Dans toute la suite, K désigne le corps des réels, le corps des

Polynômes
Dans toute la suite, Kdésigne le corps des réels, le corps des complexes ou un sous corps de C.
1. (K[X],+,)
1.1. Dénitions.
Dénition
(Dénition dun polynôme)
.
On appelle polynôme formel à coecients dans
K
(ou polynôme à
une indéterminée
X
) toute suite innie déléments de
K
notée
(a0,a1,...,an,...)
, avec
iNaiK
, telle
qu’à partir dun certain rang tous les éléments de la suite sont nuls.
On notera P=(a0,a1,...,an,...). Les aisont les coecients de Pet a0est appelé terme constant.
On note K[X]lensemble des polynômes à coecients dans K.
Polynôme nul. Cest le polynôme tel que iN,ai=0et on le note 0K[X].
Dénition (degré et valuation).Soit P=(a0,a1,...,an,...)K[X]un polynôme non nul.
Le degré de
P
est le plus grand indice
nN
tel que
an0
et pour tout
k>n
on a
ak=0
. On le note
deg(P).
La valuation de
P
est le plus petit indice
i
tel que
ai0
et si il existe
kN
avec
k<i
alors
ak=0
. On le
note val(P).
Propriété. Si P=(a0,a1,...,an,...)K[X]un polynôme non nul, alors :
k>deg Pon a ak=0
– si val P1alors 0k<val Pon a ak=0
val Pdeg P
val P=deg PP=(0,...,0,an(0),0,...,0,...). Dans ce cas Pest appelé monôme.
Égalité de deux polynômes.
Les deux polynômes
P=(a0,a1,...,an,...)
et
Q=(b0,b1,...,bn,...)
sont
égaux (on écrit P=Q) si et seulement si ai=bipour tout iN.
1.2.
Opérations sur les polynômes – structure de K[X].
Dans la suite,
P=(a0,a1,...,an,...)
et
Q=
(b0,b1,...,bn,...).
Somme de Pet Q.
Le polynôme somme de
P
et
Q
, noté
P+Q
est égal à
(a0+b0,a1+b1,...,an+bn,...)
.
P+Qest un polynôme car pour tout k>max(deg P,deg Q)on a ak+bk=0.
Cette addition est une loi de composition interne qui procure à
K[X]
une structure de groupe abélien,
(K[X],+)
. Lélément neutre pour cette loi est le polynôme nul
0K[X]
et le symétrique de
P
pour cette addition
est le polynôme noté Pdéni par P=(a0,a1,...,an,...).
Multiplication interne de Pet Q.On pose P×Q=PQ =(c0,c1,...,cn,...)déni par
kN,ck=
k
i=0
aibki.
PQ
est un polynôme car si
k>deg P+deg Q
alors
ck=0
. Il sut de remarquer que si
i{0,...,k}
(avec
k>deg P+deg Q
) alors
ideg Pkikdeg P>deg Qbki=0
et
i>deg Pai=0
, ce qui
donne dans tous les cas aibki=0, d’ ck=0.
On démontre que si
P
,
Q
et
R
sont des polynômes alors
PQ =QP
,
(PQ)R=P(QR)
et
(P+Q)R=
PR +QR
. De plus la relation (à vérier)
(1,0,...,0,...)P=P(1,0,...,0,...)=P
nous montre que
(1,0,...,0,...)est l’élément neutre pour la multiplication interne.
Conclusion. (K[X],+,)est un anneau commutatif unitaire.
Proposition. Si Pet Qsont deux polynômes non nuls alors deg(PQ)=deg P+deg Q.
Preuve.
On sait déjà que si
kdeg P+deg Q+1
alors
ck=0
. Posons
n=deg P
,
m=deg Q
et montrons
que cn+m=anbm. D’après la dénition cn+m=n+m
k=0akbn+mk. Or daprès la dénition du degré on a :
k<deg Pn+mk>mbn+mk=0
2
k>deg Pak=0
k=deg Pakbn+mk=anbm
, ce qui donne le résultat. Ainsi
cn+m=anbm0
(car
an0
et
bm0
),
ddeg(PQ)=deg P+deg Q.
Conséquence. (K[X],+,)est un anneau commutatif intègre unitaire.
Multiplication par un scalaire. Si λKon dénit le polynôme λP =(λa0,λa1,...,λan,...).
1.3.
Notation dénitive.
Posons
X=(0,1,0,...,0,...)
. On obtient par calcul que
X2=(0,0,1,...,0,...)
,
X3=(0,0,0,1,...,0,...)
, etc. Identions les constantes
αK
avec le polynôme
(α,0,0,...,0,...)
(on peut remarquer que cette identication est compatible avec la multiplication interne et externe, i.e.
αP =(α,0,0,...,0,...)P
). La structure danneau de
(K[X],+,)
permet alors décrire le polynôme
P=
(a0,a1,...,an,...)sous la forme et en posant n=deg P
P=a0+a1X+a2X2+ ⋯ + anXn+(termes nuls)=a0+a1X+a2X2+ ⋯ + anXn=
n
k=0
akXk.
Nous adopterons désormais cette écriture pour les polynômes.
Les polynômes de degré 0 s’appellent les constantes.
Dénition.
Soit
P=anXn+⋯+a1X+a0
un polynôme de degré
n
(i.e.
an0
). Alors
an
sappelle le
coecient dominant de
P
et
anXn
sappelle le monôme de plus haut degré de
P
. Si
an=1
on dit que le
polynôme est unitaire.
2. Les deux divisions de polynômes dans K[X]
2.1. Divisibilité dans K[X].
Dénition.
Soient deux polynômes non nuls
A
et
B
. On dit que
B
divise
A
, ou
A
est multiple de
B
sil existe
QK[X]{0K[X]}tel que A=BQ. On écrit aussi que BA.
Propriété. AK[X]avec A0on a AA.
A,B,C,DK[X]{0K[X]}:
Si ABet BCalors AC.
Si ABet ACalors A(B+C).
Si ABet CDalors ACBD.
Si
I
désigne lensemble des multiples de
B
, i.e.
I=BK[X]=K[X]B={BQ ;QK[X]}
alors
I
vérie les
deux propriétés,
(1) PK[X],QI,PQ I
(2) Q1,Q2I,Q1Q2I.
2.2. Division euclidienne.
éorème.
Soient deux polynômes non nuls
A
et
B
. Il existe un unique couple
(Q,R)
de polynômes de
K[X]
tel que
A=BQ +R
et (
deg R<deg B
ou bien
R=0K[X]
). Déterminer ce couple
(Q,R)
cest eectuer
la division euclidienne du polynôme Apar le polynôme B.
Preuve. Montrons tout dabord l’existence d’un tel couple. Si deg A<deg Balors le couple (0K[X],A)
convient.
Si deg Adeg B, posons n=deg Aet m=deg B. Les polynômes Aet Bsécrivent alors
A=anXn+an1Xn1+ ⋯ + a1X+a0avec an0,
B=bmXm+bm1Xm1+ ⋯ + b1X+b0avec bm0.
Comme
nm
, posons
Q1=an
bmXnm
. Ainsi le polynôme
R1
dénie par
R1=ABQ1
est de degré au plus
n1. Deux cas sont alors possibles.
1er cas : deg R1<deg B. Alors A=BQ1+R1et le couple (Q1,R1)convient.
3
2ème cas : deg R1deg B. On continue le procédé en considérant R1et Bet en posant
Q2=coecient de plus haut degré de R1
bm
Xdeg R1m.
Le polynôme
R2
déni par
R2=R1BQ2
est de degré strictement plus petit que
deg R1
. De la même façon
que précédemment ou bien
deg R2<deg B
et alors
(Q1+Q2,R2)
convient, ou bien on continue le procédé.
En itérant on obtient ainsi :
R1=ABQ1avec deg R1<deg A;
R2=R1BQ2avec deg R2<deg R1;
⋮ ⋮
Rk=Rk1BQkavec deg Rk<deg Rk1.
On construit une suite nie de polynômes
Ri
, dont les degrés sont décroissants dau moins une unité à chaque
étape. Au bout dun nombre ni détapes on obtient
kN
tel que (
deg Rk<deg B
ou bien
Rk=0K[X]
) et
deg Rk1deg B. D’ A=B(Q1+Q2+ ⋯ + Qk)+Rket deg Rk<deg B.
Montrons lunicité dun tel couple. Soient
Q,R,S,TK[X]
tels que
A=BQ +R
,
A=BS +T
,
deg R<deg B
et
deg T<deg B
. Si
R=T
alors
B(QS)=0
et comme
K[X]
est un anneau intègre et
B0
on en
déduit que
Q=S
. Supposons que
RT
et montrons que lon aboutit à une contradiction. En eet si
RT0alors B(QS)0, d’deg(B(QS)) =deg B+deg(QS)deg B. Or nous avons
deg(TR)max(deg T,deg R)<deg B, d’où la contradiction puisque TR=B(QS).
Exemple : Soient A=3X5+4X2+1et B=X2+2X+3.
3X5+4X2+1X2+2X+3
3X5+6X4+9X33X36X2+3X+16
6X49X3+4X2+1
− −6X412X318X2
3X3+22X2+1
3X3+6X2+9X
16X29X+1
16X2+32X+48
41X47
Donc Q=3X36X2+3X+16 et R=41X47.
2.3. Division suivant les puissances croissantes de Xà lordre k,kN.
éorème.
Soient deux polynômes non nuls
A
et
B
tels que
val B=0
(i.e. le coecient “constant’’ de
B
est
non nul) et
k
un élément de
N
. Il existe un unique couple
(Q,R)
déléments de
K[X]
tel que
A=BQ+Xk+1R
avec
Q=0
ou
deg Qk
. Déterminer le couple
(Q,R)
cest eectuer la division de
A
par
B
suivant les
puissances croissantes de Xà l’ordre k.
Preuve.
Montrons tout dabord lexistence. Posons
i=val A
,
n=deg A
et
m=deg B
. Les polynômes
A
et
B
sécrivent alors
A=aiXi+ai+1Xi+1+ ⋯ + anXnavec an0,ai0
B=b0+b1X1+ ⋯ + bmXmavec bm0,b00(val B=0).
Distinguons 2 cas.
1er cas :
val A>k
. Posons
R0=aiXi(k+1)+ ⋯ + anXn(k+1)
. On a
A=Xk+1R0
et le couple
(0,R0)
convient.
2ème cas :
val Ak
. Posons
Q1=ai
b0Xi
et
R1=ABQ1
. Il est facile de vérier que
val R1>val A
et que
deg Q1=val Ak.
Si
val R1>k
alors
R1
sécrit
R1=Xk+1S1
, avec
S1K[X]
, ce qui donne
A=BQ1+Xk+1S1
et le couple
(Q1,S1)
convient.
Si
val R1k
posons
Q2=terme de plus bas degré de R1
b0
et
R2=R1BQ2
. On a
deg Q2=val R1
et
val R2>val R1
.
4
Dans le cas où
val R2>k
on obtient
R2=Xk+1S2
avec
S2K[X]
, d
A=B(Q1+Q2)+Xk+1S2
et le couple
(Q1+Q2,S2)convient. Sinon on continue le procédé...Ainsi de suite on construit
BQ1=R1avec deg Q1=val A,val R1>val A;
R1BQ2=R2avec deg Q2=val R1,val R2>val R1;
⋮ ⋮
Rk1BQk=Rkavec deg Qk=val Rk1,val Rk>val Rk1.
tels que la valuation de
Ri
croît au moins dune unité à chaque étape. Au bout dun nombre ni dopérations
on aura
val Rk1k
,
val Rk>k
et
A=B(Q1+Q2+ ⋯ + Qk)+Rk
. Comme chaque
Qi
est un monôme de
degré au plus
k
,
Q=Q1+Q2+⋯+Qk
est de degré au plus
k
. Comme
val Rkk+1
, on a
Rk=Xk+1R
avec
RK[X]. Ainsi le couple (Q,R)convient.
Montrons lunicité de ce couple. Supposons que
A=BQ +Xk+1S
,
A=BS +Kk+1T
avec
deg Qk
et
deg Sk
. Alors
B(QS)=Xk+1(RT)
. Si
R=T
on obtient que
B(QS)=0
, d
Q=S
. Si
RT
alors
B(QS)0
et
val(B(QS))=val B+val(QS)val B+deg(QS)k
; ce qui conduit à une
contradiction puisque
Xk+1(RT)0
entraîne que
val(Xk+1(RT)) =val Xk+1+val(RT)k+1
.
Finalement on obtient que R=Tet Q=S.
3. PGCD
éorème.
Soient
A
et
B
deux polynômes non nuls de
K[X]
. Considérons le sous–ensemble
I={AU +
BV ;UK[X],VK[X]}. Le sous-ensemble Ide K[X]est non vide et vérie :
(1) PK[X],QI,PQ I,
(2)
Q1,Q2I
,
Q1Q2I
. De plus, il existe un unique polynôme unitaire
DI
tel que
I=DK[X]=
{DQ ;QK[X]}
.
I
est alors lensemble des multiples de
D
.
D
divise
A
et
B
et est appelé le plus grand
commun diviseur de Aet Bet noté pgcd(A,B).
Preuve.
Comme
A
et
B
sont non nuls il est clair que
I
nest pas réduit à
{0}
. On démontre facilement que
I
vérie les propriétés (1) et (2). Posons
A={deg R;RIet R0}
.
A
est une partie non vide de
N
et admet
donc un plus petit élément no
α
. Soit
PI
tel que
deg P=α
(avec
P0
) et tel que
P
soit unitaire (on
remarque ici que lon peut toujours “rendre’’
P
unitaire avec (1) car
λKλP I
et il sut alors de choisir
λ=1aαavec aαle coecient du terme de plus haut degré de P).
Montrons que
RI
avec
R0
alors
P
divise
R
. En eet eectuons la division euclidienne de
R
par
P
.
Soit
(Q,S)
le couple déléments de
K[X]
tel que
R=QP +S
et
deg S<deg P
. Comme
R
et
P
sont éléments
de
I
on déduit de (1) et (2) que
RQP I
et ainsi
SI
. Comme
deg S<deg P
la dénition du degré de
P
entraîne que S=0. Ainsi on a R=QP et Pdivise R.
On en déduit alors que
I
est inclus dans lensemble des multiples de
P
, et avec (1) et (2) il est clair que
RK[X]on a RP I. Donc I=PK[X]et lexistence de Dest démontrée.
Montrons lunicité de
D
. S’il existe un deuxième polynôme unitaire
D
tel que
I=DK[X]
, on obtient
que
D
divise
D
(
DDK[X]
) et que
D
divise
D
(
DDK[X]
). Ainsi
D=λD
avec
λR
et comme
D
et
Dsont tous deux unitaires l’étude du coecient de plus haut degré nous donne λ=1c’est à dire D=D.
Propriété. Tout diviseur commun à Aet Bdivise Det est de degré plus petit (ou égal) que deg D.
Une conséquence immédiate du théorème précédent est lidentité de Bezout.
Identité de Bezout. Il existe U0,V0éléments de K[X]tels que D=AU0+BV0.
Algorithme d’Euclide. Soient Aet Bdeux polynômes non nuls tels que deg Adeg B.
Eectuons la division euclidienne de Apar B. Soient Q1et R1tels que A=BQ1+R1et deg R1<deg B.
1er cas :
R1=0
. On en déduit alors que
B
divise
A
et ainsi
pgcd(A,B)=λB
avec
λK
tel que
λB
soit
unitaire.
2ème cas :
R10
. Comme
ABQ1=R1
, on en déduit que
pgcd(A,B)
divise
R1
d
pgcd(A,B)
divise
B
et
R1
. De la même façon
pgcd(B,R1)
divise
BQ1+R1=A
, d
pgcd(B,R1)
divise
B
et
A
. Les propriétés
du pgcd entraînent que
pgcd(A,B)=pgcd(B,R1)
. On continue alors le procédé en eectuant la division
5
euclidienne de
B
par
R1
: soient
Q2
et
R2
tels que
B=R1Q2+R2
et
deg R2<deg R1
. Si
R2=0
on obtient
pgcd(B,R1)=λR1(avec λKtel que λR1unitaire) sinon pgcd(B,R1)=pgcd(R1,R2)et on continue...
On construit ainsi de suite
A=BQ1+R1avec deg R1<deg Bet pgcd(A,B)=pgcd(B,R1);
B=R1Q2+R2avec deg R2<deg R1et pgcd(B,R1)=pgcd(R1,R2);
⋮ ⋮
Rk1=RkQk+1+Rk+1avec deg Rk+1<deg Rket pgcd(Rk1,Rk)=pgcd(Rk,Rk+1).
La suite des polynômes
Rk
est une suite dont le degré de chaque terme diminue dau moins une unité à
chaque étape. Au bout d’un nombre ni de divisions il existe
k
tel que
Rk+1=0
et
Rk0
. La construction
nous donne alors
pgcd(A,B)=pgcd(B,R1)==pgcd(Rk1,Rk)=λRk
avec
λK
tel que
λRk
unitaire.
Remarque.
Si le dernier reste non nul
Rk
est de degré zéro, i.e.
Rk
est une constante, on obtient
pgcd(A,B)=
1.
Exemple Soient A=2X5+2X4+X3+1et B=3X4+X33X1. Successivement on calcule
A=2
3X+4
9B+5
9X3+2X2+2X+13
9
B=27
5X441
25 5
9X3+2X2+2X+13
9+612
5(X2+X+1)
5
9X3+2X2+2X+13
9=5
9X+13
9(X2+X+1)+0
Donc pgcd(A,B)=X2+X+1.
4. Polynômes premiers entre eux
Dénition. On dit que Aet Béléments non nuls de K[X]sont premiers entre eux si pgcd(A,B)=1.
éorème.
Soient
A
,
B
et
C
des éléments non nuls de
K[X]
. Si
A
divise
BC
et si
A
est premier avec
B
alors
Adivise C.
éorème
(éorème de Bezout)
.
Soient deux polynômes non nuls
A
et
B
. Pour que
A
et
B
soient premiers
entre eux il faut et il sut quil existe UK[X]et VK[X]tels que AU +BV =1.
Preuve du théorème.
Commençons par montrer (indépendamment des hypothèses) que
pgcd(BC,AC)=
λC pgcd(B,A)
λK
est tel que
λC
soit unitaire. Il est clair que tout diviseur de
λC pgcd(B,A)
divise
BC
et
AC
, donc
λC pgcd(B,A)
divise
pgcd(BC,AC)
. Inversement, daprès lidentité de Bezout, soient
U
et
V
tels
que
pgcd(B,A)=AU+BV
. On a alors
pgcd(B,A)C=(AC)U+(BC)V
et donc tout diviseur commun à
AC
et
BC
divise
pgcd(B,A)C
. Finalement les diviseurs communs à
AC
et
BC
sont les diviseurs de
pgcd(B,A)C
et comme λC pgcd(B,A)est un polynôme unitaire on en déduit que pgcd(BC,AC)=λC pgcd(B,A).
Supposons que
A
divise
BC
et que
A
est premier avec
B
. On obtient alors aisément que
A
divise
pgcd(BC,AC). Or on a pgcd(BC,AC)=λC pgcd(A,B)=λC. On en conclut que Adivise C.
Preuve du théorème de Bezout.
Supposons tout dabord que
A
et
B
sont premiers entre eux. Daprès lidenti
de Bezout, il existe
U
et
V
éléments non nuls de
K[X]
tels que
AU +BV =pgcd(A,B)=1
. Réciproquement
supposons quil existe
U
et
V
tels que
AU +BV =1
. Si
D
est un diviseur commun à
A
et
B
, alors
D
est un
diviseur commun à
AU
et
BV
, d
D
divise
AU +BV =1
. Ainsi tout diviseur commun à
A
et
B
est une
constante et pgcd(A,B)=1.
5. Polynômes premiers ou irréductibles
Dénition.
Un polynôme
P
est dit irréductible (ou premier) si
deg P1
et si les seuls diviseurs de
P
sont
les polynômes constants et les polynômes de la forme λP avec λK.
éorème
(Lemme d’Euclide)
.
Soit
P
un polynôme unitaire et irréductible. Si
P
divise le produit
AB
alors
il divise lun des facteurs.
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