Réduction simultanée des parties décimales — Les-mathematiques.net The most powerful custom community solution in the world

Réduction simultanée des parties décimales

Bonjour à tous

Une question qui m'occupe depuis un moment :

On se donne trois réels $x,y$ et $z\ , \mathbb{Q}$-linéairement indépendants . Est-il toujours possible de trouver un entier non nul $k$ plaçant $\{kx\}\ ,\{ky\}$ et $\{kz\}$ dans un voisinage donné de $0$ ? Le résultat semble évident et pourtant :-S

Merci d'avance pour vos réponses :-)

Domi

PS : Les accolades représentent les parties décimales des réels ( $\{x\}=x-\lfloor x\rfloor$ ) .

Réponses

  • Je ne sais pas si marche, mais ma première idée serait d’essayer d’utiliser le principe des tiroirs de Dirichlet dans $\R^3$ avec les nombres $u_k=(\{kx\},\{ky\},\{kz\})$ pour $k\in\N$.
  • Autre idée, peut-être saugrenue…

    On approche de très près (aussi bien que suffisant) par des rationnels les réels $x$, $y$ et $z$.
    Une approximation décimale doit suffire (j’entends avec « les bons chiffres derrière la virgule »).
    Puis je boucle en choisissant un $k$ qui met tout le monde d’accord (partie décimale exactement nulle).

    Je ne sais pas si ça marche, ni si je me fais bien comprendre.
  • Avec l'équirépartition modulo 1 on peut avoir une réponse même si c'est peut-être "rouleau compresseur". Voir corollaire 16 à la page 8 de ce document https://www.unige.ch/math/folks/delaharpe/vulgarisation/4Therg20mar05.pdf
  • Le résultat est vrai dès qu'au moins l'un parmi $x, y$ et $z$ est irrationnel, mais c'est un peu fatiguant à écrire. L'ingrédient-clé est le résultat pointé par raoul.S, qu'on appelle le théorème de Kronecker-Weyl discret, mais qu'on ne peut pas appliquer directement ici car on n'a pas supposé que $(1,x,y,z)$ est linéairement indépendant sur $\mathbb Q$. On s'en sort en partitionnant $\{(\{kx\}, \{ky\}, \{kz\}) \mid k \in \mathbb Z\}$ selon le reste de $k$ modulo le PPCM des dénominateurs des coefficients d'une relation de dépendance linéaire éventuelle entre $1,x,y$ et $z$.

    EDIT : comme vu plus bas, c'est faux en l'état. Par contre on s'approche des "coins", ça c'est sûr.
  • Nul besoin de théorème compliqué ici, un simple lemme des tiroirs fera l’affaire. On subdivise $\mathbb{R}/\mathbb{Z}$ en $N^3$ hypercubes de côté $1/N$. Ensuite je regarde la suite de triplets $({kx},{ky},{kz})$ pour $k$ dans $\{1,\ldots,N^3+1\}$. Par le lemme des tiroirs pour deux valeurs $k,l$ on aura deux triplets dans le même hypercube, par simple différence $({k-l x}, {(k-l) y}, {(k-l) z})$ est dans un voisinage de $0$ de taille $1/N$.
  • je viens juste de voir que la suggestion de MrJ était similaire. Il faut juste utiliser le lemme des tiroirs dans le tore, en utilisant l’indépendance sur Q pour affirmer que la suite des réductions modulo 1 de kx, ky, kz est injective. C’est ça qui permet d’appliquer le lemme des tiroirs.
  • Merci pour toutes vos réponses , les tiroirs me conviennent parfaitement :-)

    Domi
  • En essayant de rédiger proprement la démonstration avec les tiroirs dans les cubes je me suis rendu compte qu'il y avait un hic. En effet en reprenant les notations de Psychcorse, on peut très bien avoir $\{kx\}>\{lx\}$ et $\{ky\}<\{ly\}$ et on a un problème car si l'une des valeurs $\{(k-l)x\}$ et $\{(k-l)y\}$ est proche de $0$, alors l'autre est proche de $1$. Je n'ai pas encore regardé si les autres propositions évitent cet écueil.

    Domi.
  • C'est faux, en effet, soit $x=\sqrt{2},y=1-\sqrt{2}, z=\pi$, alors pour tout $k$ entier positif $\{kx\}+\{ky\} \in \N$, donc $\{kx\}$ et $\{ky\}$ ne peuvent être tous les deux plus petits strictement que $1/2$ si $k>0$.
  • $x,y$ et $z$ sont bien $\Q$-linéairement indépendants. En effet, si $ax+by+cz=0$, alors $(a-b)\sqrt{2}+b+c\pi=0$, donc si $a,b,c \in \Q$, alors $a-b=0$, $b=0$, $c=0$, donc $a=0, b=0, c=0$, (car $1,\sqrt{2}, \pi$ sont $\Q$-linéairement indépendants).
  • $\{kx\}+\{ky\}=kx-\lfloor kx \rfloor+ky- \lfloor ky \rfloor=k\sqrt{2}+k(1-\sqrt{2})-\lfloor kx \rfloor-\lfloor ky \rfloor=k -\lfloor kx \rfloor-\lfloor ky \rfloor\in\Z$. De plus $\{kx\}+\{ky\} \geq 0$, donc appartient à $\N$.
  • Donc pour tout $k>0$, $(\{kx\}, \{ky\}, \{kz\}) \notin ]-\frac{1}{2},\frac{1}{2}[~ \times ~]-\frac{1}{2},\frac{1}{2}[~ \times~ ]-1,1[$
  • En effet , plus généralement si la somme de deux éléments irrationnels de $\{x,y,z\}$ est entière alors on ne pourra pas enfermer $\{kx\},\{ky\},\{kz\}$ dans un voisinage serré de $0$. Il semble que c'est possible dans tous les autres cas (en évacuant au passage la référence à l'indépendance linéaire).

    Ceci reste à prouver bien sûr.
    Domi.
  • Si $x=\sqrt{3}+\sqrt{2}, y=\sqrt{3}-\sqrt{2}, z=4-2\sqrt{3}$, alors $x,y,z$ sont $\Q$-linéairement indépendants, et $\{ kx \} +\{ ky \} +\{ kz \} \in \N$. De plus, on n'a jamais $\{kx\}=0$, ni $\{ky\}=0$, ni $\{kz\}=0$ si $k>0$. Donc on ne peut avoir $\{kx\}, \{ky\}, \{ kz\}$ tous les trois plus petits strictement que $1/3$ si $k>0$.
  • Oui , il faut bien sûr ajouter que $x+y+z$ n'est pas entier .

    Pour résumer , car à force de changer les hypothèses on ne sait plus de quoi on parle :-)

    On dispose d'un ensemble de trois réels $\{x,y,z\}$ tel que la somme d'éléments irrationnels distincts de cet ensemble ne soit jamais entière . Peut-on toujours choisir un entier $k$ qui enferme $\{kx\},\{ky\}$ et $\{kz\}$ dans un voisinage donné de $0$ ?

    Ici on ne parle plus d'indépendance linéaire .

    Je me doute bien que ce fil est pénible à suivre et j'en suis désolé mais je cherche en même temps que vous :-(

    Domi
  • Si $x,y,z$ sont irrationnels et si une combinaison linéaire de $x,y$ et $z$ à coefficients entiers positifs est un entier alors il me semble qu'on ne peut pas trouver de triplet $(\{kx\}, \{ky\}, \{kz\})$ aussi proche de $(0,0,0)$ que l'on veut.
    En effet, si $x,y,z$ irrationnels et si $ax+by+cz \in \Z$ avec $a,b,c \in \N^*$, alors $akx-a\lfloor kx \rfloor +bky-b\lfloor ky \rfloor+ckz-c\lfloor kz \rfloor \in\Z$. Donc $a\{kx\}+b\{ky\}+c\{kz\}\in \Z$ et est $\geq 0$, donc $\in\N$.
    Donc si $k>0$, on ne peut avoir $(\{kx\}, \{ky\}, \{kz\}) \in ]-1/(3a),1/(3a) [ ~\times ~ ]-1/(3b),1/(3b)[ ~\times ~ ]-1/(3c),1/(3c)[$.
  • Exemple $x=\sqrt{3}+\sqrt{2}, y=\sqrt{3}-\sqrt{2}, z=2-\sqrt{3}$, alors $x+y+2z =4\in \Z$.
  • Oui j'ai mal lu la question de Domi j'ai fait la preuve pour $\text{dist}(k x ,\mathbb{Z})$ ce qui est différent à priori de $\{k x\}$ puisque ça compte comme voisinage de zéro la situation où $\{k x\}$ est proche de $1$ également.

    Je vais revoir la question.
  • Je n'arrive plus à faire fonctionner l'argument des tiroirs si l'on travaille avec la partie décimale au lieu de la réduction modulo $1$. Je propose une approche différente. Désolé par avance si je dis des bêtises je m'embrouille avec la partie décimale et la distance aux entiers.

    On considère $\epsilon>0$ et je fixe $a,b$ de sorte que $[a,b]\subset \,]0,\epsilon[$. Je considère enfin $\phi$ une fonction de classe $\mathcal{C}^\infty$ qui est supportée dans $[a,b]$, positive et d'intégrale égale à $1$ et je la prolonge ensuite par $1$-périodicité.

    Je souhaiterais prouver que $\lim_{n\to\infty} \frac{1}{n}\sum_{k=1}^n \phi(k x) \phi( k y) \phi (k z)=(\int_a^b \phi(x) dx)^3=1$. En particulier je pourrais en déduire qu'il existe une infinité d'entiers $k$ tels que $kx =p_k^x + r_k^x,\ ky=p_k^y+r_k^y,\ k z=p_k^z+r_k^z$ avec $p_k^x, p_k^y, p_k^z$ des entiers et $r_k^x, r_k^y,r_k^z$ trois réels dans $]a,b[$ donc qui sont positifs et petits. En particulier on aurait alors $r_k^x=\{k x\}$, $\ r_k^y=\{k y\}$ puis $r_k^z=\{k z\}$ ce qui répondrait à la question.

    Je peux développer $\phi$ en série de Fourier qui converge normalement dans ce cas :
    $$
    \phi(x)=\sum_{p\in\mathbb{Z}} c_p(\phi) e^{ 2 i \pi p x},

    $$ et je peux alors écrire
    \begin{eqnarray*}
    \frac{1}{n}\sum_{k=1}^n \phi(k x) \phi(k y) \phi(k z)= \Big(\int_a^b \phi(x) dx\Big)^3 + \sum_{(p,q,r)\neq(0,0,0)} c_p (\phi) c_q(\phi) c_r(\phi) \frac{1}{n}\sum_{k=1}^n e^{2 i \pi k (px+qy +rz)}.

    \end{eqnarray*} Si je suppose que $px+qy+rz$ n'est jamais un nombre entier sauf si $p=q=r=0$, alors on aura $\frac{1}{n}\sum_{k=1}^n e^{2 i \pi k (px+qy +rz)}\to 0.$

    On peut justifier l'interversion de limite ici car $\sum_p |c_p(\phi)|<\infty$, ce qui garantit que $\sum_{(p,q,r)\neq(0,0,0)} c_p (\phi) c_q(\phi) c_r(\phi) \frac{1}{n}\sum_{k=1}^n e^{2 i \pi k (px+qy +rz)}\to 0.$ La limite est donc bien $\big(\int_a^b \phi(x) dx\big)^3$ comme annoncé et donc on a une infinité d'entiers $k$ pour lesquels les parties décimales de $kx, ky ,kz$ sont petites.
  • D'accord Marco, ce qui donne de très nombreux contre-exemples. (tu)

    En fait mon problème de départ était de trouver une condition nécessaire et suffisante sur les réels $x,y,z$ pour qu'il existe un entier $k$ tel que $\{kx\}+\{ky\}+\{kz\} \notin [1;2]$. Le cas où au moins deux des réels sont rationnels est vite expédié, il reste les autres possibilités.

    Domi.
  • Oulala la solution de psychcorse est géniale.
  • Sans doute géniale mais fausse comme la montré Marco :-)

    Domi
  • La preuve de psychocorse est juste... Relis bien, il y a une condition sur les $x,y$ et $z$ pour que ton questionnement fonctionne !
    Au passage le contre-exemple de Marco n'est techniquement pas un contre-exemple puisque tu as toi-même supposé (il faut un peu rectifier) que $1,x,y$ et $z$ sont $\mathbb{Q}$-linéairement indépendants.
  • Cher Domi
    Tentons de clarifier la situation :

    Si $x,y,z$ sont irrationnels (pas besoin d’utiliser d’indépendance sur $\mathbb{Q}$ ) alors par le lemme des tiroirs on a une infinité d’entiers $k$ tels que $dist((kx,ky,kz),\mathbb{Z}^3)$ est petit.

    Ca ne répond pas à la question d’accord car la partie fractionnaire n’est pas la distance aux entiers et marco a donné des contre-exemples quand on peut avoir par exemple $x+y+z$ qui est un entier.

    Si l’on suppose cette fois que $px+qy+rz$ n’est jamais un entier, sauf pour $p=q=r=0$ alors $({kx},{ky},{kz})$ est équirépartie dans $[0,1]^3$. C’est la même preuve que pour le critère de Weyl. Ceci n’est pas contradictoire avec les contre-exemples de marco.
  • Ca marche effectivement si $1,x,y,z$ sont indépendants, mais ce n'est pas une CNS. Par ex si $x=y=z$ est irrationnel, le résultat reste vrai. Donc la CNS reste à trouver.
  • J'ai pas le temps de vérifier en détail mais en réfléchissant un peu, je pense que la négation de la condition de Marco est une CNS, i.e pas de combinaisons entières positives de x,y,z qui soit entier.
  • psychcorse a écrit:
    C’est la même preuve que pour le critère de Weyl

    Ah c'est pour ça que je l'ai trouvée géniale, parce que je n'ai jamais lu le critère de Weyl...B-)-
  • Je réfléchis au truc de Namiswan.

    Pour Raoul: maintenant tu l’as lu!
  • J'ai édité mon message, je me suis aussi fait avoir par la distance à $\mathbb Z$. Dans tous les cas, on peut montrer que quel que soit le voisinage de $0$ dans $\left(\mathbb R/\mathbb Z\right)^3$, la suite en question admet au moins un terme dans le-dit voisinage.
Connectez-vous ou Inscrivez-vous pour répondre.
Success message!