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Polynôme en une indéterminée
−
Résoudre les équations suivantes : a) Q a) Q 2 = XP 2 d’inconnues P, d’inconnues P, Q K [X ] b) P b) P P = P = P d’inconnue P d’inconnue P P K [X ].
∈ ∈
∈ ∈
∈ K [X ].
∈
02130 ] [correction] Exercice 8 [ 02130
Montrer que pour tout entier naturel n naturel n,, il existe un unique polynôme P n R [X ] tel que P que P n P n = X = X n . Exprimer les coefficients de P n à l’aide de nombres factoriels.
Exercice 2 Mines-Ponts
Trouver les P les P
Dérivation Résoudre les équations suivantes : a) P a) P 2 = 4P 4 P d’inconnue d’inconnue P P K [X ] b) ( b) (X X 2 + 1)P 1)P 6P = 0 d’inconnue P d’inconnue P
02127 ] [correction] Exercice 1 [ 02127
∈ ∈
1
02129 ] [correction] Exercice 7 [ 02129
L’anneau des polynômes
◦ ◦
Enoncés
MP [ 02674 02674 ] [correction] R [X ] tels que P que P ((X 2 ) = (X 2 + 1)P 1)P ((X ).
∈
−
02377 ] [correction] Exercice 3 [ 02377
a) Pour n Pour n
∈ N, développer le polynôme 2
4
2n
(1 + X )(1 )(1 + X )(1 + X ) . . . (1 + X ) b) En déduire que tout entier p > 0 s’écrit 0 s’écrit de façon unique comme somme de puissance de 2 : 1 : 1,, 2, 4, 8, . . . Exercice 4 X
Soit P Soit P
∈ ∈
MP [ 00271 00271 ] [correction] C [X ] non constant et tel que P (0) P (0) = 1. 1. Montrer que :
02131 ] [correction] Exercice 9 X MP [ 02131 Déterminer dans K [X ] tous les polynômes divisibles par leur polynôme dérivé.
02132 ] [correction] Exercice 10 [ 02132
Soit P Soit P
∈ ∈ K [X ]. Montrer +
P ( P (X + + 1) =
∀ε > 0, 0, ∃z ∈ C, |z | < ε et | P ( P (z )| < 1 < 1 03342 ] [correction] Exercice 5 [ 03342 Soit P Soit P = = a 0 + a1 X + + + an X n
···
∈ C [X ]. On pose M = sup |P ( P (z )|
∞ 1
n=0
n!
P (n) (X )
03338 ] [correction] Exercice 11 [ 03338
Trouver tous les polynômes P
∈ ∈ R [X ] tels que
|z|=1
k +1
∀k ∈ Z,
Montrer
∀k ∈ {0, . . . , n} , |ak | M
P ( P (t) dt = k = k + + 1
k
(indice : employer des racines de l’unité)
03341 ] [correction] Exercice 12 [ 03341 Exercice 6 CCP
MP [ 02553 02553 ] [correction] Soit ( Soit (P P n )n∈N la suite de polynômes définie par
= P n2 − 2 − − 2 et ∀n ∈ N , P n+1 = P
P 1 = X = X
Calculer le coefficient de X de X 2 dans P dans P n .
Soit P Soit P
que a ∈ R vérifie ∈ ∈ R [X ]. On suppose que a
∀ ∈ N , P (k)(a) 0
P ( P (a) > 0 > 0 et et k
Montrer que le polynôme P polynôme P ne ne possède pas de racines dans [a, [ a, + [.
∞
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Enoncés
Arithmétique des polynômes
02138 ] [correction] Exercice 19 [ 02138
Soit A, Soit A, B K [X ] non nuls. Montrer : A : A et B sont premiers entre eux si, et seulement si, A + B et AB le sont.
∈
02133 ] [correction] Exercice 13 [ 02133
Montrer les divisibilités suivantes et déterminer les quotients correspondant : a) X a) X 1 X 3 2X 2 + 3X 3X 2 b) X 2 X 3 3X 2 + 3X 3X 2 c) X + + 1 X 3 + 3X 3X 2 2.
− − | |
−
− −
−
2
− − |
−
− −
02139 ] [correction] Exercice 20 [ 02139
Soient A,B,C Montrer
∈ ∈ K [X ] tels que A que A et B soient premiers entre eux.
02134 ] [correction] Exercice 14 [ 02134
Soit P Soit P K [X ]. a) Montrer que P que P ((X ) X divise P divise P ((P ( P (X )) )) P ( P (X ). b) En déduire que P ( P (X ) X divise P divise P ((P ( P (X )) )) X . c) On note P note P [n] = P . . . P P (composition à n à n 1 facteurs). Etablir que P que P ((X ) X divise P divise P [n] (X ) X
∈ ∈
−
−
−
− ◦ ◦ ◦
−
−
pgcd( pgcd(A,BC ) = pgcd( pgcd(A, C )
Exercice 21 CCP
MP [ 02580 02580 ] [correction] On cherche les polynômes P ( P (X ) = (X
− − a)(X − b) ∈ C [X ] )(X −
03407 ] [correction] Exercice 15 [ 03407
Soit P Soit P
que P ((X ) − X divise P divise P ((P ( P (X )) )) − X . ∈ ∈ K [X ]. Montrer que P
02135 ] [correction] Exercice 16 [ 02135 2 2 K
Soit A, Soit A, B
∈
[X ] tels que A que A
| B
tels que P que P ((X ) divise P divise P ((X 3 ). Montrer que, si a si a = = b b,, P R [X ] et que si a si a = b et b et a 3 = b 3 , il existe 6 polynômes dont 4 dans R [X ]. Trouver les polynômes P polynômes P si a si a = b et b et a 3 = b 3 et en déduire que 13 polynômes en tout conviennent, dont 7 dans R [X ].
∈ ∈
. Montrer que A que A B. B .
|
Division euclidienne 02136 ] [correction] Exercice 17 [ 02136
Soit A, Soit A, B K [X ] non constants et premiers entre eux. Montrer qu’il existe un unique couple ( couple (U, U, V ) V ) K [X ]2 tel que
∈
∈
AU + + BV = 1 et
deg U < deg B deg V < deg A
02140 ] [correction] Exercice 22 [ 02140
En réalisant une division euclidienne, former une condition nécessaire et suffisante sur ( sur (λ, λ, µ) K 2 pour que X que X 2 + 2 divise 2 divise X X 4 + X 3 + λX 2 + µX + + 2. 2.
∈
02141 ] [correction] Exercice 23 [ 02141 2
02137 ] [correction] Exercice 18 [ 02137 2
K [X ] non nuls. Montrer que les assertions suivantes sont Soit ( Soit (A, A, B ) équivalentes : (i) A (i) A et B ne sont pas premiers entre eux. (ii) il existe ( existe (U, U, V ) V ) ( K [X ] 0 )2 tel que
∈
∈
−{ }
AU + + BV = 0, 0 , deg U < deg B et deg V < deg A
Soit ( Soit (a, a, b) K tel que a que a = b et b et P K [X ]. Exprimer le reste de la division euclidienne de P de P par ( par (X X a)(X )(X b) en fonction de P ( P (a) et P ( P (b).
∈
− −
∈ ∈ − −
02142 ] [correction] Exercice 24 [ 02142
Soit a Soit a K et P K [X ]. Exprimer le reste de la division euclidienne de P par (X a)2 en fonction de P de P ( (a a) et P (a).
− −
∈
∈ ∈
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Enoncés
Arithmétique des polynômes
02138 ] [correction] Exercice 19 [ 02138
Soit A, Soit A, B K [X ] non nuls. Montrer : A : A et B sont premiers entre eux si, et seulement si, A + B et AB le sont.
∈
02133 ] [correction] Exercice 13 [ 02133
Montrer les divisibilités suivantes et déterminer les quotients correspondant : a) X a) X 1 X 3 2X 2 + 3X 3X 2 b) X 2 X 3 3X 2 + 3X 3X 2 c) X + + 1 X 3 + 3X 3X 2 2.
− − | |
−
− −
−
2
− − |
−
− −
02139 ] [correction] Exercice 20 [ 02139
Soient A,B,C Montrer
∈ ∈ K [X ] tels que A que A et B soient premiers entre eux.
02134 ] [correction] Exercice 14 [ 02134
Soit P Soit P K [X ]. a) Montrer que P que P ((X ) X divise P divise P ((P ( P (X )) )) P ( P (X ). b) En déduire que P ( P (X ) X divise P divise P ((P ( P (X )) )) X . c) On note P note P [n] = P . . . P P (composition à n à n 1 facteurs). Etablir que P que P ((X ) X divise P divise P [n] (X ) X
∈ ∈
−
−
−
− ◦ ◦ ◦
−
−
pgcd( pgcd(A,BC ) = pgcd( pgcd(A, C )
Exercice 21 CCP
MP [ 02580 02580 ] [correction] On cherche les polynômes P ( P (X ) = (X
− − a)(X − b) ∈ C [X ] )(X −
03407 ] [correction] Exercice 15 [ 03407
Soit P Soit P
que P ((X ) − X divise P divise P ((P ( P (X )) )) − X . ∈ ∈ K [X ]. Montrer que P
02135 ] [correction] Exercice 16 [ 02135 2 2 K
Soit A, Soit A, B
∈
[X ] tels que A que A
| B
tels que P que P ((X ) divise P divise P ((X 3 ). Montrer que, si a si a = = b b,, P R [X ] et que si a si a = b et b et a 3 = b 3 , il existe 6 polynômes dont 4 dans R [X ]. Trouver les polynômes P polynômes P si a si a = b et b et a 3 = b 3 et en déduire que 13 polynômes en tout conviennent, dont 7 dans R [X ].
∈ ∈
. Montrer que A que A B. B .
|
Division euclidienne 02136 ] [correction] Exercice 17 [ 02136
Soit A, Soit A, B K [X ] non constants et premiers entre eux. Montrer qu’il existe un unique couple ( couple (U, U, V ) V ) K [X ]2 tel que
∈
∈
AU + + BV = 1 et
deg U < deg B deg V < deg A
02140 ] [correction] Exercice 22 [ 02140
En réalisant une division euclidienne, former une condition nécessaire et suffisante sur ( sur (λ, λ, µ) K 2 pour que X que X 2 + 2 divise 2 divise X X 4 + X 3 + λX 2 + µX + + 2. 2.
∈
02141 ] [correction] Exercice 23 [ 02141 2
02137 ] [correction] Exercice 18 [ 02137 2
K [X ] non nuls. Montrer que les assertions suivantes sont Soit ( Soit (A, A, B ) équivalentes : (i) A (i) A et B ne sont pas premiers entre eux. (ii) il existe ( existe (U, U, V ) V ) ( K [X ] 0 )2 tel que
∈
∈
−{ }
AU + + BV = 0, 0 , deg U < deg B et deg V < deg A
Soit ( Soit (a, a, b) K tel que a que a = b et b et P K [X ]. Exprimer le reste de la division euclidienne de P de P par ( par (X X a)(X )(X b) en fonction de P ( P (a) et P ( P (b).
∈
− −
∈ ∈ − −
02142 ] [correction] Exercice 24 [ 02142
Soit a Soit a K et P K [X ]. Exprimer le reste de la division euclidienne de P par (X a)2 en fonction de P de P ( (a a) et P (a).
− −
∈
∈ ∈
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Enoncés
Exercice 25 X
MP [ 02143 02143 ] [correction] Soient t R et n N . Déterminer le reste de la division euclidienne dans R [X ] de (X ( X cos cos t + sin t)n par 2 X + 1. 1.
∈
∈
02144 ] [correction] Exercice 26 [ 02144 Soit k, Soit k, n N et r et r le reste de la division
euclidienne de k par n. n . Montrer que le reste de la division euclidienne de X k par X par X n 1 est X r .
∈
−
03632 ] [correction] Exercice 27 [ 03632 Montrer que pour tout a, b N
3
02149 ] [correction] Exercice 32 [ 02149
Pour k Pour k
∈ N, on pose
k! a) Montrer que la famille ( famille (P P 0 , P 1 , . . . , Pn ) est une base de R n [X [X ]. b) Montrer que x Z, k N, P k (x) Z
∀ ∈ ∀ ∈
∈
c) Trouver tous les polynômes P polynômes P tels tels que P (x) ∈ Z ∀x ∈ Z, P (
x 02145 ] [correction] Exercice 28 [ 02145
Soient n, m N . a) De la division euclidienne de n par m, m , déduire celle de X n b) Etablir que pgcd(n,m) n,m) pgcd( pgcd(X n 1, X m 1) = X pgcd( 1
∈
−
−
−
L’espace vectoriel des polynômes 02146 ] [correction] Exercice 29 [ 02146 Soient P 1 = X = X 2 + 1, 1, P 2 = X = X 2 + X
= X 2 + X . − − 1 et P 3 = X
Montrer que la famille ( famille (P P 1 , P 2 , P 3 ) est une base de K 2 [X [X ].
02147 ] [correction] Exercice 30 [ 02147
Pour k Pour k 0, . . . , n , on pose P pose P k = (X + + 1) k+1 X k+1. Montrer que la famille ( famille (P [X ]. P 0 , . . . , Pn ) est une base de K n [X
}
−
P (x)sin x + Q(x)cos x avec P, avec P, Q ∈ Rn [X [X ] → P (
a) Montrer que F que F un un sous-espace vectoriel de E de E .. b) Montrer que F que F est est de dimension finie et déterminer dim F . F .
− 1 par X m − 1. 02151 ] [correction] Exercice 34 [ 02151
Soient n N et A Kn [X [X ] un polynôme non nul. Montrer que F que F = = P Kn [X [X ] /A P est un sous-espace vectoriel de K n [X [X ] et en déterminer la dimension et un supplémentaire.
∈
∈ { ∈ ∈
| }
02665 ] [correction] Exercice 35 Mines-Ponts MP [ 02665 Montrer, pour tout n tout n N, qu’il existe un unique P unique P n et P et P n (X + + 1) P n (X ) = X n .
−
∈ Rn+1 [X [X ] tel que P que P n (0) = 0
∈
Endomorphisme opérant sur les polynômes 02152 ] [correction] Exercice 36 [ 02152 K n [X Soit n Soit n N et ∆ et ∆ : K n+1 [X [X ] [X ] l’application
∈
→
∆(P ∆(P )) = P ( P (X + + 1)
02148 ] [correction] Exercice 31 [ 02148
Pour k Pour k 0, . . . , n , on pose P pose P k = X k (1 X )n−k . Montrer que la famille ( famille (P P 0 , . . . , Pn ) est une base de K n [X [X ].
}
− − 1) . . . (X − − k + 1)
Soit E Soit E l’espace l’espace vectoriel des applications de R dans R . On considère F considère F la la partie de E de E constituée constituée des applications de la forme :
| ⇔ X a − 1 | X b − 1
a b
∈ {
X ( X (X
02150 ] [correction] Exercice 33 [ 02150
∈
∈ {
P k =
−
définie par
− P ( P (X )
a) Montrer que ∆ que ∆ est bien définie et que ∆ est une application linéaire. b) Déterminer le noyau de ∆. ∆ . c) En déduire que cette application est surjective.
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Enoncés
4
Exercice 37 [ 02153 ] [correction]
Exercice 40 [ 02156 ] [correction]
Soit ∆ : C [X ]
Soient A un polynôme non nul de R [X ] et r : R [X ] par :
→ C [X ] l’application définie par ∆ (P ) = P (X + 1) − P (X )
a) Montrer que ∆ est un endomorphisme et que pour tout polynôme P non constant deg(∆(P )) = deg P 1. b) Déterminer ker∆ et Im∆. c) Soit P C [X ] et n N. Montrer
−
∈
→ R [X ] l’application définie
∀P ∈ R [X ] , r(P ) est le reste de la division euclidienne de P par A Montrer que r est un endomorphisme de R [X ] tel que r 2 = r ◦ r = r. Déterminer le noyau et l’image de cet endomorphisme.
∈
n
∆n (P ) = ( 1)n
−
− ( 1)k
k=0
n P (X + k) k
Exercice 41 X
MP [ 03046 ] [correction] Soit P R [X ]. Montrer que la suite (P (n))n∈N vérifie une relation de récurrence linéaire à coefficients constants.
∈
d) En déduire que si deg P < n alors n
Racines d’un polynôme
− k=0
n ( 1)k P (k) = 0 k
Exercice 42 [ 02157 ] [correction]
a) Soit
Exercice 38 [ 02154 ] [correction]
Kn [X ] définie par ϕ(P ) = (n + 1)P XP . Soit ϕ : Kn+1 [X ] a) Justifier que ϕ est bien définie et que c’est une application linéaire. b) Déterminer le noyau de ϕ. c) En déduire que ϕ est surjective.
→
−
P = a n X n + an−1 X n−1 + ... + a1 X + a0
un polynôme à coefficients entiers tel que a n = 0 et a 0 = 0. On suppose que P admet une racine rationnelle r = p/q exprimée sous forme irréductible. Montrer que p a 0 et q a n . b) Factoriser P = 2X 3 X 2 13X + 5
|
|
−
c) Le polynôme
Exercice 39 [ 02155 ] [correction]
Rn [X ] définie par ϕ(P ) = P (X ) + P (X + 1) est a) Montrer que ϕ : Rn [X ] bijective. On en déduit qu’il existe un unique P n Rn [X ] tel que
→
−
P = X 3 + 3X
− 1
est-il irréductible dans Q [X ] ?
∈
P n (X ) + P n (X + 1) = 2X n Montrer que pour tout n
∈ N, il existe P n ∈ Rn [X ] unique tel que P n (X ) + P n (X + 1) = 2X n
b) Justifier qu’on peut exprimer P n (X + 1) en fonction de P 0 , . . . , Pn . c) En calculant de deux façons P n (X + 2) + P n (X + 1) déterminer une relation donnant P n en fonction de P 0 , . . . , Pn −1.
Exercice 43 [ 02158 ] [correction]
Soient a,b,c trois éléments, non nuls et distincts, du corps K . Démontrer que le polynôme X (X b)(X c) X (X c)(X a) X (X a)(X b) + + a(a b)(a c) b(b c)(b a) c(c a)(c b)
− − − − − − peut s’écrire sous la forme P = λ(X − a)(X − b)(X − c) + 1 où λ est une P =
− −
− −
constante que l’on déterminera.
− −
[http://mp.cpgedupuydelome.fr] édité le 4 novembre 2013 Exercice 44 [ 02161 ] [correction]
Enoncés
5
Exercice 50 [ 02165 ] [correction]
Soient a 0 , a1 , . . . , an des éléments deux à deux distincts de K . Kn+1 définie par Montrer que l’application ϕ : Kn [X ]
→
ϕ(P ) = (P (a0 ), P (a1 ), . . . , P ( an ))
Soit
P (X ) = X n + an−1 X n−1 +
Montrer que si ξ est racine de P alors
··· + a1X + a0 ∈ C [X ]
|ξ | 1 + 0 max |ak | k n−1
est un isomorphisme de K -espace vectoriel.
Exercice 45 [ 02162 ] [correction]
Soient a 0 , . . . , an des réels distincts et ϕ : R2n+1 [X ]
→ R2n+2 définie par
ϕ(P ) = (P (a0 ), P (a0 ), . . . , P ( an ), P (an ))
Exercice 51 Centrale
MP [ 02371 ] [correction] a) Soit n N. Exprimer sin((2n + 1)α) en fonction de sin α et cos α. b) En déduire que les racines du polynôme :
∈
n
Montrer que ϕ est bijective.
P (X ) =
− ( 1) p
p=0
2n + 1 X n− p 2 p + 1
2
sont de la forme x k = cot β k . Déterminer les β k .
Exercice 46 [ 02159 ] [correction]
Soit P
∈ C [X ] un polynôme non nul tel que P (X 2 ) + P (X )P (X + 1) = 0
a) Montrer que si a est racine de P alors a 2 l’est aussi b) En déduire que a = 0 ou bien a est racine de l’unité.
MP [ 02663 ] [correction] a) Montrer que a = cos(π/9) est racine d’un polynôme de degré trois à coefficients dans Z . b) Justifier que le nombre a est irrationnel.
Exercice 47 [ 02164 ] [correction]
Exercice 53 X
Montrer que si P
∈ R [X ] \{0} vérifie
Exercice 52 Mines-Ponts
MP
[ 02941 ] [correction]
Soient A, B
P (X 2 ) = P (X )P (X + 1)
∈ C [X ] non constants vérifiant {z ∈ C/A(z) = 0} = {z ∈ C/B(z) = 0} et { z ∈ C/A(z) = 1} = {z ∈ C/B(z) = 1}
ses racines sont parmi 0, 1, j, j 2 . En déduire tous les polynômes solutions.
Montrer que A = B.
Exercice 48 X
Exercice 54 Centrale
− −
PC - Centrale MP
[ 02375 ] [correction]
Trouver les P
∈ C [X ] vérifiant
Pour n
P (X 2 ) = P (X )P (X + 1)
Exercice 49 [ 01329 ] [correction]
Trouver les P
∈ C [X ] vérifiant P (X 2 ) = P (X )P (X
− 1)
MP
[ 03098 ] [correction]
∈ N, n 3, on note P n le polynôme : P n (X ) = (X + 1) n
− X n − 1
a) Avec le logiciel de calcul formel : Que dire, pour n = 3 , 4, 5, 7 du module des racines complexes de P n ? Quelle est la factorisation de P 7 dans R [X ] ? dans C [X ] ? Vérifier, à l’aide de valeurs approchées, que le polynôme P 9 possède des racines de module > 1.
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Enoncés
b) Démontrer que pour n > 7, le polynôme dérivé P n admet au moins une racine dans C de module > 1. c) Soit P C [X ] non constant. Démontrer que les racines complexe du polynôme dérivé P sont dans l’enveloppe convexe des racines du polynôme P .
∈
Indice : si P (X ) = c
n
i=1
6
a) Enoncer le théorème de Rolle. b) Si x 0 est racine de P de multiplicité m P ? c) Prouver le résultat énoncé.
1, quelle en est la multiplicité dans
− zi)m , considérer la fraction P /P .
(X
i
d) En déduire que n = 7 est le plus grand entier pour lequel toutes les racines de P n sont de module 1.
Exercice 59 [ 02163 ] [correction]
Soit P R [X ] un polynôme scindé de degré supérieur à 2. Montrer que P est scindé.
∈
Exercice 55 X
MP [ 01352 ] [correction] Soient K un corps et a 1 , a2 , . . . , an K deux à deux distincts. a) Calculer n X aj ai aj i=1
∈
j =i
b) On pose A(X ) =
n
j=1
Exercice 60 Mines-Ponts
MP [ 02669 ] [correction] a) Si P R [X ] est scindé sur R , montrer que P est scindé sur R . b) Si (a,b,c) R3 , montrer que X 10 + aX 9 + bX 8 + cX 7 + X + 1 n’est pas scindé sur R .
− −
∈
∈
(X
− aj ). Calculer n
i=1
1 A (ai )
Exercice 61 X
MP [ 00274 ] [correction] Soit P R [X ] simplement scindé sur R . Montrer que P ne peut avoir deux coefficients consécutifs nuls.
∈
Polynômes réels scindés Exercice 62 [ 03340 ] [correction]
Exercice 56 [ 02160 ] [correction]
N à coefficients réels possédant n + 1
Soit P un polynôme de degré n + 1 racines réelles distinctes. a) Montrer que son polynôme dérivé P possède exactement n racines réelles distinctes. b) En déduire que les racines du polynôme P 2 + 1 sont toutes simples dans C .
∈
Soit P R [X ] scindé à racines simples. Montrer qu’aucun coefficient nul de P ne peut être encadré par deux coefficients non nuls et de même signe.
∈
Exercice 63 [ 03683 ] [correction]
Soit P R [X ] scindé à racines simples dans R . Montrer que pour tout α racines de P 2 + α2 dans C sont toutes simples.
∈
Exercice 58 CCP
∈ R les
MP [ 03581 ] [correction] Soit P R [X ] scindé de degré 2 ; on veut montrer que le polynôme P est lui aussi scindé.
∈
Soit P C [X ] un polynôme non constant dont les racines complexes sont de ¯ est scindé parties imaginaires positives ou nulles. Montrer que le polynôme P + P dans R [X ].
∈
Exercice 57 [ 03339 ] [correction]
Exercice 64 X
MP [ 03696 ] [correction] Soit P R [X ] scindé sur R . Montrer que pour tout réel α, le polynôme P + αP est lui aussi scindé sur R .
∈
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Enoncés
Racines et arithmétique
7
Exercice 72 Mines-Ponts
MP [ 02672 ] [correction] Déterminer les polynômes P de R [X ] 0 vérifiant
\{ } P (X ) = P (X − 1)P (X )
Exercice 65 [ 02166 ] [correction]
2
Soient p et q deux entiers supérieurs à 2 et premiers entre eux. Montrer (X p 1)(X q 1) (X 1)(X pq 1)
−
− | −
−
Exercice 73 X
MP
[ 03041 ] [correction]
Trouver les P
∈ C [X ] tels que
Exercice 66 [ 02167 ] [correction]
Justifier les divisibilités suivantes : a) n N, X 2 (X + 1) n nX 1 b) n N , (X 1)3 nX n+2 (n + 2).X n+1 + (n + 2)X
∀ ∈ ∀ ∈
| −
|
− − −
− n
Exercice 67 [ 02168 ] [correction]
Montrer qu’il existe un unique polynôme P de degré inférieur à 3 tel que :
− 1)2 | P − 1 et (X + 1)2 | P + 1
(X Déterminer celui-ci.
Exercice 74 [ 03406 ] [correction]
[Equation de Fermat polynomiale] a) Soient P,Q,R C [X ] premiers entre eux deux à deux, non constants, et tels que P + Q + R = 0
∈
Soient p,q,r le nombre de racines distinctes des polynômes P,Q,R respectivement. Prouver que le degré de P est strictement inférieur à p + q + r. (indice : introduite P Q Q P ) b) Trouver tous les triplets de polynômes complexes (P,Q,R) tels que
−
Exercice 68 [ 02169 ] [correction]
Justifier
P (1) = 1, P (2) = 2, P (1) = 3, P (2) = 4,P (1) = 5 et P (2) = 6
∀(n,p,q ) ∈ N3, 1 + X + X 2 | X 3n + X 3 p+1 + X 3q+2
Exercice 69 [ 02170 ] [correction]
Déterminer une condition nécessaire et suffisante sur n
∈ N pour que
X 2 + X + 1 X 2n + X n + 1
|
P n + Qn = R n pour n 3 donné. c) Le résultat s’étend-il à n = 2 ?
Factorisation de polynômes Exercice 75 [ 02171 ] [correction]
Exercice 70 Mines-Ponts
MP [ 02668 ] [correction] Déterminer les P de R [X ] tels que (X + 4)P (X ) = XP (X + 1). MP [ 02673 ] [correction] On cherche les polynômes P non nuls tels que
Factoriser dans C [X ] puis dans R [X ] les polynômes suivants : a) X 4
−1
b) X 5
−1
c) (X 2
− X + 1)2 + 1.
Exercice 71 Mines-Ponts
P (X 2 ) = P (X
− 1)P (X )
a) Montrer que toute racine d’un tel P est de module 1. b) Déterminer les polynômes P .
Exercice 76 [ 02172 ] [correction]
Factoriser dans R [X ] les polynômes suivants : a) X 4 + X 2 + 1
b) X 4 + X 2
−6
c) X 8 + X 4 + 1.
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Enoncés
Exercice 77 [ 02173 ] [correction] Factoriser le polynôme (X + i)n
8
Exercice 84 [ 02178 ] [correction] Résoudre x 3 8x2 + 23x 28 = 0 sachant
− (X − i)n pour n ∈ N .
−
−
égale à la troisième.
que la somme de deux des racines est
Exercice 78 [ 02174 ] [correction]
Former la décomposition primaire dans R [X ] de P = X 2n+1
Exercice 79 CCP
Soient a
MP
− 1 (avec n ∈ N).
[ 02175 ] [correction]
∈ ]0, π[ et n ∈ N. Factoriser dans C [X ] puis dans R [X ] le polynôme X 2n − 2cos(na)X n + 1
Exercice 85 [ 02179 ] [correction] 3
√
√
− √
On considère l’équation : x (2 + 2)x2 + 2( 2 + 1)x 2 2 = 0 de racines x1 , x2 et x 3 . a) Former une équation dont x 21 , x22 et x 23 seraient racines. b) En déduire les valeurs de x 1 , x2 , x3 .
−
Exercice 86 [ 02180 ] [correction] Exercice 80 Mines-Ponts N
a) Soit n
∈
MP . Montrer que
n 1
X 2n
Déterminer les triplets : (x,y,z) C3 tel que x + y + z = 1 x(y + z) = 1 a) 1/x + 1/y + 1/z = 1 b) y(z + x) = 1 c) xyz = 4 z(x + y) = 1
[ 02664 ] [correction]
− 1 = (X 2 − 1)
−
k=1
(X 2
− 2X cos kπn + 1)
b) Soit un réel a =
±1 ; déduire de a) la valeur de π
2
ln(a
0
∈
−
x + y + z = 2 x2 + y2 + z 2 = 14 . x3 + y3 + z 3 = 20
Exercice 87 [ 02181 ] [correction] C
Soient x,y,z
− 2a cos t + 1) dt
tels que x + y + z = 0. Montrer
∈
1 1 1 + + = x2 y2 z 2
Exercice 81 Centrale
MP [ 00399 ] [correction] Soit P R [X ]. Montrer qu’il y a équivalence entre (i) x R, P (x) 0 ; (ii) (A, B) R [X ]2 , P = A 2 + B 2 .
∈ ∀ ∈ ∃ ∈
1 1 1 + + x y z
2
Exercice 88 [ 02182 ] [correction] n Pour n N on pose P n = X k . k=0
∈
a) Former la décomposition primaire de P n dans C [X ].
Relations entre racines et coefficients
n
b) En déduire la valeur de
k=1 Exercice 82 [ 02176 ] [correction]
Trouver les racines dans C du polynôme X 4 + 12X racines dont la somme est 2.
− 5 sachant qu’il possède deux
Exercice 89 [ 02183 ] [correction] R N
Soit a
∈
et n
∈
. Résoudre dans C l’équation (1 + z)n = cos(2na) + i sin(2na).
En déduire la valeur de
Exercice 83 [ 02177 ] [correction] 3
Donner une condition nécessaire et suffisante sur λ C pour que X 7X + λ admette une racine qui soit le double d’une autre. Résoudre alors l’équation.
∈
−
kπ sin n+1 .
n 1
−
sin a + knπ .
k=0
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Enoncés
Exercice 90 [ 02184 ] [correction]
9
Etablir
Soit P C [X ] non nul et n = deg P . Montrer que les sommes des zéros de P, P , . . . , P (n −1) sont en progression arithmétique.
∈
Exercice 91 Centrale 3 2
MP [ 02373 ] [correction] Soit P = X + aX + bX + c un polynôme complexe de racines α,β,γ . Calculer α β γ + + β + γ γ + α α + β
x + y + z = 0
x2 + y2 + z 2 2
n)
···
···
PC [ 03812 ] [correction] a) Déterminer trois éléments a,b,c de C , non tous réels, tels que a + b + c, a2 + b2 + c2 et a 3 + b3 + c3 soient trois réels. b) Montrer que, si a,b,c sont trois éléments de C de modules différents et si a + b + c R, a 2 + b2 + c2 R et a 3 + b3 + c3 R, alors a,b et c sont trois réels. Enoncé fourni par le concours CENTRALE-SUPELEC (CC)-BY-NC-SA
PSI [ 03333 ] [correction] x,y,z désignent trois complexes vérifiant
x5 + y 5 + z 5 = 5
···
Exercice 95 Centrale
Exercice 92 Centrale
Etablir
a0 S 1 + a1 = 0 a0 S 2 + a1 S 1 + 2a2 = 0 ... a0 S p + a1 S p−1 + + a p−1 S 1 + pa p = 0 (0 < p ... a0 S n + a1S n+1 + + an S 1 = 0 ... a0 S n+k + a1 S n+k−1 + + an S k = 0 (k > 0)
∈
x3 + y 3 + z 3 3
∈
∈
Familles de polynômes classiques Exercice 96 [ 02185 ] [correction]
Polynômes de Tchebychev (1821-1894) : R l’application définie par Soit n N. On pose f n : [ 1, 1]
Exercice 93 X
PC [ 03336 ] [correction] Résoudre dans C 3 le système
∈
x2 + y2 + z 2 = 0 4
4
x +y +z =0 x5 + y5 + z 5 = 0
f n (x) = cos(n arccos x) a) Calculer f 0 ,f 1 , f 2 et f 3 . b) Exprimer f n+1(x) + f n−1(x) en fonction de f n (x). c) Etablir qu’il existe un unique polynôme T n de R [X ] dont la fonction polynomiale associée coïncide avec f n sur [ 1, 1]. d) Donner le degré de T n ainsi que son coefficient dominant. e) Observer que T n possède exactement n racines distinctes, que l’on exprimera, toutes dans ] 1, 1[.
−
On considère le polynôme n 1
P (X ) = a 0 X + a1 X − + ··· + an ∈ C [X ] de racines x 1 , . . . , xn comptées avec multiplicité. Pour tout p N, on pose S p = x p1 + + x pn
∈
→
4
Exercice 94 [ 03345 ] [correction]
n
−
···
−
Exercice 97 [ 02186 ] [correction]
Polynômes d’interpolation de Lagrange (1736-1813) : Soit (a0 , a1 , . . . , an ) une famille d’éléments de K deux à deux distincts.
[http://mp.cpgedupuydelome.fr] édité le 4 novembre 2013 Pour tout i
Enoncés
∈ {0, 1, . . . , n} on pose Li =
d) Montrer que pour tout m
− aj ) (ai − aj )
a) Observer que, pour tout j 0, 1,...,n , on a L i (aj ) = δ i,j (où δ i,j est le symbole de Kronecker (1823-1891) qui est égal à 1 lorsque i = j et 0 sinon). b) Montrer que
∈ {
}
n
∀P ∈ K n [X ] , P (X ) =
En déduire que pgcd(P m , P n ) = pgcd(P n , P r ) où r est le reste de la division euclidienne de m par n. e) Conclure pgcd(P n , P m ) = P pgcd(m,n) Exercice 100 [ 02189 ] [correction]
Polynômes de Laguerre (1834-1886) : R par Pour n N, on définit L n : R
P (ai )Li (X )
∈
i=0
→
Ln (x) = ex
Exercice 98 [ 02187 ] [correction]
dn −x n (e x ) dxn
Observer que L n est une fonction polynomiale dont on déterminera le degré et le coefficient dominant.
Polynômes de Legendre (1752-1833) : Pour tout entier naturel n on pose n! (X 2 (2n)!
− 1)n (n)
Exercice 101 Mines-Ponts
MP [ 02670 ] [correction] Soit n N. Montrer qu’il existe un unique polynôme P P (cos θ) = cos nθ pour tout θ réel. On le note T n . a) Lier T n−1 , T n et T n+1. b) Donner une équation différentielle vérifiée par T n . (k) (k) c) Calculer T n (1) et T n ( 1).
1
∈ C [X ] tel que
∈
a) Montrer que L n est un polynôme unitaire de degré n. b) Montrer que
∀Q ∈ Rn−1 [X ] ,
∈ N et pour tout n ∈ N on a
pgcd(P m+n , P n ) = pgcd(P n , P m)
(X
0j n,j =i 0j n,j =i
Ln =
10
Ln (t)Q(t)dt = 0
−
−1
c) En déduire que L n possède n racines simples toutes dans ] 1, 1[.
−
MP [ 02671 ] [correction] Quels sont les couples (P, Q) R [X ]2 vérifiant P 2 + (1
∈
Exercice 99 [ 02188 ] [correction]
Polynômes de Fibonacci ( 1180 1250) : Soit (P n )n0 la suite de K [X ] définie par P 0 = 0, P 1 = 1 et n
∀ ∈ N, P n+2 = XP n+1 − P n
a) Montrer
Exercice 102 Mines-Ponts
2 = 1 + P n P n+2 ∀n ∈ N, P n+1
b) En déduire
∀n ∈ N, P n et P n+1 sont premiers entre eux c) Etablir pour que pour tout m ∈ N et pour tout n ∈ N on a P m+n = P n P m+1 − P n−1 P m
− X 2)Q2 = 1 ?
Exercice 103 [ 02128 ] [correction]
On définit une suite de polynôme (P n ) par P 0 = 2, P 1 = X et n
∀ ∈ N, P n+2 = XP n+1 − P n
a) Calculer P 2 et P 3 . Déterminer degré et coefficient dominant de P n . b) Montrer que, pour tout n N et pour tout z
∈
∈ C on a
P n (z + 1/z) = z n + 1/z n c) En déduire une expression simple de P n (2cos θ) pour θ d) Déterminer les racines de P n .
∈ R.
[http://mp.cpgedupuydelome.fr] édité le 4 novembre 2013 Exercice 104 Centrale
MP
[ 03269 ] [correction]
On pose
1 cos x Démontrer l’existence d’un polynôme P n de degré n et à coefficients positifs ou nul vérifiant P n (sin x) n 1, f (n) (x) = (cos x)n+1 f (x) =
∀
Préciser P 1 , P 2 , P 3 et calculer P n (1).
Enoncés
11
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Corrections
Corrections
12
Exercice 4 : [énoncé]
Puisque le polynôme P est non constant, on peut écrire Exercice 1 : [énoncé]
a) Si (P, Q) est un couple solution de polynômes non nuls alors Q 2 = XP 2 donne 2deg Q = 1+ 2deg P avec deg P, deg Q N ce qui est impossible. Il reste le cas où l’un des polynômes P ou Q est nul et l’autre, alors, l’est aussi. Inversement, le couple nul est effectivement solution. b) Si deg P 2 alors deg P P = (deg P )2 > deg P et donc P n’est pas solution. Si deg P 1 alors on peut écrire P = aX + b et alors
∈
◦
P P = P
⇔ a(aX + b) + b = aX + b ⇔
◦
a2 = a ab = 0
Après résolution on obtient
P (z) = 1 + aq z q + z q+1Q(z) avec a q = 0 et Q C [X ]. Posons θ un argument du complexe a q et considérons la suite (zn ) de terme général 1 zn = ei(π−θ)/q n On a z n 0 et aq 1 P (zn ) = 1 +o nq nq
∈
→
− | |
donc P (zn ) < 1 pour n assez grand..
|
|
(a = 1et b = 0) ou (a = 0 et b quelconque) Finalement les solutions sont le polynôme X et les polynômes constants.
Exercice 5 : [énoncé] 2iπ/(n+1)
Soit ω = e
une racine nème de l’unité. On a
Exercice 2 : [énoncé]
Parmi les polynômes constants, seuls le polynôme nul est solution. Si deg P 1 alors, pour vérifier l’équation, il est nécessaire que deg P = 2. On peut alors écrire P sous la forme aX 2 + bX + c. Parmi, les polynômes de cette forme, ceux solutions sont ceux obtenus pour b = 0 et c = a. Conclusion, les polynômes solutions sont les a(X 2 1) avec a R.
−
P (1) + P (ω) + car
n
ω k =
−
∈
Exercice 3 : [énoncé]
k=0
n + 1 si = 0 0 sinon
2
| |
2n
4
P (X ) = (1 + X )(1 + X )(1 + X ) . . . (1 + X )
− b)(a + b) = a2 − b2, on obtient (1 − X )P (X ) = 1 − X 2
En exploitant successivement (a
[n + 1]
On en déduit (n + 1) a0 (n + 1)M puis a0 De façon plus générale, on a P (1) + ω−k P (ω) +
a) Posons
··· + P (ωn ) = (n + 1)a0
| | M .
··· + ω−nk P (ωn) = (n + 1)ak
et on en déduit ak
| | M .
n+1
On en déduit P (X ) =
1
n+1
− X 2 1 − X
= 1 + X + X 2 +
n+1
··· + X 2
−1
b) Lorsqu’on développe directement le polynôme P , le coefficient de X k obtenu correspond au nombre de fois qu’il est possible d’écrire k comme la somme des puissances de 2 suivantes : 1, 2, 4, . . . , 2n . Ce nombre vaut 1 compte tenu de l’exercice précédent.
Exercice 6 : [énoncé]
Notons a n , bn et c n les coefficients de 1, X et X 2 dans P n . Puisque P 1 = X 2, on a a 1 = 2, b 1 = 1 et c 1 = 0. Puisque P n+1 = P n2 2, on a a n+1 = a 2n 2, b n+1 = 2an bn et c n+1 = b2n + 2an cn . On en déduit a 2 = 2, b 2 = 4 et c 2 = 1 puis pour n 3 : a n = 2, b n = 4n−1 ,
−
−
−
−
−
−
n 1
4 − cn = 4n−2 + 4n−1 + ··· + 42n−4 = 4 n−2
3
−1
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Corrections
Exercice 7 : [énoncé]
13
Exercice 10 : [énoncé]
a) Parmi les polynômes constants, seul le polynôme nul est solution. Parmi les polynômes non constants, si P est solution alors 2(deg P 1) = deg P et donc deg P = 2. On peut alors écrire P = aX 2 + bX + c avec a = 0. a = 1 P 2 = 4P 4a2 X 2 + 4abX + b2 = 4aX 2 + 4bX + 4c c = b 2 /4 2 Les solutions de l’équation sont P = 0 et P = X + bX + b2 /4 avec b K. b) Parmi les polynôme de degré inférieur à 1, seul le polynôme nul est solution. Pour P polynôme tel que deg P 2 alors la relation (X 2 + 1)P 6P = 0 implique, en raisonnant sur l’annulation des coefficients dominants, deg P (deg P 1) = 6 donc deg P = 3. En cherchant P sous la forme P = aX 3 + bX 2 + cX + d avec a K , on obtient que seuls les polynômes P = a(X 3 + X ) avec a K sont solutions. Finalement les polynômes solutions sont les a(X 3 + X ) avec a K .
⇔
⇔
Par la formule de Taylor
−
∈
−
−
∈ ∈
∈
+
P (X ) =
∞ P (n) (0)
n=0
donc
∞ P (n) (0)
n=0
et plus généralement
∞ P (n+k) (0)
P n
Par la formule de Taylor
− P n = X n possède une et une seule solution qui est : − 1)X n−2 + ··· + n! =
k=0
−
−
−
∈
−
−
−
−
−
∈
X k
Exercice 11 : [énoncé]
∀k ∈ Z, Q(k + 1) − Q(k) = k + 1
Parmi les polynômes constants, seul le polynôme nul est divisible par son polynôme dérivé. Soit P un polynôme non constant et n son degré. Si P P alors on peut écrire nP = (X a)P avec a K car deg P = deg P 1. En dérivant nP = (X a)P + P donc (n 1)P = (X a)P . Ainsi de suite jusqu’à P (n−1) = (X a)P (n) . Or, si on pose λ le coefficient dominant de P , on a P (n) = n!λ donc en remontant les précédents calculs on obtient n!P = n!(X a)n λ. Ainsi P = λ(X a)n . Inversement, un tel polynôme est solution. Finalement les solutions sont les P = λ(X a)n avec λ K.
−
n!
Soit P un polynôme et Q un polynôme primitif de P . P est solution du problème posé si, et seulement si,
n! k X k!
Exercice 9 : [énoncé]
|
k! k=0 n=0
k=0
Par suite l’équation P n
P = X n + nX n−1 + n(n
∞ +∞ 1 P (n+k) (0)
− 1)an−1, . . . , a0 = 1.a1 n
k!
+
X k =
puis en permutant les sommes (qui se limitent à un nombre fini de termes non nuls) +∞ +∞ +∞ 1 P (n+k) (0) k 1 (n) P (X + 1) = X = P (X ) k! n! n! n=0 n=0
··· + a1X + a0
∞ P (k) (1)
k=0
− P n = X n équivaut à an = 1, an−1 = nan , an−2 = (n
n!
n=0
Les polynômes solutions de P n − P n = X n sont nécessairement de degré n. P n = a n X n + an−1 X n−1 +
n!
+
P (k) (1) =
+
Cherchons ceux-ci de la forme :
X n
+
P (1) =
P (X + 1) =
Exercice 8 : [énoncé]
n!
En raisonnant par coefficients inconnus, on observe que Q(X ) = 12 X (X + 1) est solution. ˜ ) est aussi solution alors Si Q(X ˜ ˜ 1) = (Q − Q)(k) ∀k ∈ Z, (Q − Q)(k + ˜ et on en déduit que le polynôme Q − Q est constant. On en déduit que
P (X ) = X + est l’unique solution du problème posé.
1 2
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Corrections
Exercice 12 : [énoncé]
Exercice 15 : [énoncé]
Par la formule de Taylor, on a pour tout x deg P
P (a + x) =
k=0
Exercice 13 : [énoncé] a) X 3 2X 2 + 3X 2 =
0
Puisque P (P (X ))
P (k) (a) k x k!
− X = (P (P (X )) − P (X )) + (P (X ) − X ) le problème revient à montrer que P (X ) − X divise P (P (X )) − P (X ). p On écrit P = ak X k ∈ K [X ] et on a
P (a) > 0
k=0
−
− −
− X + 2). − X + 1). − 2).
− −
n
P (P (X ))
(X 1)(X 2 b) X 3 3X 2 + 3X 2 = (X 2)(X 2 c) X 3 + 3X 2 2 = (X + 1)(X 2 + 2X
− −
14
avec P (X )
− P (X ) =
ak [P (X )]k
k=0
− X k
k
− X divisant [P (X )] − X k car k 1
Exercice 14 : [énoncé] p On écrit P = ak X k k=0
a) On a
ak
∈ K [X ]
avec P (X )
− P (X ) = k
k
− X divisant [P (X )] − X
ak [P (X )]k
− X k
k=0
−
|
a bk−1−
=0
∈
p
− P (X ) =
k P [n] (X )
−
X k
ak
k=0
donc P [n] (X )
−
−
−
− X . Il
−
P [n] (X )
k
X k
|
−
ˆ ˆ ˆ V ). Unicité : Soit (U, V ) et ( U, V ) deux couples solutions. On a A(U ˆ U ) = B(V ˆ V ) et A B = 1 donc A V ˆ V . Or deg(V ˆ V ) < deg A donc A B(V ˆ V = 0. V ˆ = V et de même U ˆ = U . Par suite V Existence : Puisque A B = 1, il existe U, V K [X ] tels que AU + BV = 1. Réalisons la division euclidienne de U par B : U = BQ + ˆ U avec deg ˆ U < deg B. ˆ = V + AQ. On a A U ˆ + B V ˆ = AU + BV = 1 avec deg ˆ Posons ensuite V U < deg B. ˆ + B Vˆ < max(deg AU, ˆ deg B V ) on ˆ ˆ = deg B V ˆ Comme deg AU a deg AU d’où deg ˆ V = deg A + deg ˆ U deg B < deg A.
| − −
∧
| −
∧
− P (X ). − P (X ) et enfin on
−
−
−
∈
−
X divise P [n+1](X )
X divise Par hypothèse de récurrence, P (X ) X divise alors P [n+1] (X ) en déduit que P (X ) X divise P [n+1] (X ) X . Récurrence établie.
−
|
Exercice 17 : [énoncé]
−
−
− P (X ) et donc le
Posons D = pgcd(A, B). On a D 2 = pgcd(A2 , B 2 ) associé à A 2 donc deg D2 = deg A2 puis deg D = deg A. Or D A donc D et A sont associés. Puisque D B, on obtient A B.
car
− bk = (a − b)
−
P [n] (X )
=0
Exercice 16 : [énoncé]
b) P (X ) X divise le polynôme P (P (X )) P (X ) et le polynôme P (X ) divise donc leur somme P (P (X )) X . c) Par récurrence sur n N . La propriété est immédiate pour n = 1 et vient d’être établie pour n = 2 . Supposons la propriété vraie au rang n 1. P [n+1](X )
a bk−1−
−
−
k 1
ak
−
On en déduit que P (X ) X divise le polynôme P (P (X )) polynôme P (P (X )) X . n
P (P (X ))
− bk = (a − b)
Exercice 18 : [énoncé]
(i) (ii) Posons D = pgcd(A, B) qui est non constant. Puisque D A et D B on peut écrire A = DV et B = DU avec deg V < deg A et deg U < deg B.
⇒
|
|
−
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Corrections
Enfin, si a = b et a 3 = b3 alors (X a)(X b) divise (X 3 a)(X 3 b) si, et seulement si, a 3 = a ou a 3 = b. Quitte à échanger a et b, on peut supposer a 3 = a et on parvient alors aux polynômes (X 1)(X j), (X 1)(X j 2 ), (X + 1)(X + j) et (X + 1)(X + j 2 ) selon que a = 1 ou a = 1 (le cas a = 0 étant à exclure car entraînant b = a). Au final on obtient 3 + 6 + 4 = 13 polynômes solutions dont 3 + 4 + 0 = 7 réels.
de sorte que AU + BV = DU V DU V = 0. (ii) (i) Supposons (ii) Si par l’absurde A B = 1 alors, puisque A BV on a A V . Or V = 0 donc deg A deg V ce qui est exclu. Absurde.
−
⇒
∧
| −
15
|
−
−
−
−
−
−
−
−
−
Exercice 19 : [énoncé]
Si A B = 1 alors il existe U, V K [X ] tels que AU + BV = 1. On a alors A(U V ) + (A + B)V = 1 donc A (A + B) = 1. De même B (A + B) = 1. Par suite AB (A + B) = 1. Si AB (A + B) = 1 alors puisque pgcd(A, B) AB et pgcd(A, B) A + B on a pgcd(A, B) = 1 puis A B = 1.
∧
∈
− ∧
∧
∧
∧
|
∧
|
Exercice 22 : [énoncé] X 4 + X 3 + λX 2 + µX +
polynôme X 2
Le λ = 3, µ = 2 .
2 = (X 2 + 2)(X 2 + X + (λ 2)) + (µ 2)X + 6 + 2 divise X 4 + X 3 + λX 2 + µX + 2 si, et seulement si,
−
−
− 2λ.
Exercice 23 : [énoncé] Exercice 20 : [énoncé]
pgcd(A, C ) A et pgcd(A, C ) C donc pgcd(A, C ) BC puis pgcd(A, C ) pgcd(A,BC ). Inversement. Posons D = pgcd(A,BC ). On a D A et A B = 1 donc D De plus D BC donc par le théorème de Gauss, D C et finalement D pgcd(A, C ).
| | |
|
|
|
|
∧
Cette division euclidienne s’écrit P = Q(X a)(X b) + R avec deg R < 2. On peut écrire R = αX + β . En évaluant en a et b, on obtient un système dont la P (a) bP (a)−aP (b) résolution donne α = P (b)b− . b−a −a et β =
−
|
∧ B = 1.
−
Exercice 24 : [énoncé]
Cette division euclidienne s’écrit P = Q(X a)2 + R avec deg R < 2. On peut écrire R = αX + β . En évaluant en a, puis en dérivant avant d’évaluer à nouveau en a, on obtient un système dont la résolution donne α = P (a) et β = P (a) aP (a).
−
Exercice 21 : [énoncé] 2
Si a = b alors (X a) divise (X 3 a)2 si, et seulement si, a est racine au moins double de (X 3 a)2 . Ceci équivaut à a 3 = a ce qui donne a 1, 0, 1 . Les polynômes solutions correspondant sont alors X 2 , (X 1)2 et (X + 1) 2 , tous réels. Si a = b alors (X a)(X b) divise (X 3 a)(X 3 b) si, et seulement si, a et et b sont racines de (X 3 a)(X 3 b). a3 = a Si a 3 = b 3 alors a et b sont racines (X 3 a)(X 3 b) si, et seulement si, b3 = b a3 = b ou . b3 = a Dans le premier cas, sachant a = b, on parvient aux polynômes X (X 1), X (X + 1) et (X 1)(X + 1). a3 = b b = a 3 Puisque , dans le second cas, on parvient à b3 = a a9 = a (X eiπ/4 )(X e3iπ/4 ), X 2 + 1 et (X e−iπ/4 )(X e−3iπ/4 ). Ainsi quand a = b et a 3 = b 3, on parvient à 6 polynômes dont 4 réels.
−
−
−
−
−
−
−
−
−
−
−
−
⇔
−
−
}
−
−
−
∈ {−
−
−
Exercice 25 : [énoncé] n 2
(X cos t + sin t) = (X + 1)Q + R avec deg R < 2 ce qui permet d’écrire R = aX + b avec a, b R. Cette relation doit être aussi vraie dans C [X ] et peut donc être évaluée en i : (i cos t + sin t)n = R(i) = ai + b or (i cos t + sin t)n = e i(nπ/2−nt) donc a = sin n(π/2 t) et b = cos n(π/2 t).
∈
−
−
Exercice 26 : [énoncé]
k = nq + r avec 0 r < n. On a X k X r = X r (X nq 1) or X n 1 X nq 1 donc on peut écrire X nq 1 = (X n 1)Q(X ) puis X k = (X n 1)X r Q(X ) + X r avec deg X r < deg(X n 1) ce qui permet de reconnaître le reste de division euclidienne cherchée.
− −
− −
−
−
− |
−
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Corrections
Exercice 27 : [énoncé]
Exercice 30 : [énoncé]
( ) Si a divise b, on peut écrire b = ac et alors
⇒
b
a c
c
a
a(c 1)
a
X − 1 = (X ) − 1 = (X − 1)(1 + X + ··· + X − )
⇐
−
−
−
b = aq + r avec 0 On peut écrire
r
− 1 = X r (X aq − 1) + X r − 1 et puisque X a − 1 divise X b − 1 et aussi X aq − 1, on peut affirmer que X a − 1 divise X r − 1.
X b
Or r < a donc nécessairement r = 0 et donc a divise b. Exercice 28 : [énoncé]
a) n = mq + r avec 0 r < m. X n 1 = X mq+r 1 = X mq+r X r + X r 1 = X r (X mq 1) + X r 1 or X mq 1 = (X m 1)(1 + X m + + X m(q−1) ) donc X n 1 = (X m 1)Q + R avec Q = X r (1 + X m + + X m(q−1) ) et R = X r 1. Puisque deg R < deg X m 1, R est le reste de la division euclidienne de X n 1 par X m 1. b) Suivons l’algorithme d’Euclide calculant le pgcd de n et m. a0 = n, a 1 = m puis tant que a k = 0, on pose a k+1 le reste de la division euclidienne de a k−1 par a k . Cet algorithme donne pgcd(m, n) = a p avec a p le dernier reste non nul. Par la question ci-dessus on observe que si on pose A k = X a 1 alors A0 = X n 1, A 1 = X m 1 et pour tout k tel que a k = 0, A k = 0 et A k+1 est le reste de la division euclidienne de A k−1 par A k . Par suite pgcd(X n 1, X m 1) = pgcd(A0 , A1 ) = pgcd(A1 , A2 ) = = pgcd(A p , A p+1 ) = A p = X pgcd(m,n) 1 car A p+1 = 0 puisque a p+1 = 0.
−
−
−
−
−
−
−
···
··· −
− −
−
− −
−
k
−
−
−
−
−
·· ·
−
Exercice 29 : [énoncé]
Supposons λ 1 P 1 + λ2 P 2 + λ3 P 3 = 0. Par égalité de coefficients de polynômes :
On remarque que deg P k = k donc P k Kn [X ]. Supposons λ 0 P 0 + + λn P n = 0. Si λ n = 0 alors deg(λ0 P 0 + + λn P n ) = n car deg(λ0 P 0 + + λn−1 P n−1 ) n 1 et deg λn P n = n Ceci est exclu, donc λ n = 0. Sachant λ n = 0, le même raisonnement donne λ n−1 = 0 et ainsi de suite λn−2 = . . . = λ 0 = 0. La famille (P 0, . . . , Pn ) est une famille libre de n + 1 = dim Kn [X ] éléments de Kn [X ], c’est donc une base de K n [X ].
···
donc X a 1 divise X b 1. ( ) Si X a 1 divise X b 1, réalisons la division euclidienne de b par a
−
16
λ1 λ2 = 0 λ2 + λ3 = 0 λ1 + λ2 + λ3 = 0
−
Après résolution λ 1 = λ 2 = λ3 = 0. La famille (P 1, P 2 , P 3 ) est une famille libre formée de 3 = dim K2 [X ] polynômes de K 2 [X ], c’est donc une base de K 2 [X ].
···
∈
···
−
Exercice 31 : [énoncé]
Supposons λ 0 P 0 + + λn P n = 0. En évaluant en 0, on obtient λ 0 = 0 et alors λ 1 X (1 X )n−1 + + λn X n = 0. En simplifiant par X (ce qui est possible car X = 0) on obtient λ1 (1 X )n−1 + + λn X n−1 = 0 qui évaluée en 0 donne λ 1 = 0. On reprend ce processus jusqu’à obtention de λ 2 = . . . = λ n = 0. La famille (P 0, . . . , Pn ) est une famille libre de n + 1 = dim Kn [X ] éléments de Kn [X ] (car deg P k = n), c’est donc une base de K n [X ].
···
−
−
···
···
Exercice 32 : [énoncé]
a) C’est une famille de polynômes de degrés étagés. b) Quand k m, m P k (m) = k
Quand 0
mk
− 1,
P k (m) = 0
Quand m < 0, P k (m) = ( 1)
−
k
m+k k
−1
c) Soit P non nul solution. On peut écrire P = λ 0 P 0 +
··· + λnP n
avec n = deg P . P (0) Z donne λ 0 Z. P (1) Z sachant λ 0 P 0 (1) Z donne λ 1 Z etc... Inversement ok Finalement les polynômes solutions sont ceux se décomposant en coefficients entiers sur les P k .
∈ ∈
∈
∈
∈
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Corrections
Exercice 33 : [énoncé]
a) F E et la fonction nulle appartient à F (en prenant P = Q = 0 Rn [X ]) Soient f , g F et λ, µ R. On peut écrire f (x) = P (x)sin x + Q(x)cos x et ˆ ˆ g(x) = P (x)sin x + Q(x)cos x avec P,Q, ˆ P , ˆ Q Rn [X ]. ˆ ˆ On a alors λf + µg = (λP + µP )(x)sin x + (λQ + µQ)(x)cos x avec ˆ ˆ Rn [X ] donc λf + µg F et finalement F est un sous-espace λP + µP,λQ + µQ vectoriel de E . b) Posons f k (x) = xk sin x et g k (x) = xk cos x avec k 0, . . . , n . Les fonctions f 0 , . . . , fn , g0 , . . . , gn sont des fonctions de F formant clairement une famille génératrice. Supposons λ 0 f 0 + + λn f n + µ0g0 + + µn gn = 0 alors pour tout x R on a : (λ0 + λ1 x + + λn xn )sin x + (µ0 + µ1 x + + µn xn )cos x = 0 . Pour x = π/2 + 2kπ avec k Z, on obtient une infinité de racine au polynôme λ0 + λ1 X + + λn X n . Ceci permet d’affirmer λ 0 = λ 1 = . . . = λ n = 0. Pour x = 2kπ avec k Z, on peut affirmer µ 0 = µ 1 = . . . = µ n = 0. On peut conclure que (f 0 , . . . , fn , g0 , . . . , gn ) est libre et donc une base de F puis dim F = 2(n + 1).
⊂
∈
∈
∈
∈
∈
∈
∈ {
··· ···
···
···
∈
}
∈
···
∈
Exercice 34 : [énoncé]
∈ |
∈
| ∈ |
⊕
− p.
∈
∈
−
⇔ ∈
⇔
···
−
∈
−
−
⇔
−
Rn [X ] définie par Considérons l’application ϕ : Rn+1 [X ] ϕ(P ) = P (X + 1) P (X ). L’application ϕ est bien définie, linéaire et de noyau R0 [X ]. Par le théorème du rang elle est donc surjective et les solutions de l’équation ϕ(P ) = X n se déduisent les unes des autres par l’ajout d’un élément de R0 [X ] c’est-à-dire d’une constante. Ainsi il existe une unique solution vérifiant P (0) = 0.
−
Exercice 37 : [énoncé]
a) ∆ est clairement linéaire. Soit P C [X ] non nul et n = deg P . On peut écrire P = a 0 + a1 X + + an X n avec a n = 0. ∆(P ) = a 1 ∆(X ) + + an ∆(X n ) or deg∆(X ), . . . , deg∆(X n−1 ) n 1 et deg∆(X n ) = n 1 donc deg∆(P ) = n 1. b) Si P est constant alors ∆(P ) = 0 et sinon ∆(P ) = 0 donc ker∆ = C0 [X ]. ˜ Soit P Cn [X ]. La restriction ∆ de ∆ au départ C n+1 [X ] et à l’arrivée dans Cn [X ] est bien définie, de noyau de dimension 1 et en vertu du théorème du rang surjective. Il s’ensuit que ∆ est surjective. c) Notons T (C [X ]) défini par T (P ) = P (X + 1). ∆ = T I donc n n ∆n = ( 1)n−k T k k k=0
∈
−
···
−
··· −
∈ L
→
Exercice 36 : [énoncé]
a) P (X + 1) et P (X ) sont de polynômes de mêmes degré et de coefficients
−
···
−
avec T k (P ) = P (X + k) donc
Exercice 35 : [énoncé]
−
∀ ∈ ∈
∈
∈
ce qui détermine un supplémentaire de F et donne dim F = n + 1
dominants égaux donc deg P (X + 1) P (X ) < deg P à moins que P = 0. Par suite P Kn+1 [X ], ∆(P ) Kn [X ]. Soit λ, µ K et P, Q K n+1 [X ]. ∆(λP + µQ) = (λP + µQ)(X + 1) (λP + µQ)(X ) = λ(P (X + 1) P (X )) + µ(Q(X + 1) Q(X )) donc ∆(λP + µQ) = λ∆(P ) + µ∆(Q). b) P ker ∆ P (X + 1) P (X ) = 0. En écrivant P ker∆ P (X + 1) = P (X ) a0 + a1 (X + 1) + + an (X + 1) n = a 0 + a1 X + + an X n En développant et en identifiant les coefficients, on obtient successivement, an = 0, . . . , a1 = 0 et donc ker∆ = K0 [X ]. c) Par le théorème du rang rg∆ = dim Kn+1 [X ] dimker∆ = n + 2 1 = n + 1 = dim Kn [X ] donc ∆ est surjectif.
−
F Kn [X ], 0 F car A 0. Soient λ, µ K et P, Q F . A P et A Q donc A λP + µQ puis λP + µQ F . Ainsi F est un sous-espace vectoriel de K n [X ]. Notons p = deg A. On a F K p−1 [X ] = Kn [X ]
⊂ |
17
n
n
∆ (P ) = ( 1) d) Si deg P < n
−
alors ∆ n (P ) =
n
− ( 1)k
k=0
n P (X + k) k
0 donc
n
−
k=0
n ( 1)k P (k) = 0 k
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Corrections
Exercice 38 : [énoncé]
donc ker r = A. R [X ].
a) Si P Kn [X ] alors ϕ(P ) Kn [X ]. Si deg P = n + 1 alors (n + 1)P et XP ont même degré (n + 1) et même coefficient dominant donc deg(n + 1)P XP < n + 1 puis (n + 1)P XP Kn [X ]. Finalement P Kn+1 [X ], ϕ(P ) Kn [X ] et donc l’application ϕ est bien définie. Pour λ, µ K et tout P, Q Kn+1 [X ] : ϕ(λP + µQ) = (n + 1)(λP + µQ) X (λP + µQ) = λ((n + 1)P XP ) + µ((n + 1)Q XQ ) et donc ϕ(λP + µQ) = λϕ(P ) + µϕ(Q).
∈
∈ − ∈ ∈ − −
∀ ∈ ∈ −
b) Soit P =
n+1
ak X k
k=0
−
∈
∈ Kn+1 [X ]. ϕ(P ) = 0 ⇔ ∀k ∈ {0, 1, . . . , n + 1},
⇔ ∀ ∈ { −
}
−
Exercice 39 : [énoncé]
a) ϕ est linaire. Si deg P = k N alors deg ϕ(P ) = k donc ker ϕ = 0 . Par suite ϕ est bijective. b) (P 0 , . . . , Pn ) est une famille de polynômes de degrés étagés, c’est donc une base de R n [X ].
∈
Puisque P n (X + 1)
{ }
∈ Rn [X ], on peut écrire P n(X + 1) =
n
⊂
Posons T : P (X ) P (X + 1) et ∆ = T Id endomorphismes de R [X ]. ∆(P ) = P (X + 1) P (X ). On vérifie que si deg P p alors deg∆(P ) p 1. Soit P R p [X ]. Par ce qui précède, on a ∆ p+1 (P ) = 0. Or p+1 p + 1 ∆ p+1 = ( 1) p+1−k T k k k=0
→ −
k=0
n
− P n(X + 1) =
2X n
n 1
−
−
k=0
C nk P k
− P n puis P n
= X n
−
1 2
n 1
−
k=0
car T et Id commutent. On en déduit
−
p+1
−
et en particulier pour tout n
p+1
p + 1 ( 1)k P (X + k) = 0 k
∈ N,
−
C nk P k .
k=0
p + 1 ( 1)k P (n + k) = 0 k
Exercice 42 : [énoncé]
Soient λ, µ R et P 1 , P 2 R [X ]. On a P 1 = AQ1 + r(P 1 ), P 2 = AQ2 + r(P 2 ) avec deg r(P 1), deg r(P 2 ) < deg A. Donc λP 1 + µP 2 = A(λQ1 + µQ2) + λr(P 1 ) + µr(P 2 ) avec deg(λr(P 1 ) + µr(P 2 )) < deg A. Par suite r(λP 1 + µP 2) = λr(P 1 ) + µr(P 2 ). Finalement r est un endomorphisme de R [X ]. De plus pour tout P R [X ], on a r(P ) = A 0 + r(P ) avec deg r(P ) < deg A donc r(r(P )) = r(P ). Ainsi r 2 = r. r est un projecteur.
∈
∈
−
k=0
2λk X k
Exercice 40 : [énoncé]
∈
−
∈
k=0
donc λ k = C nk . P n =
Donc R n−1 [X ] Imr. Finalement Imr = Rn−1 [X ].
λk P k .
c) P n (X + 2) + P n (X + 1) = 2(X + 1) n et P n (X + 2) + P n (X + 1) =
2X n
∀P ∈ R [X ] , r(P ) ∈ Rn−1 [X ] ⊂ ∀ ∈ ∈
en posant n = deg A. Donc Imr Rn−1 [X ]. Inversement, P Rn−1 [X ] , r(P ) = P Imr
Exercice 41 : [énoncé]
(n + 1)ak = ka k . Ainsi P ker ϕ k 0, 1 . . . , n , ak = 0. Par suite ker ϕ = Vect(X n+1 ). c) Par le théorème du rang rg(ϕ) = dim Kn+1 [X ] dimker ϕ = n + 2 1 = dim Kn [X ] donc ϕ est surjective.
∈
18
×
∀P ∈ R [X ] , r(P ) = 0 ⇔ A | P
a) P ( p/q ) = 0 donne an pn + an−1 pn−1 q +
··· + a1 pq n−1 + a0q n = 0 Puisque p | a n pn + ··· + a1 pq n−1 , on a p | a 0 q n or p ∧ q = 1 donc p | a 0 . De même q | a n . b) Si P admet un racine rationnelle r = pq alors p ∈ {−5, −1, 1, 5} et q ∈ {1, 2}. − 52 est racine de P . √ √ 3 + 5 3 − 5 3 2 2 P = 2X −X −13X +5 = (2X +5)(X −3X +1) = (2X +5) X − X − 2 2
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Corrections
c) Si P est composé dans Q [X ] alors P possède une racine rationnelle, or ce n’est pas le cas. Donc P est irréductible dans Q [X ].
Exercice 43 : [énoncé]
P (a) = P (b) = P (c) = 1 et a,b,c deux à deux distincts donc
− a)(X − b)(X − c) | P − 1 De plus deg P 3 donc il existe λ ∈ K tel que P = λ(X − a)(X − b)(X − c) + 1
19
Si a est racine de P alors (a 1)2 l’est aussi donc a 1 = 0 ou a 1 = 1 . Si a = 0 et a = 1 on a nécessairement a = a 1 = 1 . Via parties réelle et imaginaire, on obtient a = j ou j 2 . Si P est solution, non nulle, alors son coefficient dominant vaut 1 et on peut écrire : P = X α (X 1)β (X 2 X + 1) γ . En injectant une telle expression dans l’équation, on observe que celle-ci est solution si, et seulement si, α = β et γ = 0.
− − | | | − | − −
−
| − |
−
(X
Puisque P (0) = 0, on a λ =
1 abc .
Exercice 44 : [énoncé]
Soient λ, µ K et P, Q Kn [X ]. Clairement ϕ(λP + µQ) = λϕ(P ) + µϕ(Q). Soit P ker ϕ. On a ϕ(P ) = (0, . . . , 0) donc P (a0 ) = P (a1 ) = . . . = P (an ) = 0. deg P n et P admet au moins n + 1 racines distinctes donc P = 0. ker ϕ = 0 donc ϕ est injectif. De plus dim Kn [X ] = dim Kn+1 donc ϕ est un isomorphisme.
∈ ∈ { }
∈
Exercice 48 : [énoncé]
Le polynôme nul est solution. Soit P une solution non nulle. Si a est racine de P alors a 2 l’est aussi puis a 4 , a8 , . . .. Or les racines de P sont en nombre fini donc les éléments a 2 (n N) sont redondants. On en déduit que a = 0 ou a est une racine de l’unité. De plus, si a est racine de P alors (a 1) est aussi racine de P (X + 1) donc (a 1)2 est racine de P . On en déduit que a 1 = 0 ou a 1 est racine de l’unité. Si a = 0, 1 alors a = a 1 = 1 d’où l’on tire a = j ou j 2 . Au final, les racines possibles de P sont 0, 1, j et j 2 . Le polynôme P s’écrit donc n
−
−
− − − −
| | | − |
∈
− −
− 1)β (X + j)γ (X + j 2)δ
P (X ) = λX α (X
avec λ = 0, α,β,γ, δ N. En injectant cette expression dans l’équation
∈
P (X 2 ) = P (X )P (X + 1)
Exercice 45 : [énoncé]
ϕ est clairement linéaire et si P ker ϕ alors P a plus de racines (comptés avec multiplicité) que son degré donc P = 0. Ainsi ϕ est injective et puisque dim R2n+1 [X ] = dim R2n+2 , ϕ est un isomorphisme.
∈
on obtient
λ2 = λ, α = β et γ = δ = 0
On conclut
− 1)]α
P (X ) = [X (X Exercice 46 : [énoncé]
a) Si P (a) = 0 alors P (a2 ) = P (a)P (a + 1) = 0 donc a 2 est racine de P . b) Si a = 0 et a non racine de l’unité alors la suite des a 2 est une suite de complexe deux à deux distincts, or tous les termes de cette suite sont racines de P or P = 0 donc ce polynôme ne peut avoir une infinité de racines. Absurde.
−
n
Exercice 49 : [énoncé]
Le polynôme nul est solution. Soit P une solution non nulle. Si a est racine de P alors a 2 l’est aussi puis a 4 , a8 , . . .. Or les racines de P sont en nombre fini donc les éléments a 2 (n N) sont redondants. On en déduit que a = 0 ou a est une racine de l’unité. De plus, si a est racine de P alors (a + 1) est aussi racine de P (X 1) donc (a + 1)2 est racine de P . On en déduit que a + 1 = 0 ou a + 1 est racine de l’unité. Si a = 0, 1 alors a = a + 1 = 1 d’où l’on tire a = j ou j 2 . Au final, les racines possibles de P sont 0, 1, j et j 2 . n
Exercice 47 : [énoncé]
Si a est racine de P alors a 2 , a4 , . . . le sont aussi. Comme un polynôme non nul n’a qu’un nombre fini de racines, on peut affirmer que les a, a2 , a4 , . . . sont redondants ce qui implique a = 0 ou a = 1.
| |
−
| | |
|
−
∈ −
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Corrections
Le polynôme P s’écrit donc P (X ) = λX α (X + 1) β (X j)γ (X j 2 )δ avec λ = 0, α,β,γ,δ N. En injectant cette expression dans l’équation P (X 2 ) = P (X )P (X 1) on obtient λ2 = λ, α = β = 0 et γ = δ . γ On conclut P (X ) = X 2 + X + 1 .
−
∈
−
−
Exercice 50 : [énoncé]
La propriété est immédiate si ξ
| | 1. On suppose désormais |ξ | > 1 et on note m = max |ak | 0 k n−1
20
Ainsi a est racine du polynôme 8X 3 6X 1. b) Soit x une racine rationnelle de ce polynôme. On peut écrire x = p/q avec p q = 1. On a alors 8 p3 6 pq 2 q 3 = 0
− −
∧
3
2
3
−
−
On en déduit p 8 p 6 pq = q . Or p et q sont premiers entre eux et donc par le théorème de Gauss p = 1. De plus q 2 6 pq 2 + q 3 = 8 p3 et, par un argument analogue au précédent, q 2 8. Ainsi q = 1 ou q = 2. Or 1, 1, 1/2 et 1/2 ne sont pas les valeurs de cos(π/9). On peut donc conclure que a est irrationnel.
|
−
−
±
−
|
| ±
±
L’égalité
Soient P = A B et n = max(deg A, deg B) N de sorte que P Cn [X ]. Les solutions des équations A(z) = 0 et A(z) = 1 sont racines de P . Soit p est le nombre de racines distinctes de l’équation A(z) = 0. Puisque la somme des multiplicité des racines de A vaut n, ces racines sont susceptibles d’être racines de l’équation A (z) = 0 avec une somme de multiplicités égale à n p (en convenant qu’une racine de multiplicité 0 n’est en fait pas racine. . . ) Si q est le nombre de racines distinctes de l’équation A(z) = 1 alors de même celles-ci sont racines de l’équation A (z) = 0 et la somme de leurs multiplicités vaut n q . Or ces dernières se distinguent des précédentes et puisque deg A = n 1, on peut affirmer n p + n q n 1 ce qui donne p + q n + 1. Le polynôme P possède donc au moins n + 1 racines donc P = 0 puis A = B.
−
−ξ n = an−1ξ n−1 + ··· + a1ξ + a0 donne
n 1
|ξ |n donc
−
| k=0
n 1
ak ξ k
|| |
m
−
ξ k
| |
k=0
∈
∈
−
n n |ξ |n m ||ξ ξ || −−11 m |ξ ||ξ −| 1
puis
Exercice 53 : [énoncé]
−
|ξ | 1 + m
−
−
−
−
Exercice 51 : [énoncé]
a) sin((2n + 1)α) = Im ei(2n+1)α = Im (cos α + i sin α)2n+1 donne en n 2n + 1 développant sin((2n + 1)α) = ( 1) p cos2(n− p) α. sin2 p+1 α. 2 p + 1 p=0 b) On observe sin((2n + 1)α) = sin2n+1 αP (cot2 α). kπ Posons β k = 2n+1 pour 1 k n. Les x k = cot2 β k sont n racines distinctes de P , or deg P = n, ce sont donc exactement les racines de P .
−
Exercice 52 : [énoncé]
Exercice 54 : [énoncé]
a) On définit le polynôme P n P:=n->(X+1)ˆn-Xˆn-1;
On évalue pour des valeurs concrètes de n le module de ses racines map(abs, [solve(P(7)=0, X)]); On factorise P 7 dans R [X ] factor(P(7)); et dans C [X ] en précisant une extension avec laquelle Maple peut travailler factor(P(7), [I, sqrt(3)]);
Enfin, on évalue numériquement le module des racines de P 9
a) On a cos3x = 4 cos3 x
− 3cos x
donc 4a3
− 3a = cos(π/3) = 1/2
map(evalf@abs, [solve(P(9)=0, X)]);
b) Les racines P n sont les solutions de l’équation (x + 1)n−1 = x n−1
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Corrections
Après résolution, celles-ci sont les xk =
1 ωk
− 1
Exercice 55 : [énoncé]
avec ω k = exp
2ikπ (n 1)
−
a) Posons , k = 1, . . . , n
2sin
2sin
−
π
n
− 1 et
− aj − aj
∀1 k n, P (ak ) = 1
Le polynôme P 1 possède donc n racines et étant de degré strictement inférieur à n, c’est le polynôme nul. On conclut P = 1. b) On a
−
kπ n 1
X a i=1 j =i i
1
et la racine de plus grand module est obtenue pour k = 1. On observe alors que pour n > 7,
c) Pour P (X ) = c
P (X ) = On a deg P n
|xk | =
| |
n
−2
Le module de la racine x k est
et donc x1 > 1.
21
n
A (X ) =
− − (X
aj )
i=1 j =i
π
− 1 < 2 sin 6 = 1
donc
A (ai ) =
(ai
aj )
i=j
n
− zi)m
(X
i=1
i
La quantité
on a P = P
m
i=1
mi X zi
i=1
−
Soit z une racine de P . Si z est l’un des z i la propriété voulue est vraie, sinon, l’égalité P (z) = 0 donne m mi =0 z zi i=1
n
−
1 A (ai )
apparaît alors comme le coefficient de X n−1 dans le polynôme P . On conclut que pour n 2 n 1 (ai) = 0 A i=1
Exercice 56 : [énoncé]
En conjuguant cette relation et en multipliant chaque terme par sa quantité conjuguée, on obtient m mi (z zi ) = 0 z zi 2 i=1
a) Notons a 0 < a1 < .. . < an les racines de P . En appliquant le théorème de Rolle à la fonction x P (x) sur l’intervalle [ai−1 , ai ], on justifie l’existence d’un réel b i ]ai−1 , ai [ tels que P (bi ) = 0. Puisque
et donc
les réels b 1, . . . , bn sont deux à deux distincts ce qui fournit n racines réelles au polynôme P . Puisque deg P = deg P 1 = n, il ne peut y en avoir d’autres. b) Une racine multiple de P 2 + 1 est aussi racine du polynôme dérivé
n
| − | − n
λi
i=1
mi z = λi zi avec λ i = z zi i=1
| − |2 > 0
Ainsi z est combinaison convexe des z 1, . . . , zn . d) Pour n = 7 , les racines de P n sont de modules inférieurs à 1. Pour n > 7, P n admet au moins une racine de module strictement supérieur à 1 et donc P n aussi.
∈
→
a0 < b1 < a1 < b2 < .. . < bn < an
−
(P 2 + 1) = 2P P Or les racines complexes de P ne sont pas racines de P 2 + 1 et les racines de P sont réelles et ne peuvent donc être racines de P 2 + 1. Par suite P 2 + 1 et (P 2 + 1) n’ont aucunes racines communes : les racines de P 2 + 1 sont simples.
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Corrections
22
Exercice 57 : [énoncé]
Exercice 60 : [énoncé]
Notons que par application du théorème de Rolle, les racines de P sont réelles (et simples) Les racines multiples de P 2 + α2 sont aussi racines de (P 2 + α2 ) = 2P P . Or les racines de P 2 + α2 ne peuvent être réelles et les racines de P P sont toutes réelles. Il n’y a donc pas de racines multiples au polynôme P 2 + α2 .
a) Par application du théorème de Rolle, il figure une racine de P entre deux racines consécutives de P . De surcroît, si a est racine de multiplicité α N de P , a est aussi racine de multiplicité α 1 de P . Par suite, si P admet n = deg P racines comptées avec multiplicité, P en admet n 1 et est donc scindé. b) 0 est racine multiple du polynôme dérivé à l’ordre 2. Si le polynôme était scindé, l’étude qui précède permet d’observer que 0 est racine du polynôme. Ce n’est pas le cas.
Exercice 58 : [énoncé]
R (avec a < b) est continue, dérivable sur ]a, b[ et si f (a) = f (b) a) Si f : [a, b] alors il existe c ]a, b[ tel que f (c) = 0. b) Si x 0 est racine de multiplicité m de P alors x 0 est racine de multiplicité m 1 de P (en convenant qu’une racine de multiplicité 0 n’est en fait pas racine). c) Notons x 1 < .. . < x p les racines de P et m 1 , . . . , m p leurs multiplicités respectives. Puisque le polynôme P est supposé scindé, on a
→ ∈
−
m1 +
··· + m p = deg P
Les éléments x 1 , . . . , x p sont racines de multiplicités m 1 1, . . . , m p 1 de P . En appliquant le théorème de Rolle à P entre x k et x k+1, on détermine yk ]xk , xk+1 [ racine de P . Ces y k sont distincts entre eux et distincts des x1 , . . . , x p . On a ainsi obtenu au moins
−
−
∈
−
Exercice 61 : [énoncé]
Remarquons que puisque P est simplement scindé sur R , l’application du théorème de Rolle entre deux racines consécutives de P donne une annulation de P et permet de justifier que P est simplement scindé sur R . Il est en de même de P , P , . . . Or, si le polynôme P admet deux coefficients consécutifs nuls alors l’un de ses polynômes dérivées admet 0 pour racine double. C’est impossible en vertu de la remarque qui précède.
Exercice 62 : [énoncé]
Ecrivons
+
P (X ) =
∞
an X n
n=0
( p
− 1) + (m1 − 1) + ··· + (m p − 1) = deg P − 1 racines de P . Or deg P = deg P − 1 donc P est scindé.
et, quitte à considérer
−P , supposons par l’absurde qu’il existe p 1 tel que a p = 0 avec a p−1 , a p+1 > 0
Considérons alors
Exercice 59 : [énoncé]
Posons n = deg P 2, a 1 < a2 < .. . < a p les racines réelles distinctes de P et α1 , α2 ,...,α p leurs ordres respectifs. On a α 1 + α2 + + α p = n car P est supposé scindé. ˜ En appliquant le théorème de Rolle à x P (x) sur chaque [ai , ai+1] on justifie l’existence de racines distinctes b 1 , b2 , . . . , b p−1 disposée de sorte que a1 < b1 < a2 < b2 < .. . < b p−1 < a p . Comme les a 1 , a2 , . . . , a p sont des racines d’ordres α 1 1, α2 1, . . . , α p 1 de P et que b 1 , b2 , . . . , b p−1 sont des racines au moins simples de P , on vient de déterminer (n 1) = deg P racines de P comptées avec leur multiplicité. Finalement P est scindé.
···
→
−
−
∈
−
−
−
Q(X ) = P ( p−1) (X ) = ( p
− 1)!a p−1 + ( p +2 1)! a p+1X 2 + ···
Puisque le polynôme P est scindé à racines simples, par application du théorème de Rolle, les racines P (k+1) sont séparées par les racines des P (k) . En particulier les racines de Q sont séparées par les racines de Q. Or 0 est minimum local de Q avec Q(0) > 0. Si le polynôme Q admet des racines strictement positives et si a est la plus petite de celles-ci alors Q admet une racine dans ]0, a[ par application du théorème des valeurs intermédiaires et du théorème de Rolle. Or 0 est aussi racine de Q et donc les racines de Q ne sont pas séparées par les racines de Q. C’est absurde. Il en est de même si la polynôme admet des racines strictement négatives.
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Corrections
racines comptées avec multiplicité au polynôme P + αP . Considérons ensuite la fonction réelle f : x P (x)eαx. Cette fonction est indéfiniment dérivable et prend la valeur 0 en chaque a k . En appliquant le théorème de Rolle à celle-ci sur chaque intervalle [ak−1 , ak ], on produit des réels b k ]ak−1 , ak [ vérifiant f (bk ) = 0. Or
Exercice 63 : [énoncé]
On peut écrire P sous forme factorisée
→
n
P (X ) = λ
(X
− zk )
k=1
∈
avec n = deg P N et z k C vérifiant Imzk 0. ¯ Un complexe z est racine du polynôme P + P si, et seulement si,
∈
23
f (x) = (P (x) + αP (x)) eαx
∈
n
λ
n
(z
k=1
− zk ) =
¯ λ
−
(z
k=1
− zk )
et donc b k est racine du polynôme P + αP . Ajoutons à cela que les b k sont deux à deux distincts et différents des précédents ak car, par construction a0 < b1 < a1 < b2 < .. . < bm < am
Si Imz > 0 alors et donc
∀k ∈ {1, . . . , n} , |z − zk | < |z − zk |
n
λ
(z
k=1
−
n
zk ) < ¯λ
k=1
(z
− zk )
¯ et ¯z non plus par le même raisonnement ou Ainsi z ne peut être racine de P + P ¯ parce que P + P est une polynôme réel. On en déduit que les racines de P sont toutes réelles et donc P est scindé dans R [X ]. Ainsi le polynôme ReP est scindé dans R [X ] et, par une argumentation analogue, il en est de même de ImP . Exercice 64 : [énoncé]
Rappelons qu’un polynôme est scindé sur un corps si, et seulement si, la somme des multiplicités des racines de ce polynôme sur ce corps égale son degré. Notons a 0 < a1 < .. . < am les racines réelles de P et α 0 , α1, . . . , αm leurs multiplicités respectives. Le polynôme P étant scindé, on peut écrire m
deg P =
αk
On vient donc de déterminer m nouvelles racines au polynôme P + αP et ce dernier possède donc au moins deg P 1
−
racines comptées avec multiplicité. Dans le cas α = 0 , cela suffit pour conclure car deg P = deg P 1. Dans le cas α = 0, il nous faut encore une racine.. . Si α > 0, la fonction f tend vers 0 en par argument de croissance comparée. On peut alors appliquer un théorème de Rolle généralisé à la fonction f sur l’intervalle ] , a0 ] et cela fournit la racine manquante. Si α < 0, on exploite comme au dessus la nullité de la limite de f en + cette fois pour trouver une racine dans l’intervalle ]am , + [.
−
−∞
−∞
∞
∞
Exercice 65 : [énoncé] Les racines de X p 1 sont
simples et toutes racines de X pq − 1. − Les racines − 1 sont simples et toutes racines de X pq − 1. En dehors de 1, les racines de X p − 1 et X q − 1 sont distinctes. Comme 1 racine double de (X − 1)(X pq − 1), on peut conclure (X p − 1)(X q − 1) | (X − 1)(X pq − 1). de X q
k=0
On convient de dire qu’une racine de multiplicité 0 n’est en fait pas racine d’un polynôme. Avec ses termes, si a k est racine de multiplicité α k 1 de P alors a k est racine de multiplicité α k 1 du polynôme P et donc racine de multiplicité au moins (et même exactement) α k 1 du polynôme P + αP . Ainsi les a k fournissent
−
−
m
k=0
(αk
− 1) = deg P − (m + 1)
Exercice 66 : [énoncé] a) Posons P = (X + 1) n
nX 1. On a P (0) = 0 et P = n(X + 1) n−1 P (0) = 0. 0 est au moins racine double de P donc X 2 P . b) Posons P = nX n+2 (n + 2).X n+1 + (n + 2)X n. On observe P (1) = P (1) = P (1) = 0. 1 est au moins racine triple de P donc (X 1)3 P .
−
− −
|
−
−
|
− n donc
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Corrections
Exercice 67 : [énoncé]
Exercice 71 : [énoncé]
1 est au moins racine double de P 1 donc 1 est au moins racine simple de (P 1) = P . De même 1 est au moins racine simple de P . Par suite X 2 1 P . Puisque deg P 2, on peut écrire P = λ(X 2 1) avec λ K. Par suite P = λ3 X 3 λX + µ. P (1) = 1 et P ( 1) = 1 permettent de déterminer λ et µ. On obtient : λ = 32 et µ = 0 .
−
−
24
−
− −
−
−
∈
− |
−
a) Si a est une racine de P non nulle alors a 2 , a4 , . . . sont racines de P . Or P = 0 donc P n’admet qu’un nombre fini de racines. La série précédente est donc redondante et par suite a est une racine de l’unité et donc a = 1 . Si a = 0 est racine de P alors 1 = (0 +1) 2 aussi puis 4 = (1 +1) 2 l’est encore,.. . et finalement P admet une infinité de racines ce qui est exclu. Finalement les racines de P sont toutes de module 1. b) Soit a C une racine de P . a + 1 est racine de P (X 1) donc (a + 1)2 est aussi racine de P . Il s’ensuit que a = a + 1 = 1. En résolvant cette double équation on obtient a = j ou j 2 et donc P est de la forme
| |
∈
Exercice 68 : [énoncé] 1 + X + X 2 = (X j)(X
−
j et j 2
− j 2).3 p+1 3n
sont racines de X + X + 1 + X + X 2 X 3n + X 3 p+1 + X 3q+2.
−
|
P (X ) = λ(X j)α (X j 2 )β
−
X 3q+2
donc
−
Le nombre j est racine de multiplicité α de P donc j est racine de multiplicité au moins α de P (X 2 ) = (X 2 j)α (X 2 j 2 )β
|
−
On peut factoriser X 2 + X + 1 = (X j)(X j 2 )
−
−
Un tel P est solution du problème posé si, et seulement si,
On en déduit X 2 + X + 1 X 2n + X n + 1
|
−
et par suite β α. Un raisonnement symétrique permet de conclure β = α et le polynômeP est de la forme λ(X 2 + X + 1) α
Exercice 69 : [énoncé]
⇔ j et j 2 sont racines de X 2n + X n + 1
Puisque X 2n + X n + 1 est un polynôme réel j en est racine si, et seulement si, j 2 l’est. 3 si n = 0 [3] (X 2n + X n + 1)( j) = j 2n + j n + 1 = 0 sinon
λ2 (X 4 + X 2 + 1)α = λ((X
− 1)2 + (X − 1) + 1)α (X 2 + X + 1)α
égalité qui est vérifiée si, et seulement si, λ = 1 . Finalement les solutions du problème posé sont les polynômes P = (X 2 + X + 1) α avec α N.
∈
Exercice 72 : [énoncé]
Finalement X 2 + X + 1 X 2n + X n + 1
|
⇔ n = 0
[3]
Soit P solution. X (X + 4)P (X ) donc X P puis (X + 1) P (X + 1) donc (X + 1) (X + 4)P (X ) puis X + 1 P etc... Ainsi on obtient que P (X ) = X (X + 1)(X + 2)(X + 3)Q(X ) avec Q(X + 1) = Q(X ) donc Q constant. La réciproque est immédiate.
|
Supposons P solution. Le coefficient dominant λ de P vérifie λ = λ 2 et donc est égal à 1. Si a est racine de P alors a 2 et (a + 1)2 le sont aussi. Si a = 0 est une racine de P alors a 2 , a4 , . . . sont racines de P . Or P = 0 et donc P n’admet qu’un nombre fini de racines. La suite précédente est donc redondante et par conséquent a est une racine de l’unité. En particulier a = 1 . Si a = 0 est racine de P alors 1 = (0 + 1)2 aussi puis 4 = (1 +1) 2 l’est encore,.. . et finalement P admet une infinité de racines ce qui est exclu. Finalement les racines de P sont toutes de module 1. Or si a est racine de P , (a + 1)2 l’étant encore et donc
Exercice 70 : [énoncé]
|
| | |
|
|
|
| |
|a| = |a + 1| = 1
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Corrections
Les seuls complexes vérifiant cette identité sont j et j 2 (ce sont les points intersection du cercle unité et du cercle de centre 1 et de rayon 1 du plan complexe). On en déduit P = (X 2 + X + 1) n
−
car P est un polynôme réel et que donc ses racines complexes conjuguées sont d’égales multiplicités. Inversement, on vérifie par le calcul qu’un tel polynôme est bien solution.
25
Exercice 74 : [énoncé]
a) Puisque les racines communes à P et P permettent de dénombrer les multiplicités des racines de P , on a
− deg(pgcd(P, P ))
p = deg P
et des relations analogues pour q et r. De plus, on a P Q Q P = Q R
−
Exercice 73 : [énoncé]
Dans un premier temps cherchons P vérifiant P (0) = 1, P (1) = 2,P (0) = 3, P (1) = 4,P (0) = 5 et P (1) = 6 puis on considèrera P (X 1) au terme des calculs. Un polynôme vérifiant P (0) = 1 et P (1) = 2 est de la forme
−
et ce polynôme est non nul car les polynômes P,Q,R sont non constants. En effet, si P Q Q P = 0, alors une racine de P est nécessairement racine de Q ce qui est exclu. Puisque les polynôme pgcd(P, P ), pgcd(Q, Q ) et pgcd(R, R ) divisent chacun le polynôme Q R R Q et puisqu’ils sont deux à deux premiers entre eux (car P,Q,R le sont), on a
−
−
pgcd(P, P )pgcd(Q, Q )pgcd(R, R ) Q R
|
P (X ) = X + 1 + X (X
− 1)Q(X )
Pour que le polynôme P vérifie P (0) = 3,P (1) = 4,P (0) = 5 et P (1) = 6 on veut que Q vérifie Q(0) = 2, Q(1) = 3, Q (0) = 9/2 et Q (1) = 0. Le polynôme Q(X ) = 5X 2 + X (X 1)R(X ) vérifie les deux premières conditions et vérifie les deux suivantes si R(0) = 19/2 et R(1) = 5. 19 Le polynôme R = 29 2 X + 2 convient. Finalement
−
−
−
−
P (X ) = X + 1 + X (X
− 1)
5X
− 2 + X (X − 1)
−
29 19 X + 2 2
est solution du problème initial. Les autres solutions s’en déduisent en observant que la différence de deux solutions possède 1 et 2 comme racine triple. Finalement, la solution générale est
−
avec Q
∈ C [X ].
−
655 3 X + 464X 2 2
3
−
− q + deg R − r deg Q + deg R − 1
et donc deg P p + q + r b) Soient n
−1
3 et P,Q,R vérifiant P n + Qn = R n
Si a est racine commune aux polynômes P et Q alors a est racine de R. En suivant ce raisonnement et en simplifiant les racines communes, on peut se ramener à une situation où les polynômes P,Q,R sont deux à deux premiers entre eux. Il en est alors de même de P n , Q n et R n . L’étude qui précède donne alors
− 292 X 5 + 111X 4 − 655 X 3 + 464X 2 − 314X + 82 2
29 5 X + 111X 4 2
deg P p + deg Q
est solution du problème transformé et P (X ) =
− R Q
Par considérations des degrés
−
−
− RQ = RP − P R
3
− 314X + 82 + (X − 1) (X − 2) Q(X )
n deg P < p + q + r mais aussi, de façon analogue n deg Q < p + q + r et n deg R < p + q + r En sommant ces trois relations, on obtient n(deg P + deg Q + deg R) < 3( p + q + r) ce qui est absurde car n
3, deg P p etc.
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Corrections
On en déduit que les polynômes P,Q,R sont constants. Les solutions de l’équation P n + Qn = R n
Exercice 77 : [énoncé] Les racines de (X + i)n
Par suite
n 1
−
k=1
apparaissent alors comme des triplets
− (X − i)n sont les z k = cot kπn avec k ∈ {1, 2, . . . , n − 1}. n n (X − cot kπ n ) | (X + i) − (X − i) et par suite il existe λ ∈ K tel
avec α,β,γ C et T
∈ C [X ] vérifiant
− (X − i)n = λ
−
(X
k=1
k=1
αn + β n = γ n Exercice 78 : [énoncé]
c) Pour P =
1 2 i (X + 1), Q = (X 2 2 2
2 ikπ
Les racines complexes de P sont les ω k = e 2 +1 avec k On observe ω k = ω 2n−k pour k 1, . . . , n donc n
− 1) et R = X
on a
P = (X
− 1)
P 2 + Q2 = R2 ce qui produit un triplet solution d’une forme différente des précédents obtenus pour n 3.
Exercice 75 : [énoncé] 4
a) X 1 = (X 1)(X + 1)(X i)(X + i) dans C [X ] et X 4 1 = (X 1)(X + 1)(X 2 + 1) dans R [X ].
−
n 1
− cot kπn ) Le coefficient dominant de (X + i)n − (X − i)n étant 2ni, on obtient : n−1 (X + i)n − (X − i)n = 2ni (X − cot kπ n ) que (X + i)n
P = αT , Q = βT et R = γT
∈
26
−
−
−
4
b) X 5
−
n
k=1
∈ { } (X − ωk )(X − ωk ) = (X − 1)
a) X + X + 1 = (X + 1)2 X 2 = (X 2 + X + 1)(X 2 X + 1) b) X 4 +X 2 6 = (X 2 +1/2)2 25/4 = (X 2 2)(X 2 +3) = (X 2)(X + 2)(X 2 +3) 8 4 4 2 2 2 4 2 4 c) X + X + 1 = (X + 1) (X ) = (X X + 1)(X + X 2 + 1) puis X 8 + X 4 + 1 == (X 2 + X + 1)(X 2 X + 1)(X 2 + 3X + 1)(X 2 3X + 1).
−
−
−
−
−
−
√
.
− 2 cos(na)X + 1 sont eina et e−ina donc X 2n − 2 cos(na)X n + 1 = (X n − eina)(X n − e−ina ) Les racines de X n − eina sont les eia+2ikπ/n avec k ∈ {0, . . . , n − 1} et celles de X n − e−ia s’en déduisent par conjugaison. Les racines de X
n 1
X 2n
− 2cos(na)X n + 1 =
− √
√ − √
−
k=0
n 1
− eia+2ikπ/n)
(X
−
k=0
− e−ia−i2kπ/n)
(X
dans C [X ] puis n 1
−
−
k=1
2kπ X + 1 − 2cos 2n+1
Exercice 79 : [énoncé] 2
X 2n 2 cos(na)X n +1 =
−
X 2
Ainsi
2ikπ 5
− 1 = (X − e ) dans C [X ] k=0 5 R [X ]. et X − 1 = (X − 1)(X 2 − 2cos 25π X + 1)(X 2 − 2cos 4π 5 X + 1) dans c) (X 2 −X +1)2 +1 = (X 2 −X +1+i)(X 2 −X +1−i) = (X −i)(X −1+i)(X +i)(X −1−i) dans C [X ] et (X 2 − X + 1) 2 + 1 = (X 2 + 1)(X 2 − 2X + 2) dans R [X ]. Exercice 76 : [énoncé] 4 2 2
n
∈ {0, . . . , 2n}.
−
k=0
n 1
− eia+2ikπ/n)(X − e−ia−2ikπ/n) =
(X
−
k=0
(X 2
− 2cos
dans R [X ]. Exercice 80 : [énoncé]
a) Les deux polynômes de l’égalité sont unitaires, de degré 2n et ont pour racines les racines 2n-ième de l’unité car les racines du polynôme X 2 2X cos(kπ/n) + 1 sont les e ±ikπ/2n .
−
a+
2k n
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Corrections
b) Par les sommes de Riemann, π
ln(a2
0
− 2a cos t + 1) dt = n→lim+∞ πn
Or π n
n 1
−
ln(a2
k=1 2n
Si a < 1 alors πn ln 11−−aa2
| |
π
1 a2n π n ln 1 a2
− −
π
ln(a2
k=1
− 2a cos kπn + 1)
2n − 2a cos kπn + 1) = πn ln aa2 −−11
ln(a2
0
| |
−
→ 0 et donc
Si a > 1 alors
n 1
27
σ1 = x 1 + x2 + x3 + x4 = 0 σ2 = x 1 x2 + x1 x3 + x1 x4 + x2 x3 + x2 x4 + x3 x4 = 0 σ3 = x 1 x2 x3 + x1 x2 x4 + x1 x3 x4 + x2 x3 x4 = 12 σ4 = x 1 x2 x3 x4 = 5 σ1 donne x 3 + x4 = 2, σ 2 donne x 1 x2 + x3 x4 = 4 et σ 3 donne x 1 x2 On obtient x 1 x2 = 5 et x 3 x4 = 1. x1 et x 2 sont les racines de X 2 2X + 5 i.e. 1 2i. x3 et x 4 sont les racines de X 2 + 2X 1 i.e. 1 2.
− −
ln(a2
− −
− x3x4 = 6.
± − ± √
−
Exercice 83 : [énoncé]
Notons x 1 , x2 , x3 les racines de X 3 7X + λ. On peut supposer x 2 = 2x1 . Les relations entre coefficients et racines donnent :
−
− 2a cos t + 1) dt = 0
− − − − − − −
x1 + x2 + x3 = 0 x1 x2 + x2 x3 + x3 x1 = x1 x2 x3 = λ
→ 2π ln |a| et donc
0
−
− 2a cos t + 1) dt = 2π ln |a|
d’où
x3 = 2x21
3x1
6x21
6x31 =
Exercice 81 : [énoncé]
L’implication (ii) (i) est immédiate. Supposons (i). Puisque P est de signe constant, la décomposition en facteurs irréductibles de P s’écrit avec des facteurs de la forme
⇒
− λ)2 = (X − λ)2 + 02
(X et
X 2 + 2 pX + q = (X + p/2)2 +
− q 2
4 p
2
Ainsi P est, à un facteur multiplicatif positif près, le produit de polynômes s’écrivant comme la somme des carrés de deux polynômes réels. Or (A2 + B 2 )(C 2 + D2) = (AC BD)2 + (AD + BC )2
−
donc P peut s’écrire comme la somme des carrés de deux polynômes réels
Exercice 82 : [énoncé]
Notons x 1 , x2, x3 , x4 les racines du polynôme considéré avec x 1 + x2 = 2.
puis
−7
3x21 =
λ
x3 = x21 =
−7
3x1
1
λ = 6 x31
Pour que X 3 7X + λ admette une racine double d’une autre il est nécessaire que λ = 6 ou 6. Pour λ = 6 , X 3 7X + 6 admet 1, 2 et 3 pour racines. Pour λ = 6, X 3 7X 6 admet 1, 2 et 3 pour racines.
− −
−
− − −
− − −
Exercice 84 : [énoncé]
Notons x 1 , x2 , x3 les racines de X 3 8X 2 + 23X 28. On peut supposer x1 + x2 = x3 . Les relations entre coefficients et racines donnent : x1 + x2 + x3 = 8 x3 = 4 x1 x2 + x2 x3 + x3 x1 = 23 d’où x1 x2 + 4(x2 + x1 ) = 23 . x1 x2x3 = 28 4x1 x2 = 28 Pour déterminer x 1 et x 2 il reste à résoudre x 2 4x + 7 = 0. Finalement x 1 = 2 + i 3, x2 = 2 i 3 et x 3 = 4.
−
√
− √
−
−
[http://mp.cpgedupuydelome.fr] édité le 4 novembre 2013 Exercice 85 : [énoncé]
a)
σ1 = x1 + x2 + x3 = 2 +
√ 2
Corrections Inversement de tels triplets sont solutions.
√
σ2 = x1 x2 + x2 x3 + x3 x1 = 2 2 + 2 ,
√
σ3 = x1 x2 x3 = 2 2 On en déduit x 21 + x22 + x23 = σ12 2σ2 = 2, x 21 x22 + x22 x23 + x23 x21 = σ22 2σ3σ1 = 4 et x 21 x22 x23 = 8. Donc x 21 , x22 et x 23 sont racines de x 3 2x2 + 4x 8 = 0. b) 2 est racine de l’équation ci-dessus : x3 2x2 + 4x 8 = (x 2)(x2 + 4) = (x 2)(x + 2i)(x 2i). Quitte à réindexer : x 21 = 2, x22 = 2i et x 23 = 2i d’où x 1 = 2, x2 = (1 + i) et x3 = (1 i). Puisque x 1 + x2 + x3 = 2 + 2, on a x 1 = 2, x2 = 1 + i et x 3 = 1 i.
−
−
−
± −
Exercice 87 : [énoncé]
En développant
−
−
−
28
−
−
− √ ±
− √
√
1 1 1 + + x y z
avec
2
=
1 1 1 2 2 2 + + + + + x2 y2 z 2 xy yz zx
2 2 2 2(z + x + y) + + = =0 xy yz zx 2xyz
±
−
Exercice 88 : [énoncé]
a) On a
Exercice 86 : [énoncé]
a) Soit (x,y,z) un triplet solution On a σ 1 = x + y + z = 1, σ3 = xyz = 4 et σ2 = xy + yz + zx = xyz ( x1 + 1y + 1z ) = 4. Par suite x,y,z sont les racines de : X 3 σ1 X 2 + σ2 X σ3 = X 3 X 2 4X + 4 = (X 1)(X 2)(X + 2). Donc x,y,z = 1, 2, 2 . Inversement de tels triplets sont solutions. x(y + z) = 1 (1) b) Soit (x,y,z) un triplet solution de y(z + x) = 1 (2) z(x + y) = 1 (3) (1) (2) donne xz = yz , (3) donne z = 0 donc x = y. De même on obtient x = z. Ainsi x = y = z = 1/ 2 ou 1/ 2. Inversement de tels triplets sont solutions. c) Soit (x,y,z) un triplet solution. Posons S 1 = x + y + z = 2, S 2 = x2 + y2 + z 2 = 14 et S 3 = x3 + y3 + z 3 . Déterminons σ 1 = x + y + z, σ2 = xy + yz + zx et σ 3 = xyz . On a σ 1 = 2. S 12 S 2 = 2σ2 . Par suite σ 2 = 5. Posons t = x2 y + yx 2 + y2 z + zy 2 + z 2 x + xz2 . On a S 1 S 2 = S 3 + t d’où t = S 1 S 2 S 3 = 8 On a S 13 = S 3 + 3t + 6σ3 d’où σ 3 = 16 (S 13 S 3 3t) = 6. Par suite x,y,z sont les racines de : X 3 σ1 X 2 + σ2 X σ3 = X 3 2X 2 5X + 6 = (X 1)(X + 2)(X 3). Donc x,y,z = 1, 2, 3 .
− {
−
−
− − −
− − } { − }
√ − √
donc
− e2ikπ/(n+1))
(X
k=0
n
P n =
−
− e2ikπ/(n+1))
(X
k=1
b) P n (1) = n + 1 et n
P n (1) =
n
(1
k=1
− e2ikπ/(n+1)) = (−2i)n
mais
n
sin
k=1
kπ n+1
ei
kπ n+1
k=1
n
ei
kπ n+1
= exp(inπ/2) = i n
k=1
donc
n
k=1
sin
kπ n + 1 = n+1 2n
−
−
− {
−
n
− 1)P n = X n+1 − 1 =
(X
− − } { − }
− −
−
− −
−
Exercice 89 : [énoncé] (1 + z)n = cos(2na) + i sin(2na) = e 2ina
⇔ 1 + z = ei
2na+2kπ
avec k 0, 1, . . . , n 1 . 2 Cette équation possède donc n solutions distinctes qui sont z k = ei(2a+ ) avec k 0, 1, . . . , n 1 .
∈ {
− }
∈ {
n
kπ n
− }
−1
[http://mp.cpgedupuydelome.fr] édité le 4 novembre 2013 On observe alors
n 1
−
zk = ( 1)n (1
−
k=0
Or :
n 1
−
zk =
Corrections De plus
− e2ina).
(x + y + z)2 = x2 + y2 + z 2 + 2 p donc
k=0 n 1
−
(e
i2(a+ kπ n )
k=0
donc
n 1
−
− 1) =
−
k=0
n 1
−
e
i(a+ kπ ) n
−
sin(a + kπ n ) =
2i sin(a
k=0
zk = 2n i−1 ( 1)n eina
k=0 n 1
n 1
−
k=0
i 1 e2ina 2n eina
−
=
+ knπ )
n n ina+i
=2 i e
n 1
−
(n−1)π 2
sin(a + knπ ) puis
1 2n−1 sin
sin(a
k=0
na.
n
−
n
−2 p
Aussi x 3 = px
− − q donne x 5 = − px3 − qx2 = p2x + pq − qx2 et donc
Exercice 93 : [énoncé]
Notons α k la somme des zéros de P (k) . 1)a −1 2)a −1 k)a −1 α0 = aa−1 , α 1 = (n−na , α 2 = (n−na ,..., α k = (n−na ,..., a −1 αn−1 = na . Les α 0 , α1 , . . . , αn−1 sont en progression arithmétique de raison a n−1 /nan . n
x2 + y 2 + z 2 =
et la relation proposée est dès lors immediate.
n
+ knπ )
x5 + y5 + z 5 = 3 pq + 2 pq = 5 pq
Exercice 90 : [énoncé] n P = ak X k avec a n = 0. k=0
− −
29
n
−
n
−
n
Soit (x,y,z) un triplet de complexes et P (X ) = (X x)(X y)(X z) = X 3 pX 2 + qX
−
n
On a
(x + y + z)2 = x2 + y2 + z 2 + 2(xy + yz + zx)
−a, on a
α β γ + + = β + γ γ + α α + β
−
α β γ + + a + α a + β a + γ
et réduisant au même dénominateur α β γ a 3 2ab + 3c + + = β + γ γ + α α + β ab c
−
car αβ + βγ + γα = b et αβγ =
−
−c.
Exercice 92 : [énoncé]
Posons p = xy + yz + zx et q = xyz. Les nombres x,y,z sont racines du polynômes
−
x3 + y3 + z 3 = p(x + y + z)
−
Posons t = x3 + y3 + z 3 et s = xy 2 + yx 2 + yz 2 + zy 2 + zx 2 + xz 2 On a (x + y + z)(x2 + y2 + z 2 ) = t + s et pq = s + 3r donc t = 3 r pq . Puisque x,y,z sont racines de X P (X ) = X 4
−
− pX 3 + qX 2 − rX , on a
x4 + y4 + z 4 = pt
− q × (x2 + y2 + z2) + rp Puisque x,y,z sont racine de X 2 P (X ) = X 5 − pX 4 + qX 3 − rX 2 , on a x5 + y5 + z 5 = p(x4 + y4 + z 4 ) − q (x3 + y3 + z 3 ) + r(x2 + y2 + z 2 ) On en déduit que (x,y,z) est solution du système posé si, et seulement si,
X 3 + pX + q On en déduit
− r avec
−
p = x + y + z q = xy + yz + zx r = xyz
n
Puisque α + β + γ =
−
n
Exercice 91 : [énoncé]
−
− 3q = −3q
p2 = 2q pt + rp = 0 qt = 0
−
[http://mp.cpgedupuydelome.fr] édité le 4 novembre 2013 c’est-à-dire, sachant t = 3r
Corrections
− pq ,
Ce système équivaut encore à
30
puis
N
2
xP (x) =
p = 2q p(4r pq ) = 0 q (3r pq ) = 0
Or
p2 = 2q
et
− −
=0
2 pr = q 2
xP (x) = na0 xn + (n N
=0
3qr = pq 2
et aussi à
avec
1 xN −n
− 1)a1xn−1 + ··· + an−1
S P (x) = b0 xn + b1 xn−1 + x
··· + bN +2nxN −n
b0 = a 0 S 0 , b 1 = a 0 S 1 + a1 S 0 , . . .
p2 = 2q
min(k,n)
2 pr = q 2 qr = 0
bk =
a S k−
=0
Que r soit nul ou non, le système entraîne q = 0 et est donc équivalent au système p = 0 q = 0
Par unicité des coefficients de x n , xn−1 , . . . , 1 de notre développement limité généralisé, on obtient k
Ainsi, un triplet (x,y,z) est solution du système proposé si, et seulement si, x, y et z sont les trois racines du polynôme P r (X ) = X 3 r (pour r C quelconque). En introduisant a C tel que a 3 = r, les racines de P r (X ) sont a,aj et aj 2 . Finalement les solutions du système, sont les triplets (x,y,z) avec
−
∈
∈
∀0 k n,
=0
− k)ak
k 1
∀0 < k n,
∈ C quelconque.
a S k− = (n
Pour k = 0, on obtient S 0 = n (ce qui était immédiat) et on en déduit
x = a, y = aj et z = aj 2 pour a
S P (x) + o x
−
=0
a S k− + kak = 0
Par unicité des coefficients de 1/x, 1/x2 , . . . de notre développement limité généralisé, on obtient n
Exercice 94 : [énoncé]
On a
∀k > n, P (X ) = P (X )
donc
xP (x) P (x)
n
1
−
X k=1 n
=
k=1
xk
−
xP (x) = P (x)
n
k=1
N
1 1
− xx
k
=
=0
a S k− = 0
a) 1, j , j conviennent. b) Introduisons le polynôme P (X ) = (X a)(X b)(X c). Les coefficients de ce polynôme s’expriment à partir de S 1 = a + b + c, S 2 = a 2 + b2 + c2 et S 3 = a 3 + b3 + c3 , le polynôme P est donc à coefficients réels. S’il n’admet pas trois racines, il possède deux racines complexes conjuguées. Celles-ci sont alors de même module ce qui est exclu.
−
x k x
Par développement limité à un ordre N , on a quand x
=0
Exercice 95 : [énoncé] 2
1
1
→ +∞
S 1 +o x xN
−
−
[http://mp.cpgedupuydelome.fr] édité le 4 novembre 2013
Corrections
Exercice 96 : [énoncé]
Exercice 98 : [énoncé]
a) f 0 : x 1, f 1 : x x, f 2 : x 2x2 1 et f 3 : x 4x3 3x b) f n+1 (x) + f n−1 (x) = cos((n + 1)θ) + cos((n 1)θ) = 2 cosθ cos nθ = 2xf n (x) en posant θ = arccos x. c) Existence : Par récurrence double sur n N. Pour n = 0 et n = 1 : T 0 = 1 et T 1 = X conviennent. Supposons le résultat établi aux rangs n 1 et n 1. Soit T n+1 le polynôme défini par T n+1 = 2XT n T n−1 . On a T n+1 (x) = 2xT n (x) T n−1 (x) = 2xf n (x) f n−1 (x) = f n+1 (x). Le polynôme T n+1 convient. Récurrence établie. Unicité : Si T n et R n conviennent, alors ceux-ci prennent mêmes valeurs en un infinité de points, ils sont donc égaux. d) Comme T n+1 = 2XT n T n−1 , on montre par récurrence double sur n N que n N, deg T n = n. Il est alors aisé de montrer, par récurrence simple, que le coefficient dominant de T n est 2 n−1 pour n N . Notons que le coefficient dominant de T 0 est 1. e) Résolvons l’équation T n (x) = 0 sur [ 1, 1] : π π cos(n arccos x) = 0 n arccos x = π2 [π] arccos x = 2n n (2k+1)π Posons x 0 , x1 , . . . , xn−1 définis par x k = cos 2n . x0 , x1 , . . . , xn−1 forment n racines distinctes appartenant à ] 1, 1[ du polynôme T n . Or deg T n = n donc il ne peut y avoir d’autres racines et celles-ci sont nécessairement simples.
→
→
→
−
−
∈ −
→
−
− −
−
−
∀ ∈
31
∈
∈ ⇔
−
⇔
−
a) L n est le polynôme dérivé d’ordre n d’un polynôme de degré 2n donc deg Ln = n. n! De plus sont coefficient dominant est le même que celui de (2n)! (X 2n )(n) à savoir 1. b) 1 et 1 sont racines d’ordre n de (X 2 1)n . Par intégration par parties :
−
−
1 1 n! Ln (t)Q(t)dt = (t2 (2n)! −1 −1
donc
− 1)(n)Q(t)dt =
1 n! Ln (t)Q(t)dt = (2n)! −1
1
−
(t2
−1
(t2
1
1
− 1)(n−1)Q(t) −1−
(t2
−1
− 1)(n−1)
− 1)(n−1)Q(t)dt
puis en reprenant le processus 1
Ln (t)Q(t) dt = ( 1)n
−
−1
1
(t2
−1
− 1)(0)Q(n) (t)dt = 0
c) Soit a 1 , a2 , . . . , a p les racines d’ordres impairs de L n appartenant à ] 1, 1[. Soit Q = ( X a1 )(X a2 ) . . . (X a p ). La fonction t Ln (t)Q(t) est continue, 1 de signe constant sur [ 1, 1] sans être la fonction nulle donc −1 Ln (t)Q(t)dt = 0. Compte tenu de b) on a nécessairement p n puis p = n car le nombre de racines ne peut excéder n.. De plus les racines a 1, a2 , . . . , an sont simples car la somme de leurs multiplicités ne peut excéder n.
−
− −
−
→
−
Exercice 97 : [énoncé]
a) a 0 , . . . , ai−1 , ai+1 , . . . , an sont racines de L i donc j = i, Li (aj ) = 0. De plus (ai aj )
∀
Li (ai ) =
0j
− n,j =i = 1 (ai − aj )
Exercice 99 : [énoncé]
a) Par récurrence sur n N Pour n = 0 : ok avec P 2 = X . Supposons la propriété établie au rang n
∈
0jn,j =i
Donc b) Posons Q =
n
− P n2 = 1 + X (XP n − P n−1)P n − P n2
1 + P n+2P n = 1 + XP n+1 P n
∀ j ∈ {0, 1,...,n} , Li(aj ) = δ i,j
Par l’hypothèse de récurrence
P (ai )Li (X ), on a
1 + P n+2 P n = X 2 P n2
− XP n−1P n − P n−1P n+1
i=0
Q(aj ) =
n
i=0
n
P (ai )Li (aj ) =
− 1 ∈ N.
P (ai )δ i,j = P (aj )
i=0
P et Q sont deux polynômes de degré inférieur à n et prenant mêmes valeurs aux n + 1 points a 0, a1 ,...,a n ils sont donc égaux.
donc 2 1+P n+2 P n = X 2 P n2 XP n−1 P n P n−1 (XP n P n−1 ) = X 2 P n2 2XP n−1 P n +P n2−1 = P n+1
−
Récurrence établie.
−
−
−
[http://mp.cpgedupuydelome.fr] édité le 4 novembre 2013
Corrections
b) La relation ci-dessus peut se relire : U P n + V P n+1 = 1. Donc P n et P n+1 sont premiers entre eux. c) Par récurrence sur m N, établissons la propriété :
∈ ∀n ∈ N , P m+n = P nP m+1 − P n−1P m
Pour m = 0 : ok Supposons la propriété établie au rang m
0. Pour tout n
32
Exercice 101 : [énoncé]
On a
n
cos nθ = Re(e
inθ
) = Re
n k i cosn−k θ sink θ k
k=0
donc
E (n/2)
cos nθ =
∈ N
=0
( 1)
−
n cosn−2 θ(1 2
− cos2 θ)
un polynôme en cos θ. Cela assure l’existence de T n , l’unicité provenant de ce P m+n+1 = P n+1 P m+1 P n P m = (XP n P n−1 )P m+1 P n P m = (XP m+1 P m )P n P n−1P est m+1 que deux polynômes coïncidant en un nombre fini de points sont nécessairement donc égaux. a) P m+n+1 = P m+2 P n P n−1 P m+1 cos(n + 1)θ + cos(n 1)θ = 2 cos θ cos nθ Récurrence établie. donne d) Posons D = pgcd(P n , P n+m) et E = pgcd(P n , P m). T n+1 2XT n + T n−1 = 0 Comme P n+m = P n P m+1 P n−1 P m on a E D. Comme P n−1 P m = P n P m+1 P m+n et P n P n−1 = 1 on a D E . Finalement b) On a D = E . T n (cos θ) = cos nθ En notant r le reste de la division euclidienne de m par n on a m = nq + r avec donc en dérivant q N et sin θT n (cos θ) = n sin nθ pgcd(P n , P m ) = pgcd(P n , P n−m ) = pgcd(P n , P n−2m ) = . . . = pgcd(P n , P r ) et sin2 θT n (cos θ) cos θT n (cos θ) = n2 cos nθ e) En suivant l’algorithme d’Euclide menant le calcul de pgcd (m, n) On en déduit par coïncidence de polynômes sur [ 1, 1] que simultanément avec celui menant le calcul de pgcd(P m, P n ), on observe que
−
−
−
−
−
−
− −
−
| ∧
−
|
∈
−
−
−
−
−
(1
pgcd(P n , P m ) = P pgcd(m,n)
− X 2)T n − XT n + n2T n = 0
c) En dérivant cette relation à l’ordre k : (1
Exercice 100 : [énoncé]
Par la formule de dérivation de Leibniz n
En évaluant (1) en 1 : n
dn e−x xn = dxn
k=0
n n! n! k −x (xn )(n−k) (e−x )(k) = ( 1)k x e k!(n k)! k! k k=0
donc
−
n
Ln =
− X 2)T n(k+2) − 2kXT n(k+1) − k(k − 1)T n(k) − XT n(k+1) − kT n(k) + n2T n(k) = 0 (1)
(0)
T n(k) (1)
k
−
est un polynôme de degré n et de coefficient dominant ( 1)n .
−
− k2)T n(k) (1)
Comme T n (1) = 1, on obtient
(n!)2 ( 1) X k 2 (k!) (n k)!
− k=0
−
(2k + 1)T n(k+1) (1) = (n2
En évaluant (1) en
=
(n!)2 2k k! (n k)!(n+k)!(2k+1)!
0
−
si k n sinon
−1 : (2k + 1)T n(k+1)(1) =
−(n2 − k2)T n(k)(1)