DJ - FAMILLES DE POLYNOMES
I. Une famille remarquable de polynômes
Pour tout entier npositif, on note Γnle polynôme
Γn(X) = X(X1) ···(Xn+ 1)
n!,
et
γn=n! Γn.
Les polynômes Γnforment une base de R[X]. On a tout d’abord les formules suivantes :
Γ0(X+ 1) Γ0(X) = 0 ,
n1,Γn(X+ 1) Γn(X) = Γn1(X),
n0, XΓn(X) = (n+ 1)Γn+1(X) + nΓn(X).
La première formule est évidente puisque Γ0= 1. Pour la deuxième
Γn(X+ 1) Γn(X) = (X+ 1)X···(Xn+ 2)
n!X(X1) ···(Xn+ 1)
n!
=X(X1) ···(Xn+ 2)
n!((X+ 1) (Xn+ 1))
=nX(X1) ···(Xn+ 2)
n!
=X(X1) ···(Xn+ 2)
(n1)! ,
ce qui donne le résultat.
Pour la troisième formule
XΓn(X) = ((Xn) + nn(X) = (Xnn(X) + nΓn(X).
Mais
(Xnn(X) = X(X1) ···(Xn)
n!= (n+ 1) X(X1) ···(Xn)
(n+ 1)! = (n+ 1)Γn+1(X),
donc
XΓn(X) = (n+ 1)Γn+1(X) + nΓn(X).
DJ 2
Proposition 1 Il existe une suite (Pn)n0de polynômes et une seule telle que
1) P0(X) = 1
2) Pour tout n1,Pn(X+ 1) Pn(X) = XPn1(X)
3) Pour tout n1,Pn(0) = 0.
Ces polynômes vérifient alors
i) deg Pn= 2n
ii) Si n1, l’ensemble des racines de Pncontient {0,...,n}.
Notons
Pn(x) =
X
k=0
λk
nΓk(X),
ainsi que
αn= deg Pnet βn= inf{k|λk
n6= 0}.
Donc
Pn(x) =
αn
X
k=βn
λk
nΓk(X).
On a alors
Pn(X+ 1) Pn(X) =
X
k=0
λk
nk(X+ 1) Γk(X))
=
X
k=1
λk
nΓk1(X)
=
X
k=0
λk+1
nΓk(X).
D’autre part
XPn1(X) =
X
k=0
λk
n1XΓk(X)
=
X
k=0
λk
n1((k+ 1)Γk+1(X) + kΓk(X))
=
X
k=1
λk1
n1kΓk(X) +
X
k=0
λk
n1kΓk(X)
=
X
k=1
k(λk
n1+λk1
n1) Γk(X).
L’égalité
Pn(X+ 1) Pn(X) = XPn1(X),
est donc équivalente à
DJ 3
(1) λ1
n= 0 et k1, λk+1
n=k(λk
n1+λk1
n1).
Avec de plus, si n1,
Pn(0) = λ0
n= 0 .
A partir de P0= Γ0= 1, on obtient immédiatement que
P1(X) = Γ2(X).
On a donc
α1=β1= 2 .
Puis tous les polynômes sont obtenus de proche en proche de manière unique. De la relation entre les
coefficients de Pnet de Pn1, on déduit que ces coefficients sont tous positifs.
Soit n1. Etudions maintenant les degrés. Puisque λαn1
n1n’est pas nul, on a
λαn1+2
n= (αn1+ 1) (λαn1+1
n1+λαn1
n1)>0.
D’autre part, si k > αn1+ 2, alors k1> k 2> αn1, donc
λk
n= (k1)(λk1
n1+λk2
n1) = 0 .
Il en résulte que
αn=αn1+ 2 ,
et donc, par récurrence, que αn= 2n.
On procède de même avec les nombres βn. Puisque λβn1
n1n’est pas nul, on a
λβn1+1
n=βn1(λβn1
n1+λβn11
n1)>0.
D’autre part, si 0k < βn1+ 1, alors k2< k 1< βn1, donc
λk
n= (k1)(λk1
n1+λk2
n1) = 0 .
Il en résulte que
βn=βn1+ 1 ,
et donc, par récurrence, que βn=n+ 1.
Finalement
Pn(X) =
2n
X
k=n+1
λk
nΓn(X).
On peut donc mettre Γn+1(X)en facteur
Pn(X) = Γn+1(X)
2n
X
k=n+1
λk
n
(n+ 1)!
k!(Xn1) ···(Xk+ 1) ,
ce qui montre que les nombres 0,1, . . . , n sont racines de Pn.
DJ 4
Voici la table des premiersλk
n:
k= 2 k= 3 k= 4 k= 5 k= 6 k= 7 k= 8 k= 9 k= 10
n= 1 1
n= 2 2 3
n= 3 6 20 15
n= 4 24 130 210 105
n= 5 120 924 2380 2520 945
Voici la procédure Maple permettant de les créer ainsi que de trouver les polynômes Pn.
B := proc (n) local k, j, Q ;
global L, P ;
L := array(sparse,1 .. n,1 .. 2*n) ;
for k from 3 to n do L[1,k] := 0 od ; L[1,2] := 1 ;
for k from 3 to 2*n do for j from 2 to n do
L[j,k] := (k-1)*(L[j-1,k-1]+L[j-1,k-2]) od od ;
P := array(sparse,1 .. 2*n) ;
P[1] := X ;
for k from 2 to 2*n do P[k] := (X-k+1)*P[k-1]/k od ;
Q := 0 ;
for k from n+1 to 2*n do Q := Q+L[n,k]*P[k] od ;
print(evalm(L)) ; print(factor(Q))
end
Il résulte de l’équation (1) que
λn+1
n=n
n1et λ2n
n= (2n1)λ2n2
n1
d’où, par récurrence,
λn+1
n=n! et λ2n
n= 1 ×3× · · · × (2n1) = (2n)!
2nn!.
On obtient facilement les premiers polynômes :
P2(X) = 2Γ3(X) + 3Γ4(X).
Donc
P2(X) = X(X1)(X2)
3+X(X1)(X2)(X3)
8
=X(X1)(X2)
24 (8 + 3(X3))
=X(X1)(X2)(3X1)
24 .
DJ 5
P3(X) = 6Γ4(X) + 20Γ5(X) + 15Γ6(X).
Donc
P3(X) = X(X1)(X2)(X3)
4+X(X1)(X2)(X3)(X4)
6
+X(X1)(X2)(X3)(X4)(X5)
48
=X(X1)(X2)(X3)
48 (12 + 8(X4) + (X4)(X5))
=X(X1)(X2)(X3)
48 (X2X)
=X2(X1)2(X2)(X3)
48 .
P4(X) = 24Γ5(X) + 130Γ6(X) + 210Γ7(X) + 105Γ8(X).
Donc
P4(X) = X(X1)(X2)(X3)(X4)
5+13X(X1)(X2)(X3)(X4)(X5)
72
+X(X1)(X2)(X3)(X4)(X5)(X6)
24
+X(X1)(X2)(X3)(X4)(X5)(X6)(X7)
384
=X(X1)(X2)(X3)(X4)
5760 [1152 + 1040(X5)
+240(X5)(X6) + 15(X5)(X6)(X7)]
=X(X1)(X2)(X3)(X4)
5760 (15X330X2+ 5X+ 2) .
On peut calculer également
P5(X) = X2(X1)2(X2)(X3)(X4)(X5)(3X27X2)
11520 .
De la relation de définition on tire que, pour tout entier jet pour tout n1,
Pn(Xj)Pn(Xj1) = (Xj1)Pn1(Xj1) ,
et donc en sommant
Pn(X)Pn(Xs) =
s1
X
j=0
(Pn(Xj)Pn(Xj1)) =
s1
X
j=0
(Xj1)Pn1(Xj1) .
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