Théorème de structure des polynômes symétriques

Développement: Théorème de structure des polynômes
symétriques
Adrien Fontaine
3 avril 2013
Référence : Ramis-Deschamps, Odoux, Cours de Mathématiques spéciales, Algèbre 1, p200
1 Préliminaires
Définition 1 (poids)
Si P=PiNnaiYi1
1...Y in
n, alors on définit le poids de Pet on note Π(P):
i(P) = max{i/ai6= 0,
n
X
k=1
kik=m}
Si Pest nul, on convient π(P) = −∞.
Proposition 1
Si PA[Y1, ..., Yn]est de poids Π(P), alors P1, ..., Σn)est de degré au plus Π(P).
Théorème 1
Soit Pun polynôme symétrique de A[X1, ..., Xn].Pa même degré partiel par rapport à chaque
indéterminée. Ce degré partiel s’appelle ordre de Pet est noté ω(P).
Démonstration : Si P= 0, il n’y a rien à démontrer.
Sinon, si p1=degX1(P), alors P"contient" le monôme Xp1
1...Xpn
n. En appliquant la transposition
τ= (1, i), on voit que Pcontient également le monôme apXp1
i...Xpn
τ(n), donc degXi(P)p1=
degX1(P).
De même, on montre que degX1(P)degXi(P).
Proposition 2
Si PA[Y1, ..., Yn]est de degré k, le polynôme symétrique P1, ..., Σn)de A[X1, .., Xn]est
d’ordre k.
2 Structure des polynômes symétriques
Nous aurons à utiliser le lemme suivant :
Lemme 1
Soit PA[X1, ..., Xn]tel qu’en substituant 0 à l’une quelconque des indéterminées dans
1
2 STRUCTURE DES POLYNÔMES SYMÉTRIQUES 2
P(X1, ..., Xn), on obtienne le polynôme nul. Alors Pest divisible par Σn=X1...Xn.
Démonstration : Posons P=PiNnaiXi1
1...Xin
n.
Pour tout 1 kn, associons l’ensemble Ikdes n-uplets i= (i1, ..., in) de Nntels que ik= 0.
On a l’égalité des polynômes
0 = P(X1, ..., Xk1,0, Xk+1, ..., Xn) = X
iIk
aiXi1
1...Xik1
k1Xik+1
k+1 ...Xin
n
Donc, iIk, ai= 0.
En faisant varier kentre 1 et n, on en déduit que aiest nul pour tout n-uplet idont l’une des
coordonnées est nulle. Autrement dit, ai6= 0 implique i(N)net donc on peut écrire
P=X
i(N)n
aiXi1
1...Xin
n=X1...XnX
i(N)n
Théorème 2
A tout polynôme PA[X1, ..., Xn]symétrique, de degré p, on peut associer un polynôme
QA[Y1, ..., Yn]de poids inférieur ou égal ptel que P(X1, ..., Xn) = Q1, ..., Σn).
Démonstration : Si P= 0, alors Q= 0 fonctionne.
Il s’agit de vérier une assertion de la forme An,p avec nNet pN. On va pour cela utiliser
une double récurrence.
An,p :PA[X1, ..., Xn]Sn/deg(P) = p, QA[X1, ..., Xn]/Π(Q)pP(X1, .., Xn)Q(σ1, ..., σn)
A1,p est vraie pour tout p: à tout polynôme P(X1), on peut associer Q=P.
Soit n2. On suppose que An1,p est vraie pour tout pN. Montrons par récurrence sur
pque An,p est vraie pour tout pN.
An,0est évidemment vraie.
Soit pN. On suppose que An,k est vraie pour tout k < p, et soit PA[X1, ..., Xn]Σn
tel que deg(P) = p.
Notons pour 1 gn1, (Σq)0le polynôme obtenu en substituant 0 à Xndans Σq.
On a :
Σq=X
1i1<...<inn
Xi1...Xiq
Donc,
q)0=X
1i1<...<inn1
Xi1...Xiq
Autrement dit, (Σq)0n’est autre que le q-ième polynôme symétrique élémentaire de
A[X1, ..., Xn1]. Considérons alors P(X1, ..., Xn1,0). Il est symétrique, de degré au plus
p. En utilisant An1,p, on peut écrire :
P(X1, ...Xn1,0) = Q1((Σ1)0, ..., n1)0)
Q1A[X1, ..., Xn1] est de poids au plus p.
Posons P1(X1, ..., Xn) = P(X1, ..., Xn)Q11, ..., Σn1).
Alors, P1est symétrique, de degré au plus p, et par construction P1(X1, ..., Xn1,0) = 0.
Par ailleurs, puisque P1est symétrique, pour tout 1 kn,P1(X1, ..., Xk1,0, Xk, ..., Xn) =
0. Donc, d’après le lemme, il existe P2A[X1, ..., Xn] tel que :
P1(X1, ..., Xn) = ΣnP2(X1, ..., Xn)
2 STRUCTURE DES POLYNÔMES SYMÉTRIQUES 3
P1et Σnsont symétriques, soit σSn, on a :
Σn(P2(X1, ..., Xn)P2(Xσ(1), ..., Xσ(n))) = 0
D’où, P2(X1, ..., Xn) = P2(Xσ(1), ..., Xσ(n)).
De plus, deg(P2)pn.
Ainsi, P2est symétrique, de degré ktel que k < p. Appliquons à P2l’hypothèse de
récurrence sur p,
P2(X1, ..., Xn) = Q21, ..., Σn)
Q2A[X1, ..., Xn] et où Q2est de poids au plus pn. Il vient
P(X1, ..., Xn) = Q1(σ1, ..., σn1) + ΣnQ21, ..., Σn)
Le polynôme Q1(Y1, ..., Yn1) + YnQ(Y1, ..., Yn) est de poids au plus pet répond manifes-
tement à la question.
Remarque 1
La preuve fournit un algorithme pour calculer Q.
On peut même ajouter dans ce théorème que Qest de degré inférieur ou égal à l’ordre
ω(P)de P, en rajoutant cette propriété à l’assertion An,p.
On a aussi unicité : il suffit de vérifier que si QA[Y1, ..., Yn]est tel que Q1, ..., Σn) = 0,
alors Q= 0. Ce qui se fait par récurrence. 1.
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