonctions auxiliaires qui re- pose sur le fait que le r´ esultant de deux polynˆ omes ` a coefficients entiers et sans facteurs communs est un entier non nul. Ainsi en 1984, C.J. Smyth r´ esout le probl` eme pour ρ < 1.7719 [Sm3], en 1997, V. Flammang, M. Grandcolas et G. Rhin pour ρ < 1.7735 [F2], en 2004, J. McKee et C.J.
Smyth pour ρ < 1.7783786 [McS1], en 2006, J. Aguirre, M. Bilbao et J. C. Peral pour ρ < 1.7800 [ABP], en 2006 par V. Flammang pour ρ < 1.7822 (communication priv´ ee ` a C. J. Smyth). En 2007, J. Aguirre et J. C. Peral ont r´ esolu le probl` eme pour ρ < 1.7836 [AP1] puis en 2008 pour ρ < 1.784109 [AP2]. En 2009, nous l’avons r´ esolu pour ρ < 1.78702 [F3]. J. McKee [Mc] a r´ esolu le probl` eme en 2011 pour ρ < 1.78839 en utilisant une partie de nos polynˆ omes ayant des racines complexes provenant de la fonction auxiliaire donn´ ee dans [F3]. En 2011 ´ egalement, Y. Liang et Q. Wu [LW] ont r´ esolu le probl` eme pour ρ < 1.79193.
Nous montrons ici les th´ eor` emes suivants :
Th´ eor` eme 1. Si α est un entier alg´ ebrique totalement positif de degr´ e d et polynˆ ome minimal
diff´ erent de x, x−1, x
2−3x+1, x
3−5x
2+6x −1, x
4−7x
3+13x
2−7x+1 et x
4−7x
3+14x
2−8x+1
alors on a :
1
d trace(α) ≥ 1.792806.
Rappelons qu’un entier alg´ ebrique α de degr´ e d est r´ eciproque si son polynˆ ome minimal P v´ erifie P (x) = x
d.P (1/x).
Corollaire 1. Si α est un entier alg´ ebrique totalement positif et r´ eciproque de degr´ e d et de polynˆ ome minimal diff´ erent de x
2− 3x + 1 et x
4− 7x
3+ 13x
2− 7x + 1, alors on a :
1
d trace(α) ≥ 1.896403.
Th´ eor` eme 2. Si α est un entier alg´ ebrique totalement positif de polynˆ ome minimal diff´ erent de x, x −1, x−2, x
2−3x+1, x
3−5x
2+6x−1, x
4−7x
3+14x
2−8x+1, x
5−9x
4+28x
3−35x
2+15x−1 et x
6− 11x
5+ 45x
4− 84x
3+ 70x
2− 21x + 1 alors on a :
1
d S
2≥ 5.321767.
Th´ eor` eme 3. Si α est un entier alg´ ebrique totalement positif de polynˆ ome minimal diff´ erent de x, x − 1, x − 2, x
2− 3x + 1, x
3− 5x
2+ 6x − 1, x
5− 9x
4+ 28x
3− 35x
2+ 15x − 1, x
6− 11x
5+ 45x
4− 84x
3+ 70x
2− 21x + 1, x
8− 15x
7+ 91x
6− 286x
5+ 495x
4− 462x
3+ 210x
2− 36x + 1 et x
9− 17x
8+ 120x
7− 455x
6+ 1001x
5− 1287x
4+ 924x
3− 330x
2+ 45x − 1 alors on a :
1
d S
3≥ 17.568276.
Remarques
Les minorations des Th´ eor` emes am´ eliorent les plus r´ ecentes connues ` a savoir celles obtenues par Y. Liang et Q. Wu en 2011 qui sont respectivement 1.79193, 5.31935 et 17.56765.
La minoration du corollaire am´ eliore celle de X. Dong et Q. Wu [DW] qui est de 1.8945909.
Les polynˆ omes qui interviennent dans ces trois th´ eor` emes ainsi que leurs exposants se trouvent en fin de note ainsi que sur le site : http ://iecl.univ-lorraine.fr/ Valerie.Flammang/Trace.txt
2 Le principe des fonctions auxiliaires
La fonction auxiliaire qui intervient dans l’´ etude de la trace est du type : pour x > 0, f (x) = x − X
1≤j≤J
c
jlog |Q
j(x)| (1)
o` u les c
jsont des nombres r´ eels positifs et les polynˆ omes Q
jsont des polynˆ omes non nuls de ZZ[x].
Cette fonction auxiliaire a ´ et´ e introduite par C. J. Smyth dans [Sm2].
Soit m le minimum de la fonction f. Si P ne divise aucun des polynˆ omes Q
j, on a alors
d
X
i=1
f (α
i) ≥ md i.e.,
trace(α) ≥ md + X
1≤j≤J
c
jlog |
d
Y
i=1
Q
j(α
i)|.
Puisque P ne divise aucun des Q
j, alors
d
Y
i=1
Q
j(α
i) est un entier non nul car il est le r´ esultant de P et de Q
j.
Par cons´ equent, si α n’est pas une racine de Q
j, on a T race(α) ≥ m.
Par ailleurs, J. P. Serre ( voir Appendix B dans [AP2]) a montr´ e que cette m´ ethode ne peut pas donner une telle in´ egalit´ e pour ρ plus grand que 1.8983021. . . Par cons´ equent, cette m´ ethode ne peut pas ˆ etre utilis´ ee pour montrer que 2 est le plus petit point d’accumulation de T .
N´ eanmoins, il est int´ eressant d’essayer d’obtenir des minorations pour T race(α). Par exemple, cela a ´ et´ e utilis´ e dans la recherche de nombres de Salem de petit degr´ e et de trace -2 par J.
McKee et C. J. Smyth [McS1]. Y. Liang et Q. Wu ont obtenu, grˆ ace ` a leur r´ esultat, le degr´ e minimum d’un nombre de Salem de trace -4 et -5 [LW].
Remarque : Dans la fonction auxiliaire de la trace, il suffit de remplacer x par x
2puis par x
3pour obtenir les fonctions auxiliaires qui interviennent pour S
2et S
3.
3 Relation entre fonction auxiliaire et diam` etre transfini entier g´ en´ eralis´ e
3.1 Rappels sur le diam` etre transfini entier g´ en´ eralis´ e Soit K un compact de C . Le diam` etre transfini de K se d´ efinit par
t(K) = lim inf inf |P |
1 n
∞,K
n ≥ 1 P ∈ C [X]
n → ∞ P unitaire deg(P) = n o` u |P |
∞,K= sup
z∈K
|P (z)| pour P ∈ C [X].
Nous d´ efinissons le diam` etre transfini entier de K par
t
ZZ(K) = lim inf inf |P |
1 n
∞,K
n ≥ 1 P ∈ ZZ[X]
n → ∞ deg(P) = n
Enfin, si ϕ est une fonction positive d´ efinie sur K, le ϕ-diam` etre transfini entier g´ en´ eralis´ e de K se d´ efinit par
t
Z,ϕ(K) = lim inf inf sup
|P (z)|
n1ϕ(z) . n ≥ 1 P ∈ Z [X] z ∈ K
n → ∞ deg(P ) = n
Cette version du diam` etre transfini entier pond´ er´ e a ´ et´ e introduite par F. Amoroso [A2] et
est un outil important dans l’´ etude des approximations rationnelles de logarithmes de nombres
rationnels.
3.2 Lien avec les fonctions auxiliaires
Dans la fonction auxiliaire (1), on remplace les c
jpar des nombres rationnels a
j/q o` u q est un entier > 0 tel que q.c
jsoit un entier pour tout 1 ≤ j ≤ J . On peut alors ´ ecrire :
pour x > 0, f(x) = x − t
r log |Q(x)| ≥ m (2) o` u Q =
J
Y
j=1
Q
ajj∈ ZZ[X] est de degr´ e r =
J
X
j=1
a
jdeg Q
jet t =
J
X
j=1
c
jdeg Q
j(cette formulation a
´
et´ e introduite par J. P. Serre). Par cons´ equent, on cherche un polynˆ ome Q ∈ ZZ[X] tel que sup
x>0
|Q(x)|
t/re
−x≤ e
−m.
Si l’on suppose t fix´ e, cela revient ` a trouver une borne sup´ erieure effective pour le diam` etre transfini entier pond´ er´ e de l’intervalle [0, ∞[ avec le poids ϕ(x) = e
−x:
t
ZZ,ϕ([0, ∞[) = lim inf inf sup
|P (x)|
rtϕ(x) r ≥ 1 P ∈ ZZ[X] x > 0
r → ∞ deg(P ) = r
Remarque : Mˆ eme si l’on a remplac´ e le compact K par l’intervalle infini [0, ∞[, le poids ϕ assure que la quantit´ e t
ZZ,ϕ([0, ∞[) est finie.
4 Construction d’une fonction auxiliaire
Le point essentiel est de trouver une liste de ”bons” polynˆ omes Q
j, i.e., qui donnent la meilleure valeur possible de m. Jusqu’en 2003, les polynˆ omes ´ etaient trouv´ es de fa¸ con heuristique. Par exemple, dans [Sm3] et [AP1], les auteurs ont cherch´ e une collection de polynˆ omes de petite trace absolue dont toutes les racines sont positives. En 2003, Q. Wu [Wu] a mis au point un algorithme qui permet une recherche syst´ ematique des ”bons” polynˆ omes. La m´ ethode ´ etait la suivante. On consid` ere une fonction auxiliaire comme celle d´ efinie en (1). On se fixe un ensemble E
0de points de contrˆ ole uniform´ ement r´ epartis sur un intervalle r´ eel I = [0; A] o` u A est ” suffisamment grand”. Par LLL, on trouve un polynˆ ome Q petit sur E
0au sens de la norme quadratique. On teste ce polynˆ ome dans la fonction auxiliaire et on ne conserve que les facteurs de Q qui ont un exposant non nul. La convergence de cette nouvelle fonction fournit des minima locaux que l’on ajoute ` a l’ensemble de points E
0pour obtenir un nouvel ensemble de points de contrˆ ole E
1. On relance LLL avec l’ensemble E
1et on r´ eit` ere le proc´ ed´ e.
En 2006, nous avons apport´ e deux am´ eliorations ` a l’algorithme pr´ ec´ edent dans l’utilisation de LLL. La premi` ere consiste, ` a chaque pas, ` a prendre en compte non seulement les nouveaux points de contrˆ ole mais ´ egalement les nouveaux polynˆ omes de la fonction auxiliaire qui est la meilleure. La seconde est l’introduction d’un coefficient correcteur t. L’id´ ee est d’obtenir les bons polynˆ omes Q
jpar r´ ecurrence. Ainsi, nous appelons cet algorithme l’algorithme r´ ecursif. Nous le d´ etaillons, toujours pour la trace. Le premier pas consiste ` a optimiser la fonction auxiliaire f
1= x − t log x. On a alors t = c
1o` u c
1est la valeur qui donne la meilleure fonction f
1. On suppose qu’on a des polynˆ omes Q
1, Q
2, . . . , Q
Jet une fonction f la meilleure possible pour cet ensemble de polynˆ omes sous la forme (2). On cherche un polynˆ ome R ∈ ZZ[x] de degr´ e k (k = 10 par exemple) tel que
sup
x∈I
|Q(x)R(x)|
r+kte
−x≤ e
−m,
o` u Q =
J
Y
j=1
Q
j. On veut donc que
sup
x∈I
|Q(x)R(x)| exp
−x(r + k) t
soit aussi petit que possible. On applique LLL aux formes lin´ eaires Q(x
i)R(x
i) exp
−x
i(r + k) t
.
Les x
isont des points de contrˆ ole constitu´ es de points uniform´ ement r´ epartis sur l’intervalle I auxquels on a ajout´ e les points o` u f a des minima locaux. On trouve donc un polynˆ ome R dont les facteurs irr´ eductibles R
jsont de bons candidats pour agrandir l’ensemble {Q
1, . . . , Q
J}. On ne conserve que les facteurs R
jqui ont un coefficient non nul dans la nouvelle fonction auxiliaire optimis´ ee f . Apr` es optimisation, certains polynˆ omes pr´ ec´ edents Q
jpeuvent avoir un exposant nul et sont alors rejet´ es.
En 2009, pour obtenir la constante 1.78702, l’algorithme pr´ ec´ edent avait ´ et´ e r´ ep´ et´ e pour k variant de 10 ` a 30. Nous nous ´ etions arrˆ et´ es quand deux pas cons´ ecutifs ne fournissaient plus aucun nou- veau polynˆ ome. Ici, nous avons proc´ ed´ e diff´ eremment. Nous avons fait varier k syst´ ematiquement de 3 ` a 82 et nous avons constat´ e que, mˆ eme apr` es plusieurs pas infructueux, des polynˆ omes ` a exposant non nul apparaissent encore. C’est cette l´ eg` ere variante qui a permis l’am´ elioration des constantes.
Remarque
La constante t obtenue pour la fonction auxiliaire du Th´ eor` eme 1 vaut 2.641327. Elle est proche de la valeur optimale de J. P. Serre qui est ´ egale ` a 2.249214.
5 Optimisation des c j
On a ` a r´ esoudre un probl` eme du type suivant : trouver max
Cmin
x∈X
f (x, C )
o` u f (x, C ) est une fonction lin´ eaire par rapport ` a C = (c
0, c
1, . . . , c
k) (c
0est le coefficient de x qui est ´ egal ` a 1) et X est un domaine compact de C , le maximum ´ etant pris pour c
j≥ 0 pour j = 0, . . . , k. Une solution classique consiste ` a prendre de tr` es nombreux points de contrˆ ole (x
i)
1≤i≤Net ` a r´ esoudre le probl` eme de programmation lin´ eaire standard :
max
Cmin
1≤j≤N
f (x
i, C).
Mais alors le r´ esultat obtenu d´ epend des points de contrˆ ole choisis.
L’id´ ee de la programmation lin´ eaire lin´ eaire semi-infinie (introduite en Th´ eorie des Nombres par C. J. Smyth [Sm2]) consiste ` a r´ ep´ eter le processus pr´ ec´ edent en ajoutant ` a chaque ´ etape de nouveaux points de contrˆ ole et ` a v´ erifier que ce proc´ ed´ e converge vers m, la valeur de la forme lin´ eaire pour un choix de C optimum. L’algorithme est le suivant :
(1) On choisit une valeur initiale de C soit C
0et on calcule m
00= min
x∈X
f (x, C
0).
(2) On choisit un ensemble fini X
0de points de contrˆ ole appartenant ` a X et l’on a m
00≤ m ≤ m
0= min
x∈X0
f(x, C
0).
(3) On ajoute ` a X
0les points o` u f (x, C
0) admet des minima locaux pour obtenir un nouvel ensemble X
1de points de contrˆ ole.
(4) On r´ esout le probl` eme de programmation lin´ eaire standard : max
Cmin
x∈X1
f (x, C)
On obtient une nouvelle valeur de C not´ ee C
1et un r´ esultat de la programmation lin´ eaire ´ egal
`
a m
01= min
x∈X
f (x, C
1). On a alors
m
00≤ m
01≤ m ≤ m
1= min
x∈X1
f(x, C
1) ≤ m
0,
(5) On r´ ep` ete les ´ etapes (2) ` a (4) et on obtient donc deux suites (m
i) et (m
0i) qui v´ erifient
m
00≤ m
01≤ . . . ≤ m
0i≤ m ≤ m
i≤ . . . ≤ m
1≤ m
0,
On s’arrˆ ete d` es qu’il y a assez bonne convergence, quand par exemple, m
i− m
0i≤ 10
−6. Supposons que p it´ erations suffisent alors on prend m = m
0p.
6 Preuve du Corollaire 1
Pour obtenir leur r´ esultat, X. Dong et Q. Wu [DW] ont utilis´ e une fonction auxiliaire du type : pour x > 0, f(x) = x + 1
x − X
1≤j≤J
c
jlog |Q
j(x)| − X
1≤j≤J
c
jlog |Q
j( 1 x )|.
Nous proc´ edons diff´ eremment. Soit α un entier alg´ ebrique totalement positif et r´ eciproque de degr´ e d et de polynˆ ome minimal P . Alors il existe un polynˆ ome Q totalement positif de degr´ e d/2 v´ erifiant :
P (X) = X
d/2Q(X + 1 X − 2).
Soient α
1, . . ., α
det β
1, . . ., β
d/2les racines de P et Q respectivement. Alors on a : pour 1 ≤ i ≤ d/2, β
i= α
i+ 1
α
i− 2 et α
i= β
i+ 2 ± p
(β
i+ 2)
2− 4
2 .
Par cons´ equent, trace(P) =
d
X
i=1
α
i=
d/2
X
i=1
α
i+ 1
α
i=
d/2
X
i=1
β
i+ 2 + p
(β
i+ 2)
2− 4
2 + β
i+ 2 − p
(β
i+ 2)
2− 4 2
! ,
i.e., trace(P ) =
d/2
X
i=1
β
i+ d = trace(Q) + d. Or, le polynˆ ome Q v´ erifie les hypoth` eses du Th´ eor` eme 1 donc
trace(P )
d = trace(Q)
d
2