x-ens-mp-2019-maths-a-corrige

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Lycée Champollion Classe de MP
Corrigé X-ENS 2019, épreuve A, filière MP
Thème :
Partie I
1. L’application P7→ P(α)de Q[X]dans Cest un morphisme d’anneaux. Son noyau I(α)est donc
un id´
eal de Q[X]. Il n’est pas r´
eduit `
a{0}puisque αest alg´
ebrique.
2. Si αest de degr´
e1, alors son polynˆ
ome minimal, qui est unitaire et annule α, est Xα, donc
αQ. Si, r´
eciproquement, αQ, alors XαQ[X]donc Πα=Xαet αest de degr´
e1.
3. (a) Soient A, B Q[X]unitaires tels que Πα=AB. On a A(α)B(α)=Πα(α)=0donc, par
exemple, A(α) = 0 d’o`
uAI(α), c’est-`
a-dire Πα|A. On a donc A= Πα, ce qui montre que
Pest irr´
eductible.
(b) Puisque Pannule z,zest alg´
ebrique et Πz|P. Comme deg(Πz)>1, que Pest irr´
eductible
et que ces deux polynˆ
omes sont unitaires, P= Πz.
Remarque : une cons´
equence de ceci est que si west une racine de Πz, alors Πw= Πz.
4. (a) Soit αune racine commune de Aet B. On a Πα|Aet Πα|Bdonc, puisque deg(Πα)>1,A
et Bne sont pas premiers entre eux.
(b) D’une mani`
ere g´
en´
erale, les racines complexes d’un polynˆ
ome PQ[X]irr´
eductible sont
simples car PP0divise Pet deg(PP0)<deg(P), donc PP0= 1.
5. (a) Posons α=p
q, o`
upZ,qN,pq= 1. Soit P=Xn+an1Xn1+. . . a1X+a0Q[X]
un polynˆ
ome annulateur de α.Ona:
pn+an1pn1q+. . . a1pqn1+a0qn= 0
d’o`
uq|pn. Puisque pq= 1, et donc pnq= 1, cela entraˆ
ıne q= 1 et αZ.
(b) Soit PZ[X]unitaire tel que P(α)=0. Comme Πα|P, les racines de Παsont des entiers
alg´
ebriques. Or, Πα´
etant unitaire, les relations coefficients-racines et le th´
eor`
eme admis en
introduction montrent que les coefficients de Παsont des entiers alg´
ebriques. Comme ce
sont des rationnels, la question 5.(a) montre que ce sont des entiers : ΠαZ[X].
6. (a) Soient a, b Ztels que α2++b= 0. On a, en conjuguant, α2++b= 0. Comme α
n’est pas r´
eel (car les r´
eels de module 1sont 1et 1qui ne sont pas alg´
ebriques de degr´
e
2), αet αsont les deux racines de X2+aX +b. Donc b=αα = 1 et a=α+α= 2 Re(α).
En particulier, |a|62. Les cas a=2et a= 2 conduisent `
aα=±1qui est exclu. Donc
a∈ {−1,0,1}et α∈ {i, i, j, j, j2,j2}, qui sont tous des complexes de module 1.
(b) On a
3+4i
5
2
=9 + 16
25 = 1. Par ailleurs, le polynˆ
ome X3+4i
5X34i
5=
X26
5X+ 1 annule 3+4i
5, qui est donc alg´
ebrique. Et, puisque 3+4i
5n’est pas rationnel,
Πα=X26
5X+ 1. Comme ce polynˆ
ome n’est pas `
a coefficients entiers, 5b. montre que α
n’est pas un entier alg´
ebrique. En particulier, ce n’est pas une racine de l’unit´
e.
7. Notons Ule groupe des complexes de module 1et Unle sous-groupe des racines n-i`
emes de
l’unit´
e. L’ensemble Pnn’est autre que l’ensemble des g´
en´
erateurs de ce groupe. Notons s(ω)
l’ordre d’une racine de l’unit´
e, c’est-`
a-dire l’ordre du sous-groupe de Uqu’elle engendre. On
sait que :
Si d|n, alors UdUn
si ωUn, alors s(ω)divise n.
Donc {ωUn;s(ω) = d}=Pdet
Un=[
d|n{ωUn;s(ω) = d}=[
d|n
Pd
et cette r´
eunion est disjointe. On en d´
eduit imm´
ediatement :
Xn1 = Y
d|n
Φd
8. (a) Soit k>1. Les diviseurs de pksont les pj,16j6k. Donc
Xpk1 =
k
Y
j=1
Φpj
Xpk11 =
k1
Y
j=1
Φpj
D’o`
u :
Φpk=Xpk1
pk11=X(p1)pk1+X(p2)pk1+. . . +Xpk1+ 1
(b) On trouve ais´
ement : Φ1=X1,Φ2=X+ 1,Φ3=X2+X+ 1,Φ4=X2+ 1,Φ5=
X4+X3+X2+X+ 1, et Φ6=X2X+ 1.
9. (a) On a Φ1=X1donc Φ1(0) = 1. Par ailleurs on d´
eduit de 7. que, pour tout nN,
Y
d|n
Φd(0) = 1. On en d´
eduit imm´
ediatement, par r´
ecurrence forte sur n>1, que :
Φn(0) = 1 si n>2,Φn(0) = 1 si n= 1 .
(b) On a d’abord Φ1(1) = 0. Et, si nest de la forme pk,ppremier, k>1, alors 8a. montre
que Φpk=p. Par ailleurs, si nest de la forme pk1
1. . . pks
s, o`
us>2, les pisont des nombres
premiers distincts et ki>1, on d´
eduit de 7b. apr`
es simplification par X1=Φ1:
n=Y
d|n,d6=1
Φd(1)
d’o`
u, en utilisant Φpk
j(1) = pj
1 = Y
d|n,ρ(d)>2
Φ(d)
o`
u l’on note ρ(d)le nombre de diviseurs premiers de n(avec la convention usuelle que le
produit vaut 1si aucun diviseur dde nne v´
erifie ρ(d)>2). On en d´
eduit imm´
ediatement
par r´
ecurrence forte sur n>2que :
Φn(1) = psi nest de la forme pk,Φn(1) = 1 sinon
10. On a Xn1 = ΦnY
d|n,d<n
Φd. Donc Φnest le quotient (dans Q[X]) dans la division euclidienne
de Xn1par Y
d|n,d<n
Φd. Or l’algorithme usuel de la division euclidienne atteste que le quotient
d’un polynˆ
ome de Z[X]par un polynˆ
ome unitaire de Z[X]est encore un polynˆ
ome de Z[X].
Une r´
ecurrence forte sur d|nmontre alors que ΦnZ[X].
11. (a) On a |ak|6npour tout k, donc le rayon de convergence de la s´
erie enti`
ere X
k
akzkest au
moins 1. En particulier, elle converge pour tout ztel que |z|<1.
(b) Rappelons d’abord que la d´
eriv´
ee logarithmique d’un polynˆ
ome non nul Q, d´
efinie par
D(Q) = Q0
Q, a la propri´
et´
eD(Q1Q2) = D(Q1) + D(Q2). Donc D(P) =
n
X
k=1
1
Xzk
. On a
maintenant (l’inversion des deux Σvient de ce que chaque s´
erie
X
k=0
zk
jzkest convergente
et que la seconde somme est finie) :
f(z) =
X
k=0
n
X
j=1
zk
jzk=
n
X
j=1
X
k=0
zk
jzk=
n
X
j=1
1
1zjz
=
n
X
j=1
1
z
1
1
zzj
=1
z
P0(1/z)
P(1/z),
d’o`
u la relation cherch´
ee.
(c) On a, pour zdans le disque unit´
e ouvert priv´
e de 0,znP(1/z)f(z) = zn1P0(1/z). Donc
la fonction z7→ znP(1/z)f(z), d´
efinie sur le disque unit´
e ouvert, produit d’une fonction
polynomiale par la somme d’une s´
erie enti`
ere, est somme d’une s´
erie enti`
ere, laquelle vaut
zn1P0(1/z)(y compris pour z= 0 par continuit´
e de la somme d’une s´
erie enti`
ere) : elle est
donc `
a coefficients entiers. Posons P=Xn+b1Xn1+. . .+bn1X+bn. On a XnP(1/X) =
bnXn+bn1Xn1+. . . +b1X+ 1. Donc les coefficients de la s´
erie enti`
ere de somme
znP(1/z)f(z)valent :
a0Z
a1+a0b1Z
a2+a1b1+a0b2Z
. . .
et une r´
ecurrence imm´
ediate montre que les aksont entiers.
12. (a) On a, vu ce qui pr´
ec`
ede, ak[[n, n]] pour tout ket, par cons´
equent, (ak, ak+1, . . . , ak+n)
[[n, n]]n+1. L’application k7→ (ak, ak+ 1, . . . , ak+n)de Ndans [[n, n]]n+1 ne peut donc pas
ˆ
etre injective et il existe k, ` tels que 06k < ` et
(ak, ak+ 1, . . . , ak+n)=(a`, a`+ 1, . . . , a`+n).
(b) Par lin´
earit´
e, il suffit de v´
erifier l’´
egalit´
e lorsque Fest un polynˆ
ome de la forme Xs. Or
n
X
i=1
zs
i(z`
izk
i) =
n
X
i=1
zs+`
i
n
X
i=1
zs+k
i=as+`as+k= 0
(c) Comme Pest irr´
eductible, PP0, qui est un diviseur strict de P, vaut 1. Donc les racines
complexes de Psont distinctes (rappelons que le pgcd de deux polynˆ
omes `
a coefficients
dans Qest le mˆ
eme, que l’on voit ces polynˆ
omes comme ´
el´
ements de Q[X]ou de C[X]).
Les relations obtenues dans 12b. pour F=Xsdonnent, en prenant s[[0, n 1]] :
1 1 . . . 1
z1z2. . . zn
.
.
..
.
.. . . .
.
.
zn1
1zn
2. . . zn1
n
z`
1zk
1
z`
2zk
2
.
.
.
z`
nzk
n
= 0
Comme les zisont deux `
a deux distincts, la matrice de Vandermonde est inversible d’o`
u,
pour tout i,z`
i=zk
i. Notons qu’on aurait pu, depuis 12a, faire courir idans [[0, n 1]] plutˆ
ot
que [[0, n]].
13. (a) Il est bien connu que, pour k[[1, p 1]],p
kest un multiple de p. Cette propri´
et´
e, et la
formule du binˆ
ome, montrent l’existence de H.
(b) Puisque zUn,zest un entier alg´
ebrique. Donc, par 5b.,ΠzZ[X]. Posons Πz=
Xs+bs1Xs1+. . . +b1X+b0. On a, en utilisant 13a. ´
etendu `
a la somme d’un nombre
quelconque de polynˆ
omes (r´
ecurrence imm´
ediate), l’existence d’un polynˆ
ome GZ[X]tel
que
Πz(X)p=Xsp +bp
s1Xp(s1) +. . . bp
1Xp+bp
0+pG(X)
Or, par le petit th´
eor`
eme de Fermat, bp
kbk[p]. Donc il existe FZ[X]tel que
Πz(X)p= Πz(Xp) + pF (X)
(c) La derni`
ere relation entraˆ
ıne :
Πz(zp) = pF (z)
Et, puisque l’ensemble des entiers alg´
ebriques est un anneau, Πz(zp)
p=F(z)est un entier
alg´
ebrique.
14. (a) On a n
Y
i=1
P0(zi) =
n
Y
i=1 Y
j6=i
(zizj)=(1)n(n1)
2Y
i<j
(zizj)2,
et, par ailleurs
n
Y
i=1
P0(zi) =
n
Y
i=1
nzn1
i=nn n
Y
i=1
zi!n1
=(1)(n+1)n1nn= (1)n21nn= (1)n1nn.
On en d´
eduit
Y
i<j
(zizj)2= (1)n(n+1)
2+1nn
(b) Les racines de Πzsont bien sˆ
ur des ´
el´
ements de Unet elles sont distinctes (4b.). Posons
I={i[[1, n]]; Πz(zi)=0}. Supposons Πz(zp)6= 0. Alors, puisque zpUn, il existe
k[[1, n]] \Itel que zp=zk. Il vient Πz(zp) = Y
iI
(zkzi). Or ce produit peut ˆ
etre isol´
e
dans le produit ´
etudi´
e dans la question pr´
ec´
edente :
Y
i<j
(zizj)2=vΠz(zp)
o`
uv, qui est un produit de termes de la forme (zjzi), tous entiers alg´
ebriques, est un
entier alg´
ebrique (via le th´
eor`
eme admis). Il vient nn=uΠz(zp), o`
uu= (1)n(n+1)
2+1vest
un entier alg´
ebrique. Comme l’ensemble des entiers alg´
ebriques est un anneau (th´
eor`
eme
admis), nn
p=u×Πz(zp)
pest un entier alg´
ebrique. Comme nn
pest un rationnel, 5a. montre
que c’est un entier, ce qui est absurde puisque pest un nombre premier qui ne divise pas n.
On a prouv´
eΠz(zp) = 0.
(c) Soit wun ´
el´
ement de Pnqui est aussi racine de Πz. On a Πz= Πwd’apr`
es 3b. donc, par
14b. appliqu´
e`
aw,Πz(wp) = Πw(wp) = 0. En outre, wpest encore ´
el´
ement de Pnpuisque,
on le sait, l’ordre de wpdans Unvaut n
np=n. On en d´
eduit ais´
ement que, pour tout
kNpremier avec n,Πz(zk) = 0. Comme Pn={zk, k n= 1}, il vient Φn|Πzd’o`
u,
puisque Πzest irr´
eductible et que ces deux polynˆ
omes sont unitaires, Φn= Πz.
15. (a) C’est un calcul imm´
ediat.
(b) Puisque Pest unitaire et r´
eciproque, son coefficient constant vaut 1et 0n’est pas racine de
P:x6= 0. Soit sl’ordre de xen tant que racine de P. Posons P= (Xx)sQ, o`
uQ(x)6= 0.
On a P=XdP(1/X) = Xs1
Xxs
XdsQ(1/X) = (1 xX)sXdsQ(1/X). Comme
1/x n’est pas racine de Q(1/X),1/x est racine d’ordre sde P.
16. Comme ΠxQ[X],1
x=xest racine de Πx. Puisque x /∈ {−1,1},1/x est distinct de x.
C’est donc un conjugu´
e de x. On a donc, par 3a.,Π1/x = Πx. Or, en notant dle degr´
e de
Πx,XdΠx(1/X)est un polynˆ
ome de degr´
edqui annule 1/x. Donc il existe λQtel que
XdΠx(1/X) = λΠ1/x = Πx. Ceci montre que l’ensemble Zdes racines de Πxest stable par
z7→ z1. Comme 1et 1ne sont pas racines de Πx(car leur polynˆ
ome minimal vaut X1
et X+ 1 respectivement, tandis que toute racine de ΠxaΠxpour polynˆ
ome minimal), on a
Y
zZ
z= 1. Les racines de Πx´
etant simples, il vient que deg(Πx)est pair et Πx(0) = 1. Ceci
montre que XdΠx(1/X)est unitaire, donc λ= 1. Par cons´
equent, Πxest r´
eciproque.
17. (a) On a γ /∈ {−1,1}car 1et 1sont alg´
ebrique de degr´
e1, tandis que γest alg´
ebrique de
degr´
e2(car Πγ= Πα). Par 16.,Πα= Πγest r´
eciproque.
(b) Si γ´
etait une racine de l’unit´
e, donc une racine de Xm1pour une certain m, on aurait
Πγ|Xm1. Donc αserait une racine de l’unit´
e et, puisque αR,αappartiendrait `
a{−1,1}.
Donc γn’est pas une racine de l’unit´
e.
(c) Si βest une racine de Παde module diff´
erent de 1, alors βou 1est de module strictement
sup´
erieur `
a1. Comme Παest r´
eciproque, ce sont deux racines de Πα. Or, par d´
efinition de
S,αest l’unique racine de Παde module strictement sup´
erieur `
a1. Donc β=αou β=1
α.
On en d´
eduit que tous les conjugu´
es de αautres que 1sont de module 1.
18. Si α∈ S est de degr´
e impair, alors Πα, dont toutes les racines sont distinctes (4b.), admet un
nombre impair de racines. Comme toutes les racines autres que αet 1sont de module 1,Πα
admet 1ou 1pour racine, ce qui est absurde (le degr´
e de Παest au moins 2). Donc αest de
degr´
e pair. Si ce degr´
e valait 2, on aurait C(α) = {1}, ce qui contredit la d´
efinition de S.
Donc le degr´
e de αest pair, au moins ´
egal `
a 4.
19. Si Pnadmet une racine zQ, alors zest un entier alg´
ebrique rationnel, donc, par 5a.,zZ.
La relation z(z3+ (6 + n)z2(10 + n)z+ (6 + n)) = 1 montre que zest inversible dans Z,
donc z=±1. Or Pn(1) = n6= 0 et Pn(1) = 24 + 3n6= 0, donc Pnn’admet aucune racine
rationnelle. Par ailleurs, puisque Pn(1) <0et lim
x+Pn(x) = +, le th´
eor`
eme des valeurs
interm´
ediaires montre que Pnadmet une racine dans ]1,+[.
20. Comme Pnest un polynˆ
ome r´
eciproque, cela r´
esulte de 15b.
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