Groupe engendré par une rotation irrationnelle

Titre initial Groupe monogène engendré par une rotations irrationnelles

Bonjour, voici un problème que j'ai déjà posé sans avoir eu de réponse:

Je considère le groupe G des rotations sur le cercle unité muni d'une origine.
Soit G_a le sous-groupe de G engendré par la rotation d'angle 2pi/a, a irrationnel. L'ordre de ce sous-groupe est infini mais dénombrable, donc tous les points du cercle ne sont pas atteints puisque cet ensemble n'est pas dénombrable. C'est donc un sous groupe strict.
Questions :
- L'ensemble des points du cercle représentatif des éléments de ce sous-groupe G_a a-t-il des particularités (qui peuvent dépendre du choix de l'irrationnel a), par exemple peut-il avoir des points d'accumulation ou la répartition est-elle toujours uniforme ? Est-il dense dans le cercle ?
- Cet ensemble a-t-il des particularités différentes si a est irrationnel algébrique ou irrationnel transcendant ?
Il me semble que la question sous jacente à ce problème est l'approximation d'un irrationnel par un rationnel.

Voici quelques réflexions personnelles sur la manière de l'aborder:

Je choisis d'abord une nombre k^2 fini d'itérations de la rotation 2pi/a. Par commodité je choisi k^2 carré de l'entier k. J'obtiens donc k^2 points sur le cercle.
Je divise le cercle en k secteurs égaux et je compte les points dans chaque secteur. j'obtiens ainsi un "histogramme circulaire" (en coordonnées polaires) de la densité de points pour un nombre k^2 fini de points. Par exemple k^2 = 10000, je définis 100 secteurs et il y aurait 100 points par secteur si cette densité était uniforme. Evidemment, elle ne l'est pas : si on suppose que a est très proche d'un rationnel b, les points vont se grouper (au moins pour k^2 pas trop grand) autour des points 2npi/b, n entier.
Une fois cette densité ainsi définie pour k^2 fini, faisons tendre k vers l'infini. Que devient la densité ? Est-ce qu'elle se lisse pour tendre vers l'uniformité ? Si oui, la vitesse à laquelle elle se lisse doit dépendre de l'irrationnel a. On pourrait quantifier cette vitesse en définissant une dérivée discrète sur l'histogramme.
Peut-être même, cela ne tend pas vers l'uniformité et alors on a une densité limite non uniforme !! encore plus intéressant !

Ce problème excite ma curiosité. Il doit bien avoir déjà été étudié...
Si vous avez des éclaircissements (votre propre réflexion ou des références bibliographiques),
Merci d'avance à ceux qui pourront m'éclairer.


[Evite les titres trop long. Tu as tout le corps du message pour t'exprimer. AD]

Réponses

  • Salut,

    Tu es sur la bonne voie, ce que tu appelles "uniformité" est habituellement appelé "équirépartition". Plutôt que de faire varier simultanément $k$ (le nombre de secteurs) et $n=k^2$ (le nombre de termes de la suite) on fixe en général un arc de cercle $I$ (d'intérieur non vide) et on montre que la fréquence de "hit" de $I$ tend vers sa longueur.
  • Si a est irrationnel alors le groupe engendré par $e^{i\frac{2\pi}{a}}$ est dense dans le cercle unité (exponentielle complexe d'un sous-groupe dense de $(\R,+)$).

    Pour ce qui est de la répartition, cela dépend fortement de l'origine choisie... si tu fais $k^2$ itérations en partant de 1 ou en partant de la 300ème itération, ça peut très bien donner des résultats différents.
  • Bonsoir FAN FAN

    << si on suppose que a est très proche d'un rationnel b >>
    Q étant dense dans R, il y a une infinité de rationnels aussi proche qu'on veut de a.

    Alain
  • Bonjour,
    oui Q est dense dans R il y a donc un rationnel aussi proche que voulu d'un réel donné mais on peut tout de même distinguer les réels bien approchés par les rationnels de ceux qui le sont moins(approximation diophantienne,se référer au livre de Descombes "Elements de théorie des nombres",je crois que c'est le bon titre je ne l'ai pas sous la main,premier chapitre pour al dimension1).
    Aurevoir
  • Bonjour et merci pour ta réponse,

    Je déduis de celle-ci que la densité de points (telle que je l'ai définie tend vers l'uniformité).
    Alors la question qui reste serait celle-ci :
    - La "vitesse" à laquelle la densité de points tend vers l'uniformité (ou l'équipartition suivant ta terminologie) dépend-elle de l'irrationel a. Si elle en dépend, on pourrait classer les irrationnels en fonction de cette vitesse : ceux qui tendent plus rapidement vers la densité uniforme étant ceux dont l'approximation par un rationnel est la moins "précise", ceux qui tendent le plus lentement étant ceux qui s'approximent le mieux par un rationnel...
    Les termes en italique demanderaient une définition rigoureuse, par exemple pour la "vitesse", il faudrait définir une dérivée discrète en fonction de k²...

    Remarque: j'ai choisi k² pour que la division en secteurs et le nombre moyen de points par secteur soient égaux mais c'est par pure commodité.
  • Bisam dit
    "Si a est irrationnel alors le groupe engendré par $e^{i\frac{2\pi}{a}}$ est dense dans le cercle unité (exponentielle complexe d'un sous-groupe dense de $(\R,+)$). "

    De manière plus exlicite soit $G=2\pi/a\Z+2\pi \Z$

    (G,+) est dense dans (R,+) d'après les hypothèses.

    soit f: R->U
    x->exp(ix)

    f est un homomorphisme de groupe continu. Son image est donc un groupe et de plus il est dense dans U comme image d'une partie dense par une application continue
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