o pour a e Cp fixé. Une autre possibilité de construire une fonction
limite, à partir 3e la suite de polynômes (Pmp"(0)„>o' consistera à considérer une
suite (Pmpv(O)1^0 en choisissant Çu dans une partie adéquate de Cp.
Définitions 1.6.1 Pour h entier positif, considérons le groupe p,pk des racines
pk-ième$ de l'unité dans Cp, i.e
fip, = {( e cp : ck = i} c /o; avec Cj.- ^ /V e' Ct — V(C*+! ) = Clt+i ¦
Proposition 1.6.1 Si (Pn(O)nM C Zp[i] est une suite de polynômes vérifiant les
congruences de Honda
P„p(t) = P71(F) mod npZp[t], (n > 1),
alors, quel que soit m > 1 et pour tout [C] 6 Zp(I).. Io limite
jjrn Pmp"(C)
existe et définit ainsi une fonction continue sur Zp(i).
Preuve.- Soient donc m > 1 et un élément [Cj = (C)*>o àe Zp(l). La suite définie
par b„ = Pmp"(Ci/) «st une suite de Cauchy car
|6„-6„_,| = \PmAU - P^-MC^Î
= 1^V(O-/V-(G)I
< |p"l ¦ MC)I avec r„(t) G Zp[(] (congruence de Honda)
< IpI;
elle est donc convergente. Posons
x ([Cl) = JImP^(CJ;
la majoration ci-dessus entraîne alors la suivante
|Pmp'(U-^V(Cr)I r>0).
Cette dernière reste valable à la limite v —* oo et fournit
I *([C])-JV(C)I < IpI-
La continuité (relativement à la topologie de Zp(l) ) de la fonction x s'ensuit
immédiatement. ¦
-).-1
Chapitre 1. LES CONGRUENCES DE HONDA
1.7 Polygones de Newton
Définition 1.7.1 Soit P(t) = a0 + ait-\------f a„tn G Qp{t\, un polynôme de degré
n > 1 à coefficients dans Qp. L'ensemble représentatif de P{t) est forme des couples
Si = (i,ordp{(ii)) où i G {0.1,....«}.
On appelle polygone de Newton de P(t), l'ensemble jVp des segments [s;,Sjj qui cons-
tituent le bord de l'enveloppe convexe supérieure, (dans R}) de l'ensemble représentatif
de P{t).
Le polygone de Newton ,VV recèle toute l'information concernant les valeurs absolues
des zéros de P[t) dans Cp (voir ['25], [2]). Plus précisément, on aies résultats suivants.
Proposition 1.7.1 S/fs,-,.*,-] est un segment du polygone de Newton .Vp du polynôme
P(I)1 avec
Si = (*". U1-) - Sj = (j.Vj), (j > i),
alors P(I) possède j — i zéros (comptés avec leur multiplicité} de valeur absolue égale
à pA'>, oti Ay = 2^f" est h pente de [s„Sj] (avec la convention: p~'x = Q).
Preuve.- cf. [25].
Définition 1.7.2 Si [s,.sj\ est un segment de pente A1-J du polygone de Newton Mp1
alors A,-; est appelée pente critique de Mp et le nombre r;j = pAij est rayon critique
de À'p. Par abus de langage, on parlera de rayon critique ou de pente, critique du
polynôme P(t)-
Ainsi, r est rayon critique de /Vp si et seulement s'il existe a 6 Cp, avec P(a) = 0 et
|fl| = r.
Exemple.- L'ensemble représentatif du polynôme
p(t) = (i + ty-i = J2Qtk
t=i
est formé des p + 1 couples (0, +ce), (1,1), ... ,(p — 1,1) et Ip1O). Il donne lieu à
un polygone de Newton réduit à deux segments: l'un vertical de pente — oo, l'autre
oblique de pente —^ (0^- ^S- 1-''.I).
1.7. Polygones ttc Newton
23
fig. 1.7.1
On en déduit, sans surprise, que P(O) = 0 et que. par ailleurs, les p — 1 autres zéros
de P([) sont situés sur la sphère de rayon critique [p|p~' .
Par définition. P{t) = 0 si et seulement si I -f ' € /V Ainsi, les racines /)-ièmcs de
l'unité {autres que 1) se trouvent sur la sphère £=,.,(1) de Cp.
La proposition suivante montre comment la congruence de Honda peut, dans certains
cas, fournir une information sur les zéros des polynômes qui la vérifient.
Proposition 1.7.2 Si (Pn('))n>i C Zp[(] est un système de polynômes tels que,
pour tout n > 1, les conditions suivantes soient remplies
1. la congruence de Honda est satisfaite, i.e
Pnp(t) = Pn[P) mod np Zp[I];
2. le coefficient dominant de Pn(t) est une unité;
3. Pn(O) = O;
4. Pn(O) = n-u„ avec Un G Z* ;
alors
{A : A pente critique de P,p(t}} = \~ ¦ A pente critique de Pn{t)ï\jl-----— i .
Plus précisément, si n = mp" avec v > 0 et m premier à p, les rayons critiques du
polynôme P„(t) sont
a) r = 0 lorsque n = \;
24
Chapitre 1. LES CONGRUENCES DE HONDA
b) r = 0 f.t r = 1 lorsque n = m > 2:
c) r = 0./\t = p~ »*<*-» =rxJ>L (Jb = 0,1,...,1/- I) si'm = ] et f > 0,"
d) r = 0, r= 1 ri rk = rlJpk (h = 0.1,... ,f - I) si m > 1 et v > 0.
Preuve.-L'affirmation o) est évidente.
b) Si n = m > 2, alors le polynôme Pn(O s'écrit
Pn{t) = al + ¦ ¦ - + bt"
avec a, 6 € Z*. Son polygone de Newton est donc formé d'un segment vertical et
d'un segment horizontal, qui fournissent les rayons critiques r = 0 et r = 1.
Le point c) s'établit par induction sur v > 1. La congruence de Honda
/»,(O = P1(I") = bt> modpZp[t] (b e z;):
donne la construction suivante du polygone Afp..
fig. 1.7.2
Les rayons critiques de Pv{t) sont donc
i- = 0 et r0 = p~p~' = rB.
Supposons (hypothèse dHnduction) que le polynôme Pp-(Oi (" > 0- possède les c + 1
ravons critiques r = 0 et r*, fc = 0,..., u - 1, provenant du polygone de Newton
1.7. Polygones de Newton
fig. 1.7.3
La congruence de Honda
permet de déduire le polygone de Newton de /y-n(i) de celui de />(')¦ En effet, si
Si = ( t, V1) et Sj = (j, Vj) sont les extrémités d'un segment de AOy. alors 5; = (îp, U1)
et Sj = (jpi»j) sont celles d'un segment de AOy+1- Autrement dit, si iy possède
la pente critique A1 alors /y+i admet y comme pente critique. En outre, les points
si = (l,i/ + 1) et sp = (p,c) sont les sommets d'un segment (de pente -rrr) du
polygone de /y+i(i). Ainsi, le polynôme iy+i(() possède les e + 2 pentes critiques
1
A = -00 ,At = -
(P-I)P*
, * = 0, ¦ ¦ ¦, v.
d) Soit m > 1; le polynôme Pm(t) possède la pente critique A = O: celle du segment
d'extrémités (1,0) et (m,0). Il s'ensuit que r = 1 est rayon critique de Pmp»[t): Quel
que soit v > 0.
Le reste du point d) s'obtient de façon tout à fait analogue au point c). En fait, le
polygone de Newton MpmpV est constitué d'un segment horizontal [(p",Q); (mp",0)]
et du polygone de Newton AOy de Pp- entre les indices 0 et p". ¦
Exemple.- La famille de polynômes, (Qn(0)n>i C Zp[t], définie par
Qn(O = (I+T-I-
satisfait, de façon évidente, aux hypothèses 2, 3 et 4 de la proposition 1.7.2. Par
ailleurs, ainsi que nous l'établirons dans le chapitre 2, la congruence de Honda
Qnp{t)=. Qn(F) modnpZp[t]
26 Chapitre 1. LES CONGRUENCES DE HONDA
est vérifiée pouf tout n > 0, Comme, par définition
Qn(I) = O <=> C = I-He,v
la proposition 1.7.2 fournit la proximité à 1 de ¢, c'est-à-dire la distance
Ki = ii-a
Par exemple, si
Ce iip- -nP*-'..
pour un certain k > 1, alors
Je crois que fa renine mil ( h em* I iq ne nous es!
extérieure, que noire rôle esl de /a découvrir
ou de l'observrr, el que les théorèmes que nous
démontrons, en les qu&iitïanl pompeusement de
"créations', sont simplement des notes sur nos
a (verta I ions.
G. H. Hardy L'apologie d'un mathématicien
Chapitre 2
FAMILLES D5APPELL
2.1 Famille d'Appell et congruences de Honda
Considérons une suite {Pn(t))n>0 C Zp[tf] telle que le polynôme Pn(I) soit, une pseudo-
puissance n pour tout n > 0. D'après la définition donnée dans le chapitre précédent.
ceci signifie que la dérivée Pn(t) appartient rcZp[f], Autrement dit, pour tout n > 0.
il existe un polynôme r„_i(ï) G 2p[t], défini par
Kit) I=TlTnMt).
Ce caractère d'intégralité est la seule condition imposée à la suite (r„(f)); en par-
ticulier, il n'existe aucune relation entre les polynômes Pn(i). L'exigence de com-
patibilité, exprimée ci-après, définit les suites particulières de pseudo-puissances que
nous nous proposons d'étudier.
Définition 2.1.1 Une famille d'Appell1 est une suite (An(ï))n>0, de polynômes liés
par les conditions
Ai(I) = Q et A'n(i) = TiAnMt), (*>!)¦
Remarque.- Avec cette définition, le terme Ak d'une suite d'Appel! [An(t)) C ZP[t]
est une pseudo-puissance k de degré h.
Exemples,- Le présent chapitre se consacre, précisément, à l'étude de quelques
exemples classiques de familles d'Appell. Les polynômes de Bernoulli et d'Euler
font l'objet des sections 2.3 et 2.4, tandis que les polynômes Rn(^) :=(1 + t)n (ren-
contrés dans le chapitre précédent) sont traités en section 2.2.
Remarque.- Si deux polynômes P„p(t) et Pn{t) vérifient la congruence de Honda
Pnp(t) = Pn(V) modnpZp[t], (1)
1PaUl Appell, mathématicien français né à Strasbourg (1855-1930). L'essentiel de son oeuvre se
situe en analyse.
27
2S
Chapitre 2. FAMILLES D'APPELL
alors, clairement, leur évaluation en un quelconque entier p-adique a £ Zp amène la
congruence
. Pnp(a) = Pn(np) modnPZp. (2)
Evidemment, la réciproque est fausse. Même si la congruence (2) a lieu en tout
a g Zp, la congruence polynomial (1) n'en découle pas pour autant.
A titre d'exemple, les polynômes PF{t) = 2f — t et A(O = f ne vérifient pas la
congruence de Honda, bien que
Pp(a) - Pi(ap) = a" - a = 0 mod pZp,
pour tout entier p-adique a S Zp.
En revanche, "la propriété d'Appell" entraîne le résultat suivant.
Théorème 2.1.1 Pour une famille d'Appell (A„(t))n>0 dans Zp[t], les deux affir-
mations suivantes sont équivalentes
(i) Il existe un entier a £ Zp pour lequel
Anp(a) = An(ap) mod npZp,
quel que soit n > 0;
(U) La congruence de Honda
Anp(t) = An(P) modnpZp[t]
est vérifiée pour tout n > 0.
Remarque.- En tant qu'élément d'une famille d'Appell dans Zp[t], le polynôme
-4„(() est une pseudo-puissance n. Ainsi, /e théorème des accroissements finis
p-a.diques (appliquable ici puisque \ap — a\ < \p\ < rc) fournit la congruence
An(a") ~ An(a) mod npZp.
Dès lors, la proposition (i) du théorème 2.1.1 équivaut à la suivante
(i)' Il existe un entier a € Zp en lequel la congruence
Anp(a) = An(a) mod npZp
est vérifiée quel que soit rt > 0.
Preuve du théorème 2.1.1.- L'implication (H) =*• (i) est évidente. La réciproque
(j)' =*¦ (ti) se démontre à l'aide du théorème de Barsky (théorème 1.3.1). Il s'agit de
prouver que les polynômes Cn(O intervenant dans l'identité de Spitzer
exp (^1An(I)-) =1 + E 9"CK. U)
\n>l " / n>l
2.1. Famille d'Appell et congruences de Honda
29
sont à coefficients dans Zp. En dérivant chaque membre de (1) par rapport à la
variable t, on obtient
(z K(t)xA ^?{e MtfA = z ^(^
ou encore, grâce à la propriété d'Appell
(E^-I(O*") (i + É^o*11) = E<(oxn.
\n>] / V «ai / n>l
L'identification des coefficients relatifs à la même puissance de x, fournit la formule
(avec C0(O =0
?;(0 = L^-*-i(09*(').(™>l-J- (2)
Ainsi
CiCO = È^-^MO
= £^^(0^(0+ ^n(O-
t=0
Mais, la proposition 1.3.1 affirme que
9.(0= "E A»-k(t)q„(t), (3)
de sorte qu'on obtient la "*propriété d'Appell"
Cl(O = "î«(0 + A>:(a)(t-«)k. (4)
L'ancrage se déduit de l'équation (2). En effet, pour n = 1, celle-ci s'écrit
¢{(0 = Aoq0(t) = A0 et entraîne le développement ¢,(0 = ("*°)^(a)C - <0 + Çi(a}-
Quant au pas d'induction, on l'établit en exprimant q'n+l{t), à l'aide de (4), comme
suit
Ci(O = (" + AoK(O
= (»+/me ("" 1^+ Ao) 1. le polynôme
appartient à Zp[rj. L'hypothèse (i)' postule que la série formelle
-T. "
est de type p — T ou, de façon équivalente (théorème 1.3.1), que les coefficients qn{a)
sont dans Zp.
Comme Aq G Zp, il en va de même des coefficients binomiaux (""1^ "). Ainsi, tous
les termes du membre de droite de (4) sont entiers p-adiques; ce qui montre que
ÇnfO 6 Zp((] pour tout n > 0 ou, de façon équivalente (théorème 1.3.1). que la série
formelle
yAM±xn
est de type p—T. A ce titre, ses coefficients satisfont à la relation de congruence
Anp(t) = An[P) mod npZp[t\.
Remarque.- Soit (Çn('))„>i 'a suite de polynômes associée à une famille d'Appell
Mn(O)0X) e Zp['l Par l'identité de Spitzer
«pfe—«"i-l + EUO*".
Au cours de la démonstration du théorème 2.1.1, nous avons établi les propriétés
suivantes pour la suite (Çn(')Jn>o-
a) Le polynôme ç„+i(') est une pseudo-puissance n + /lo;
b) Si /I0 = 1, alors la suite (?B(0)n>o est une fami'e d'Appell.
2.2. Les polynômes Rn(t) = (1 + t)"
31
2.2 Les polynômes Rn(t) = (1 + t)"
En guise de premier exempie tic familles d'Appelî. considérons les polynômes
Rn(t):={l+t)\ («>0).
Comme
^(() = ^1+0"-1 = HAn^1(O, («>l);
A0(O = i ;
An(O) = I, (n> 1);
le théorème 2.1.1 s'applique et établit les congruences de Honda transcrites dans la
proposition suivante2.
Proposition 2.2.1 Pour tout n > 0, on a la congruence
(I+*)"" = (1+ C)" mod npZ„[t].
Remarques.- 1) Le développement binomial de Rn(t) implique que les coefficients
binomiaiix satisfont à la relation
En effet, on a
4.(0-AOT = E(7)'l-Ê0'"
p ne divin pai k
= 0 mod npZp[t\.
Ces congruences sont bien connues et ne représentent qu'une version plus faible d'un
résultat de G. S. Kazandzidis {22], [23], [24], qui sera utilise au chapitre 4.
2) Notons que la proposition 2.2.1 se démontre aussi à partir du théorème de Barsky.
En effet, la série formelle
ti \ T^ ^"(0„n
¦Equivalente au lemme 1.4 de [7],
:32
Chapitre 2. FAMILLES D'APPELL
se laissant écrire sous la forme
M - E^"
= £«i-h)*}^
= -1Og(I-(Z),
le développement de son exponentielle
exp(/(x))=-^— = l + £9ll(Oxn,
1 rI n>l
fait apparaître les polynômes qn(t) = i" € Zp[(). Ainsi, la série formelle f(x) est
de type p — T, et de ce fait, ses coefficients vérifient les congruences de Honda. An
passage, on trouve le groupe formel
F(*,v) = rl(f[*) + f(v)) = * + y-txy:
isomorphe sur Z[t) au groupe multiplicatif
Gm[x,y) = x + y + xy.
via !'isomorphism«
A(z) = exp(/(x))- 1 = -2--1 = -^-=tx + (V + ---.
1 — IX 1 — IX
Pour le cas particulier où n = pT avec r > O,la congruence de la proposition 2.2.1
s'écrit
(1+,1"'41S(I + ^)'' morf/+%[!,]. (1)
Maintenant, si y est choisi égal à
y = -2/2 + i2,
alors il existe un polynôme s(x,t) £ Zp[i, (] pour lequel
y" = -2(pxp + xïp + ps(x, 0-
Des lors, en appliquant le théorème des accroissements finis à Ia congruence (I), on
obtient
(1-2(1 + *2)''*' =. (l -2(pxp + xîp + ps(x,0)pr modpr+'Zp{x,t]
= (l-2(prp + xîp)P' modpT+,Zp{x,t).
2.2. Les polynômes An(I) =(1 + 0" 33
Si (Ir(Lx) et qT+i[t.x) dénotent. ies polynômes définis par
(l_9;.r4.x2)pr+1 = 1+9,+,((.1),
( 1 - 2/pxp + x^f = 1+C1-(C1X"),
alors, la dernière congruence exprime le fait que
t,r+1{t.x) = qAtp,x') mod pr+1ZPM-
Soit maintenant fi € %v\ on a alors
[l~2tx + x2)->*r" = {{\.~2tx + xY*'y'i
= {l+9r+1(t,x)}-"
= 1:(7)(9-^^ + ^^0}'.
où u(x,i) est un polynôme à coefficients dans Zp. On en déduit la congruence
(i-2(x + xVpr+1 = E(7)9r((P'xP,fc ™«*p'+,Zp[ 0, la congruence suivante est
vérifiée
(l-2ix + x2)""'r+' =(l-2t'V + x2'ï)"''pr mod pT+%[t]{[r]\.
Définition 2.2.1 Les polynômes de Gegenbauer C„(i) sont definii formelle ment
comme coefficients de ta fonction génératrice
<}(x) = (l - 2(x + X2)'" = Y, Cvn{t)xn.
3VoIt[I]. [28].
3-i
Chapitre 2. FAMILLES D'APPELL
Voici la liste des six premiers.
Co(O = 1;
CJ(t) = -i/ + 2y{l+i/)(3;
C£(0 = -21/(1 + 1/½+ Wjf»"V;
C4-(O = ^ - 2(1 + 1/)(2 + „)<3 + ^^")P+>»^)f4.
Cs*(0 = vjï + 1/)(2 + v)t - -M^)^)^)^ + ^i+^)(3^C^)fS.
Proposition 2.2.2 ics polynômes de Gegenbauer C%(t) vérifient les congruences
suivantes
• C£(0 = CM') mod upZp[t], (n > O1I/ e Z„);
• CJf(O = 0 mod vpZp[t] si p ne divise pas n > 1.
Preuve.- Par définition
9[x) =(i-2tx + x2)"" = I]Cn-(O^";
soit alors Tunique unité p-adique /iêZ telle que i/ = fipT ^ 0 , (r > 0). Appliqué
à <7(a")p - c,g(r"), le lemme 2.2.1 fournit la congruence
£ cj?(o*n - 5]c;(iy
= (i-aï + ï')-'t,.(i-av + i'')"w'
= 0 mod pr+1Zp[t][[*]l
dans laquelle, l'identification des coefficients des puissances de x traduit les deux
points de la proposition. ¦
Remarque.- Dans [7], .1-L Brylinski établit des congruences analogues à celles
énoncées dans la proposition 2.2.2, mais seulement modulo p. Plus précisément,
il démontre que si v est un demi-entier et si p est premier impair, alors
• C£(0 = Cn-(O" mod p, (n > 0);
• CJf(O = 0 mod p si p ne divise pas n > 1.
Notre résultat représente donc une amélioration sensible.
2.3. Nombres et polynômes de Bernoulli
35
2.3 Nombres et polynômes de Bernoulli
Une abondante littérature^ est consacrée à l'étude des nombres et polynômes de
Bernoulli.5 Le but de cette section est. d'une part, d'établir les congruences de
Honda pour les polynômes de Bernoulli et d'autre part d'apporter des preuves
p-adiques aux célèbres résultats de von Staudt-Clausen et Kummer ainsi que d'énoncer
de nouvelles congruences sur les nombres de Bernoulli.
Définition 2.3.1 Le développement en série
définit les polynômes de Bernoulli B„(t) qui ont pour coefficients constants, les nom-
bres de Bernoulli bn := Bn(O).
Citons les premiers de ces polynômes
B0(O = i;
B1(O = i-b
B2(t) = (a-* + J;
B3(O = ?-It*+ fr
B4(O = t«-2*3 + t2-JL;
B5(O = *5 - fi* + §*3 - J*.
Ainsi io = 1, 6, = i, O2 = |, O3 = 0, b< = -£, b5 = 0, etc..
La proposition suivante dresse une liste des propriétés dont nous ferons usage dans
la suite.
Proposition 2.3.1 Les nombres et polynômes de Bernoulli ont les propriétés sui-
vantes
î) W = O, (n>i);
2) B'n(t) = nBn-1(t), (n>l);
Ir
3) Bn(I+ I)-Bn(O = ni*"1, (n>l)î
4) Bn(O = LU G)M"', (">0)î
«Cf. [27], [17].
5Il s'agit ici des nombres de J arques Bernoulli (1654-1705) et des polynômes de Daniel Bernoulli
(1700-1782). Le terme de "polynômes de Bernoulli" fut introduit par J.-L. Raabe en 1851.
36
Chapitre 2. FAMILLES D'APPELL
5) Sk[N) := £o<«,v C = B^~^\ {(V > 1);
6) Sn(I -O = (-l)"ßn(0, («>0Ï;
7) (-l)nß„(-0 = 5n(0 + n(B-1. (n>0);
8) Bn[mt) = m""1 Z^ B» (f + £) - (" > °-"> ^ 1J-
Preuve.- En dérivant, par rapport à t. la fonction génératrice
on obtient
Ôb(x.t) i'e* ,, (
¦ =.1:-6(1,0;
Bt er - 1
une identité qui s'écrit, in extenso
et qui entraîne que B'0(t) = 0 ams' °.ue 'a propriété d'Appel! 2) iOO = nBn-i{t).
A l'aide de cette seule propriété, on établit, par induction sur n > 0 (tout
comme dans l'équation (3) de la section 2.1), le développement binomial
4) A(O = Ef? W"'.
t=o v^
Afin de démontrer la propriété 3), comparons les deux séries formelles b(x, t) et
b[x,t+l). D'une part, on a
MxJ + 1) - b(Xlt) = £{*„(* + ï) - Bn(t)}-,
d'autre part
^ + i)-*-^,
ce qui fait que Bn{t + 1) — Bn(I) = ni1"1, (n > 0). La fonction génératrice Ì(i,0 a
également la propriété suivante
-xelx -are1!'+1*
2.3. Nombres et polynômes de Bernoulli
:37
Le développement, en séries des deux membres de (1) s'écrit,
et fournit i'identité Bn(t + 1) = (—l)nBn(—t). Grâce à ia substitution ( y-* -t, on
en déduit la relation
6) Bn(I-O = (-0"A-(O-
En substituant la propriété 3) dans l'identité Bn(t + 1) = ( — l)nBn(-t), on tire
(-l)"5„(-0 = Bn{t + 0 = Bn(I) + nt*-1;
c'est-à-dire la propriété 7), dont l'évaluation en t = 0 établit 1).
Grâce à la propriété 3). on a, pour k > 0
*_ Bt+1(I+I)-Bt+1Jt)
k + l
expression qui conduit à la relation avec les sommes de puissances
Sk(N) = SV = -±- J: {Bk+l(t + l) - A+1(O).
(=0 K + 1 (=0
Dans la dernière sommation, seuls subsistent le premier et le dernier terme. Autrement
dit.
5) Sh{N) =--^Bm[N)-bM).
Reste à démontrer l'identité dite "de Raabe" 8). Il s'agit de prouver que
Bn(mt) = -mf:mnBn(t + -).
A cet effet, multiplions numérateur et dénominateur de Ia fonction génératrice 6(1,0
par e"11 — 1 et développons
o{ x, t ) = ----------------¦----------------¦
1 mx-e* m_1
m emx
1 mxe
1 t=o
fc=o
I^ { x + k
= — > ol mi,-------
En identifiant les coefficients des puissances de .t correspondantes dans le développe-
ment de cette dernière identité, on obtient 8). ¦
3S
Chapitre 2. FAMILLES D'APPELL
Les nombres de Bernoulli sont rationnels; le théorème suivant, qui regroupe des
résultats de von-Staudt. Ciausen et Kummer, fournit des renseignements aussi bien
sur leur numérateur que sur leur dénominateur. La preuve que nous reproduisons
ici. est celle que A. Robert a présenté comme exemple d'application du théorème
des accroissements finis p-adiques lors de son cours du 2'me cycle à Lausanne [33j.
Théorème 2.3.1 Les nombres de Bernoulli ont les propriétés suivantes
1) Si p — l ne divise pas Ic > 1, alors il existe r^ G Zp, tel qite
k = k • n ¦
2) Si p est impair et si p - 1 divise k > 1, alors il existe r* G Zp, tel nue
bk = ^-i + k - rk .
Preuve,- Considérons Sk[p) la somme des puissances fc-ièmes (k > l), des entiers
strictement inférieurs à p
St(P) = E*'*.
Pour tout i < p — I1 il existe un unique entier p-adique (,',¦ tel que
C,- = t mod p Zp.
Alors
p-i
^(P) = LCf= L C" mod p Z„.
1=1 Ce»,-!
On raffine cette congruence à l'aide du théorème des accroissements Huis appliqué à
la fonction f(x) = xk (pour laquelle f'(x) = fcx*-1} au voisinage de x = i.
Comme C; = i mod p Zp, c'est-à-dire |Ç,- — i\ < \p\ < rci on obtient la majoration
|cf-«Ì = 1/(0-/(01
< uni-le--ii
< IM-
L'inégalité ultramétrique entraîne alors la suivante
sk(p)- £ c*
< IM,
2.3. Nombres et polynômes de Bernoulli
39
que l'on transcrit sons la form«
Skip)= E Cfc + *P-«A. avec «t € Zp. (1)
Par ailleurs, rappelons la propriété 5) (proposition 2.3.1)
qui s'exprime, à l'aide du développement binomial (propriété 4) de la proposition
2.3.1 de Bk+i{t), comme suit
«*> = Fi1E(TK-.-*1
- U-O^
Le choix N = p fournit l'égalité
Sfe(p) = P • fcjt + pk Y, .-/-,jJ ¦ _ 2 IP'"3 ¦ A-+1-M
ou encore
Mp)=P-^ + M-E (fc_i + 1)! • V -^+1-'-- {2)
Dans le membre de droite de (2). le terme ^"7Ji ij est entier et le terme ^j- € Zp
pour p £ 2. En effet
i-S,(ï)
i -•> -
> -1
P-I
A l'aide de l'équation (2), on démontre alors (par induction sur k), que pot est entier
p-adique, que! que soit k > 0 et de plus, qu'il existe Vk ë ZP tel que
Skip) = pk + Vk ¦ ut avec v* S Zr (3)
40
Chapitre 2. FAMILLES D'APPELL
En comparant !es deux expressions (1) et (3) trouvées pour la somme Sk{p)
on obtient
Pbk= Y, C' + pi'Tt avec rfceZp. (4)
lorsque Ic n'est pas multiple de p — 1, Ia somme apparaissant dans le membre de
droite de (4) s'annule, de sorte que
bk = hrk avec rk e Zp,
tandis que si p — 1 divise A:, alors
pbk = p - \ + pk • rki
c'est-à-dire
bk = ^- + Arjt avec rk eZp(p/2).
Remarque.- Le théorème précédent montre que pbk G Zp pour tout p premier
impair, ce qui est encore vrai pour p = 2. En effet, via l'identité (2)
5,(2) = 24* + k g ^.^, • — 2 ¦ òfc+w, (3)
on montre, par induction, que 2¾ £ Z3 pour tout k, et ceci, grâce au fait que
ordì (2^t-) = Sp[i) — 1 > 0. Mieux, le point 2) du théorème est vérifié pour k > 4
pair.
Proposition 2.3.2 Si p = 2 et k > 4 est un nomire prtir, a/ors le nombre de
Bernoulli bk admet le développement
, p — 1 , 1 ,
ut = -------+ A: ¦ Tk = - + fcrt, auec r* g Z3.
p 2
Preuve.- Rappelons que O0 = 1 et O3 = |. Ainsi
^ 6 2 3
fait bien exception. La proposition se démontre par induction sur k. Tout d'abord,
pour k — 4, le nombre de Bernoulli b* = —^ admet le développement
A =-1 = 1-!
" 30 2 15
= l+4r4
2 „
avec r4 = -— G Z3;
Jo
2.3. Nombres et polynômes de Bernoulli
41
ce qui établit l'ancrage. De même, remarquons que
2 1 10
42 2 21
¦ !?•¦(-!
= 5 +Gr6
avec ru = -— e Zï.
D-J
Supposons maintenant que k > 6 et écrivons l'identité (3) sous la forme
f)k+i 2*
1 = 26, + fc(fc-i Jl^-A0+ *(*- I)I^1 +
+"*->¦+ 'gïï^Ç •*?--
En admettant l'hypothèse d'induction et en utilisant ie fait que 2'/C! € 2 Z; si £ > 1.
on obtient
l=2fc + 2is4 + É X (fc-l)"-(fc-i>2)^-{l+2(& + l-t)ati-(}.
avec it, r*+i_; tous dans Z2. Il s'ensuit que
1 = 26t + 2Hfc + 2A:«fc avec ut € Z5;
d'où la proposition. ¦
Corollaire 2.3.1 (von Staudt) Pour k > I1 le nombre de Bernoulli 6¾ peut
s'écrire sous la forme
ht = - Y, - + m* où mk e Z.
p-i|fc P
Preuve [33].- Le nombre rationnel
h-r E-
P-H*''
est entier p-adique pour tout nombre p premier. Par conséquent, son dénominateur
est 1. ¦
42
Chapitre 2. FAMILLES D1APPELL
Autre corollaire du théorème 2.13.1. le lemme suivant nous permettra de présenter
une nouvelle démonstration des congruences dîtes rde Kummer" 6.
Lemme 2.3.1 Si p— l ne divise pas n, alors le nombre rationnel
n
est entier p-adique, quel que soit a G Zp.
Preuve.- On montre, par induction, que l'énoncé du lemme est vérifié par tout
entier naturel a = k et on conclut en utilisant la densité des entiers naturels
dans Zp.
Si k — 0. alors le point 2 du théorème 2.3.1 montre que
-ßn(0) = ^ 6 Zp. '¦
n n
Puis, la propriété 3) de la proposition 2.3.1, qui s'écrit
+ k'
n n
établit le pas d'induction. ¦
Théorème 2.3.2 (Congruences de Kummer) Si p - 1 ne divise pas n > 2.
alors
------------= — mod p Ti..
n+p-1 n r p
Preuve.- II faut tout d'abord remarquer que les termes de la congruence sont tons
deux nuls si n > 2 est impair. La congruence
valable pour t. entier quelconque, entraîne la suivante
Sn-i(N) = Sn-l+^[N) mod p,
qui, traduite à l'aide de la propriété 5) de la proposition 2.3.1, montre qu'il existe
une constante 0 < c < p — 1, telle que la congruence
y ' n + p-1 n n+p-l n
est vérifiée pour tout entier N. Donc, quel que soit l'entier p-adique a € Zp, on a
R(a) = c modpZp.
5Gf. section V.8, (théorème 5) de [5]
2.3. Nombres et polynômes de Bernoulli
43
L'identité de Raabe [propriété S), proposition 2.3.1], évaluée en t = 1. fournit les
égalités
n+p-1 S n+p-1 ' K '
(3)
En effectuant la soustraction (2) — (1), on obtient
' Ù>\ n+p-l n f
Si m est premier à p. alors a ~ 1 -f ^ £ Zp pour tout A = 0.....m - î et
mp_1 = 1 mod p. Le femme 2.3.1 donne alors lieu à la congruence
fl(m) = m""1 J2 R [l + —) rnodpZp, .
qui s exprime
c = m" 1^c mod p Zp
c(m" — 1) = 0 mod p Zp.
Choisissons m tel que m :— m mod p soit générateur du groupe (Z/pZ)". Comme
p — 1 ne divise pas n, la simplification est licite et amène bien Ia congruence de
Kummer .
_ «n+p-l On
c =:--------------------= U mod p Z0-
Ti + p - 1 n
¦
Remarque.- D'après le théorème 2.3.1, le nombre de Bernoulli 6„, pour p — 1 ne
divisant pas n, s'écrit 6„ = nrn. Les congruences de Kummer établissent donc la
(p— l)-périodicité modulo p dans la suite (rn)n>i (pour les n non multiples de p—1).
Théorème 2.3.3 Les nombres de Bernoulli vérifient les congruences suivantes
1) 6np+t si,+* mod n ZP! (p^2, n > 1, t > O);
2) iapi-t = ft^p-fc modnZp, (p ^ 2, n > 1, 0 < fc < n(p - 1) ).
La démonstration de ce théorème s'appuie sur les deux lemmes suivants qui ex-
ploitent la relation entre les nombres de Bernoulli et tes sommes de puissances
d'entiers.
44
Chapitre 2. FAMULI'S D'APPELL
Lemme 2.3.2 Pour n > 0 et k > 0, on a la congruence
Snp+k{}>) = Sn+k[p) modnpZp.
Preuve,- Soit un entier l € {1,... .p — 1}; on a
rp+* = fk . rp _ (k , {fpy = ft^ + iipp ayec u £ Zp
Appliqué à la fonction i" au voisinage de x = l, le théorème des accroissements finis
fournit Ia congruence
rp+t = (*{£ +up}*= P-P = P+* rnodnpZ,.
On somme sur t pour obtenir
p-i p-i
^; r^* s J^r+* modnPzp.
l=i fct
Lemme 2.3.3 Si n > 1 et k > 1, a/ors
S-+*(P) s p-W + £ A(A-I) • ¦ ¦ (A-;+2)-^in+t+w modulo { J*?' ^ J f *
Preuve,- En utilisant la proposition 2.3.1 (propriétés 5) et 6)], on obtient l'expression
suivante pour 5„+jt(p).
B*+k+i(p) ~ frn+A+i
£>+*(p) =
n + A + 1
î "^1 /n + i + r
n + * +
3
= p-in+t + fn + AJ^-fc.+t-i +
n+fc+1
E
j=3
+fc+'/n + fc + l\ 1
n+fc+l ;-2
+ E (n + A)---(n + A-j + 2)-£---p-p6ri+t+i-J-.
Rappelons que p ¦ b„ e Zp quel que soit n (théorème 2.3.1). Si p ^ 2, alors
p*'7!]1- G Zp pour tout j > 2 et ainsi
p» it.1 p>
5n+t(p) = p-bn+k + kZ-bn+k-i+^k---(k-j+ 2)-h; On+^1-J mod npZp
l- j=3 J"
fc+1 J
= p ¦ bn+k + £ A • ¦ ¦ (A - j + 2) • — ¦ W+i-j mw* "P Zp
i=2 J ¦
2.3. Nombres et polynômes de Bernoulli 45
Si p = 2, alors p>~1 jj\ Ç. Z1, pour tout j > 2, et la congruence obtenue n'est vraie
que modulo ri Z2- ¦
Preuve du théorème 2.3.3.- Démontrons, par induction sur k > 0. !a congruence
Änp+jt = bn+k mod n ZF, [p ^ 2).
Grâce au théorème 2.3.1, ou peut écrire
(l) bn = 6{n)-^ + nrn
P
(2) bnp = S(np)-^~ + npr„p
P
avec r„ et rnp, deux entiers p-adiques et où 8(i) est définie par
0 si p - 1 ne divise pas ï;
8(i) = i , . . , . .
1I si p — 1 divise t.
De la soustraction (1)-(2) (et du fait que 6(np) = S(n)). suit la congruence
bnfì = bn mod n Zp,
qui établit l'ancrage d'induction. Par le lemme 2.3.3 , on a
fc+i pj'
Sn^Cp) = p ¦ bnp+k + Y, * " ¦¦ (k ~ 3 + 2)^6np+fc+l_j mod V Zp. (3)
J=2
r-
5n+fc(p) = p ¦ bn+k + £*¦¦•(*-; + 2)—W+i-i »norf "P7P- (4)
j=î 3-
En effectuant la soustraction (3)-(4) et grâce au lemme 2.3.2, on obiient
0 = Snp+k(p)-Sn+k(p)
= p{l>np+k - bn+k) + Y, k ¦ " (k - J + 2)~(k.H-fc+1-i -*»+*+!-j) morfnpZp.
J=S J-
Mais si l'on admet l'hypothèse d'induction
tnp+t+i_j - fcn+fc+i_j = 0 mod TiZp, (j > 2).
alors
— (ònp+jt+i-j - bn+k+i-j) = 0 mod TipZp ( et même morf?tp'Zp).
•16
Chapitre 2. FAMILLES D'APPELL
On en conclut que
p{b«p+k - b„+k) = 0 mod npZp,
d où la congrue-noè à démontrer. Le point 2) s'établit en utilisant successivement le
point 1), coturno suit.
bni>2_k = 6(np_fc}+np(p-i) avecn/>-fc>0
= fc{np-A-i+n(^-i) modnZp pat- le point 1)
= 0
— ''n+nfp-ij-it modnZj, par le point 1)
= bnp-k mod n Zp,
¦
Corollaire 2.3.2 Pour lotis entiers m > 0, k et t. la suite
converge dans -Zp. (p ^ 2).
Preuve.- Le théorème 2.3.3 stipule que
1) bmyV+k = bmp>.-i+k mod mp1"1 Zp (p ^ 2, m > I1 k > 0, u > 1);
2) bnp*.k = bmp^.k modmpv-2Zp (p î 2, m > I1 0 < k < mp"-2(p - I)).
Cette autre formulation montre que, quels que soient m > 0 et k 6 Z. la suite
(5«p-+fc(0))„>„ = (W+O^
converge (avec, ici. f0 défini de sorte que mp^ + k > 0). Ceci établit l'ancrage d'une
induction dont le pas se démontre grâce à la propriété 3) de la proposition 2.3.1 qui
s'écrit
Bmp*+k((+l) = A1^+4(O + (mp" + k)rpU+k'\
Finalement, la propriété 6) de la même proposition, à savoir
AnP-+*(-0(-ir+t = V+t(0 + (™pv + *)rp"+A-\
achève la démonstration. ¦
2.3. Nombres et polynômes de Bernoulli
47
Après ces quelques résultats sur les nombres de Bernoulli, il est temps de revenir à
l'étude des polynômes du même nom. Notons que ces derniers ne satisfont qu'à une
relation de congruence de Honda affaiblie. Plus précisément, on a
Théorème 2.3.4 Les polynômes de Bernoulli {BM))n>o 5"n' des polynômes
d'Appell à coefficients dans -Zp; ils vérifient les congruences
1) Bnp(t) = Bn[F) modnZp[t]; (p#2, *>0);
2) B2M) = BM2) mod %Z-t[t], (n > 0).
Preuve.- Le théorème de von Staudt (Corollaire 2.3.1) ainsi que la propriété 4) de
la proposition 2.3.1 montrent que le polynôme Bn[I) a ses coefficients dans ^Zp[f].
Appliquons le théorème 2.1.1 à la suite (ßM))n>a définie par
ßM) = WM)-
Par construction, celle-ci constitue une famille d'Appel! dans Zp[t\.
1) Si p ^ 2, alors le théorème 2.3.3 implique la congruence
MO) -A(O) = 2p[bnp - bn) = 0 mod npZp.
équivalente, par le théorème 2.1.1, à la congruence polynomîale
ß„M)-ßMP) = Ip(BnM) - BM")) = 0 mod npZp[t\,
qui établit le point 1) du théorème.
2) Si p = 2, alors
An(O)-A1(O) = 4 (O2n-M= {
f 4O2 - 4*i = § S 0 mod 2n Z3 si n = 1
4bA - 4¾ = - jj = 0 mod 2n Z2 si n = 2
466 -4O3 = Ab6 = Q ™°d 2n Z2 si n = 3
4 [2nr2n — "r„) = 0 mod 2n Z2 si n > 4,
(proposition 2.3.2)
Dans tous les cas
An(O) - A1(O) = 0 mod InZi,
congruence équivalente (théorème 2.1.1) à la congruence polynomîale
iBtM) = ^BJt2) mod2nZ2[t\.
m
48 Chapitre 2. FAMILLES D1APPELL
Corollaire 2.3.3 Pour p ^ 2, ta série formelle
donne naissance à un groupe formel ri coefficients dans Zp[[t\\, défini par
Fb(z.y) = b-l(b(x) + b(y))
et isomorphe au groupe multiplicatif G m(x, y).
Preuve.- D'après le LEF, il suffit de vérifier que
On calcule
il U[X) ez,[['lf.
a" T=O
^) r=0
= A-i + MO
avec *(*) G Zp[t].
D'après le théorème 2.3.1, on a
pbp-i = p - l + p(p - I)^1, avec rp_, £ Zp.
Par conséquent pbp„t G Z*, si bien que pBP-i(t) G Zp([i]j . ¦
Corollaire 2.3.4 Pour p ^ 2 et v > 2, les rayons critiques du polynôme de
Bernoulli Bp-(I) sont
_____i___ _»
0, IeIr1=P (P-Hi-* = rpe , k = 0,..., v - 2,
faiw/ï.ï cue pour p = 2. /e po/ynôme B^[V), [v > 1), possède l'unique rayon critique
2*.
Preuve.- Supposons tout d'abord que p ^ 2 et considérons, cette fois, les polynômes
ßn(t) ¦¦= *.,(').
On applique alors le principe de la proposition 1.7.2 à la sous-suite (ßp»(t))v>0, pour
laquelle
2. ßp{t) - ßp»-i{V>) = Bp,4i(i) - VC") = ° modpv Z?[t\. Autrement dit, la
congruence de Honda est vérifiée.
2.3. Nombres et polynômes de Bernoulli
49
3. Le coefficient dominant de ßp*(t) est égal à 1 (donc d'ordre p-adique nul). En
effet, ceci découle de la propriété d'Appell B'n{t) = nB„_i(()et du fait que B0[t) = 1.
4. ^p-(O) = bp*+i = 0, puisque p est impair.
5. Grâce au théorème 2.3.3, on a
ß'p,(0) = B^1(Q) =p^V«-i = (P-1)?" rnodp+lZ,:
donc /3^(0) € p Z*.
1. Le fait que deg(ßp*(t)) = deg(.op.~n(i)) = p"+1 modifie d'un rien les conclusions
de la proposition 1.7.2. En fait, celle-ci montre que le polynôme ßp»-i(t) = Bv»{t)
possède, outre 0 et —oo, tes v — 1 pentes critiques
Remarquons que tout ceci provient du fait que le polynôme
Bp{t) = pbp-it + ¦ ¦ ¦ + t"
possède les pentes critiques 0 et —oo.
Supposons maintenant que p = 2 et intéressons-nous aux pentes critiques de B-2»(t)
pour v > 1. Le polynôme B2(t) = t2 — t + g, dont le polygone de Newton est
représenté ci-dessous, possède l'unique pente critique ^.
1
0 Mb,
1 ^ Si
-1
fig. 2.3.1
50
Chapitre 2. FAMILLES D'APPELL
Le coefficient constant de B7»{t) est le nombre de Bernoulli A1* qui. par Ie théorème
de von Staudt, a un ordre 2-adîque égal à —1, . Connue
53-+i(0 = £*¦(*"') mad 2""' Za[f],
on déduit la construction du polygone de Newton de B2»*i(t) à partir de celui de
Bi»{t) et on hérite ainsi de la seul« pente critique ^77.
1 ^+1
0 -1 2,+1
^
fig. 2.3.2
Terminons cette section consacrée aux nombres et polynômes de Bernoulli, par
l'étude de la fonction limite définie à la section 1.5.
Proposition 2.3.3 Si fcm est la fonction définie sur la lemniscate p-adique
Lr, = {aeCp : |ap-a|l);
2)^(0 = ^=0 0^(0)^, (n>0);
5)En(t + l) + En(t) = 2tn, (n>0);
4) Sï(N) := £o<«,v(-l)(+^ = i (-&(0) + (-IfE11(N)) , (N >l,k> 1);
5) En(I ~t) = (-l)nEn(I), (n>0):
6) (-1)-+^(-() = En(t) - 2f\ (n > 0).
Preuve,- En dérivant la fonction génératrice
par rapport à t., on obtient
d 2e1'
c'est-à-dire
On en déduit que E'0(t) = 0 ainsi que la propriété d'Appel! E'n(t) = nEn~i(t). De
cette dernière découle (par induction) le développement binomial
2) En(t) = t(t)Eki0)tn'k-
La propriété 3) se démontre en considérant la somme des deux séries formelles e(x, t)
et e(x,t + 1) qui vaut, d'une part
e(*,< + l) + e(x,0= £{£.(< +1) + ^(0) S
-Sn **•
n>0
et d'autre part
Ainsi, on obtient l'identité
En(t + 1) + En(t) = 2tn.
2.4. Polvnômes d'Euler
53
La propriété 4) s'en déduit alors, comme suit
= 5 Z (-i)'+1W + l) + fi*(fl}
1 1- 7^TT = l^TT = «(*•' + •)•
s'écrit
E i^-0(-i)"5 = ££»(' +US-
Cela implique l'égalité
En(t + 1) = (-1)^(-0,
dans laquelle la substitution t i-> —i entraîne la propriété 5)
(-1)"£„(*) = En(I-t).
Finalement, en introduisant 3) dans l'identité
£.(1 + 1) = (-1)^..(-0,
on établit la propriété 6), à savoir
(-\rEn(-t) = E„(l + l) = 2tn-£a(l).
Corollaire 2.4.1
1) E-2n+i (\) = 0 pour tout n > 0 et donc, les nombres d'Euler e„ d'indice impair
sont nuls;
2) E7n(O) = 0 pour tout n > 1.
Preuve.- L'évaluation en ( = ^ de l'expression de la propriété 5 ) (proposition 2.4.1)
fournit l'égalité
<-.>¦<. G)-«. G). .
qui montre bien que £n Q) = 0 si n est impair. Le point 2) se démontre en posant
t = 0 dans la propriété 6). ¦
5 0.
Preuve.- Par définition, on a
-*W = aE(';VI>.&--i)-
teo^ d*k d*
formule qui montre que E„(t) € Z[l/2][t] C Zp[t], (p ^ 2). Reprenons un argument
analogue à celui exposé dans la preuve du lemme 2.3.2. Ainsi, soit un entier £ > 0:
comme C = i mod p. Ie théorème des accroissements finis permet d'écrire
rp = (( + up)" = r modnp Z„, (où u e Zp).
Il suit que pour n > 1 et A' > 2, on a la congruence
s;P(*) = £ (-i)/+l^= j: (-i)'+,r = s-(iV)m0rfBpzp.
1« 0, la congruence suivante est vérifiée
Env Q) - En Q ~ Enp(0) - En(Q) mod npZ„. (2)
2.4. Polviiòmes d'Euler
55
• si ri = 0, alors les deux membres de (2) sont, nuis:
• si n > 0 est pair, alors le membre de droite est nul (corollaire 2.4.1);
• si n > 0 est impair, alors le'membre de gauche est, nu! (corollaire 2.4.1).
Autrement dit, les congruences suivantes sont vérifiées pour tout n > 0
E*? (¾ - En (\) s 0 = Enp(0) - En(O) mod npZp.
Corollaire 2.4.2 Pour p impair, les polynômes d'Euler vérifient les congruences
de Honda
£„„(() = En(P) modnpZp[t], (n > 0).
Preuve.- La suite (En(t))n>l est une famille d'Appel! dans Zp[i] (p ^ 2). En a — 0
et a = 5, la congruence
Enp(a) — En(a) mod npZp
est vérifiée, quel que soit n. Le théorème 2.1.1 sTapplique et entraîne la congruence
à démontrer. ¦
Corollaire 2.4.3 La série formelle
e(x) = -£En(t)-
donne naissance à un groupe formel
Fe(x,y) = e-1(e(x)-re(y))
sur /'anneau des polynômes de Laurent en t — 1/2, Zp (,(( — |)_1 , {p •£ -)< 'so~
morphe au groupe multiplicatif.
Preuve.- La série formelle e(r) = £n>1 E„(t)~- est de type p — T sur
A = Zp [t,(t - A)"1]. Puis, comme B1(I) - t - \. alors E1"1 G A et le point (?)
du LEF permet de conclure. ¦
Comme nous l'avons déjà vu dans le cas général (proposition 1.5.1) ainsi que pour
les polynômes de Bernoulli, la congruence de Honda assure l'existence d'une fonction
limite définie sur un domaine contenant la lemniscate LTt. Le lemme suivant, résultat
élémentaire bien connu, nous permettra de déterminer la fonction limite propre aux
polynômes d'Euler.
56 Chapitre 2. FAMILLES D'APPELL
Lemme 2.4.1 Si x € Z , alors la suite (xp"j converge vers le nombre p-adique.
C € Zp défini par
;' = x modpZp;
C € /V-J-
Preuve.- Comme xp = x mod pZp, alors
xp" = (x + Up)"""' = x"""' mod pn Z„, (w G Zp).
et ainsi
|i,,"-ip""1|<|/ï',|.
Donc, \x") est une su'te de Cauchy dans Z* complet.
Si l'on pose (," = limn^cr!xpn, alors évidemment (1"p = £ c'est-à-dire C € /t^-i-
La congruence
£ =. x mod p Zp
résulte du passage à la limite dans la relation
xp = x mod p Zp.
Proposition 2.4.3 Soit m un entier pair non nul et em la /onction définie sur la
lemniscate p-adique (p ^ 1), LTt = {x S Cp : \xp — x\ < re) par limite
tm(a):= jiin Emp»{a);
n/ors
• lt
si bien que
«m(0) = £(l) = 0.
La propriété 3) de la proposition 2.4.1, qui s'écrit
Emp,{a + 1) + Enr[a)^2amrf'
se traduit à la limite v —* co, par
(JJ1 avec (a Ç JIp-1 et (a = a mod pZp, si a ^ 0 mod pZp;
Ua+I) = -Ua)+2 l 0 si^0m^pZp.
d'où la proposition. ¦
Il existe une relation entre les nombres de Bernoulli et les coefficients constants des
polynômes d'Euler. Celle-ci nous permettra d'établir l'existence d'autres fonctions
limites issues de sous-suites de ces polynômes.
Lemme 2.4.2 Pour n > I1 on a la relation
2f2"+t - 1)
n + 1
Preuve,- En utilisant les définitions des fonctions génératrices concernées, on a
V2(2"+1-l), £ _ _2V2^^±L^+2Vfc *"
-g-^n-**'«! - \Ç,2 n + l»!+2g^(«+l)I
_ 2V (2:)"+1 2V s"+1
2 f 2x 1 2 f x , »1
4 + ^-i
e3i_l ' g«_i
2
-1
e' + l
5S
Chapitre 2. FAMILLES D'APPELL
Proposition 2.4.4 Pour tous entiers m > 0, l et k, la suite
converge dans Zp. (p ^ 2).
Preuve,- Le lemme précédent associé au théorème 2.3.3 montre que la suite
converge. Le reste de la proposition se démontre par induction en utilisant les
propriétés
(3) Emp»+k(e+l) = 2r>"+k-Emp*+k(t) et
(6) (-ir+t+1£mp.+fc(-*) = E~,r+k(() - 2rp"+*
de la proposition 2.4.1.
Nous terminons ce chapitre en nous permettant d'énoncer une conjecture concernant
les polynômes d'Euler. Soit (çn(0)«>o 'a su'te ^ polynômes définie par l'identité
de Spitzer
exp [££„(<)— ] =1+ ^9n(t)xn.
\n>l n / n>l
Les premiers termes de cette suite sont
¢,(0 = E1(I) = I-I;
ft(0 = '2-'-i;
¢3(0 = *3-}*' + §* +&
a<(t) = ^-2(3+3(2 + 1(. a.
*<0 = «s-{*« + }t3+ *('-*-£•
On constate alors que
ft(0 = ?l((3) TTU>rf3Z3[t],
ç5(0 = n(t*) modÒ2s[i\.
Plus loin
?io(0 = ?î((5) mo«*5Z5[(},
99(0 = ç3((3) m«/9Z3[t].
Ces quelques essais numériques, ajoutés à bien d'autres, justifient l'affirmation sui-
vante.
Conjecture 2.4.1 Les polynômes qn(t) vérifient ies congiiiences de Honda
qnp(t) = qn(t>) modnpZr[t],(pï2).
2.5. Polynômes d'Hermite
2.5 Polynômes d'Hermite
Définition 2.5.1 Les polynômes Hn(I), définis par le développement en
sont appelés polynômes d'Hermite.
En voici la liste des six premiers
H0(I) = 1;
H1(I) = 2t;
H2(t) = 4t2-2;
H3(t) = S*3-12ï;
H4(t) = 16^-48^ + 12;
Bs(t) = 32i5 - 160(3 + 120(.
Ils possèdent, entre autres, les propriétés suivantes.
Proposition 2.5.1
1) La suite (Hn(l))n>0 satisfait la formule de récurrence
Hn+1(I) = 2tHn{t)~2nHn^(t);
2) La dérivée H'n(t) s'écrit
H'n(t) = 2nHn.1{t), (*>1):
3) Le polynôme Hn(t) admet le développement explicite
Ä"(t) = I(-ir^W(2,ri"-
Preuve.- Notons h(x,t), Ia fonction génératrice
A(I1O = C2*'"*3:
on a alors
ô-h(x,t) = {2t-2x)h(x,t),
et donc
3"+1 dn dn-1
g^h(x,t) = (2t - 2x)—h(x,t)-2n—h{.r,t).
60 Chapitre 2. FAMILLES D'APPELL
[/évaluation en ;r = 0 de cette dernière égalité fournit exactement la formule de
récurrence 1).
En dérivant la fonction génératrice k(x.t) par rapport a t. on obtient
n>0 "¦ n>0 "¦
identité de laquelle ressort la "propriété d'Appell"
/ft*) = 2nÄ.-t(<). (">!)¦
La formule explicite 3) s'établit par induction et à l'aide de ia formule de récurrence
I)- ¦
Proposition 2.5.2 Les polynômes d'Hermite vérifient les congruences
Hnp(t) ~ Hn(V) mod n ZpM, (p^2,n>0).
Preuve.- Remarquons tout d'abord que, par définition. Hn(I) es^ à coefficients dans
Z. La propriété
H'n{t) = 2nHn-](t) (n> 1),
et le fait que
M(M-I ° sin = 2m + l
montrent que la famille (Hn(M définie par
HM):= P-Hn(^), (n>0),
est une famille d'Appell dans Zp[r], De plus, comme Hn(O) = 0 modn, on a
HnP(O)=Hn(Q) madnpZf.
Le théorème 2.1.1 montre alors que
Hnp(t) - Hn(V) = Pffnp (I) - P"n (~) med npZp[t}.
La substitution : <-* It fournit la congruence
Hap(t) = HH(2rlt>) mod n Zp[tj.
Grâce au théorème des accroissements finis, pour p j5 2, celle-ci peut s'écrire
tin?(t) = Hn(I") modnZ,\i\.
2.5. Polynômes d'Hermite
61
Remarque.- Cette suite n'intervient, dans notre propos', qu'en tant qu'exemple
d'application du théorème 2.1.1. En effet, le résultat suivant est plus fort et s'établii
plus simplement.
Proposition 2.5.3 On a la congruence
Hn(t)~{2t)n modnZ[t\.
Preuve8.- Remarquons tout d'abord que Hi{t) = 2t confirme la proposition. Con-
sidérons la formule explicite
Si m > 1, alors
n\ _ n! (2m)! _ f n \ (2m)! _
m!(n-2m)! ~ (2m)!(n - 2m)! ' m! \2mJ m\
2m\2m-\j ml ~"^2m-lJ m!
= 0 mod n.
Corollaire 2.5.1
1) Si [a„] e Zp(I) et m > I1 alors
r u t \ J ° ai p = 2;
lim !!„,,»{a») = i ™ ¦ , -
"--co K IC2 si p est impair;
2) Si m > 1 et a € LTc! alors
{0 si a £ £ 0 , r > 0 et a G Lrt, la suite
(V+'(fl))>.>0
conueroe t/ans Cp. Ue p/«s, si l'on note km,r(a) sa limite, alors
Am,i(«) = 2aAm|D(a);
A1n^(O) = 2«Am,r^((i)-2(r-l)nrn,T_2(a).
'Pour d'autres résultats concernant les polynômes d'Hermite (congruences, polygones de
Newton, etc ...) voir [37).
8Pour une autre démonstration, voir [H]
62 Chapitre». FAMILLES D'APPELL
Preuve.- Si [a„] e ZP(1). alors af = 1. alors grâce au lemme 2.4.1, on a
lim Hmp-(av) = lim 2mj>" = ( ° S] P =(2Î .
v—x- "-«J I Ç,t si p est impair.
De même, si a e Lr,, alors la limite
lim H1nAa) = lim 2mp'' amp*
existe et vaut
• O si a e ß*"¦
Par exemple
Toit) = 1; UQ(t) = 1;
T,(() = t; U1(I) = 2i;
T3(O = 2r2-l; [Z3(O = 4*a-l;
T3(<) = 4*3-3(; [/3(() = S>3-4(;
T4(O = Sf* — Si2 + 1; U4(I) = 16i4-12(*+l;
T5(O = 16fs-20(3 + 5i; U5(I) = 32<* - 32i3 + 6i.
L'objet de ce chapitre consiste en l'étude des polynômes de Tchebychev de première
espèce. La proposition suivante dresse une liste de quelques-unes de leurs remar-
quables propriétés.
Proposition 3.1.1 Les polynômes Tn(t) ont ics propriétés suivantes
1) Tn+1(O = Krn(O-^1(O, (n>l);
2) rn(cosö) = cosnÖ, (» > 0);
3) Tn o T7n = Tnm = Tm o Tn, (n, m > 0);
4) Tn(O = HtWO, (n>l).
63
64 Chapitre^. POLYNOMES DE TCHEBYCHEV
Preuve.- Nous allons montrer que
g(x, t) := Y1 (Tn+1(O - 2/Tn(O + 7-,.,(0} *" = 0.
A cet effet, appelons f{x,t) la fonction génératrice
/(x, O = T0(O+E 2Tn(Ox".
n>l
On a alors
S(x. 0 = f {/(*. 0 - To(O - 2T,(0x} - {*/(*, 0 - (T0(O) + § {/(*, 0 + T0(O)
= '«-<-'+§)-è+!.
- W^-M
= o.
ce qui établit la relation de récurrence 1).
Des formules d'addition
cos(n + 1)0 = cos nö cosò — sin nö sino,
cos(n - 1)0 = cos n8 cos 8 + sin nd sin 0,
on tire la relation
cos(n + [)8 = 2cos0cosn0 - cos(rc - 1)0.
Oa en déduit, par induction, la propriété 2), à savoir
Tn(COSnO) = cos nfl, (n > 0).
Et la propriété 3) est un corollaire immédiat de cette dernière. Finalement, l'identité
(1 - X3) E ^n(O*" = 7W) + E 2Tn(O^"
n>0 n>l
entraîne la relation
f/„(0 = 2Tn(O-^-J(O. (»>!).
qui permet d'établir, par induction et grâce à la propriété 2), le fait que, pour n > 0
Dès lors, en dérivant, par rapport à 8, l'identité
Tn(cos0) = cosn0,
on obtient
— siiiÖ ¦ T^(cos 9) = —nsinn0
ou encore [grâce à (2)j
TXcaa9) = nUn-i{cos9),
c'est-à-dire la propriété 4). ¦
3.2. La congruence de Honda
65
Remarque.- Conformément à ce que nous annoncions en section L.4. cette propo-
sition montre que le polynôme Tn[t) £ Z[t] est une pseudo-puissance n.
3.2 La congruence de Honda
Théorème 3.2.1 1 Les polynômes de Tchebychev de première espèce vérifient la
congruence
2Tnp(t)=2Tn(tp) modnpZp[t], (n > 0).
Preuve.- U s'agit d'appliquer le théorème de Barsky (th. 1.3.1) à la série formelle
en montrant que exp(/(x)) e Zp[(][[ar]]. Mais, puisque (cf. ["2S])
W+SW-IT^?'
*>1
Jo \ î - 2ti+? ; ^
Jo 1-2^ + f2 Ç
= -log(l-2^ + n[
= - log (l - 2d + s2) ;
si bien qu'apparaît la remarquable relation
1
exp(/(i)) =
1 ~2tx + x2'-
c'est-à-dire l'identité de Spitzer (découverte par C. Vonlanthen)
exp(z2rn(*)^ì=£[/n(fK-
\n>l n I n>0
1Ce théorème améliore tiès nettement la congruence
7^(0 = ^(0" modp,
de R. Aatey, présentée dans (7j, (proposition 3.-1).
66
Chapitre 3. POLYNOMES DE TCHEBYCHEV
En application du point {ii) du théorème 1.3.1, la congruence de Honda
2Tnp{t) = 2Tn[V) mod npZp[t)
a donc lieu pour tout n > 0. ¦
Autre démonstration,- Le fait que
Tn(cos0) = cosn6
se traduit par l'identité formelle
Tn
2
On pose n = p impair et on effectue fe changement de variables / = 5^—, pour
retrouver la congruence
%{t) = ~-- = (^y-)P = '" ™ipZM
en d'autres termes
Tp(t) = T^) mod pZ,[t].
Maintenant, si n = mp", avec v > 0 et (m,p) = 1, alors, grâce au théorème des
accroissements finis et aux propriétés 3) et 4) de la proposition 3.1.1, on obtient
Tnp(t) = Tmp*r(t)
= Tmpr(Tp(t))
= Tmp*(t" + pr(t)) avec T-(OeZpM
= Tmp.(fp) mod pt+1 Z„\t]
= Tn{tp) modnpZp\t}.
Pour le cas p = 2, la congruence du théorème 3-2.1 peut être précisée comme suit.
Proposition 3.2.1 Pour tout n > O1 la congruence suivante est vérifiée
Tin(t) = (-l)n mod 2nZ,[l "
donne naissance au groupe formel
FAx,y) = r-l(r(x) + r(y)),
défini sur Zp[(, t-1] et isomorphe au groupe formel multiplicatif.
Preuve.- Le théorème 3.2.1 prouve que, pour p ^ 2, la série formelle t(x) est de type
p — T et possède une inverse dans l'anneau A = Zp[(, t~1]. On conclut en appliquant
le point (i) du LEF.
¦
Remarques,- 1) L'isomorphisme de groupes formels
A(i) : Fr(z,y)^Gm(x,y)
donné par
h(x) = expfrfz)) — 1
1
-1
>/l - 2tx + x2
= E^CK,
fait intervenir une suite (Pn[t))n>l: la famille des polynômes de Legendre. Comme
nous Ie verrons au chapitre 4, ces derniers satisfont, eux aussi, aux congruences de
Honda. Ainsi, à l'image de ce que nous conjecturions au sujet des polynômes d'Euler
(cf. Conjecture 2.4.1), nous avons en main deux suites de polynômes (T,(ï))n>l et
(P„(ï))n>i, liées par l'identité de Spitzer
exp (E Tn(O^i =£i>n(0. Pour
preuve, les différences suivantes
U3(I)-U1It3) = 6<3 - At = -41 mod 3;
Ut[I) - U1(^) = 3Oi5 - 32t3 + 6( = -2<3 -i- i mod 5.
3.3 Une fonction limite
Le but de cette section est de déterminer la fonction limite relative aux polynômes
de Tchebychev et définie par la proposition 1.5.1. Nous distinguons le cas p = 2 du
cas p impair.
Proposition 3.3.1 Pour tout a £ 5 0
lim Tm2"(a) = 1.
Preuve.- En vertu de la proposition 3.2.1, il existe r„(£) e Z2Jf], tel que
Tm3*(a) = 1 + m2"r,(o}, (v > 1).
Puis, comme \a\ < 1. alors |r^(a)| < 1 et donc
lim Tm2-(a) = l.
V— OO '
¦
Avant d'exhiber la fonction limite relative au cas p impair, énonçons un résultat
concernant les points fixes de Tp(t).
Lemme 3.3.1 Si p est impair et si Ço,(i, ¦ ¦ ¦ ,£p-i désignent les p points fixes du
polynôme Tp(t), convenablement numérotés, c'est-à-dire les p solutions de l'équation
Tp(t) = /, alors
Çt £ Zp et (( = ( mod pZp, pour t = 0,... ,p- 1.
Preuve.- La propriété 3) de la proposition 3.1.1 montre que
Tk(Q) = 0 pour tout k impair;
3.3. Une fonction limite
69
en particulier
I)(O) = 0.
et on peut prendre & = 0. Considérons, maintenant, le polynôme
Par la proposition 3.1.1, sa dérivée est
A'(0 = ^-»{0-l-
Soit Ce {l,...,p—1}. Grâce à la congruence de Honda, on a
k(l)=Tp{t)-t=P-l = 0 modpZp-, (l)
Par ailleurs, puisque Up-i(t) € 2v\t]
1/,'(0I = IPtVi(O-M-I:
et donc
h'(t)^0modpZp. (2)
Les expressions (1) et (2) constituent les hypothèse dudit Lemme de Hensel ([2], [3],
[36]). Ce dernier montre qu'il existe un unique entier p-adique (ti congru à i modulo
p Zp et racine de A(O = 0, autrement dit, point fixe de Tp(t). m
Il est maintenant loisible de déterminer la fonction limite à laquelle nous faisions
allusion plus haut.
Proposition 3.3.2 Soit p impair, m > 1 et tm la fonction définie sur la lemniscate
LTt par la limite
(m(a) = JHn TV-fa);
soit encore
{£a = 0,«i,.-.,Ép-i}
l'ensemble des points fixes de Tp(t). Alors
J Tm(0) SiflÉ%,(0);
M J"l Tm(tt) *io€B(a)) = Tp{h(a)): (1)
et comme
2>(i) s T, (ip") = ipt mod p Zp[x|,
cela signifie que
Jirn 7>(n) = Jjm Tp-(O = É mo/>Zp. (2)
Il suit, de (1) et (2), que I1(Ci) est le point fixe de Tp(i) congru à f modulo pZp. m
3.4 Polygones de Newton
Nous nous proposons de calculer tous les rayons critiques, dans Cp, du polynôme
Tn(Oi à l'aide des résultats de congruences établis auparavant. Le lemme suivant
nous permettra de traiter, d'abord, le cas "spécial" p = 2.
Lemme 3.4.1 Soit, pour m > 1, le développement explicite du polynôme Tm(t)
Tm(t) = £>**:
alors (avec la convention ord2{0) = +coj
OrU2(Ik) > k - 1.
Preuve.- Les polynômes Ti(t) = t et T?(t) = It2 — 1 confirment l'affirmation. Pour
m > 1, la formule de récurrence
Tm+1(0 = 2(^(0-^(0
s'écrit, à l'aide des développements des polynômes y apparaissant, comme suit
Admettant l'hypothèse d'induction, on obtient alors
3.4. Polygones de Newton 71
• an+i = 2bm, donc ord2(am+l) = ord2(b,n) + 1 > m:
• am = 2bm.i, donc ord>(am) - ord2[bm_i) -f 1 > m - 1;
• pour 1 < k < m — 2, at = 26t_i - c^ et donc
2t-i divise ajt, ce qui signifie que Or(Z2(At) > & — 1-
• Finalement, comme T„(t) e Z[t] pour tout n,
«o = -Cq £ Z. donc ordïiao) > 0.
Proposition 3.4.1 Si m ^ l est impair, alors 0 ei1 2 sont les rayons critiques de
Tm(t) dans C7.
Preuve.- Comme m est impair, alors T1n(O) = 0. D'autre part, si
alors
«i = T1UO) = mt/m_,f0) = ±m et am = 2m_1.
On tire de ceci et du lemme 3.4.1, la construction du polygone de Newton de Tm(t).
m-i
Jt-I
1
1 k m
fig. 3.4.1
Ainsi que le montre la figure ci-dessus, celui-ci est constitué d'un segment vertical
(de pente —co ) et d'un segment oblique de pente critique égale al. ¦
72 Chapitre 3. POLYNOMES DE TCHEBYCHEV
Proposition 3.4.2 Pour v > 1, le polynôme Tw(I) possède, dans C2, l'unique
pente critique
^ = HT-
Preuve.- Cette proposition se démontre par induction.
Tout d'abord, si v = I. le polygone de Newton de T-ì(t) = 2t2 - 1, est bien réduit à
un segment de pente ^ = A[.
1 ATt, , P = 2
1 2
fig. 3.4.2
Maintenant, si a e G* est un zéro de T2^i ((), Alors
r2.+iCn) = o = T2,(r,( 0), sont simples.
Preuve.- En préambule, notons que si c 6 C3 - {1}, alors les deux solutions, dans
Cj1 de l'équation
T3(O = a
sont distinctes. En effet
T2(t)-a = 2<2- I -a.
Démontrons maintenant, par induction sur v > 0, que les zéros de 2V(f ) sont simples.
Ceci est évident pour î\(f) = t et, comme on vient de le voir, pour T2(t). Soit a l'un
des zéros (simples par hypothèse d'induction) de JV(ï). Comme TV(I) = 1, a n'est
pas égal à 1 et alors, l'équation T2(I) = a, admet deux solutions b\ et O3, distinctes,
pour lesquelles
7V+. (h) = T2. (T3(Oi)) = 2V(a) = 0.
Ainsi, le polynôme 7V+i(r.) possède dans C3, les 2"+1 zéros distincts
b a T{l(a), avec a zéro de T2-(I).
Proposition 3.4.3 Pour m ^ 1 impair et v > 1, /es Jeux pentes critiques, dans
C3, 1, le polynôme de Tchebychev T^(t) (pour
lequel Tp-(O) = 0} possède dans Cp
9 M= P*-1 (P-I)
zéros, de valeur absolue égale à
|p|^>=^-\ k =1,...,1,.
3.4. Polygones de Newton
/o
Preuve,- Ce résultat est un corollaire de la proposition 1.?.2. En effet, puisque pour
tout f > 0
• la congruence de Honda est satisfaite, c'est-à-dire
Tp^(t)=Tp.(t") modpf+lZp[t];
• le coefficient dominant de T£(t), égal à 2P"_1, est une unité p-adique;
• V(O) = O;
. r;,(o] = P1^1(O) = :^;
la suite des polygones de Newton A1V^, v > 1, se laisse construire récursivement.
fig. 3.4.5
Ainsi, conformément à la figure ci-dessus, le polygone de Newton de Tp-(t) est cons-
titué des segments reliant les points
(pV-fc), Jb = O,...,*,
ainsi que du segment vertical, provenant du fait que 2^(0) = O. Ceci traduit,
précisément, l'énoncé de la proposition, ¦
Corollaire 3.4.2 Si p ^ I1 tes zéros de Tp-{t) sont simples.
Preuve.- Si Tp*{à) = 0, alors, comme nous venons de le voir, \a\ < 1. Par suite
T^a) = P*Vr-iia)
ne saurait être nul. En effet, le polynôme
(a)=Tm[Tp.(a)) = Tn(Q)=Q.
D'autre part, le polygone de Newton de Tmp*(t) s'obtient en adjoignant, à celui de
Tp-[t), te segment horizontal d'extrémités (p",0) et (mp",0), qui fait état de mp"—p"
zéros de valeur absolue égale à 1. ¦
3.5 Relation avec Ia fonction arcsina;
Dans toute cette section, p désigne un nombre premier impair-
fig. 3.5.1
A l'aide du polygone de Newton du polynôme Tp[t) construit en section 3.4,
(cf. figure 3.5.1). on obtient la majoration suivante, pour Tp(i).
17*01 <* P»-{J* ï» Vw ti-"'
De la propriété de composition
Tmn = TmoTn>
il suit, immédiatement, que
lim î>(a) = 0
(1)
3.5. Relation avec la fonction arcsini
quel que soit a € 5<](0) C C„.
Mais, en regard de la majoration (1). il est préférable de considérer la suite
plutôt que (TPv(a)) qui tend vers 0 trivialement; d'où l'énoncé suivant.
Théorème 3.5.1 Quel que soit a G Bq. définie par
P"
converge dans Cp.
Preuve.- Si \a\ < 1, l'inégalité (1) fournit l'existence d'un entier k > 0. pour iequel
|î^(«)|(«)}
Ip*
î-p(rP^))-(-i)^p^(«)-
Posons y = Tp*(a) et estimons
Le polynôme
1^(3/)-(-1)^
py
«(0~ Tp(O-C-I)8H*
est divisible par I3. En effet, 7"p(f) a la parité de son indice et de plus
7^O) = PtV1(O) = (-l)^p.
Ainsi, q(t) s1 écrit
q{t) = a3*3 + ¦ ¦ ¦ + Op^1
7S
Chapitre X POLYNOMES DE TCHEBYCHEV
et alors
\i(a)\ = |W - (-I)^w] < M3 • mgk-l IpI''-3 < M3.
De plus, comme |fl| < rf, on peut affirmer que
\y\ = |7>(a)| = |rp(7>-,(a))| < |p|-17>-,(«)| < - £ ÌpI'I«!-
Ainsi, on obtient
¦
Il nous est. dès lors, permis de définir la fonction
T : ß<,(0) —> Cp
o _ TW^linw^-l)^^-
Afin de déterminer sa nature, revenons au lien existant entre polynômes de
Tchebychev et fonctions trigonométriques.
Proposition 3.5.1 Pour tout n > O, on a les relations formelles
1) T1n[SInO) = (-l)"cos2nô;
2) T3n+1(Si0S) = (-l)nsin(2n + 1)0.
Preuve,- Dans le but d'éviter l'évocation du nombre ir (quel sens dans Cp ?). nous
effectuons une démonstration entièrement formelle basée sut la formule de récurrence
définissant les polynômes de Tchebychev.
Tout d'abord, si ti = O1 alors Tesino) = 1 et Ti(sin0) confirment bien nos affirma-
tions.
Procédons au pas d'induction en employant les formules d'addition des fonctions
sinus et cosinus.
D'une part, pour n > 1, on a
7at.+ i(sinÖ) = 2ain0-Tarsili*)-7fc,_i(sinfl)
= (-l)n2sin0 ¦ cos2n0 - (-1)""1 sin(2n - 1)0
= (-I)n(2sin0cos2n0+sin2»0cosff-sin0cos2n0)
= (-I)n(3in0cos2n0 + sm2n0cosfl)
= (-l)"sin(2n + l)0;
et d'autre part
T2„(sintf) = 2sinO-r2n_1(sin5)-T3T1_î(sinfl)
= (-l)*-l2s\n6ùa(2n - 1)0 - (-1)"-1 cos(2n - 2)0
= (-l)n{cos(2n-2)0-2sin0sin(2n-l)0}
= (-1)" }cos(2n -l)ÔcosO + sinosin(2n - 1)0 - 2sinÔsin(2n - 1)0}
- (-I)n{cos(2n-l)0cos0-sin0sin(2n-l)0}
= (-I)ncos2n0.
3.5. Relation avec la fonction arcsinx
79
Corollaire 3.5.1 Pour tout v > 0. l'identité formelle suivante est satisfaite
7>(sin0) = (-I)1T1 sin p* 8 = (-l^'sin/fl.
Preuve.- La première égalité traduit la proposition précédente. Pour démontrer la
seconde, i] suffit de vérifier que
(-1)^ = (-1)^, (I)
De deux choses Tune: ou bien p = 1 mod 4. auquel cas
JUJLÌsE^sOmorf?
2 2
et alors les deux membres de (1) sont égaux à 1,
ou bien p = 3 mod 4, auquel cas
) 1 mod 4 si v est pair
V
et alors (1) s'écrit
p l 3 mot/ 4 si v est impair
(-1)^ = (-1)- = (-1)1^
Proposition 3.5.2 (sinus et arcsinus p-adiques) Les séries
sini = 5(-ir(£^ "
-inx = £^)(-,,.-
définissent des fonctions
sin : B .
Preuve.- Intéressons-nous tout d'abord à la première égalité. Il est clair que si
Tpkia) = O pour un certain entier fc, alors Tp-[a) = O pour tout u > k et donc
T(a) = arcsin a = O.
Réciproquement, soit a 6 5 (î>(0))
P*
Ainsi Tpk(a) = 0 et la première égalité est établie. La seconde découle du lemme
suivant. ¦
Lemme 3,5.1 Soit l'application
J : Cp - {0} -—» C11, x
Quel que soit v > 0
K
J(/ip.) = Zér 2; nous appelerons polynômes de Coster, les polynômes
à d variables Tn (ai,... ,aj) définis par Ie développement en série
$1 + a,x + ¦ ¦ ¦ +(ItX* ^0
Exemple.- Lea premiers polynômes, correspondant au cas d = 2, sont
ITo(O1, ûj) = 1;
Jr1(Q11O3) = -\di\
T2(Oi1A2) = la\-\a3;
M0I^i) = —haì + laia^
T8(Oi1Oj) = -^u?+ M0?0«" W0I0I
La définition 4.1.1 trouve son origine dans l'article (15], que M- Coster consacre à
l'étude de la série formelle définie par le développement de Taylor
1 + 53 ouï'1 ] = £u»*a.
83
84
Chapitre 4. POLYNOMES DE COSTER ET DE LECENDRE
où ati....a( sont dans Z. En effectuant l'adaptation qui consiste à considérer les
et;, non pas comme des nombres mais comme des indéterminées, nous héritons du
résultat suivant.
Théorème 4.1.1 Pour p = 1 mod d, les polynômes de Costei- vérifient les congru-
ences
fnP(ai,-.-,ad) = ""n(a5) modnpZp[ai,...,aa], (n > 0).
Preuve.- H suffit de modifier, dans ]a démonstration de ([15], Théorème A, p. 51.)1,
la congruence (10) comme suit
avec les nouvelles notations d — e, a,- = a,-, Tn = u„. m
Pour ce qui concerne le cas d = 2 (duquel relève la section 4.2), nous apportons,'au
théorème 4.1.1, une preuve indépendante,
Lemme 4.1.1 Les séries formelles
x"
fo(x) := £ff«-i(at>a3)— et
n>l °
/i(z) := £ M0UOa)-I
n>l "
définies à l'aide des polynômes intervenant dans le développement
¦¦ ¦;¦ , := -¦>-------------!¦--------, = Y"* irn(ai,ai)xn.
R(x) vl+û|ï + «a*3 nTo
satisfont aux identités formelles
Mx) = ^logl------ITTÏ^------J-
/l(„ = -,og(^fM).
'Ce théorème établit les congruences
vmpr = umpr-, mod p', (m, r > 1).
4.1. Polynômes de Coster
85
Preuve.- Ces identités s'établissent directement par dérivation. Ainsi
h[X) R sfc O1 + 2a2x + 2^R ^R
et on vérifie que
'Q1+2aix-\-2^2 R{xY
log
ûi +2^/ôï
= 0 = /o(0).
De même
/](I)--------_ = /](x)- —
2 + Û1Ï + 2A + RX
2 + 2alx + 2a2x1 -2R7
Rx(2 + aix + 2R)
= 0:
de plus
*f-*^L-'-«•>¦
Théorème 4.1.2 5i /ï esf premier impair, alors les polynômes de Cosier satisfont
à la relation de congruence
^np(«i.a3) = JTn(Oj,aj) modnpZp[a-[,a2). (n > 0).
De p/us, /a série formelle
xs
donne naissance au groupe formel
F,(x,t,) = /r1 (/,(*) + /2{y)) e Zp[aj,ar\a5],
isomorphe au groupe formel multiplicatif, via l'isomorphisme
h^=2 + aix + 2R
- 1.
S6 Chapitre 4. POLYNOMES DE COSTER ET DE LECENDRE
Preuve.- Si l'on considère
A = Z,,(«j,02]) / = pA, a : n,- *-* af. (1)
alors la série formelle /i(:c), qui s'écrit
Z1(I) = - logfl + r(x)), avec r{x) € A[[x}\,
est de type p—T. relativement aux "ingrédients", que (1) désigne. Ceci établit les
congruences
~np(at,Oï) = ~n(api,al) modnpA, (n > 1).
De plus, dans Zp[^1, a["\nï]< 'e coefficient /J(O) = Jr1(H11U2) — — ^ est inversible.
Ainsi
/T1 (M*)+ Mv))
est une loi de groupe formel sur Zf1[O1,... ,(Id]. ¦
Lemme 4.1.2 Si p = \ mod d, alors pour tout n > 1 et i € {1,...,(/}
—Tn{fli,...,ad) G T)Zp(W1,... ,Od].
Preuve.- Comme p = 1 mod d, les polynômes Jrn («i,.. ¦ ,ad) ont leurs coefficients
dans Zp. Ainsi, si v = ordp(n) = 0, alors
^- «"„(«i,..., Od) £ Zp(Gt,... ,Od] = TlZp[O1,... ,Od]-
Supposons maintenant que f = ordp(n) > 0. En dérivant la congruence
*\>p((ii:--->"d) = Tn («ï,..-, «S) mod np Zp[O1,..., ûd],
du lemme 4.1.1, par rapport à o.j, on obtient
^-7Tnp(fl1:... ,Qd) = pof'^-T^aï,.. .,apd) mod TIpZpIa1,... ,O-].
Par hypothèse d'induction, le second membre de cette dernière expression est nul
modulo npZpjfli,... , ad], ce qui prouve bien que
^-ir„p(ni,...,ad) £ npZJau..,,ad].
4.1. Polvnòmes de Coster
ST
Corollaire 4-1.1 Si p = 1 mod d, alors la congruence
v„(ai(t),...,ad(t)) ^xnW),.-.M*')) modnpZp[l]
est vérifiée pour tout n > 0 et quels que soient les polynômes
ai(t),...Mt) e 2p\t\.
Preuve,- le théorème 4.1.1 stipule que
*np (ai(().....oj(0) = -n Ia1[If,..., ad{tY) mod np Zp\t]. (2)
Choisissons d polynômes ai(t),... , oy(0 E Zp[f], tels que
ai(tY = a,(n + PQ1-(O-
Grâce au lemme 4.1.2 et aux applications successives du théorème des accroissements
finis (pour chaque variable), la congruence (2) peut s'écrire
T.p(ai(0,..-,Orf(0) = *«(ai(tP)+P<*i(t),---Mt') + Pt*d(t)) modnpZp[t]
= IrnW),...M*')) modnpZp[t].
Théorème 4.1-3 Pour p = 1 mod d, les polynômes de Coster vérifient les congru-
ences dites de Schui2; c'est-à-dire que si
n = ri0 + nip H-------(- nkp
est le développement de l'entier n dans ta base p, alors
Itn(Oi,...,ad) = TnQ (ai,..-, od) -Tt711 (au...,ad)?..-TTnt («i,..,, adf
= Tn0(O1,..., Orf)-STn, (oît...,a5)-"ÎTnjk (fl" , . . . , (?d )
mod PZp[O1,... ,Oj].
Preuve3.-Posons /4 = Zp[O1,...,Oj) et p(x) = 1 + a^x -f-----1-ûjXJ- Puisque o1
divise p — 1, le nombre -J se laisse développer, comme suit, dans la base p
1 1, , P-I p-1 p-1 „
On a alors
(l+aix + -" + ^)-4 ' ¦ ¦ 1^"
fev - {(.+-™r1
(1 + Bi* + •¦• + O1^)T-
= 1 mod (p4t],xp'""),
1On dit aussi que la suite ir„(«i)..., Od) satisfait à la propriété de Lucas, cf. [29|.
'Voir aussi [26], p.75.
SS Chapitre 4. POLYNOMESDECOSTERETDELEGEiNDRE
autrement dit
p[x)~* = (ptx)2^"} mod (pA.xp"*X) .
Puis, comme d divise p — 1. alors p{x)~ * est un polynôme de degré p - 1 en i, et
p(ar)"3 = iro(«i,...,-i (a i,----ad)xp-1 morfp <4[:r).
En effet
p(.r)*ï = p(x)i (p(x)^)P
= (l + TT1(O1,.. .,orf)x + ¦ • ¦ + )Tp-i(ûi,. • ¦ ,a*)*'-1 + **") (1 + **") mod pA[[x\]
= 1 + Tifai, ¦¦ .,Id)^ + --- + ffp-! (O1,.. .,arf)xp-1 mod (p^[x],j:p)
et Ie membre de gauche de cette dernière congruence est un polynôme de degré p - 1
en i. Ou parvient ainsi à la congruence
mod [pA\x\,xr' J .
L'identification des coefficients de i", pour
n = ïi0 + nip + ¦ ¦ • + rtkpk < pu+1,
donne lieu à la congruence de Schur
Jrn(O1,...,^) =^(0(,...,0,() -JTr11 (au ..., ad)F - - - n„k (a,,..., ad)p mod p A.
m
4.2 Polynômes de Legendre
Définition 4.2.1 les polynômes Pn{t), définis par le développement en série
1 = Y PJt)X11,
sont appelés polynômes de Legendre.
Ainsi, avec les notations de la section précédente, pour tout n > O, on a l'égalité
/>„(*) = Tn(-2<,l).
Réciproquement, en partant des polynômes de Legendre, on fabrique les polynômes
de Coster, comme suit.
^jrn(ah...,od)i"= YiTïn(al,...iad)xn
n>0 \n 0. on a ia relation
*Jc.,a*) = (-OVoTa(^).
Preuve.- Les fonctions
sont liées entre elles, par la formule
dont le développement en séries s'écrit
n>0 \ Wa1/ n>0
Par identification, on trouve
'.(...«.) = ft (-5^) 4 = (-^)"/>.(^).
Voici la liste des premiers polynômes de Legendre
A(O = i;
A(O = t;
A(O = if3-!;
A(O « f*3-ft;
A(O = ¥*«-¥<' + §;
A(O = f 0, alors on a la congruence
Pnp(t) = Pn(I") modnpZp[t}.
Preuve.- En vertu du corollaire 4.1.1, la congruence
T^(O1(O,O3(O) STn (a,(CVi(O) mod npZp[(],
est vérifiée, quels que soient les polynômes aj(t),4ij(t) Ç Zp[t], (p impair). En
particulier pour
O1(O =-2i et A2(O = I,
on peut écrire
Pnp{t) = xnp(-2(,l) = r„(-2ip,l) = Pn[I") modnpZ,[i].
m
Corollaire 4.2.2 Le polynôme Pn(I) est une pseudo-puissance n dansZp[t], (p / 2).
Preuve.- C'est une conséquence directe de la proposition 1.4.1. ¦
4.2. Polynômes de Legendre
91
Remarque.- Dans le contexte du corollaire 4.2.2, il convient de citer la relation bien
connue [2S] et plus précise suivante '
" \-t2
Le théorème 4.2.1 ne vaut que pour p impair. A l'aide du changement4 d'indéter-
minée t H-t 1 + 2t. il est possible d'énoncer et de démontrer "à la main", un résultat
englobant, également, le cas exceptionnel p = 2.
Lemme 4.2.1 Les polynômes Pn(I + 2t) sont à coefficients Hans Z et admettent te
développement explicite
^+^Ê(i)("r>'><^>-
Preuve.- On trouvera une preuve de ce lemme, bien connu [28]. dans [34}, par
exemple. ¦
Théorème 4,2.2 Pour tout p premier et pour tout n > 0, les polynômes de
Legendre satisfont à la relation de congruence
Pnp(l+2t) = Pn(\+2?) modnpZp[t}.
Preuve,- Grâce aux congruences
(¾s ¢) mod">%"
(remarque 1, section 2.2) et au lemme précédent, on obtient
p ne divise p&a Je
= 0 modnpZp\t\.
4L'astuce de ce changement de variables et In compréhension de son enjeu sont dues à A. Robert,
cf. [34].
92 Chapitre 4. POLYNOMES DE COSTER ET DE LEGENDRE
En effet, il existe deux entiers /sadiques a,,,* et /?„,/. tels que
(3=(3*1"°-"
da sorte que si 1 < Jt < n. alors
* CWîC:!K
= O mo(/npZp.
Remarque.- Si, pour p impair, on effectue, dans la relation
Pnp(l +2() = Pn(I+2?) modnpZp{t],
la substitution
x — 1 „ , ,
on obtient U congruence
Pn(X) = Pn[Z') modnpZp\x).
En effet, il existe r(x) 6 Z1Jx], tel que
1 + 2i" = 1 + 2 ¦ 2"p(i - 1)" = x" + pr(x).
Comme le polynôme P„{x) est une pseudo-puissance ti dans Zp[x] pour p =é 2 (c'est-
à-dire que i^(.t) € nZp[x]), le théorème des accroissements finis fournit la congruence
Pn (l + 2 ¦ 2"p(x - I)") = Pn (xp + pr(x)) = Pn(x>) mod npZp[x\.
Ceci, pour montrer comment le théorème 4.2.1 découle du théorème 4.2.2. ¦
Corollaire 4.2.3 La série formelle
/,(*) = E^1(I+20-
n>l "
4.2. Polynômes de Legendre
9:j
donne naissance à la loi de groupe formel
Fi(Z* U) = £* (M*)+ Ml)),
définie sur l'anneau Z[t, tt^Jc'- isomorphe au groupe formel multiplicatif, oia
l'isomorphisme
A(z) =---------------------,2 - 1.
\-x-2tx + ^.r2 - 2(1 + 2t)x + L
Preuve.- La série formelle
/i(i)€ Q[Il(NI
est de type/)—T. sur Ap — 2p[t,-^~]. Ainsi, quel que soit p, F^x.y) a ses coefficients
dans Ap. Le reste de l'énoncé se déduit du théorème 4.1.2. ¦
Théorème 4.2.3 Si p est impair, alors pour tout n > l, on a ia congruence
/Vi(O = Pn-i(t") mod np2p[i].
Preuve.- Si l'on considère Ia série formelle
71>1
alors le lemme 4.1.1 fournit la formule explicite
., , . , x - t + y/1 - 2rx + i2
fa[x) =e log
1-
Il s'ensuit que ___________
iti u x-t + Vl-2tx + z*
exp(/0(a:)) =-------:----—------------
a ses coefficients dans l'anneau A = Zp[f]. Autrement dit. la série formelle fo(x)
est de type p — T sur ,4, ce qui prouve que ses coefficients Pn-\{t) vérifient les
congruences de Honda. ¦
La preuve de Honda [21]s.- Comme dans la preuve précédante, considérons la
série formelle
pour laquelle
d f< \ l
dxJ"' ' y/i - 2tx + t2
5II s'agit plutôt, ici, d'une traduction de la preuve de Honda, dans Je langage du LEF de
Haze winke].
94 Chapitre 4. POLYNOMES DE COSTER ET DE LEGENDRE
Lc changement de variables
X = V(S)='---r* «2* + ¦¦¦ e Z[Ii(W]1
1—5'
* = ^V) = ^ + ---ezp[«(/^2),
donne lien à l'identité
/oM^)) = log^=log(l-5)-log(l+S).
Ainsi, la série formelle
f0(x) = log (l - ^(X)) - log (l + V'l(x))
est de typep-T, sur l'anneau Zp[tf. En effet, Iog(l + x) est de type p-T et -1(i)
est à coefficients dans Zp[ij. Le point (iii) du LEF montre, alors, que
log(l±V->(z))
sont, tontes deux, de type p — T sur Zp\t\. m
Corollaire 4.2.4 Le polynôme de Legendre Pn-1(O est une pseudo-puissance n
dans Zp[I]1 sip $ 2.
Preuve.- Par induction sur v ¦= ordp(n) et en utilisant la congruence du théorème
4.2.3. ¦
Remarque.- Comme précédemment, on dispose de la relation [2S], plus précise
P1U(O = "
l-t>
Ici aussi, le changement de variables, t >-* 1 + 2t, permet un énoncé valable pour
tout p premier, (p = 2 compris).
Théorème 4.2.4 Pour tout p premier et tout n > 1, les polynômes de Legendre
satisfont à la relation de congruence
Pnp-i(l+20 = Pn-i-£(:)(":>
on calcule la différence
JVi(I+2*) - Pn^1(I+2f)
= zY^:1i("^-V-ï:M("T1]<
pk
k=a \ *¦ / \ "- / i=o
p ne divise pns k
96
Chapitre 4. POLYNOMES DE COSTER ET DE LEGENDRE
Comme, putir p ne divisant pas k. on a
fnp + k-l\ np(np+k-l\_
la dernier« somme est nulle mod npZp[t}. Maintenant pour k,n > 1 lixés. posons
fnp\ fnp + kp\ fn\ fn + k^
b =
kpj \ kp } \kj \ k }'
np — l\ fnp + kp — l\ fn - l\ fn + k - 1
kp J \ kp J \ k j \ k
np- 1\ fnp + kp— l\ fn - l\ fn + k - 1
Ap-lM kp-l
k-l \ k-l
En utilisant les identités
'n + k - l\ _ (n + A- l)...(n + l) « _ n fn + Jt-I
(Jt-I)! "k~ï[ k-i
O)
n- 1
Jb
n -1
A-I
Jt v U-i
n-k fn - 1
Jt U--î
on obtient
(2)
_ n n + k J /np —A /np + Ap — 1
Û " jfc Jo-Iw- 1/ \ kP~l
b =
n— k ni fnp — I \ fnp + Ap — 1
Ap-lH Jtp-i
n - l\ /n + k - 1
Jt-I1Jl1 *-l
n-ï\(n+k-l
Jt-U I A-I
n(n + Jt)
n(n - Jt)
Il s'ensuit
b =
n-k
n + k
n-k M fnp + kp\ (V1A1-MAl
n + k IW { "p ) Wl » lì
n-k n + k IO + imp \ j ("+*)+W-+t)p}- ¦0 (¦:¦
4.2. Polynômes de Legcndre
97
avec ti, t) E Zp
n - k ( n \ . ,, Ji - k fn+k\ n - Ir1 ,, ,
^[n-krn + k)p+ZïkUnp{ k j+^" + *)«™?
n - 1 \ n + k-2kfn + k>
Ivp+unp-------—;—
\n — k — 1/ n + k \ k
= n[ ( i \vp~runp-------——[ r I mod npZp
5 unp{V)-2unp^{V)modnpz>
= —2unpj ) mod np Zp
= 0 mod npZp.
Remarque.- A nouveau, il convient de constater que le théorème 4.2.3 se déduit du
théorème 4.2.4. En effet, supposons p impair et effectuons la substitution
t=^€Zp[x)
dans la congruence
/V1(I + 2t) = f-it1 + 2t") mod npZpW-
Puisque P„-i(t) est pseudo-puissance n dans Zp[i], la dernière congruence s'écrit,
grâce au théorème des accroissements finis
JVi(*) = JVi (1+21^*-I)*)
= P»-i{xp + pr(x)), avec r(z) e Zp[i]
= P»-x{xp) mod npZp[x].
Corollaire 4.2.5 La série formelle
es( le logarithme d'un groupe formel défini sur Z[/]. Ce groupe, formel est strictement
isomorphe au groupe moltiplicati}, via Visomorphisme
9S
Chapitre 4. POLYNOMES DE COSTER ET DE LECENDRE
Preuve,- Comme la série formelle fQ(x) est de type p—T sur Zp\l] pour tout p. la loi
Fo(¦£¦!/) = / 1 et k e Z1 la suite
cv+*(«)).,>.,, (P ï 2),
converge en tout point de la lemniscate LTt. De plus, la limite
fm.k(a) ¦= JiTO3 Pmp"+k{a)
satisfait à la relation de récurrence
L-UM = (2* - l)a/«.*-i(<0 - (* - l)/m,*-î(<0-
Preuve.- Puisque les polynômes P„(t) et P„-t(t) sont des pseudo-puissances n et
vérifient les congruences de Honda dans Zj,[t]t le théorème des accroissements unis
permet d!établir la convergence des suites
CV(U)Uo et CV-iHW
La formule de récurrence
nP„it) = (2n - I)(Pn-I(O -in- I)JVa(O.
7EIIe ne fuit aucune référence aux travaux de H&zeu-inkd.
4.3, Les congruences de Kazandzidis
9!J
à laquelle satisfont les polynômes de Legendre (cf. [2S]). s'exprime, pour n = mp" + k
et ( = a, sous la forme
(m/+*)/V+t(a) = (2mp"+2k-l)-a-Pmp»+^l(a)-(mp" + k-ï)Pmp>+^(a). (I)
On en déduit, par induction, la convergence de la suite
en tout a 6 Lr, ainsi que la formule de recurrence que vérifie sa limite, à savoir.
l'expression de (1) pour v —> co
kfm,t{a) = (21c - I)UfnJ1-^a) - (k - l)/mJk_2(«).
4.3 Les congruences de Kazandzidis
Comme nous l'annoncions dans ta section 2.2, la congruence
fô)"Om0drtpZp
ne représente qu'une version plus faible du résultat3 suivant, dû à G.S. Kazandzidis
[22], [23], [24], qui s'énonce comme suit.
Théorème 4.3.1 Soit p premier impair; si l'on dénote p(a) la plus hante puissance
de p qui divise l'entier a, alors les coefficients binomiaux vérifient les congruences
0-(3-{r-i,0:;:ï-'"H-*)(:)}-
On effectue, alors, immédiatement, la traduction.
Corollaire 4.3.1 Pour tout p premier impair, on a les congruences
On déduit de ce corollaire, le résultat suivant, concernant les deux congruences qui
font l'objet de la section précédente.
aCité dans [27], p. 350 et dans (2O].
100
Chapitre 4. POLYNOMES DE COSTER ET DE LEGENDRE
Théorème 4.3.2 Si1 pour p premier impair et n> I1 on pose
H1 = P„p_i(l +2t) -/»„_,(!+&p) = 0 modnpZ„[t];
H-ï = Pnp{l+ 2t}-Pn(I+2tp) = 0 moti nPZp{t};
alors la congruence suivante est vérifiée.
i/i + H2 =0 moti U7P2Zf[I].
Preuve.- Comme nous l'avons observé en section 3.2, H1 et H2 admettent
le développement
*-I'(v)rr 0"-SCr)C+:-1)
-ë(t) (nr><-£(i)(T)-
Si l'on pose
np
#i + ¾ = !>'*,
alors on a
a) d0 = 0;
b) Si p ne divise pas k > 1, alors
*-(T)K+V(V)(^r1
- ï(7:,,){(Vr,)+('*+*",'»+
^T)-(Tr1MVr1
O,
np fnp — l\ (np + h — l\ np /np^ /np + i - 1
T^fc-1 )\ h j +T\k)\ fc-1
»y
JbM Jb - 1 I \ 4 - 1
- o—P* (np ~ ^ /np + * ~ 1
et donc
dk = 0 mod nV Zp.
4.3. Les congruences de Kazandzidis
c) Etudions, maintenant, le coefficient d^, avec k < ri. Celui-ci s'écrit
'h/A fnp + kp\ /n\ [n + k\ fnp - \\ fnp + kp — f
^={kp){ kp J-Wl k j + v kp j\ kp
'»-A/n + fr-f
k ){ k
ou encore, avec les notations de la seconde preuve du théorème 4.2.4
n-k 2n
dpk = a + b = a + —— a = ——o.
y n + k n + k
Par ie corollaire 4.3.1, il existe u et v dans Zp tels que
^ = ^{ö-^-)C)}{("ri+»^-"»""
2n fn\ fn + k
n + k U-
2 2 l / ,,in^/n + t-li , fn\ fn + k
= 0 mod H2P2Zp.
d) Finalement, encore une fois grâce au corollaire 4.3.1, on obtient
«•-CHT
= 0 mod p22n ¦ n ¦ n[ \ Zn
= 0 mod 2nV Zp-
Conjecture 4.3.1 Le théorème 4-3.S est aussi valable pour p = 2.
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