Racines rationnelles de l'unité

Bonjour à toutes et à tous
Je me suis pris la tête avec cette histoire sans pour autant avoir de certitudes alors je vous en fait part.

Soient $a$, $b$ deux entiers naturels premiers entre eux, avec $a,b \neq 0$.
Existe-t-il toujours (quelque soit $a$ et $b$) des solutions complexes à l'équation $z^{\frac{a}{b}}=1$ ?
Si oui, quelles-sont-elles ?
Voici mon raisonnement : $z^{\frac{a}{b}}=1 ~~\Rightarrow ~~ z^a=1^b=1$
Soit $z \in \mathbb{C}$ tel que $z^a=1$. Il existe $k$, $0 \leq k \leq a-1$, tel que $z = e^{\tfrac{2i\pi k}{a}}$.
Mais comme $b$ est premier avec $a$, la fonction $f(k)=bk$ est un automorphisme de $\mathbb{Z}/a\mathbb{Z}$. Donc il n'y a aucune "différence" entre $k$ et $bk$ modulo $a$ lorsque $k$ parcourt $0,a-1$ : $$
\forall k \in \mathbb{Z}/a\mathbb{Z}, ~\exists k' \in \mathbb{Z}/a\mathbb{Z}\ \mbox{ tel que } k=bk' .
$$ En allant un peu plus loin, je trouve donc l'équivalence : $$
z^{\frac{a}{b}} = 1 ~~\Leftrightarrow ~~ z^a=1 ~~ \mbox{ si pgcd(}a,b)=1$$

Réponses

  • "$z^\frac a b$" n'a pas de sens en tant que complexe, ça n'a de sens qu'à une racine $b$-ème de l'unité près. En particulier, il faudrait préciser le sens de "$z^\frac a b = 1$".
    Une interprétation possible est que tu veux dire "il existe une racine $b$-ème de $z^a$ qui vaut $1$". Mais s'il existe une telle racine $b$-ème, alors forcément $z^a = 1$, et évidemment, si $z^a= 1$, il existe une telle racine $b$-ème (rien à voir avec la primalité de $a$ et $b$)
  • Je savais que quelque chose coinçait... merci Maxtimax. As-tu une autre interprétation que celle que tu as évoquée ? Parce que je n'en vois pas ^^'

    Pour résumer, $z^{\frac{a}{b}} = e^{\frac{a}{b}\ln(z)}$ et on tombe sur le problème "du" logarithme dans $\mathbb{C}$.

    Par contre je ne comprends pas bien la fin de ton message :
    "évidemment, si $z^a=1$, il existe une telle racine $b$-ème (rien à voir avec la primalité de a et b)

    C'est clair que $1^{\frac{1}{b}}=1$ ? Je pose la question car d'un côté, $1^{\frac{1}{b}}=e^{\frac{1}{b}\ln(1)} = e^0 = 1$ donc je dis oui. Mais d'un autre côté, si je prends $b=2$ par exemple, on a forcé la racine carré d'un nombre à être positive. C'est un choix arbitraire plutôt qu'une conséquence non?.
    On aurait pu définir $\sqrt{1}=-1$ comme $\sqrt{4}=-2$ si on avait voulu le faire dans l'autre sens. Comment réconcilier les deux côtés ?

    Et si $b>2$, on a encore plus de choix à faire ! Ce n'est tellement pas clair dans ma tête...
  • On pourrait dire "pour toute", mais ce ne serait pas pertinent. A part ça, je ne vois pas.

    Attention, j'ai dit "il existe une telle racine $b$-ème" ! Et $1$ est bien une racine $b$-ème de $1$ :-D
  • D'accord B-)

    Pour essayer de conclure, une question : est-ce que je peux dire, par exemple, qu'il existe une racine $3$-ème de l'unité $\mu_3$ telle que $i^{\frac{4}{3}}=\mu_3$ ?
  • bonjour Light

    il existe trois racines à ton équation $i^{\frac{4}{3}}=\mu$

    ce sont 1, j et j² (on apprend cela en Terminale)

    cordialement
  • Bonjour jean lismonde,

    Sauf que $i^{\frac{4}{3}}$ n'est pas une équation ! D'où ma question : est-ce un nombre ? Et alors ce serait une des racines troisièmes de l'unité... mais laquelle ? Peut-on la choisir comme cela nous arrange ?

    Ou est-ce que l'on touche forcément aux fonctions multivaluées (voir ici ) et donc on ne peut choisir ?

    Pour ce qui est de l'équation $x^{\frac{1}{n}}=1$, avec $x \in \mathbb{C}$, j'ai eu beaucoup de mal à me convaincre que $x=1$, mais je crois avoir trouvé une démonstration :
    $$ (x^{\frac{1}{n}})^n = x^1 = x ~~~~~\mbox{ et } ~~~~~ 1^n=1 ~~ \Rightarrow ~~ x=1 $$
    Qu'en pensez vous ?
  • Le problème est que tu as une fonction $x\mapsto x^{\frac{1}{n}}$ qui est parfaitement bien définie sur $\mathbb R_+$ ($\mathbb R$ si $n$ est impair), et donc tu as un symbole $(-)^\frac 1 n$, que tu t'amuses à appliquer à des objets sur lesquels il n'est pas défini.
    Donc à moins que tu précises ce que tu entends par là, ça n'a pas de sens.

    Mais réjouis-toi : tant que ta décision est précise, tu peux décider ce que tu veux. Par exemple tu peux décréter que $x^\frac 1 n$ est l'ensemble des racines $n$-èmes de $x$, auquel cas $x^\frac 1 n = 1$ est simplement faux (modulo idioties de théorie des ensembles, mais passons).

    Tu peux aussi décréter que $x^\frac 1 n$ est l'unique racine $n$-ème de $x$ dont l'argument est minimal dans $[0,2\pi[$. Ce ne sera pas continu, mais bon, ce sera défini.

    Bref, tu fais ce que tu veux dans les définitions. Après, pour le reste, il faut prouver ce que tu annonces (par exemple, selon ton choix, $(x^n)^\frac 1 n = x$ ne sera en général pas vrai)
  • Je fais ce que je veux, je m'amuse... je ne préférerais pas si je me trompe ! J'hésite plus qu'autre chose à vrai dire, ce qui n'est pas plaisant du tout.

    Lorsque je pense à $x^{\frac{1}{n}}$, je l'entends facilement pour $x$ complexe comme pour $x$ réel : sauf que cela devient faux. Alors je me raccroche à $x^{\frac{1}{n}} = e^{\frac{1}{n} ln(x)}$, qui est casse gueule quand on ne comprend pas bien toutes ces histoires de logarithme lorsque $x$ est complexe.

    Pour éviter de dire le plus de bêtises possibles, j'ai relu une bonne dizaine de fois ton dernier message Maxtimax. Il est épais pour moi, je t'en remercie.

    Est-ce que je peux le résumer comme cela :
    $\bullet$ soit on choisit de définir $x^{\frac{1}{n}}$ comme un ensemble, et à ce moment résoudre une équation du type $x^{\frac{1}{n}}=1$ n'a pas de sens.
    $\bullet$ soit on choisit de définir $x^{\frac{1}{n}}$ comme une racine $n$-ème avec un certain critère cohérent (comme l'argument est minimal dans $[0,2\pi[$ par exemple) et après on travaille avec ?
  • Tu peux le résumer comme ça mais il y a peut-être d'autres possibilités (d'autres points dans ta liste) auxquelles on n'aurait pas pensé.

    Tu dis "après on travaille avec", mais le problème c'est que du fait du choix que tu dois faire, ça va être compliqué de vraiment travailler avec (d'ailleurs, ce ne sera pas forcément pertinent).
    Ce qu'on a tendance plutôt à faire dans ce genre de situations c'est d'inventer de nouveaux objets qui capturent la complexité de la situation - mais dans ce cas on ne travaille plus sur les mêmes choses et on ne se pose plus les mêmes questions.
  • Je te remercie beaucoup Maxtimax mais... il faut que tu développes ! ^^
Connectez-vous ou Inscrivez-vous pour répondre.