X-ENS MP ´
Epreuve A 2019
Corrig´e
par Cl´ement de Seguins Pazzis (MP*, Lyc´ee Sainte-Genevi`eve)
Partie 1
1. La fonction ϕ:PQ[X]7→ P(α)Qest un morphisme d’anneaux car elle erifie
ϕ(1Q[X]) = 1
et
(P, Q)Q[X]2, ϕ(P+Q) = ϕ(P) + ϕ(Q) et ϕ(P Q) = ϕ(P)ϕ(Q).
L’ensemble I(α) ´etant le noyau de ce morphisme, c’est un id´eal de Q[X]. Comme αest alg´ebrique,
I(α) poss`ede un ´el´ement non nul.
2. Si αest de dege 1 alors Πα=X+βpour un βQ, et donc on trouve α+β= 0 puis
α=βQ. R´eciproquement, supposons αQ. Alors XαI(α), donc Παdivise Xα. Or
Παne peut ˆetre constant et non nul puisqu’il a une racine. Ainsi, Παest de degr´e 1, autrement
dit αest de degr´e 1.
Ainsi, αest de degr´e 1 si et seulement si αQ.
3.(a) D’abord, on a vu dans notre r´eponse `a la question 2que Παn’est pas constant.
Ensuite, soit P, Q dans Q[X] tels que Πα=P Q. En particulier deg P+ deg Q= deg Πα
(et Pet Qsont non nuls).
On a P(α)Q(α) = Πα(α) = 0, donc P(α) = 0 ou Q(α) = 0. Ainsi, Παdivise Pou Q, ce qui
conduit `a deg Πα6deg Pou deg Πα6deg Q. Par suite, deg Q60 ou deg P60, autrement
dit Qou Pest constant.
Ainsi, Παest irr´eductible dans Q[X].
(b) On suppose que P(z) = 0. Alors zest alg´ebrique (puisque P6= 0 et PQ[X]), donc
Πzdivise P. La question pr´ec´edente montre que Πzest ireductible, et comme Pest aussi
irr´eductible on en d´eduit que Πzest associ´e `a P. Puisque Πzet Psont tous deux unitaires,
on conclut que Πz=P.
Remarque : en vu de la suite du sujet, il est important de remarquer qu’´etant donn´e un
nombre alg´ebrique α, toute racine zde Παv´erifie Πz= Πα, ce que l’on eduit de 3.(a)
et 3.(b).
4.(a) Choisissons une racine commune zCde Aet B. Supposons Aet Bpremiers entre eux dans
Q[X]. Le th´eor`eme de ezout fournit alors un couple (U, V )Q[X]2tel que AU +BV = 1.
En sp´ecialisant en z, il vient 1 = A(z)U(z) + B(z)V(z) = 0, ce qui est absurde. Ainsi,
Aet Bne sont pas premiers entre eux dans Q[X].
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(b) On a vu en 3.(a) que Παest irr´eductible, en particulier non constant. Par suite
deg(Π
α) = degα)1>0, donc Παne divise pas Π
α. Comme Παest
irr´eductible, cela montre qu’il est premier avec Π
α. La contrapos´ee du esultat
pr´ec´edent garantit alors que Παet Π
αn’ont pas de racine complexe commune. Ainsi,
toutes les racines complexes de Παsont simples.
5.(a) Soit αQ, suppos´e entier alg´ebrique.
´
Ecrivons α=p
qavec pZet qZtels que pq= 1. Puisque αest un entier alg´ebrique,
il existe un polynˆome P=Xn+
n1
P
k=0
akXkunitaire `a coefficients entiers tel que P(α) = 0.
Par suite qnP(α) = 0, ce qui se ecrit
pn=q
n1
X
k=0
qn1kpkak.
En particulier qdivise pn. Or qest premier avec pdonc avec pn. Le lemme de Gauss assure
donc que qdivise 1, autrement dit q=±1. Ainsi, α=±pest un entier relatif.
(b) Soit αC, suppos´e entier alg´ebrique. Il existe PZ[X] unitaire (de degr´e not´e n) tel que
P(α) = 0. Le polynˆome Παdivise P, donc toutes ses racines sont des racines de P, et elles
sont donc toutes des entiers alg´ebriques. Notons z1,...,znces racines (compt´ees `a mesure de
leur ordre de multiplicit´e).
Soit k[[1, n]]. Alors, par les relations coefficients-racines, le coefficient de Παdevant Xnk
vaut
ak= (1)kX
16i1<···<ik6n
zi1···zik.
Comme l’ensemble des entiers alg´ebriques est stable par addition, multiplication et passage `a
l’oppos´e (d’apr`es le th´eor`eme admis), on en d´eduit que akest un entier alg´ebrique. Or akQ
(puisque ΠαQ[X]), et on d´eduit donc de 5.(a) que akZ.
Comme par ailleurs Παest unitaire, on conclut que ΠαZ[X].
6.(a) Si αR, alors α=±1 donc αest racine 2 -i`eme de l’unit´e.
Supposons αnon r´eel. Alors αest une autre racine complexe de Πα(car Παest `a coefficients
eels) et ainsi, puisque αest de degr´e 2,
Πα= (Xα)(Xα) = X22 Re(α)X+ 1.
Or Παest `a coefficients entiers d’apr`es 5.(b). Enfin |2 Re(α)|62|α|= 2, et ainsi Παest l’un
des polynˆomes suivants : X22X+ 1, X2X+ 1, X2+ 1, X2+X+ 1 ou X2+ 2X+ 1,
dont les ensembles de racines sont, respectivement, {1},{−j, j},{i, i},{j, j}et {−1}.
Chacune de ces racines ´eventuelles est racine de l’unit´e, puisque 12= (1)2,j3= (j)3= 1,
(j)6= (j)6= 1 et i4= (i)4= 1. Ainsi, dans tous les cas αest une racine de l’unit´e.
(b) On a imm´ediatement 3+4i
5=32+42
5= 1. Les relations coefficients-racines montrent ensuite
que X3 + 4i
5X34i
5=X26
5X+ 1.
Ce polynˆome, not´e Q, est donc `a coefficients rationnels. Comme αen est une racine, on en
eduit que αest alg´ebrique et Παdivise Q(donc αest de degr´e au plus 2). ´
Evidemment α
n’est pas rationnel (il n’est pas r´eel), donc la question 2assure que αest de degr´e au moins
2. Ainsi, αest de degr´e 2. Enfin, Παdivise Qet ces deux polynˆomes sont unitaires et de
mˆeme degr´e, donc Πα=Q. En particulier Πα6∈ Z[X], et on d´eduit de 5.(b) que αn’est pas
un entier alg´ebrique.
Si α´etait une racine de l’unit´e il serait annul´e par Xn1 pour un certain nNet serait
donc un entier alg´ebrique ! Ainsi, αn’est pas une racine de l’unit´e.
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Partie 2
7. Notons Unl’ensemble des racines n-i`emes de l’unit´e. D’apr`es le cours,
Xn1 = Y
zUn
(Xz).
Pour conclure, il suffit donc d’´etablir que la famille (Pd)d|npartitionne Un.
Soit dNdivisant n, alors Pdest l’ensemble des ´el´ements d’ordre ddu groupe Uet comme d
divise nces ´el´ements zerifient zn= 1 et sont donc dans Un. Ainsi, les Ud, pour ddivisant n,
sont deux `a deux disjoints (unicit´e de l’ordre d’un ´el´ement), et tous inclus dans Un.
Enfin, par le th´eor`eme de Lagrange, tout zUnest d’ordre fini divisant ncar Unest un groupe
d’ordre n. Ainsi, Un=S
d|n
Pd, d’o`u le r´esultat annonc´e. On conclut `a l’identit´e
Xn1 = Y
d|n
Φd.
8.(a) Soit pun nombre premier et k>1 un entier. En appliquant le esultat pr´ec´edent aux entiers
pk1et pk, il reste
Xpk1
Xpk11= Φpk
puisque, par primalit´e de p, les diviseurs de pa(pour aN) sont exactement les entiers de la
forme pbavec b[[0, a]]. La formule dite de Bernoulli dans l’anneau commutatif R(X) assure
donc que
Φpk=(Xpk1)p1
Xpk11=
p1
X
i=0
Xipk1.
(b) Imm´ediatement Φ1=X1 car P1={1}. En appliquant le esultat de 8.(a), on trouve aussi
imm´ediatement
Φ2=X+ 1,Φ3=X2+X+ 1,Φ4=X2+ 1 et Φ5=X4+X3+X2+X+ 1.
Enfin, dans U6les ´el´ements sont 1 (d’ordre 1), 1 (d’ordre 2), jet j(d’ordre 3) et
j=e
3et j2=e
3(d’ordre 6), donc
Φ6= (X+j)(X+j) = X2X+ 1.
9.(a) Montrons par r´ecurrence forte que Φk(0) = 1 pour tout k>2. Notons que Φ1(0) = 1 vu
le r´esultat de 8.(b).
Soit k>2 tel que Φi(0) = 1 pour tout i[[2, k 1]] (propri´et´e trivialement vraie si k= 2).
Alors, par 7,
0k1 = Y
d|k
Φd(0) = Φ1(0)Φk(0) Y
d|k, d6∈{1,k}
Φd(1)
donc Φk(0) = 1 par l’hypoth`ese de ecurrence, et finalement Φk(0) = 1. Ainsi, l’hypoth`ese
est vraie au rang suivant, ce qui ach`eve le raisonnement par ecurrence.
(b) Pour k>2, on introduit la propri´et´e
Hk:Φk(1) = 1 si kposs`ede plusieurs diviseurs premiers, sinon Φk(1) est l’unique
diviseur premier de k.
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Soit k>2 tel que Hisoit vraie pour tout i[[2, k 1]] (`a nouveau, cette condition est
trivialement vraie lorsque k= 2). Supposons d’abord que k=papour un nombre premier p
et un aN. Alors, par 8.(a),
Φk(1) = p.
Supposons maintenant que kposs`ede plusieurs diviseurs premiers et notons Bl’ensemble
qu’ils forment. Par 7,
Y
d|k, d>1
Φd=Xn1
X1=
k1
X
i=0
Xi
donc Y
d|k, d>1
Φd(1) = k
et ainsi
Φk(1) = k
Q
d|k,1<d<k
Φd(1)·
Par l’hypoth`ese de ecurrence, Q
d|k,1<d<k
Φd(1) = Q
dA
Φd(1), o`u Aesigne l’ensemble des
diviseurs de kstrictement sup´erieurs `a 1 et qui sont puissances d’un nombre premier (ils
sont tous distincts de kpuisque l’on a suppos´e que ka plusieurs diviseurs premiers). Ce sont
exactement les nombres de la forme paavec pBet a[[1, νp(k)]] (avec unicit´e d’une telle
´ecriture) et ainsi, par l’hypoth`ese de ecurrence,
Y
d|k,1<d<k
Φd(1) = Y
pB
pνp(k)=k,
et on conclut que Φk(1) = k.
Ainsi, par r´ecurrence forte Hkest valid´ee pour tout k>2, et en particulier : Φn(1) = 1 si n
poss`ede plusieurs diviseurs premiers, sinon Φn(1) est l’unique diviseur premier de n.
10. Proedons `a nouveau par r´ecurrence forte.
Soit k>2. Supposons ΦiZ[X] pour tout i[[1, k 1]] (propri´et´e clairement vraie si k= 2
puisque Φ1=X1). Le polynˆome B:= Q
d|k, d<k
Φdest donc `a coefficients dans Z(l’´enonc´e admet
que (Z[X],+,×) est un anneau), et il est ´evidemment unitaire puisque produit de polynˆomes
unitaires. R´ecrivons B=
e
P
i=0
aiXipour une liste (a0,...,ae) d’entiers, dont ae= 1. ´
Ecrivons
´egalement Φk=
+
P
i=0
biXi. La relation BΦk=Xn1 assure alors que
l>e,
e
X
i=0
aibliZ.
Ainsi, pour tout l>e, il existe un entier cltel que
ble=
e1
X
i=0
aibli+cl.
Or, tous les aisont entiers, et tous les bisont nuls `a partir d’un certain rang. Par r´ecurrence
descendante forte, on en d´eduit que tous les bisont entiers (si, pour un pNdonn´e, on a biZ
pour tout entier i > p, on applique la formule pr´ec´edente `a l:= e+pet on en d´eduit que bpZ).
Ainsi, ΦdZ[X].
On conclut par ecurrence forte que ΦnZ[X].
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Partie 3
11.Par commodit´e nous fusionnons les r´eponses aux deux premi`eres questions.
(a) Soit zCtel que |z|<1. Pour tout i[[1, n]], on a |ziz|=|z|<1, donc d’apr`es le cours
1
1ziz=
+
X
k=0
(ziz)k.
Par addition de eries convergentes, on en eduit que P
k
akzkconverge et que
f(z) =
n
X
i=1
1
1ziz·
Supposons maintenant znon nul. De P=
n
Q
i=1
(Xzi), on d´eduit que znP(z1) =
n
Q
i=1
(1 ziz)
et donc
znf(z)P(z1) =
n
X
i=1 Y
j6=i
(1 zjz).
Par ailleurs en erivant Pcomme un produit (`a n1 reprises), on trouve
P=
n
X
i=1 Y
j6=i
(Xzj)
et donc de mˆeme
zn1P(z1) =
n
X
i=1 Y
j6=i
(1 zjz) = znf(z)P(z1).(1)
Comme z6= 0, on simplifie par zn1et on conclut que
zf(z)P(z1) = P(z1).
(b) Voir (a).
(c) On note P=
n
P
k=0
bnkXkavec b0= 1 . On pose ´egalement bi:= 0 pour tout i > n. On trouve
imm´ediatement, pour tout zC,
znP(z1) =
n
X
k=0
bkzk=
+
X
k=0
bkzk.
De mˆeme
zn1P(z1) =
+
X
k=0
b
kzk
o`u b
k=bk(nk) si k < n, et b
k= 0 sinon. Par produit de Cauchy de s´eries enti`eres sur
l’intersection de leurs intervalles ouverts de convergence, on d´eduit de (1) que
t]1,1[ r{0},
+
X
k=0
b
ktk=
+
X
k=0k
X
i=0
aibkitk.
Cette relation est trivialement vraie pour t= 0 car a0=n,b0= 1 et b
0=n, donc par unicit´e
du d´eveloppement en erie enti`ere,
kN, b
k=
k
X
i=0
aibki
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