⋄⋄⋄ Polynômes unitaires de norme minimale Première partie

Spéciales MP
23/01/2006
Devoir surveillé n
8
⋄ ⋄ ⋄
Polynômes unitaires de norme minimale
Pour tout entier d0,on désigne par E
d
l’espace vectoriel complexe des
polymes à coefficients complexes de degré au plus det par U
d
le sous-ensemble
des polynômes unitaires de degd.
Premre partie
Soit nN
et soient x
1
, . . . , x
n
des nombres complexes distincts. On considère
le polynôme
P(X) =
n
k=1
(Xx
k
),
et l’on désigne par P
le polynôme dérivé de P.
1. Pour tout entier jtel que 1jn, on pose :
P
j
(X) = P(X)
(Xx
j
)P
(x
j
).
a) Montrer que cette expression définit un polynôme P
j
de degn1.
b) Calculer P
j
(x
k
)pour 1knet montrer que, pour tout polynôme F, le
polynôme L
F
=
n
j=1
F(x
j
)P
j
prend la même valeur que Fen tous les points
x
1
, . . . , x
n
.
c) Montrer que
n
j=1
P
j
= 1.
d) Les polynômes P
j
,1jn, forment-ils une base de E
n1
?
2. Pour 1jn, on pose P
j
(X) =
n1
i=0
b
i,j
X
i
b
i,j
C.Soient Vet Bles
matrices complexes n×ndont les éléments à la i
`eme
ligne (1in) et à la
j
`eme
colonne (1jn) sont (x
i
)
j1
et b
i1,j
respectivement. Montrer que V
est inversible, et que Vet Bsont inverses l’une de l’autre.
3. a) Montrer que b
n1,j
=1
P
(x
j
).terminer la valeur de
n
k=1
(x
k
)
j
P
(x
k
)pour
0jn1.
1
b) En déduire que
n
k=1
(Xx
k
)
n1
P
(x
k
)est un polyme constant que l’on calculera.
Dans toute la suite, dN
est un entier fixé, et Kest une partie compacte du
plan complexe, contenant au moins d+ 1 éléments. On pose ρ= sup
zK
|z|.Pour
tout polynôme Q∈ E
d
,on pose :
Q
K
= sup
zK
|Q(z)|.
Deuxième partie
Pour tout polynôme Q∈ E
d
défini par Q(X) =
d
i=0
a
i
X
i
,on pose :
N(Q) = sup
0id
|a
i
|.
1. a) Montrer que Q→ N(Q)et Q→ Q
K
sont des normes sur E
d
et qu’elles
sont équivalentes.
b) La fonction Q→ Q
K
est-elle continue sur l’espace vectoriel normé (E
d
, 
K
) ?
2. a) Majorer sup
Q∈E
d
Q=0
Q
K
N(Q)en fonction de ρ.
b) On choisit n=d+ 1 points distincts dans K, x
1
, . . . , x
d+1
,et l’on reprend
les notations de la première partie. On pose β= sup
0id
1jd+1
|b
i,j
|.En utilisant
les résultats de la question I.2, montrer que :
sup
QE
d
Q=0
N(Q)
Q
K
β(d+ 1) .
Dans toute la suite du problème, on pose : m= inf
Q∈U
d
Q
K
.
3. a) Montrer que 0mρ
d
.
b) Montrer que inf
Q∈U
d
Q
K
ρ
d
Q
K
=m.
c) Montrer qu’il existe Q
0
∈ U
d
tel que Q
0
K
=m.
Troisième partie
1. Soient kN
et cC
.Soit z
0
C.On considère le polynôme
Q(X) = 1 + c(Xz
0
)
k
.
2
montrer, pour tout ε > 0,l’existence de zCtel que |Q(z)|>|Q(z
0
)|et
|zz
0
|=ε.
indication :on introduira un réel θtel que c=|c|e
.
2. Plus généralement, soit Q∈ E
d
et soit z
0
C.On suppose que Q(z
0
) = 1 et
que Qn’est pas constant.
a) Montrer qu’il existe un entier k1,un nombre complexe c= 0,et un
polynôme Rtels que R(z
0
) = 0 et :
Q(X) = 1 + c(Xz
0
)
k
(1 + R(X))
b) Montrer que, pour tout réel ε > 0,il existe zCtel que |zz
0
|=εet
Q(z) = 1 + |c|ε
k
(1 + R(z))
c) Montrer que, pour tout réel r > 0,il existe zCtel que |zz
0
|< r et
|Q(z)|>|Q(z
0
)|.
indication :utiliser b) et majorer 1 + |c|ε
k
− |Q(z)|.
3. a) Montrer que la propriété démontrée à III.2.c) est satisfaite pour tout polyme
non constant Q∈ E
d
et pour tout point z
0
C.
b) En déduire que, pour tout Q∈ E
d
:
sup
|z|1
|Q(z)|= sup
|z|=1
|Q(z)|.
c) Soit Q∈ E
d
et ˜
Qfini par ˜
Q(X) = X
d
Q
1
X
.Montrer que ˜
Q∈ E
d
et que :
sup
|z|=1
˜
Q(z)
= sup
|z|=1
|Q(z)|.
4. Dans cette question, on choisit K={zC/|z|1}.Montrer que le polyme
Q
0
(X) = X
d
satisfait
Q
0
K
=m.
Quatrme partie
1. Soient z
0
et z
1
deux nombres complexes non nuls. Montrer que |z
0
+z
1
|=
|z
0
|+|z
1
|si et seulement s’il existe un réel λ > 0tel que z
1
=λz
0
.
Pour Q∈ E
d
,on pose
M(Q) = {zK / |Q(z)|=Q
K
}.
3
2. On suppose qu’il existe des polynômes distincts Q
0
∈ U
d
et Q
1
∈ U
d
vérifiant
Q
0
K
=Q
1
K
=m.
Pour tout t]0,1[ ,on pose Q
t
= (1 t)Q
0
+tQ
1
.
a) Montrer que, pour tout t[0,1] ,Q
t
K
=m.
b) Soit t]0,1[ et soit z M (Q
t
).Montrer que z M (Q
0
)et z M (Q
1
),
puis montrer que Q
0
(z) = Q
1
(z).
c) En déduire que, pour tout t]0,1[ ,card M(Q
t
)< d.
3. On suppose qu’il existe Q∈ U
d
tel que Q
K
=met tel que card M(Q)d.
a) Montrer qu’il existe un polynôme L∈ E
d1
tel que, pour tout z M (Q),
L(z) = Q(z).
b) Soit Q
p
=Q1
pLpour pN
.Montrer que, pour chaque pN
,il existe
z
p
Ktel que |Q
p
(z
p
)|Q
K
.
Kétant compact, il existe une suite strictement croissante d’entiers p→ n
p
telle que la suite p→ z
n
p
converge vers un élément K.
c) Montrer que |Q()|=Q
K
.En déduire que Q() = L().
d) Montrer que Qz
n
p
=Q() (1 + ε
p
)et Lz
n
p
=Q() (1 + ε
p
)1 + ε
p
,
(ε
p
)et ε
p
sont des suites de nombres complexes, définies pour passez
grand, telles que lim
p+
ε
p
= 0 et |1 + ε
p
|1,et lim
p+
ε
p
= 0.En
duire que, pour passez grand,
Q
n
p
z
n
p
<Q
K
.
e) Conclure.
4. Y a-t-il unicité du polynôme Q
0
∈ U
d
tel que Q
0
K
=m?
5. On suppose dans cette question que K= [1,1] .On admet qu’il existe un
unique polynôme T
d
tel que T
d
(cos θ) = cos pour tout réel θ, que ce polyme
est de degré det a pour coefficient dominant 2
d1
.On pose Q
d
=
1
2
d1
T
d
et
x
j
= cos
j
d
πpour 0jd.
a) Calculer Q
d
K
.
b) On suppose que Q∈ U
d
vérifie Q
K
<Q
d
K
.Déterminer le signe de
Q
d
(x
j
)Q(x
j
)pour 0jn, et en déduire une contradiction.
c) montrer que m=
1
2
d1
et que Q
d
est l’unique polynôme Q∈ U
d
tel que
Q
K
=m.
4
Spéciales MP
01/2006
Corrigé du devoir surveillé n
8
⋄⋄⋄
Premre partie
1. Une famille de polynômes
a) P
j
est un polynôme de degn1 : P
j
est bien défini, car les racines de Pétant simples, on a
P
(x
j
)= 0.Puis, P
j
=
1
P
(x
j
)
Q
j
avec Q
j
=
k=j
(Xx
k
),donc P
j
est un polynôme de deg
n1.
b) Polynôme L
F
:On a d’abord P
j
(x
k
) = 0 pour k=j. Puis, en écrivant P= (Xx
j
)Q
j
(cf.
notations du a)), on a P
=Q
j
+ (Xx
j
)Q
j
,en particulier P
(x
j
) = Q(x
j
),donc P
j
(x
j
) =
Q
j
(x
j
)
P
(x
j
)
= 1.On a donc P
j
(x
k
) = δ
j,k
pour 1j, k n. Ensuite, si on pose L
F
=
n
j=1
F(x
j
)P
j
,
on a L
F
(x
k
) =
n
j=1
F(x
j
)δ
j,k
=F(x
k
)pour tout k[[1, n]].
c)
n
j=1
P
j
= 1 : En effet, le polyme
n
j=1
P
j
1s’annule en chacun des points x
k
,1kn
et est de degré au plus n1,donc il est nul. On peut aussi le montrer en décomposant
1
P(X)
en
éléments simples : il existe des scalaires λ
1
, . . . , λ
n
tels que :
1
P(X)=
n
j=1
λ
j
Xx
j
et le coefficient λ
j
est égal à
1
P
(x
j
)
(si la fraction s’écrit
A
B
,avec λracine simple de Bnon racine
de A, le coefficient devant
1
Xλ
vaut
A
B
(λ)), ici A= 1, B =Pet λ=x
j
).
d) Une base : Si λ
1
, . . . , λ
n
sont des complexes tels que
n
j=1
λ
j
P
j
= 0,on a
0 =
n
j=1
λ
j
P
j
(x
k
) =
n
j=1
λ
j
δ
j,k
=λ
k
donc (P
1
, . . . , P
n
)est libre. Comme c’est un système de nvecteurs de E
n1
qui est un espace de
dimension n, c’est donc une base de E
n1
.
Remarque : On montre aisément par la même méthode que :
P∈ E
n1
, P =
n
j=1
P(x
j
)P
j
.
Les polynômes P
j
ne sont autres que les polynômes L
j
utilisées dans l’interpolation de La-
grange.
2. Matrices Vet B:Si 1i, j n, on a :
(V B)
i,j
=
n
k=1
V
i,k
B
k,j
=
n
k=1
(x
i
)
k1
b
k1,j
=
n
k=1
(x
i
)
k1
b
k1,j
=
n1
p=0
b
p,j
(x
i
)
p
=P
j
(x
i
) = δ
i,j
donc V B =I
n
.A fortiori, Vest inversible et V
1
=B.
Remarques : La seule relation V B =I
n
montre l’inversibilité des matrices et la relation B=
V
1
.D’autre part, on peut aussi interpréter Bcomme la matrice de passage de (1, X, . . . , X
n1
)à
1
1 / 10 100%

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