SECTION SEPTIÈME.
Des Équations qui déterminent les Sections circulaires.
335. Parmi les accroissemens importans dont les travaux des
modernes ont enrichi les Mathématiques, les fonctions circulaires tiennent sans aucun doute le premier rang. Cette étonnante
espèce de quantités, à laquelle nous sommes conduits à chaque
instant dans des recherches qui y semblent tout-à-fait étrangères,
et du secours desquelles ne peut se passer aucune partie des Mathématiques, a occupé avec tant d’assiduité la pénétration des
plus grands géomètres, et ils en ont fait une théorie si vaste,
qu’on ne pouvait guère s’attendre qu’une partie de cette théorie,
partie élémentaire et pour ainsi dire placée à l’entrée, pût recevoir des accroissemens considérables. Je parle de la théorie des
fonctions trigonométriques, qui répondent aux arcs commensurables avec la circonférence, ou de la théorie des polygones réguliers, dont on ne connaît jusqu’à présent que la plus petite
partie, ainsi qu’on le verra par cette Section. Le lecteur pourrait s’étonner de rencontrer une semblable recherche dans un
ouvrage consacré à une doctrine qui paraît au premier abord absolument hétérogène ; mais l’exposition fera voir bien clairement
quelle est la liaison de ce sujet et de l’Arithmétique transcendante.
Au reste, les principes de la théorie que nous entreprenons
d’exposer, s’étendent bien plus loin que nous ne le faisons voir
ici ; ils peuvent en effet s’appliquer non-seulement aux fonctions
circulaires, mais aussi avec autant de succès à beaucoup d’autres
fonctions transcendantes, par exemple, à celles qui dépendent de
l’intégrale et en outre à différens genres de congruences ;
mais comme nous préparons un Ouvrage assez étendu sur les fonctions transcendantes, et que dans la suite de ces Recherches arithmétiques nous traiterons amplement des congruences, nous
avons cru ne devoir considérer ici que les fonctions circulaires,
et même quoique nous pussions les embrasser dans toute leur généralité, nous les réduirons au cas le plus simple, comme on va
le voir dans le no suivant, tant dans le dessein d’abréger, que
pour rendre d’une intelligence plus facile les principes tout-à-fait
nouveaux de cette théorie.
336. Si nous désignons par la circonférence du cercle, ou
quatre angles droits, que nous supposions entiers les nombres et et égal au produit des facteurs premiers entre eux l’angle peut, par le no 310, être mis sous
la forme
et les fonctions trigonométriques qui en dépendent se déduiront,
par les méthodes connues, des fonctions correspondantes aux parties Ainsi, comme on peut toujours prendre pour
des nombres premiers ou des puissances de nombres
premiers, il suffit évidemment de considérer la section du cercle
en parties dont le nombre est premier, ou une puissance d’un
nombre premier, et le polygone de n côtés se déduira sur-le-champ des polygones de côtés. Cependant ici nous
bornerons nos recherches au cas où l’on doit diviser le cercle en
un nombre premier impair de parties. En effet, il est constant
que les fonctions circulaires qui répondent à l’angle se déduisent de celles qui appartiennent à l’angle par la solution
d’une équation du degré des premières on déduira, par une
équation de même degré, celles qui appartiennent à l’angle
de manière que, si l’on connaît déjà le polygone de côtés, on
a nécessairement besoin de la résolution de équations du
degré pour obtenir le polygone de côtés ; et même si nous
pouvions étendre notre théorie à ce cas, nous n’en serions pas
moins conduits au même nombre d’équations du degré qui ne peuvent se réduire en aucune manière, si est un nombre
premier.
Ainsi, par exemple, nous ferons voir plus bas que le polygone
de côtés peut être construit géométriquement ; mais pour déterminer le polygone de côtés, on ne peut éviter d’aucune
manière l’équation du dix-septième degré.
337. Tout le monde sait que les fonctions trigonométriques
des angles , désignant indéfiniment les nombres , , , …,
sont les racines d’une équation du degré ; ces équations sont :
pour les sinus,—
+ etc.
….(I)
pour les-cosinus,—
etc.
…(II)
pour les-tangentes,—
Ces équations, qui sont toutes vraies quand est impair (la seconde l’est même quand est pair), se réduisent facilement au
degré , en faisant , savoir, pour la première et la
troisième, en divisant par et posant ensuite ; quant à
la seconde, elle renferme nécessairement la racine ,
et les autres sont égales deux à deux, ,
, etc. Donc l’équation est divisible par
et le quotient est un quarré. En extrayant la racine, l’équation
devient
etc.
,
dont les racines sont les cosinus des angles , , , ….
On ne connaissait pas jusqu’à présent de réductions ultérieures
de ces équations, même pour le cas où est un nombre premier.
Cependant aucune de ces équations n’est si commode à traiter,
ni se prête tant à notre dessein, que l’équation , dont on sait que les racines sont intimement liées avec les racines des premières. En effet, si l’on représente par la quantité imaginaire , les racines de l’équation sont représentées
par la formule
,
où l’on doit prendre pour tous les nombres , , ,… ;
ainsi, comme on a
,
les racines de l’équation (I) seront exprimées par
;
celles de l’équation (II) par ;
celles de l’équation (III) par .
C’est pourquoi nous établirons nos considérations sur l’équation
, en supposant que soit un nombre premier impair ; mais pour ne pas interrompre l’ordre de nos recherches, nous commencerons par le lemme suivant.
338. Problème. Étant donnée l’équation (W)… trouver une équation (W'), dont les racines soient les puissances de celles de l’équation (W), étant un nombre entier positif donné.
Désignons les racines de l’équation (W) par , , , etc., celles de l’équation (W') devront être , , , etc. Or, par le théorème de Newton, on peut trouver en fonction des coefficiens de l’équation (W), la somme des puissances quelconques des racines , , , etc. ; on cherchera donc les sommes
,
—— etc., etc.,
jusqu’à etc.,
d’où par le procédé inverse tiré du même théorème, on pourra
déduire les coefficiens de l’équation (W’). On voit en même temps
que si les coefficiens de l’équation (W) sont tous rationnels, ceux
de l’équation (W’) le seront aussi ; on pourrait même prouver par
une autre voie, que si les premiers sont entiers, les autres le seront ; mais comme ce théorème ne nous est pas nécessaire, nous
ne nous y arrêterons pas ici.
339. L’équation (en supposant, comme il faut toujours le faire par la suite, que est un nombre premier impair),
ne renferme qu’une seule racine réelle ; les autres,
qui sont donnés par l’équation
…………(X)
sont toutes imaginaires ; nous en désignerons l’ensemble par . Si
donc est une racine quelconque de , on aura
et généralement
pour toute valeur entière de , soit positive, soit négative. D’où l’on voit que si et , sont des nombres entiers congrus suivant , on aura ; mais si et sont incongrus suivant le module , et seront inégaux. Dans ce cas, on peut déterminer un nombre entier , tel qu’on ait
et partant,
;
donc ne sera certainement pas : or il est clair que
toute puissance de est racine de l’équation ; parconséquent comme toutes les quantités , , , ,… sont différentes, elles représentent toutes les racines de l’équation
, et , … coïncident avec les racines On conclut facilement de là que coïncide avec , , …
, étant un entier quelconque, positif ou négatif, et non-divisible par . On aura parconséquent
;
d’où........
|
|
|
|
et.............
|
|
|
|
Nous appellerons réciproques deux racines telles que et , ou
plus généralement , , et il est clair que le produit des
deux facteurs simples et est
,
l’angle étant , ou à un de ses multiples.
340. Ainsi, comme en représentant une racine de par , toutes les racines de l’équation sont exprimées par les différentes puissances de , le produit de plusieurs d’entre ces racines pourra être exprimé par , de quelque manière qu’il soit composé, étant , ou positif et ; et si l’on désigne par
une fonction algébrique rationnelle et entière des indéterminées , , , etc., dont les différens termes soient de la forme etc., il est évident, qu’en prenant pour , , , etc. quelques-unes des racines de l’équation ,
par exemple, , , , etc .; pourra être mise sous la forme
de manière que les coefficiens , , etc. (dont quelques-uns peuvent être = 0), soient des quantités déterminées ; et tous ces coefficiens seront entiers, si tous ceux qui sont représentés indéfiniment par sont des nombres entiers. Si ensuite l’on substitue
, , … pour , , … respectivement, le terme tel que
… qui se réduisait à , se réduira par la nouvelle
substitution, à , desorte que l’on aura
On aura de même en général, étant un nombre entier quelconque
proposition extrêmement importante, et qui sert de base aux recherches que nous allons faire.
Il suit de là que
et que
Ainsi cette somme est toujours divisible par quand tous les coefficiens déterminés (tels que ), dans sont des nombres entiers.
341. Théorème. Si la fonction (no 339) est divisible par une fonction d’un degré inférieur
les coefficiens ne peuvent pas être tous entiers ni rationnels.
Soit , (π) l’ensemble des racines de l’équation , (χ) l’ensemble des racines de l’équation , ensorte que Ω soit composé de (π) et de (χ) ; soit encore (ϱ) l’ensemble des racines réciproques aux racines (π), et (σ) l’ensemble des racines réciproques aux racines (χ), et supposons que les racines contenues dans (ϱ) soient données par l’équation , qui sera évidemment
tandis que les racines contenues dans (σ) seront données par
l’équation . Il est manifeste que les racines (ϱ) et (σ) prises ensemble composent Ω, et qu’ainsi l’on aura . Cela
posé, nous avons quatre cas à distinguer :
1o . Quand (π) coïncide avec (ϱ) et qu’on a parconséquent
. Dans ce cas les racines (π) seront réciproques deux à deux, et parconséquent est le produit de facteurs doubles tels que
d’où il suit que quel que soit , pourvu qu’il soit réel, obtiendra une valeur réelle positive. Soient
les équations qui donnent les quarrés, cubes, biquarrés, etc., puissances, des racines (π), et … les valeurs
de … respectivement, quand on y fait par
ce qui a été dit précédemment seront des quantités réelles et positives. Or est la valeur qu’obtient la fonction
quand on y substitue pour , etc. les racines (π) ; est
la valeur de cette même fonction, quand on substitue pour etc. les quarrés de ces mêmes racines ; et d’ailleurs la valeur qui résulte de la supposition etc., est évidemment donc la somme sera entière et divisible par en outre on voit facilement que le produit et partant
Maintenant si tous les coefficiens de étaient rationnels, tous ceux de etc. le seraient aussi, par le no 338, et par le no 42, ils seraient tous entiers ; donc etc. le seraient ; comme d’ailleurs le produit de ces derniers nombres est et que leur nombre est plusieurs d’entre eux devraient
être égaux à et les autres seraient égaux à ou à une puissance de Si donc il y en a qui soient égaux à on aura
et partant non-divisible par Donc la supposition ne peut subsister.
2o . Quand (π) et (ϱ) ne coïncident pas, mais contiennent
quelques racines qui leur sont communes, soit (τ) l’ensemble de
ces racines, et l’équation qui les donnerait ; il suit de la théorie des équations que sera le plus grand commun diviseur des fonctions et Or il est évident que les racines comprises dans (τ) sont réciproques deux à deux, d’où l’on conclura par ce qui a été démontré précédemment, que tous les coefficiens de ne peuvent être rationnels. Mais cela arriverait nécessairement si tous les coefficiens de et partant ceux de étaient rationnels, comme on peut le voir par la nature de l’opération par laquelle on cherche le plus grand diviseur commun ; donc cette supposition est absurde.
3o . Quand (χ) et (p) coïncident, ou du moins renferment des
racines communes, on prouvera de la même manière, que tous
les coefficiens de ne peuvent pas être rationnels ; or ils le seraient nécessairement si ceux de l’étaient ; donc cette dernière supposition est impossible.
4o . Si enfin il n’y a aucune racine commune ni à (π) et (ϱ),
ni à (χ) et (σ), toutes les racines (π) coïncideront nécessairement
avec les racines (σ), et les racines (χ) avec les racines (ϱ),
et partant on aura , ; donc
d’où résulte, en faisant
Or si tous les coefficiens de étaient rationnels, ils seraient entiers (no 42), partant ceux de le seraient aussi ; donc , qui
devrait diviser l’unité, dernier terme de , ne pourrait être que , et il s’ensuivrait que serait un quarré, ce qui est absurde, puisque est un nombre premier.
Il suit évidemment de ce théorème, que, de quelque manière
que l’on décompose en facteurs, les coefficiens, ou du moins une partie d’entre eux, sont irrationnels, et parconséquent ne peuvent être déterminés que par des équations qui passent le premier degré.
342. Le but de nos recherches, qu’il n’est pas inutile d’annoncer ici en peu de mots, est de décomposer graduellement en un nombre de facteurs de plus en plus grand, et cela de manière à ce que les coefficiens de ces facteurs puissent être déterminés par des équations du degré le plus bas possible, jusqu’à ce que, de cette manière, on parvienne à des facteurs simples, ou aux racines Ω. Nous ferons voir que si l’on décompose le nombre en facteurs entiers quelconques , , , etc. (pour lesquels on peut prendre les facteurs premiers), est décomposable en facteurs du degré , dont les coefficiens seront déterminés par une équation du degré ; que chacun de ces facteurs est décomposable en facteurs du degré , à l’aide d’une équation de degré , etc. Desorte que étant le nombre des facteurs etc., la recherche des racines est ramenée à la résolution de équations des degrés etc.
Par exemple, pour , on a ; il faut résoudre quatre équations du second degré ; pour , il faut en résoudre trois du second et deux du troisième.
Comme nous aurons souvent à considérer par la suite des
puissances de dont les exposans sont eux-mêmes des puissances, et que ces sortes d’expressions se prêtent difficilement à l’impression, nous userons de l’abréviation suivante pour , , , etc. Nous écrirons , , , etc. et généralement pour , étant
un nombre entier quelconque. Ces expressions ne sont pas entièrement déterminées, mais elles le deviennent lorsque l’on prend
pour ou une racine déterminée de . Ainsi et seront en général égaux ou inégaux, suivant que et seront
congrus ou incongrus suivant le module . En outre on a
,
——-.,
——,
et …………
, ou
,
suivant que est non-divisible ou divisible par .
343. Si, pour le module , est un de ces nombres que (Section III) nous avons appelés racines primitives, les nombres , , , … seront congrus aux nombres , , ,… suivant le module , quoique l’ordre ne soit pas le même, c’est-à-dire que tout nombre de la première suite sera congru à un de ceux de la seconde. Il suit de là que les racines
,
——,
——.....
——,
coïncident avec ; et de même plus généralement
,
——,
——.....
——
coïncident avec , si est un nombre entier quelconque, mais non-divisible par . Et comme on a , on voit sans peine que les deux racines , sont identiques ou
différentes, suivant que et sont congrus ou incongrus suivant
le module .
Si donc est une autre racine primitive, les racines ,
…… coïncideront ainsi avec les racines , ,…, abstraction faite de l’ordre. Mais en outre, on prouve
facilement que si est un diviseur de , et qu’on pose
, , , les nombres
,
——,
——.....
——
sont congrus, suivant le module , à ceux-ci :
,
——,
——.....
——
sans avoir égard à l’ordre. Supposons en effet , et soit un nombre quelconque positif et , et le résidu
minimum de , on aura , donc
——ou
——
c’est-à-dire que tout nombre de la première suite , , , etc. est congru à un de ceux de la seconde , , , etc., et réciproquement.
Il suit de là évidemment qu’il y a identité entre les racines
,
-,
-.....
- —et
— ,
-,
-.....
-
ou plus généralement entre les racines
,
, , ,…
—et
— ,
,
,…
.
Nous désignerons par la somme de semblables racines, telle que
, etc.
et comme elle ne change pas, lorsque l’on prend pour une autre racine primitive, elle doit être regardée comme indépendante de , et l’ensemble de ces racines s’appellera période , dans laquelle on ne considère pas l’ordre des racines[1].
Pour présenter une pareille période, il sera convenable de
réduire chacune des racines qui la composent à sa plus simple
expression, en remplaçant les nombres , , , etc. par leurs résidus minima, suivant le module ; et si l’on veut, on peut
ordonner les termes de la période suivant la grandeur de ces
nombres.
Exemple. Pour , est racine primitive, et la période
est composée des racines
de même la période est composée des racines
la période coïncide avec la précédente, et la période
contient les racines
344. On remarquera, au sujet de ces périodes, les observations suivantes, qui se présentent d’elles-mêmes :
1o . Comme on a , il est
évident que les périodes
sont composées des mêmes racines, et généralement si est une racine quelconque de , cette période sera identique
avec . Donc deux périodes, de même nombre de termes (que nous nommerons périodes semblables), seront identiques, si elles ont une seule racine commune, et parconséquent il est impossible que de deux racines contenues dans une certaine période, il ne s’en trouve qu’une seule dans une période semblable :
et il est clair que si les racines , appartiennent à la même période, la valeur de l’expression sera congrue à une certaine puissance de , ou que l’on peut supposer
.
2o. Si , on a , et la période coïncide avec ; mais dans les autres cas sera composé des périodes , et comme ces périodes sont toutes différentes entre elles, il est clair que toute autre période semblable coïncide avec l’une d’elles,
pourvu que soit une des racines c’est-à-dire, que ne
soit pas divisible par Quant à la période ou elle est évidemment composée de unités. On voit même que si est un nombre quelconque non-divisible par l’ensemble des périodes
,
——,
——,
——,…
——
coïncide encore avec
Ainsi, par exemple, pour et est composé des trois périodes à une desquelles toute autre semblable, excepté peut être ramenée.
3o . Si est le produit des trois nombres positifs il est évident que toute période de termes est composée de périodes dont chacune a termes, c’est-à-dire que est composée des périodes
,
——,
——,…
——
c’est pourquoi nous dirons que ces dernières sont contenues dans
Ainsi, pour la période est composée des trois dont la première contient les racines la seconde, la troisième,
345. Théorème. Soient deux périodes semblables, identiques ou différentes, et etc. les racines qui composent le produit de par sera la somme de périodes semblables, c’est-à-dire,
, etc.
.
Soit comme plus haut une racine primitive pour le module et on aura par ce qui précède
, etc. ;
le produit cherché sera donc
, etc.,
et partant
Cette expression contiendra en tout racines, et si l’on prend séparément la somme de chaque colonne verticale, on trouve que la somme totale est, comme nous l’avons annoncé, égale à
or etc., suivant le module , et partant
Nous joindrons à ce théorème les corollaires suivans :
1o . étant un nombre entier quelconque, le produit de par est
etc.
2o . Comme les différentes parties qui composent coïncident évidemment avec , ou avec une des périodes
il est évident que peut se ramener à la forme suivante :
où les coefficiens , , , etc. sont entiers et positifs ou quelques-uns ; et en outre, que le produit de par devient alors
Ainsi, pour , le produit de la somme par elle-même, ou le quarré de cette somme, est
ou…………
3o . Comme le produit de chacun des termes de par une
période semblable peut être ramené à une forme analogue, il est évident que le produit peut être représenté par
, etc. étant tous entiers et positifs, et qu’en outre, si
est entier, on a
On étendra de la même manière ce théorème aux produits de
tant de périodes semblables qu’on voudra, et il importe peu
que ces périodes soient toutes différentes, ou en partie différentes, et en partie identiques, ou même toutes identiques.
4o . Il suit de là que si dans une fonction algébrique rationnelle et entière on substitue pour les indéterminées respectivement, les périodes semblables
la valeur de cette fonction est
toujours réductible à la forme
et que les coefficiens seront tous entiers, si les coefficiens de la fonction le sont eux-mêmes. Si ensuite on
substitue pour respectivement les périodes
, la valeur de sera de la forme
346. Théorème. Si l’on suppose que est un nombre non-divisible par et que pour abréger on fasse toute autre période semblable où est aussi non-divisible par peut être mise sous la forme
de manière que les coefficiens soient rationnels et déterminés.
Désignons par les périodes jusqu’à dont le nombre est et avec une desquelles coïncidera nécessairement. On aura sur-le-champ
l’équation
………(I),
et en formant, d’après le no précédent, les puissances de jusqu’à on aura les autres équations
où tous les coefficiens sont entiers et indépendans de ainsi qu’on peut le conclure du no précédent ; c’est-à-dire, que les mêmes équations auront lieu
quelle que soit la valeur que l’on donne à cette remarque s’étend à l’équation (I), pourvu que ne soit pas divisible par
Supposons maintenant si était égale à une autre des périodes , il est évident que l’on pourrait
employer des raisonnemens analogues. Comme le nombre des
équations (I), (II), (III), etc. est , les quantités
dont le nombre est pourront être éliminées de manière à
ce qu’on ait une équation telle que
………(Z),
dans laquelle sont entiers et ne sont pas tous nuls à-la-fois. Or si n’est pas il est clair que cette équation donnera pour une valeur de la forme annoncée ; ainsi il ne nous reste plus qu’à démontrer que l’on ne peut avoir
En supposant l’équation Z devient
à laquelle ne peut satisfaire au plus qu’un nombre de valeurs de Mais comme les équations dont on a tiré Z sont indépendantes de il est clair que l’équation Z elle-même ne dépend pas de , c’est-à-dire qu’elle a lieu pour toute valeur
de entière et non-divisible par Cette équation sera donc satisfaite par les valeurs des périodes
d’où il suivrait que les valeurs de deux de ces périodes au moins seraient égales entre elles. Supposons qu’elles contiennent respectivement les racines
et que les nombres soient positifs
et ce qui est permis ; il est évident qu’ils seront tous différens, et qu’aucun d’eux ne sera Désignons par la fonction
etc.
dont le terme le plus élevé ne surpassera pas il est clair qu’on aurait si l’on faisait donc contiendrait
le facteur qui lui serait commun avec la fonction déjà désignée par (no 339) : or il est facile de démontrer l’absurdité de cette dernière supposition. En effet, si et avaient un diviseur commun, il s’ensuivrait, par la nature de l’opération, qui
sert à chercher le plus grand commun diviseur de deux fonctions
semblables dont les coefficiens sont rationnels, que ce plus grand
commun diviseur aurait tous ses coefficiens rationnels ; car il est
d’ailleurs évident qu’il ne peut être du degré puisque est divisible par Mais nous avons fait voir (no 341) que ne peut être divisible par une fonction de degré inférieur à
dont les coefficiens soient rationnels, donc on ne peut supposer
que l’on ait
Exemple. Pour et on a
d’où l’on tire …… ;
ainsi
|
|
; |
—
|
|
|
|
|
|
|
; |
—
|
|
|
|
|
|
|
; |
—
|
|
|
|
.
|
347. Théorème. Si est une fonction invariable[2] algébrique rationnelle et entière de indéterminées etc., et qu’en substituant à la place de ces indéterminées les racines contenues dans la periode, on ramène cette fonction à la forme
etc.
d’après ce qui a été dit (no 340) ; les racines qui, dans cette expression, appartiendront à une même période quelconque de termes, auront des coefficiens égaux.
Soient, deux racines qui appartiennent à une même période, et supposons et positifs et moindres que il s’agit
de démontrer, que et auront dans le même coefficient. Soit encore et nommons les racines contenues dans où nous supposons positifs et moindres que soient enfin les résidus minima positifs des nombres suivant le module seront évidemment identiques avec si l’on ne fait pas attention à l’ordre. Or il suit du no 340, que la fonction
(I)
peut être ramené à la forme
en désignant par . les résidus minima des nombres
suivant le module il est évident, d’après cela que aura dans le même coefficient que dans . Mais on voit sans peine que le développement de l’expression (I) donne le même résultat que le développement de l’expression
puisque mais cette expression donne le même résultat que
parceque les nombres ne diffèrent des nombres
que relativement à l’ordre, qui n’influe en rien dans une fonction invariable ; donc et seront identiques, et partant et auront même coefficient dans .
Il suit évidemment de là que peut être ramené sous la forme
les coefficiens , seront entiers et déterminés, si tous
les coefficiens de sont rationnels et entiers.
Ainsi, par exemple, si , et et que la fonction désigne la somme des produits des indéterminées prises deux à deux, sa valeur se ramène à
De plus, il est facile de voir que si l’on substitue ensuite
pour les racines d’une autre période la
valeur de devient
348. Comme dans toute équation
les coefficiens , etc. sont des fonctions invariables des
racines, savoir, la somme, la somme des produits des racines prises deux à deux, la somme des produits trois à
trois, etc. ; il en résulte que dans l’équation qui donne les racines contenues dans la période , le premier coefficient sera , et chacun des autres pourra être ramené à la forme
où , , , etc. sont des entiers. D’ailleurs il est clair que l’équation qui donnerait les racines que contient toute autre période se déduirait de celle-là, si dans chacun des coefficiens on substituait pour , pour ,
et généralement pour . On pourra donc de cette manière assigner un nombre d’équations
qui donneront respectivement les racines contenues dans les périodes
aussitôt que l’on connaîtra les sommes
,
,
, etc., ou même, que l’on en connaîtra une seule, puisque (
no 346), la valeur de chacune d’elles peut s’exprimer rationnellement en fonction d’une seule. Cela fait, la fonction
sera décomposée en
facteurs du degré
le produit des fonctions
sera évidemment
Exemple. Pour
la somme de toutes les racines contenues dans la période est………………………………
|
|
|
la somme des produits deux à deux est………
|
|
|
la somme des produits trois à trois est…………
|
|
|
la somme des produits quatre à quatre est……
|
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|
la somme des produits cinq à cinq est…………
|
|
|
le produit de toutes………………………………
|
|
|
donc l’équation
donnera toutes les racines contenues dans la période Si, dans les coefficiens , , , etc. on substitue
respectivement, il en résulte l’équation qui donnera les racines contenues dans si l’on fait dans celle-ci le même changement, on a l’équation qui donnera les racines contenues dans et le produit sera égal à
349. Il est souvent plus commode, surtout quand est un grand nombre, de déduire les coefficiens des sommes des
puissances des racines. Il est évident que la somme des quarrés
des racines contenues dans est que la somme des cubes est ainsi en faisant pour abréger,
on aura
expressions dans lesquelles on doit convertir sur-le-champ (no 345), les produits de deux périodes en sommes de périodes. Ainsi, dans notre exemple, si l’on fait pour abréger,
on trouve —
donc
|
,
|
|
, |
, |
|
|
|
, |
|
|
|
, |
|
etc.
|
Au reste, il suffit de calculer de cette manière la moitié des coefficiens, car on prouve sans difficulté que les derniers sont égaux aux premiers dans l’ordre inverse, savoir le dernier , l’avant-dernier , l’antépénultième , etc. ; ou qu’ils s’en déduisent en substituant pour , , etc., les périodes ,
, etc., c’est-à-dire , . Le premier cas a lieu quand est pair, le second quand est impair ; mais le dernier coefficient est toujours . Cette propriété se tire du
théorème du no 79, mais nous sommes forcés de ne pas nous arrêter sur ce sujet.
350. Théorème. Si est le produit de trois nombres entiers positifs et que la période qui a termes, soit composée de périodes etc., dont chacune a termes ; si de plus, en substituant les sommes etc. à la place de etc., dans une fonction telle qu’au no 347, elle se réduit à en supposant d’ailleurs que soit une fonction invariable ; les périodes comprises dans , qui appartiendront à une même période de termes, c’est-à-dire, en général celles qui seront telles que et étant un entier quelconque, auront nécessairement les mêmes coefficiens.
La période étant identique avec la période ,
les périodes plus petites , , , etc. dont la première est évidemment composée, doivent coïncider avec celles qui composent la seconde, abstraction faite de l’ordre. Si donc on suppose que par la substitution de ces périodes à la place des indéterminées , , , etc., le facteur se change en , devra coïncider avec . Mais (no 347) on a
|
|
|
|
Ainsi, puisque cette expression doit coïncider avec le premier coefficient de (en commençant par ) devra être identique avec le ème, le second avec le ème, le troisième
avec le ème, etc., et généralement les coefficiens des périodes
qui sont les
ème,
—ème,
—ème,...
—ème
respectivement, devront être identiques.
Il suit de là évidemment que peut être ramené à la forme
où tous les coefficiens seront entiers, si tous ceux de le sont. On voit en outre que si l’on substitue dans à la place des indéterminées, les périodes de termes qui constituent une autre période de termes, telle par exemple que périodes qui sont la valeur qui en résulte est
Au reste, il est clair que ce théorème s’étend aussi au cas où
c’est-à-dire, où Alors tous les coefficiens de sont égaux, et se ramènera à la forme
351. Ainsi, en conservant la notation du no précédent, on
conclura que les différens coefficiens de l’équation qui donnerait
les sommes peuvent être mis sous la forme
et que les nombres seront entiers. Or l’équation qui donnerait les périodes de termes qui composent une autre
période , se déduira de la première, en remplaçant dans tous les coefficiens la période quelconque par Si donc , les périodes de termes se détermineront par une équation de degré , dont les coefficiens peuvent être mis sous
la forme , et sont parconséquent des quantités connues. Si , les coefficiens de l’équation dont les racines sont toutes les périodes de termes contenues dans une période donnée de termes, seront des quantités connues, dès que l’on connaîtra les valeurs numériques des périodes de termes.
Au reste le calcul devient souvent plus facile, surtout quand n’est pas un petit nombre, en calculant d’abord les sommes des puissances des racines, et en déduisant les coefficiens par le théorème de Newton, comme ci-dessus, no 349.
Exemple 1. On demande pour , l’équation dont les racines sont les sommes , , .
Désignons ces racines par , , respectivement, et l’équation cherchée, par
on aura
,
—,
— ;
donc or on a
donc ———— ;
enfin ;
donc l’équation cherchée est
.
En employant l’autre méthode, nous avons
d’où……… |
|
|
|
De même… |
|
|
|
De là, à l’aide du théorème de Newton, on tire la même équation que ci-dessus.
Exemple 2. On demande pour , l’équation dont les racines sont les sommes , , .
Désignons-les par , , respectivement, on aura
donc en conservant la notation de l’exemple précédent, l’équation cherchée sera
.
L’équation dont les racines sont les sommes , , contenues dans , se déduit de la précédente, en substituant , , pour , , respectivement ; et en faisant encore une fois la même substitution, on obtient l’équation dont les racines sont les sommes , , contenues dans
.
352. Les théorèmes précédens, avec leurs corollaires, contiennent
les bases principales de toute la théorie, et le moyen de trouver
les racines peut s’exposer maintenant en peu de mots.
On doit, avant tout, prendre un nombre qui soit racine primitive pour le module , et trouver les résidus minima des puissances de jusqu’à . On décomposera en facteurs, et même en facteurs premiers, si l’on veut réduire le problème à des
équations du degré le plus simple possible. Soient , , ,…… les facteurs de , et soit fait
,
————, etc.
On distribuera les racines en périodes de termes ; chacune
de celles-ci en périodes de termes ; chacune de ces dernières en périodes, etc. On cherchera, par le no 350, l’équation (A)
de degré qui aura pour racines ces sommes de termes, sommes
dont on connaîtra les valeurs par la résolution de cette équation.
Mais il se présente ici une difficulté ; car on ne voit pas à quelles périodes on doit égaler chaque racine de l’équation , c’est-à-dire, quelle est la racine qui doit être représentée par , quelle est celle qui doit être représentée par , etc. On remédiera à cet inconvénient de la manière suivante. On peut désigner par , une racine quelconque de l’équation ;
en effet, comme une racine quelconque de l’équation est la somme de racines , et qu’il est absolument indifférent que l’on ait représenté par telle racine de plutôt que telle autre,
on sera libre de supposer que soit une des racines qui constituent une racine quelconque donnée de l’équation , desorte qu’alors cette racine de l’équation deviendra . Mais la racine n’est-pas encore par-là tout-à-fait déterminée, et le choix de celle des racines comprises dans que nous prendrons pour est absolument arbitraire. Au reste, une fois que est déterminé, toutes les autres sommes de racines peuvent en être
déduites rationnellement (no 346) ; d’où il suit qu’il n’y a qu’une racine de l’équation qu’il soit nécessaire de trouver. On peut aussi employer pour faire cette distinction, la méthode suivante qui est moins directe. On prendra pour une racine déterminée, c’est-à-dire, qu’on fera
l’entier étant pris à volonté, pourvu qu’il ne soit pas divisible par . Alors , , etc. indiquent des racines déterminées,
et parconséquent , , etc. Si par les tables des sinus on calcule ces quantités, seulement avec assez de précision pour pouvoir décider quelles sont les plus grandes et les plus petites, il ne restera plus de doute sur la distinction à faire entre les racines de l’équation .
Quand on aura trouvé de cette manière les sommes de racines, on cherchera (no 350) l’équation , dont les racines sont les sommes de termes contenues dans ; les coefficiens de cette équation seront des quantités connues. Comme il y a encore de l’indétermination dans le choix de celle des racines contenues dans , que l’on désignera par , toute racine de l’équation peut être représentée par , parceque l’on peut évidemment supposer qu’une des racines qui la compose soit désignée par . On cherchera donc une racine quelconque de l’équation par sa résolution ; on la supposera égale à , et on en déduira, par le no 346, toutes les autres sommes de
racines. De cette manière, nous avons un moyen de vérifier le
calcul, puisque les périodes de racines qui appartiennent à une même période de termes, doivent produire des sommes que l’on connaît. Dans quelques cas, il est aussi expéditif de former les autres équations de degré , dont les racines sont respectivement les différentes périodes de termes contenues dans les autres périodes de termes , , etc., et de chercher
par la résolution les racines de l’équation (B) et de ces différentes équations. Mais alors il faudra, comme plus haut, décider à l’aide de la table de sinus, à quelles périodes de termes doivent être égalées les racines qui en résultent. Au reste, il existe encore pour cette détermination différens autres artifices, que nous ne pouvons pas expliquer ici complètement. On pourra seulement dans les exemples suivans, remarquer un de ces procédés, pour le cas où , qui est le plus utile, et qui sera mieux connu par des exemples que par des préceptes.
Quand on aura trouvé de cette manière les valeurs de périodes de termes, on déterminera de même par des équations de degré les périodes de termes, et cela par deux procédés : 1o . en formant (no 350) une équation du degré dont les racines soient
les périodes de termes qui composent , cherchant une des racines de cette équation, l’égalant à , et déduisant de là
(no 346) toutes les autres périodes semblables ; 2o . en formant les équations de degré , dont les racines sont respectivement les
périodes de termes qui sont contenues dans les différentes périodes de termes, résolvant toutes ces différentes équations, et déterminant l’ordre des racines, comme plus haut, par les tables de sinus, ou comme dans les exemples suivans, si .
En continuant de cette manière, on parviendra enfin nécessairement à connaître les périodes de termes. Cherchant donc par le no 348, l’équation de degré qui donne le racines de
contenues dans , les coefficiens de cette équation seront des quantités connues ; et si l’on tire une seule racine par la résolution, en faisant cette racine , ses puissances donneront toutes les racines . Si on le préfère, on peut chercher toutes les racines de cette équation, et la résolution de autres équations semblables, donnera toutes les racines .
Au reste, il est clair que dès qu’on a résolu l’équation , c’est-à-dire, dès qu’on a les valeurs des périodes de termes, on est parvenu à décomposer la fonction en facteurs de
dimensions ; de la résolution de l’équation soit la décomposition de chacun de ces facteurs en , et partant, celle de en
facteurs de dimensions ; etc.
353. Exemple 1. Pour .
Comme on a ici , la recherche des racines
doit pouvoir se ramener à la solution de deux équations du troisième degré et d’une du second. Cet exemple se comprendra d’autant plus facilement, que les opérations nécessaires sont contenues
pour la plus grande partie dans ce qui précède. En prenant pour
la racine primitive , on trouve
pour les puissances |
, |
, |
, |
, |
, |
, |
, |
, |
, |
, |
, |
, |
,
|
, |
, |
, |
, |
, |
|
les résidus minima |
, |
, |
, |
, |
, |
, |
, |
, |
, |
, |
, |
, |
, |
, |
, |
, |
, |
. |
|
De là, par les nos 344, 345, on déduit facilement la distribution suivante de toutes les racines en trois périodes de six
termes, et de chacune de ces périodes en trois autres de deux
termes.
…… |
|
|
|
|
……, |
|
|
|
……, |
|
|
|
……, |
|
|
|
|
|
……, |
|
|
|
……, |
|
|
|
……, |
|
|
|
|
|
……, |
|
|
|
……, |
|
|
|
……, |
. |
|
L’équation dont les racines sont les sommes , ,
se trouve être (Voy. no 351, ex. 1.)
et une de ses racines ; en exprimant cette
racine par
, on trouve
|
|
|
, |
|
|
|
|
. |
|
Donc, si l’on substitue ces valeurs dans les formules du no 348, X sera décomposé en facteurs du sixième degré.
L’équation , qui a pour racines les sommes , ,
est (no 351, ex. 2),
ou
On trouve pour une de ses racines ; nous
l’exprimerons par , et si l’on fait pour abréger
on aura (no 346)
|
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|
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|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
On peut, dans le cas actuel, trouver ces valeurs plus commodément, de la manière suivante :
Supposons
on aura
et partant
on a de même en général,
et partant
Si donc , il en résulte
,
—— ,
——etc. ;
d’où, par les équations connues qui donnent les cosinus des arcs multiples, on tirera les mêmes formules que ci-dessus. Ces formules donneront les valeurs numériques suivantes :
|
, |
—— |
|
,
|
|
, |
|
|
,
|
|
, |
|
|
,
|
|
, |
|
|
.
|
Les valeurs de , , peuvent aussi se tirer de l’équation dont elles sont les deux autres racines, et l’on déterminera laquelle des deux appartient à et laquelle appartient
à , ou par un calcul approché d’après les formules suivantes, ou par les tables des sinus, qui, avec une légère attention, prouvent que si l’on fait , on a ; donc il faut faire
|
|
|
, |
|
et— |
|
|
. |
|
Les sommes , , se trouveront de même par l’équation
dont elles sont les racines, en levant d’ailleurs l’incertitude ; comme nous venons de le faire. Les sommes , , se trouveront par l’équation
Enfin et sont racines de l’équation
dont l’une est
|
|
|
, |
|
et l’autre
|
, |
|
d’où résultent les valeurs numériques
Les seize autres racines se tireront de l’élévation aux puissances de l’une ou de l’autre de ces deux premières, ou de la solution de huit équations semblables, dans laquelle, si l’on emploie la seconde méthode, on décidera du signe de la partie imaginaire, soit par les tables de sinus, soit par l’artifice que nous allons expliquer dans l’exemple suivant. C’est de cette manière qu’ont été
trouvées les valeurs suivantes, dans lesquelles le signe supérieur
appartient à la première, et le signe inférieur à la seconde.
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et |
|
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|
|
et |
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|
|
et |
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|
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et |
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|
et |
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|
|
|
et |
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|
|
et |
|
|
|
|
|
et |
|
|
|
|
|
et |
|
|
|
.
|
354. Exemple II. Pour .
On a ici , ainsi le calcul des racines peut
se ramener à quatre équations du second degré. Nous choisirons
pour racine primitive ; ses puissances fournissent, suivant le
module , les résidus minima suivans :
, |
, |
, |
,
|
, |
, |
, |
,
|
, |
, |
, |
,
|
, |
, |
, |
|
, |
, |
, |
,
|
, |
, |
, |
,
|
, |
, |
, |
,
|
, |
, |
, |
,
|
d’où résulte la distribution suivante en deux périodes de huit termes, quatre périodes de quatre termes et huit de deux termes ;
|
|
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|
|
……… |
|
|
|
……… |
|
|
|
|
|
……… |
|
|
|
……… |
|
|
|
|
|
|
|
……… |
|
|
|
……… |
|
|
|
|
|
……… |
|
|
|
……… |
. |
|
L’équation (A) dont les racines sont les sommes , , se trouve (no 351) être
et ses racines sont :
|
|
|
|
et—— |
|
|
;
|
nous supposerons que la première soit
, l’autre sera nécessairement
.
L’équation , dont les racines sont les sommes et est
et ses racines sont
|
|
|
|
; |
|
nous supposerons égale à celle de ces deux racines dans laquelle le radical est affecté du signe plus ; on aura ainsi
Les autres périodes de quatre termes, et peuvent être calculées de deux manières, savoir :
1o. Par la méthode du no 346, qui donne les formules suivantes, en faisant, pour abréger,
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
La même méthode donne aussi la formule
d’où l’on tire la même valeur que plus haut.
2o. En résolvant l’équation dont , sont les racines ; cette équation est
et donne
|
|
|
|
ou……………… |
|
|
|
et……………… |
|
|
|
nous déciderons, par l’artifice suivant annoncé au no 352, laquelle de ces deux racines doit être prise pour Faisons le produit de par il est, calcul fait,
Or la valeur de cette expression est positive , puisqu’elle est d’ailleurs le premier facteur est aussi positif, comme égal à
donc le second facteur doit aussi être positif, et partant
doit être la racine dans laquelle le radical est positif, et l’autre racine[3]. Au reste, il en résulte les mêmes valeurs que plus haut.
Connaissant toutes les sommes de quatre termes, nous passons
maintenant à la recherche des sommes de deux termes. L’équation , dont les racines sont , , périodes contenues dans , est
qui donne
|
|
|
|
; |
|
nous prendrons pour valeur de celle de ces deux racines
dans laquelle le radical est positif, et il en résulte
,
——
si l’on veut chercher les autres sommes de deux termes par la
méthode du no 346, on pourra employer pour
,
,
,
,
,
,
les formules que nous avons données pour les quantités désignées de la même manière dans l’exemple précédent, savoir :
ou
, etc. ;
mais, si l’on préfère les déterminer deux à deux par des équations du second degré, on trouve pour et l’équation
qui donne
et l’on déterminera le signe comme plus haut, savoir : le développement du produit de par donne
quantité évidemment négative ; mais
est positif ; donc
doit être négatif ; ainsi, dans la valeur de
que nous avons trouvée, le signe supérieur doit être pris pour
, et le signe inférieur pour
. Il en résulte
——
De même, comme on a
quantité positive, nous en concluons que doit être positif. De là, en faisant le calcul nécessaire, on trouve
|
|
|
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|
|
|
|
on obtient enfin, par des opérations tout-à-fait analogues,
|
|
|
|
|
|
Il reste encore à descendre aux racines elles-mêmes. L’équation , dont et sont les racines, se trouve être
qui donne
|
|
|
|
|
.
|
Nous prendrons le signe supérieur pour et partant le signe inférieur pour . Les quatorze autres racines se déduiront des puissances de , ou de la résolution de sept équations du second degré, dont chacune donnera deux racines, pour lesquelles on lèvera l’incertitude, comme nous l’avons fait plus haut. Par exemple, et sont les racines de l’équation
qui donne
or on trouve
quantité réelle négative ; ainsi comme
c’est-à-dire le produit de l’imaginaire par une quantité réelle positive, devra être aussi, à cause de , le
produit de par une quantité réelle positive ; d’où l’on conclura
que l’on doit prendre pour le signe supérieur, et pour
le signe inférieur. De la même manière, on trouve pour les racines et ,
et comme
quantité négative, on prendra pour le signe supérieur, pour le signe inférieur. En calculant de la même manière les autres racines, on trouve les valeurs numériques suivantes, dans lesquelles le signe supérieur appartient à la première, et le signe inférieur à la seconde.
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______________
Ce qui précède pourrait suffire pour la solution de l’équation
, et parconséquent pour trouver les fonctions trigonométriques qui correspondent aux arcs commensurables avec la circonférence. Cependant, à cause de l’importance du sujet, nous
ne pouvons terminer nos recherches sans ajouter quelques-unes des
nombreuses observations qui peuvent l’éclaircir, et des conséquences aussi nombreuses que l’on en peut déduire. Nous choisirons de préférence celles qui n’exigent pas beaucoup de recherches étrangères, et l’on ne doit voir dans ce que nous allons exposer, qu’un aperçu de cette immense doctrine dont nous nous proposons de parler par la suite avec détail.
355. Comme est toujours supposé impair, sera facteur de , et sera composé de périodes de deux termes. Une
pareille période, telle par exemple que , sera formée par les deux racines et , étant, comme ci-dessus, une racine primitive quelconque suivant le module . Mais ; donc (no 62), et partant, ; donc si l’on suppose
, et partant, , la somme . Nous nous bornons ici à conclure de là que la valeur de toute période de deux termes est une quantité réelle. Comme d’ailleurs toute période dont le nombre de termes est pair et , peut être décomposée en périodes de deux termes,
il est clair qu’en général la valeur de toute période dont le nombre
de termes est pair, est une quantité réelle. Si donc, dans le no 352, on réserve pour le dernier des facteurs , , , etc., toutes les opérations s’exécuteront sur des quantités réelles, jusqu’à ce qu’on soit arrivé aux périodes de deux termes, et les imaginaires ne s’introduiront, que lorsque l’on voudra passer de ces périodes aux racines elles-mêmes.
356. On doit surtout remarquer les équations auxiliaires par lesquelles on détermine, pour une valeur quelconque de , les sommes des périodes qui forment l’ensemble : elles sont liées d’une manière
étonnante avec les propriétés les plus abstraites du nombre . Mais ici nous restreindrons nos considérations aux deux cas suivans : 1o à l’équation du second degré qui donne les sommes des périodes de termes ; 2o quand est divisible par , à l’équation
du troisième degré qui donne les sommes des périodes de termes.
Faisons, pour abréger, , et désignons par une racine primitive quelconque, il sera composé de deux périodes et ; la première contenant les racines , , ,… et la seconde les racines , ,
Supposons que les résidus minima positifs des nombres , ,… suivant le module soient , , , etc., abstraction faite de l’ordre, et que les résidus des nombres , ,…, soient , , , etc. ; les racines des périodes et coïncideront avec
, etc.,
——, etc.
respectivement. Or il est clair que tous les nombres , , ,
, etc. sont résidus quadratiques de ; comme ils sont différens, moindres que et au nombre de , il s’ensuit que ce sont effectivement tous les résidus quadratiques de , positifs et plus petits que lui (no 96). Il suit de là en même temps, que les nombres , , , etc. qui sont tous différens entre eux, et des nombres , , , etc., et qui, joints à ces derniers, épuisent les nombres sont tous les non-résidus quadratiques positifs de et plus petits que lui. Si l’on suppose maintenant que l’équation dont , sont racines, soit
on a
,
——
or (no 345),
et peut parconséquent être mis sous la forme
Pour déterminer les coefficiens , , , observons : 1o . qu’on a
puisque le nombre des périodes de est ;
2o . que (no 350), puisque est une fonction
invariable des sommes et qui composent la période plus grande ; 3o . que tous les nombres , ,
, etc. étant compris entre les limites et , il est clair que nulle période de ne coïncidera avec , ou qu’il
n’y en aura qu’une, par exemple ; on aura donc ou , suivant que sera ou ne sera pas parmi les nombres
, , etc. ; il suit de là que dans le premier cas on aura ,
, et dans le second , ; et comme et doivent être entiers, le premier cas aura lieu, c’est-à-dire que
ou se trouvera parmi les non-résidus de lorsque sera impair, c’est-à-dire lorsque sera de la forme ; le second aura lieu au contraire quand sera pair, c’est-à-dire quand sera de la forme . Ainsi, comme on a , et , le produit cherché sera donc, suivant les mêmes circonstances,
, ou , et l’équation sera, dans le premier cas,
,
——qui donne
——,
et dans le second
,
——qui donne
——
Ainsi, quelle que soit la racine que l’on ait prise pour , si l’on désigne par la somme de toutes les racines , ,
, etc., et par celle des racines , , etc., on aura
,
——ou
——
suivant que ou . Il suit facilement de là que étant un nombre entier quelconque non-divisible par , on a
|
, |
——ou—— |
, |
|
|
, |
——ou—— |
, |
|
suivant que ou , théorèmes remarquables par leur élégance.
Au reste, nous ferons observer que le signe supérieur a lieu
quand est l’unité, ou plus généralement quand est résidu quadratique de , et le signe inférieur, quand est non-résidu. Ces
théorèmes conservent toute leur élégance, ou plutôt en acquièrent
encore davantage, lorsque est un nombre composé quelconque ; mais nous sommes forcés de supprimer ces recherches qui demanderaient trop de développement, et de les réserver pour une autre occasion.
357. Soit
etc. |
|
——ou—— |
, |
|
l’équation de degré qui donne les racines contenues dans la
période ; on aura , et chacun des autres coefficiens pourra être ramené à la forme
où , , sont des entiers (no 348). Désignons par ce que
devient , quand on y remplace par , et par ; l’équation donnera les racines contenues dans , et l’on aura
On peut donc mettre sous la forme
où , , seront des fonctions entières de , dont les coefficiens
seront entiers. Cela fait, on aura
Faisons, pour abréger, , ; on tire de ces équations
|
|
|
|
|
,
|
|
|
;
|
donc posant , , on a
puisque (no précéd.), le signe supérieur ayant lieu quand est de la forme et le signe inférieur quand
est de la forme . C’est le théorème dont nous avons promis la démonstration au no 124.
On voit facilement que les deux premiers termes de sont et que le premier terme de est quant aux autres coefficiens, qui sont évidemment entiers, ils varient suivant
la nature du nombre , et ne peuvent être soumis à une formule analytique générale.
Exemple. Pour l’équation qui donne les huit racines contenues dans se trouve être (no 348),
qui donne
|
|
|
|
|
,
|
|
|
|
|
|
|
|
,
|
|
|
|
|
|
|
et partant,
——
|
|
|
……
|
——
. |
——
.
|
Voici encore d’autres exemples :
——
|
|
|
……
|
——
|
——.
|
……
|
——
|
——.
|
……
|
——
|
——.
|
……
|
——
|
——.
|
……
|
——
|
—— .
|
……
|
——
|
—— .
|
……
|
——
.
|
—— .
|
358. Passons à la considération des équations du troisième degré
qui, dans le cas où est de la forme , donne les trois périodes de termes dont est composé. Soit une racine primitive quelconque pour le module , et qui sera un
nombre pair ; les trois périodes qui composent seront ,
, que nous désignerons par , , , et qui contiennent respectivement les racines
, |
, |
,…… |
|
, |
, |
,…… |
|
, |
, |
,…… |
|
Supposons que l’équation cherchée soit
on aura
,
——,
——
d’où l’on tire sur-le-champ Soient etc., les
résidus minima des nombres suivant le module
abstraction faite de l’ordre, et leur ensemble, en y comprenant soient de même etc. les résidus minima des nombres
et leur ensemble ; etc. les résidus minima de et leur ensemble. Tous les nombres de
seront différens, et ils coïncideront avec la suite On doit observer avant tout que le nombre se trouve toujours dans puisqu’il est facile de voir qu’il est résidu de
Il suit de là aussi que les deux nombres et se trouvent toujours dans la même des trois suites en effet, si l’un est résidu de la puissance l’autre sera résidu de la puissance
ou si Désignons par le signe la multitude des nombres de la série qui tant par eux-mêmes qu’étant augmentés de l’unité, sont contenus dans par la multitude de ceux qui sont contenus dans par
eux-mêmes, et dans lorsqu’on les augmente de l’unité ; on jugera assez par là de la signification des symboles
Cela posé, je dis d’abord qu’on a . Supposons en effet que etc. soient tous les nombres de la suite
, , ,…, qui par eux-mêmes sont contenus dans
et dans lorsqu’on les augmente de l’unité ; c’est-à-dire que , , , etc. sont supposés tous contenus dans ;
il est évident que , , , etc. seront tous contenus dans , et que ces nombres augmentés de l’unité, savoir, , , , etc., le seront dans ; d’où il suit que n’est certainement pas plus petit que ; mais comme on démontre de la même manière qu’on ne peut avoir
, il s’ensuit qu’on a nécessairement , et de même , .
Ensuite, comme en considérant un nombre quelconque de , excepté, le nombre immédiatement plus grand doit être contenu ou dans ou dans , ou dans il s’ensuit que la somme
c’est-à-dire, au nombre de termes de diminué d’une unité. Par une raison semblable, on aura
|
|
|
|
|
|
|
|
Développons maintenant d’après les règles du no 345, le produit
en
+ etc. ;
on verra facilement que cette expression peut se ramener à la
forme
et comme (no 345) le produit naît de , en changeant ,
, en , , respectivement, c’est-
à-dire, , , , en , , , on aura
et de même
d’où résulte sur-le-champ
De plus, comme on aurait pu développer directement de même qu’on a développé , ce qui aurait donné
et que cette expression doit être identique avec la précédente, il s’ensuit qu’on a nécessairement et . Si donc nous faisons
|
|
, |
|
|
|
, |
,
|
|
|
, |
,
|
nous aurons
et ————————————
d’où ———————————
Desorte que ces neuf quantités inconnues se réduisent à trois, ou plutôt à deux, à cause de l’équation
Enfin il est clair que le quarré
se développe en
etc.
Parmi les différens termes de cette expression, on trouvera qui se ramène à ; le reste se réduira évidemment à
d’où l’on tire………
Ainsi, par les réductions précédentes, nous avons trouvé les
quatre équations
|
,
|
|
,
|
|
,
|
|
,
|
où les trois inconnues , , sont liées par la relation
……… (I)
et sont certainement des nombres entiers. On tire de là
|
|
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|
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|
|
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|
|
|
|
|
|
Mais comme est une fonction invariable de , , , les
coefficiens de ces trois périodes doivent être les mêmes (no 350), ce qui donne une nouvelle équation
………(II)
et partant
………(III)
à cause de l’équation (I), et de l’équation
Quoique dépende de trois inconnues qui ne sont liées que par deux équations, la condition qui exige que , , soient des entiers, suffit pour les déterminer. Afin de le prouver, nous mettrons l’équation (II) sous la forme
|
|
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|
|
|
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|
|
|
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|
,
|
qui devient
à cause de
; ou, en faisant
,
Il suit de là que le nombre , c’est-à-dire le quadruple de tout nombre premier de la forme , peut être représenté par la forme ; et quoique ce résultat puisse se tirer sans difficulté de la théorie générale des formes binaires, il n’en est pas moins étonnant qu’une telle décomposition soit liée si intimement avec les nombres , , . Or nous démontrerons, comme il suit, que le nombre ne peut être décomposé que d’une seule manière en un quarré et le produit d’un autre quarré par [4]. Si l’on supposait
,
——et
——
on en tirerait
1o…… |
|
|
|
2o…… |
|
|
|
3o…… |
|
|
|
La troisième équation prouve que , qui est un nombre premier, divise l’un des deux nombres , ; mais la première et la seconde font voir que chacun de ces nombres est plus petit que ; donc celui que divise est nécessairement nul, ce qui
donne , ou et , c’est-à-dire que les deux décompositions sont les mêmes. Si donc nous supposons connue la décomposition du nombre en un quarré, et le produit d’un autre quarré par , décomposition que l’on peut trouver
soit par la méthode directe de la Section V, soit par la méthode
indirecte des nos 323, 324 ; si, par exemple, on a , les quarrés , seront déterminés, et on aura deux équations au lieu de l’équation II. On voit clairement, non-seulement que
le quarré est déterminé, mais que la racine l’est aussi ; en effet, devant être un nombre entier, on devra prendre ou , suivant que sera de la forme ou [5]. Cela posé, comme on a
on en tire
,
——
d’où
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
; |
|
et ainsi tous les coefficiens de l’équation cherchée se trouvent déterminés.
Cette formule devient encore plus simple, en substituant pour
sa valeur tirée de l’équation
ce qui donne
Cette valeur peut encore se représenter sous la forme
qui est d’une application moins facile, mais qui fait voir par elle-même que C est un nombre entier, comme il le faut.
Exemple. Pour on a , d’où , , , et l’équation cherchée est
comme ci-dessus (no 351).
De même, pour , , , , , , on trouve respectivement , , , , , , et
,
,
,
,
,
,
.
Au reste, quoique le problème que nous venons de résoudre soit
assez compliqué, nous n’avons pas voulu le supprimer, tant à
cause de l’élégance de la solution, que parceque les artifices qu’il
nous a donné occasion d’employer peuvent être d’une très-grande
utilité dans d’autres problèmes.
359. Les recherches précédentes avaient pour but de trouver les
équations auxiliaires ; nous allons maintenant exposer sur leur résolution une propriété digne de remarque. On sait que tous les
travaux des plus grands géomètres ont échoué contre la résolution
générale des équations qui passent le premier degré, ou pour
mieux définir l’objet de la recherche, contre la réduction des
équations complètes à des équations à deux termes, et il est à
peine douteux si ce problème ne renferme pas quelque chose d’impossible, plutôt qu’il ne surpasse les forces actuelles de l’analyse.
(Voyez ce que nous avons dit sur ce sujet dans le Mémoire intitulé Demonstratio nova, etc. p. 22). Il est certain néanmoins
qu’il y a une infinité d’équations composées dans chaque degré,
qui admettent une telle induction, et nous espérons faire plaisir
aux géomètres, en prouvant que nos équations auxiliaires sont
toujours dans ce cas. Mais à cause de l’étendue du sujet, nous
ne présenterons que les principes les plus importans qui sont nécessaires pour démontrer cette possibilité, différant à un autre
temps l’exposition plus complète. Nous mettrons en avant quelques
observations générales sur les racines de l’équation ,
en comprenant le cas où est un nombre composé.
1o . Ces racines sont données, comme on le sait, par les élémens, par la formule
dans laquelle on doit prendre pour e les nombres , , , … ou d’autres nombres quelconques congrus avec eux. Une seule racine est , celle que l’on obtient en faisant , ou plus généralement ; mais à toute autre valeur de répondra une valeur de différente de .
2o . Comme on a
si est une racine qui corresponde à une valeur de première avec , le terme de numéro dans la progression , , , etc. sera , mais tous les autres seront différens de ; il suit de là
que toutes les quantités , , , etc. sont différentes, et comme chacune satisfait à l’équation , elles sont les racines de cette équation.
3o. Enfin dans la même supposition, on a
…
pour toute valeur de entière et non divisible par ; en effet cette expression équivaut à , et le numérateur de cette fraction est , tandis que le dénominateur ne l’est pas. Mais quand
est divisible par , cette somme est évidemment .
360. Soit, comme dans tout ce qui précède, un nombre
premier, une racine primitive pour le module , et les produits de trois nombres entiers positifs , , . Pour abréger, nous comprendrons en même temps dans nos recherches le cas, où l’on aurait ou ; quand , il faut remplacer , , etc. par , , etc. Supposons donc que les périodes de termes, , , …
soient connues, et que l’on, veuille en déduire les valeurs des périodes de termes, opération que nous avons réduite plus haut à la résolution d’une équation complète du degré , et qu’il s’agit maintenant de ramener à une équation à deux termes de même degré. Pour abréger, nous représenterons respectivement les valeurs des périodes
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… |
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—par— |
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|
… |
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……… |
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—par— |
|
|
…… |
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|
|
……… |
|
—par— |
|
|
…… |
|
jusqu’à celles qui composent la période .
1o . Soit une racine indéfinie de l’équation , et supposons que le développement de la puissance de la fonction
soit, par ce qui a été dit (no 345),
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…… |
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|
|
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…… |
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|
|
|
…… |
|
|
etc.
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où les coefficiens , , , , etc. seront des fonctions rationnelles entières de . Supposons aussi que la puissance des deux
autres fonctions
|
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, |
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|
|
, |
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se développe en et , on verra facilement (no 350) que se tirant de en changeant , , … en , , … respectivement, on aura
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|
…… |
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:
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…… |
|
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|
|
…… |
|
|
etc.
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d’ailleurs , ainsi ; et comme , les
coefficiens correspondans seront les mêmes dans et ; enfin, comme et ne diffèrent qu’en ce que est multiplié par l’unité
dans , et dans par , on voit facilement que les coefficiens correspondans, c’est-à-dire ceux qui multiplient les mêmes périodes, sont les mêmes dans et dans , et partant dans et dans . On a donc
, etc.
,
—, etc.,
—, etc., etc.
et partant, se trouve réduit à la forme
etc.,
où chacun des coefficiens , , , etc. peut être ramené à la forme
etc.,
, , , etc., étant des nombres entiers donnés.
2o . Si l’on prend pour une racine déterminée de l’équation (dont nous supposons avoir déjà la solution), et telle que sa puissance soit la plus petite qui soit égale à l’unité, sera aussi une quantité déterminée dont on pourra tirer par l’équation à deux termes . Comme cette équation a racines.
le choix de la racine que l’on doit employer reste douteux ; mais on peut prouver comme il suit que cela est indifférent. On doit
se souvenir que, toutes les valeurs des périodes de termes étant supposées connues, la racine n’est déterminée que par la condition d’être une des racines contenues dans , et que parconséquent nous sommes parfaitement maîtres de représenter par la valeur d’une quelconque des périodes qui composent ; et si la valeur d’une de ces périodes étant représentée par , on a , et qu’ensuite on représente par la valeur de la période
que l’on représentait par , , ,……, , deviendra , … , ,
ce qui donnerait alors . De même, si l’on veut représenter par la valeur de la période qui était auparavant représentée par , la valeur de deviendra , et ainsi de suite ; pourra donc être supposé égal à une quelconque des quantités , , , etc., c’est-à-dire à celle qu’on voudra des racines de l’équation , pourvu que nous supposions que l’on prenne pour , tantôt l’une, tantôt l’autre des périodes contenues dans .
3o . Lorsque la quantité
a été déterminée de cette manière, il faut chercher les
autres qui se déduisent de
en substituant successivement
à la place de
c’est-à-dire,
|
...... , |
|
|
...... , etc. |
|
On connaît déjà la dernière, puisqu’elle devient évidemment
, et les autres se détermineront comme il suit.
Si, en suivant les règles du no 345, on forme le produit , comme (1o .) on a formé , on prouvera d’une manière absolument analogue à la précédente, qu’il peut se ramener à la forme
etc.
etc. étant des fonctions rationnelles et entières de
et parconséquent une quantité connue ; d’où l’on tire De même si le développement du produit est supposé égal
à , aura une forme semblable, et une fois sa valeur connue, on aura ; se déterminera par l’équation , où sera une quantité connue, etc.
Cette méthode cesserait d’être applicable, si l’on pouvait avoir
, ce qui donnerait etc. ; mais nous pourrions prouver que cette supposition est inadmissible, si nous n’étions forcés d’abréger. Il existe aussi des artifices particuliers par lesquels les fractions , , etc. peuvent être converties en fonctions entières de , et des méthodes plus abrégées pour trouver , , etc. lorsqu’on a ; mais nous ne pouvons nous arrêter à ces détails.
4o . Enfin, dès que l’on connaîtra , , , etc., on aura sur-le-champ, par la troisième observation du no précédent,
etc.
équation qui donnera la valeur de
, et de cette valeur on pourra (
no 346) déduire celle de toutes les périodes de
termes. Les valeurs de
,
,
, etc. peuvent aussi se trouver, comme chacun pourra s’en assurer par une légère attention, au moyen des équations suivantes :
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+ etc.,
|
|
|
|
|
+ etc.,
|
|
|
|
etc., |
+ etc.,
|
Parmi les nombreuses observations relatives à la recherche précèdente, nous ne nous arrêterons que sur une seule.
On voit facilement que obtient le plus souvent une valeur imaginaire de la forme , desorte que la solution de l’équation dépend de la division en parties, 1o d’un angle dont la tangente est ; 2o d’un rapport qui est celui de à ; et il est digne de remarque que la valeur de peut toujours s’exprimer rationnellement par des quantités déjà connues, desorte que l’on n’a besoin que de la division de l’angle et de l’extraction d’une racine quarrée (nous ne faisons qu’indiquer cette
remarque, que nous ne pouvons détailler ici), par exemple, pour
on n’a besoin que de la trisection de l’angle, tandis que pour la plupart des équations du troisième degré dont toutes les racines sont réelles, on ne peut éviter d’employer la trisection de l’angle et du rapport.
Enfin, comme rien n’empêche que nous ne supposions , , et partant , il est évident que la solution de l’équation peut être réduite à la solution de l’équation à deux termes du degré , où se déterminera par les racines de l’équation . D’où il résulte, à l’aide de l’observation que nous venons de faire, que la division du cercle en parties exige :
1o . La division du cercle en parties ;
2o . La division en parties d’un arc qui peut se construire,
lorsque la première division est faite ;
3o . Enfin l’extraction d’une racine quarrée, et l’on peut prouver
que cette racine est toujours .
361. Il nous reste à examiner de plus près la liaison qui existe entre les racines et les fonctions trigonométriques des angles
La méthode que nous avons exposée pour trouver les racines , laisse de l’incertitude sur celles de ces racines qui répondent à ces différens angles, c’est-à-dire, sur celle que l’on doit égaler à , celle que l’on doit égaler à , etc., à moins que l’on ne fasse usage des tables de sinus, ainsi que nous l’avons indiqué, ce qui peut ne pas sembler assez direct. Mais cette incertitude disparaît aisément, si l’on fait attention que les cosinus des angles
vont continuellement en décroissant, pourvu que l’on tienne compte du signe, et que les sinus sont positifs, tandis que pour les angles
qui ont mêmes cosinus que les premiers, les sinus sont tous négatifs, quoique de même grandeur que les autres. Ainsi, parmi
les racines , les deux qui ont même partie réelle et pour lesquelles cette partie est la plus grande, répondront aux angles et , savoir, au premier celle où la quantité imaginaire
est positive, au second celle où elle est négative. Parmi les
autres racines, les deux qui auront la plus grande partie réelle répondront aux angles , , et ainsi de suite. D’ailleurs, aussitôt que l’on connaît la racine à laquelle répond l’angle , on pourra distinguer les autres, en remarquant que si on la désigne par , aux angles , , , etc. répondront évidemment les racines , , , etc. Ainsi dans l’exemple du no 353, on voit sur-le-champ qu’il n’y a pas d’autre racine que qui puisse répondre à l’angle , et à l’angle la racine . De même aux angles etc. répondent les racines etc. Dans l’exemple du no 354, la racine répond évidemment à langle , la racine à l’angle , etc. Ainsi de cette manière les sinus et cosinus des angles , , etc. sont entièrement déterminés.
362. Quant à ce qui regarde les autres fonctions trigonométriques de ces angles, on pourrait les tirer des valeurs des sinus et cosinus, par les méthodes connues, savoir, les sécantes et les tangentes en divisant respectivement l’unité ou les sinus par les cosinus, et les cosécantes et les cotangentes, en divisant le rayon ou les cosinus par les sinus. Mais le plus souvent il sera plus commode d’employer les formules suivantes, qui n’exigent que de simples additions.
Soit un quelconque des angles , ,…, et ; sera une des racines , et l’on aura
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et partant
|
, |
—— |
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, |
|
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Nous allons donner le moyen de transformer les numérateurs de
ces quatre fractions, de manière à les rendre divisibles par les
dénominateurs.
1o . Comme on a , il en résulte , expression qui est divisible par , puisque est un nombre impair ; donc
et partant, puisqu’on a , , etc., et parconséquent ,
ou enfin, puisque , , etc.,
le signe supérieur ou inférieur ayant lieu, suivant que est
de la forme ou . Cette formule peut évidemment se présenter comme il suit :
2o . Substituant de même pour , on trouve
ou, comme , , , etc.
3o . Comme on a
on en tire
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expression dont les différentes parties sont divisibles par , d’où il résulte
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si l’on multiplie par , que l’on retranche le produit
et que l’on multiplie de nouveau par , on a
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d’où résulte sur-le-champ,
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… …
|
|
etc.
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formule qui peut encore se présenter ainsi
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…
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4o . En multipliant par la valeur de que nous avons donnée plus haut, et en retranchant le produit
il vient
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…
|
d’où
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——————————————…
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——————————…,
|
formule qui peut encore se présenter ainsi qu’il suit :
363. De même qu’en supposant , la fonction peut être décomposée en facteurs de degré , aussitôt que l’on connaît les valeurs des périodes de termes (no 348), si nous supposons maintenant que soit une équation du degré dont les racines soient les sinus, ou toute autre fonction trigonométrique des angles , la fonction pourra se décomposer en facteurs de degré .
Soient , , , etc. les périodes de termes dont
est composé, et que , , , etc. contiennent respectivement, les racines
, etc.
——, etc.
——, etc. ;
supposons encore que l’angle réponde à la racine , et partant les angles
, etc.
——, etc.
——, etc.,
aux racines
, etc.
——, etc.
——, etc. ;
On verra facilement que ces angles pris ensemble coïncident[6], quant à leurs fonctions trigonométriques, avec les angles
si donc la fonction dont il s’agit est désignée par le signe
placé devant l’angle, et que l’on fasse
|
|
etc. |
|
|
|
etc. |
|
|
|
etc. |
etc.,
|
on aura nécessairement
Il nous reste à faire voir que tous les coefficiens, dans les
fonctions etc. peuvent être ramenés à la forme
car alors ils devront être regardés comme connus, dès que l’on connaîtra les valeurs de etc. Or nous le prouverons de la manière suivante.
Le no précédent fait voir que de la même manière que l’on a
,
——
les autres fonctions trigonométriques de l’angle sont réductibles à la forme
etc.,
et l’on voit sans la moindre difficulté, que la même fonction
pour l’angle est alors
etc.,
étant un entier quelconque. Or comme les différens coefficiens de sont des fonctions invariables rationnelles et entières de etc., il est manifeste que si, à la place de ces
quantités, on substitue leurs valeurs, les différens coefficiens deviendront des fonctions invariables de etc., et partant (no 347) réductibles à la forme
etc.,
il en est de même des coefficiens , etc.
364. Nous ajouterons encore quelques observations à l’égard
du problème du no précédent.
1o . Comme les racines de la période entrent dans les coefficiens de de la même manière que les racines de la période entrent dans les coefficiens de il suit du no 347 que peut se déduire de pourvu que l’on
substitue dans
au lieu de
De la même manière se déduira de en substituant
au lieu de
Ainsi, dès que la fonction est trouvée, les autres suivent de celle-là sans aucune peine.
2o . Soit etc.
Les coefîiciens seront respectivement la somme des
racines de l’équation la somme de leurs produits deux à deux, etc. Mais souvent ces coefficiens se déterminent plus commodément par une méthode semblable à celle du no 349, c’est-à-dire, en calculant la somme des racines la somme de leurs quarrés, la somme de leurs cubes, etc., et déduisant de là ces coefficiens par le théorème de Newton. Toutes les fois que désigne la tangente, sécante, cotangente ou cosécante, on peut encore employer d’autres moyens d’abréviation, mais nous sommes forcés de les passer sous silence.
3o . Le cas où est un nombre pair mérite une attention particulière ; alors chacune des périodes est composée
de périodes de termes. Soient , etc. celles qui composent , les nombres et pris ensemble, coïncideront avec la
suite , , , ou du moins, ce qui revient au même
quant à nos considérations, seront congrus à ceux-ci, suivant le
module . Mais on a , etc. en prenant les signes supérieurs, quand exprime le cosinus ou la sécante, et les signes inférieurs, quand exprime le sinus, la
tangente, la cotangente ou la cosécante. Il suit de là que dans
les deux premiers cas, les facteurs de seront égaux deux à deux, et que parconséquent sera un quarré si l’on fait
Dans les mêmes cas, , etc. seront des quarrés, et si l’on suppose que soit composé des périodes des périodes et que l’on fasse
|
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|
on aura , , etc., et la fonction elle-même sera un quarré (voyez no 337) dont la racine est égale à , etc.
Au reste, on voit facilement que , , etc. se dérivent de de la même manière que , , etc. de (I) ; et que chaque coefficient de peut aussi se ramener à la forme
puisque les sommes des puissances des racines de l’équation sont les moitiés des sommes des puissances des racines de l’équation et partant réductibles à cette forme.
Dans les quatre autres cas, sera le produit des facteurs , , , etc. et parconséquent de la forme
les coefficiens , , etc. peuvent se déduire de la somme des quarrés, des biquarrés, etc. des racines , , , etc., et de même pour les fonctions , , etc.
Exemple I. Soit ,, et que désigne le cosinus. On a
et il faut parconséquent décomposer en deux facteurs du quatrième degré et . La période est composée des périodes
d’où
Substituons pour , et désignons indéfiniment
par la somme des puissances des racines , , etc., nous trouverons
,
——,
——,
——
et déterminant par là les coefficiens de
, à l’aide du théorème de
Newton,
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se déduit de en changeant en et réciproquement ; ainsi substituant les valeurs
,
——
on a
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peut de la même manière être décomposé en quatre facteurs du second degré, qui seront
, |
—— |
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, |
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et tous les coefficiens de ces facteurs s’exprimeront au moyen des quatre périodes Or il est évident que le produit des deux premiers facteurs est , et celui des deux derniers
Exemple II. Si, toutes choses d’ailleurs égales, est supposé désigner le sinus, ensorte qu’on ait
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à décomposer en facteurs du huitième degré et , sera le produit des quatre facteurs du second degré
,
—,
—,
—
Or comme on a , il en résulte
|
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de là, en désignant indéfiniment par la somme des puissances des racines on tire
; |
|
—— ;
|
; |
|
|
et partant
|
|
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|
|
|
|
—
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se déduit de en échangeant entre eux et , desorte que par la substitution des valeurs de ces périodes,
on a
|
|
|
…
|
… |
|
,
|
|
|
|
…
|
… |
|
.
|
On pourra de la même manière décomposer en quatre facteurs, dont les coefficiens s’exprimeront au moyen des valeurs des périodes de quatre termes ; le produit de deux d’entre eux sera , le produit des autres .
365. Nous avons ainsi réduit par les recherches précédentes
la division du cercle en parties, si est un nombre premier, à la solution d’autant d’équations qu’il y a de facteurs dans le nombre , et dont le degré est déterminé par la grandeur
des facteurs. Ainsi, toutes les fois que est une puissance de ce qui arrive pour les valeurs de
la division du cercle est réduite à des équations du second
degré seulement, et les fonctions trigonométriques des angles
peuvent être exprimées par des racines quarrées plus ou moins compliquées, suivant la grandeur de donc, dans ces différens cas, la division du cercle en parties, ou la description du polygone régulier de côtés, peut s’exécuter par des constructions géométriques. Par exemple, pour on tire facilement des nos 354, 361
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les cosinus des multiples de cet angle ont une forme semblable, les sinus ont un radical de plus. Il y a certainement bien lieu de s’étonner que la divisibilité du cercle en et parties ayant été connue dès le temps d’Euclide, on n’ait rien ajouté à ces découvertes dans un intervalle de deux mille ans, et que tous les géomètres aient annoncé comme certain, qu’excepté ces divisions et celles qui s’en déduisent (les divisions en parties), on ne pouvait en effectuer aucune par des constructions géométriques.
Au reste ou prouve facilement que si un nombre premier
est , le nombre lui-même ne peut avoir d’autres diviseurs que , et qu’il est parconséquent de la forme . En effet
si était divisible par un nombre impair plus grand que
l’unité, et qu’on eût ainsi , serait divisible par
, et partant composé. Toutes les valeurs de qui ne conduisent qu’à des équations du second degré, sont donc contenues
sous la forme ; ainsi les cinq nombres , , , ,
s’en déduisent en faisant , , , , ou ,
, , , . Mais la réciproque n’est pas vraie, et la division du
cercle n’a lieu géométriquement que pour les nombres premiers
compris dans cette formule. À la vérité Fermat, trompé par
l’induction, avait affirmé que tous les nombres compris
sous cette forme étaient nécessairement premiers ; mais Euler a
remarqué le premier que cette règle était en défaut dès la supposition ou qui donne
nombre divisible par .
Toutes les fois que renferme des facteurs différens de
on est toujours conduit à des équations plus élevées, par exemple
à une ou plusieurs équations du troisième degré, si est une
ou plusieurs fois facteur ; à des équations du cinquième degré,
quand est divisible par et nous pouvons démontrer en toute rigueur que ces équations ne sauraient en aucune manière être évitées ni abaissées, et quoique
les limites de cet Ouvrage ne nous permettent pas de développer
ici la démonstration de cette vérité, nous avons cru devoir en
avertir, pour éviter que quelqu’un ne voulût essayer de réduire
à des constructions géométriques d’autres divisions que celles
données par notre théorie, et n’employât inutilement son temps
à cette recherche.
366. Si l’on veut diviser le cercle en parties, étant un
nombre premier et il est aisé de voir que la construction
géométrique n’est possible qu’autant que En effet, si
outre les équations nécessaires pour la division du cercle en parties,
il faut encore résoudre équations du degré que l’on
ne peut non plus ni éviter, ni abaisser. Ainsi le degré des équations nécessaires se connaîtra généralement par les facteurs premiers du nombre (y compris le cas où
Enfin si l’on doit diviser le cercle en parties,
étant des nombres premiers, il suffit de savoir
effectuer les divisions en parties (no 336). Ainsi,
pour connaître le degré des équations nécessaires, on doit considérer les facteurs premiers des nombres
ou, ce qui revient au même, les facteurs de leur produit. On
remarquera que ce produit indique combien il y a de nombres
moindres que et premiers avec lui (nno 38). Ainsi la division
ne pourra s’exécuter géométriquement que lorsque ce nombre
est une puissance de mais quand il renferme d’autres facteurs
premiers on ne peut éviter en aucune manière les
équations de degré ,
Il suit de là généralement que pour que la division géométrique
du cercle en parties soit possible, doit être ou une puissance de ou bien un nombre premier de la forme
ou encore le produit d’une puissance de par un ou plusieurs
nombres premiers différens de cette forme ; ou d’une manière plus
abrégée, il est nécessaire que ne renferme aucun diviseur impair qui ne soit de la forme ni plusieurs fois un même
diviseur premier de cette forme.
On trouve de cette manière, au-dessous de , les trente-huit
valeurs suivantes pour le nombre