TD DU CHAPITRE 2 – Polynômes `a coefficients dans R ou C

Universit´e de Bordeaux - 2016 2017 L2 - 4TTI302U (Alg`ebre 2)
TD DU CHAPITRE 2Polynˆ
omes `
a coefficients dans Rou C
EXERCICE 1
D´eterminer le groupe des inversibles de K[X], not´e (K[X]), c’est-`a-dire l’ensemble
(K[X])={PK[X],QK[X]/PQ =1}.
EXERCICE 2
1 ) D´efinir l’op´eration de composition not´ee sur K[X]avec K=Rou C.
Quel est le degr´e de PQ?
2 ) D´eterminer les Ptels que PP=P.
EXERCICE 3
Soit a,bdeux nombres complexes. Donner une forme r´eduite de A=
n
k=1
(a+b
ω
k), o`u les
ω
kd´esignent les
racines n-i`eme de l’unit´e.
EXERCICE 4
Soit P=a0+a1X+... +anXnC[X]. On pose
M=sup
|z|=1
|P(z)|.
Montrer que tous les coefcients de Psont major´es par M.
INDICATION Commencer par calculer P(1) + ... +P(
ω
n)avec
ω
une racine (n+1)-i`eme de l’unit´e.
EXERCICE 5
`
A quelle condition n´ecessaire et suffisante sur
λ
Cet
µ
Cle polynˆome X4+X3+
λ
X2+
µ
X+2 est-il
divisible par X2+2 ?
EXERCICE 6
Montrer que le polynˆome Q=X33X2+3X1 divise
P=2Xn+2(n+1)(n+2)X2+2n(n+2)Xn(n+1).
EXERCICE 7
Montrer que pour tout nN,nXn+2(n+2)Xn+1+ (n+2)Xnest divisible par (X1)3.
EXERCICE 8
Calculer le reste dans la division Euclidienne de (cos
α
+Xsin
α
)navec
α
]0,
π
[et nN.
EXERCICE 9
Soit PK[X].
1 ) Montrer que P(X)Xdivise PP(X)P(X).
2 ) En d´eduire que P(X)Xdivise PP(X)X.
3 ) On note Pn(X)le polynˆome PP... P.´
Etablir que P(X)Xdivise Pn(X)X.
EXERCICE 10
Soit (P
n)nNla suite de K[X]d´efinie par
P
0=0,P
1=1,nN,P
n+2=XP
n+1P
n.
1 ) Montrer que pour tout entier nN,P2
n+1=1+P
nP
n+2.
2 ) En d´eduire que pour tout entier n,P
net P
n+1sont premiers entre eux.
3 ) ´
Etablir que pour tout mNet tout nN, on a
P
m+n=P
nP
m+1P
n1P
m.
4 ) Montrer que pour tout mN, et pour tout nN,
PGCD(P
m+n,P
n) = PGCD(P
n,P
m).
En d´eduire que PGCD(P
m,P
n) = PGCD(P
n,P
r)o`u rest le reste de la division euclidienne de mpar n.
5 ) Conclure que PGCD(P
n,P
m) = P
PGCD(m,n).
EXERCICE 11
1 ) Soit (P,a,b)C[X]×C2. Quel est le reste de la division Euclidienne de Ppar (Xa)(Xb)? Traiter le
cas a6=bpuis a=b.
2 ) En d´eduire le reste de la division Euclidienne de (X+1)2n+1X2n+1par X2+X+1 pour tout entier
nN.
EXERCICE 12
1 ) Soit pun premier, n1,...,npdes entiers strictement positifs et dleur pgcd. Soit zune racine de Xn1+...+
Xnpp. Montrer que |z| ≥ 1.
2 ) Soit
Q=Xn1+...+Xnpp
Xd1
Montrer que Qest une somme de monˆomes du type (Xd)javec jentier strictement positif.
EXERCICE 13
Soient Kun corps et a1,...,anKdeux `a deux distincts.
1 ) Calculer n
i=1
j6=i
Xaj
aiaj
.
2 ) On pose A(X) =
n
j=1
(Xaj). Calculer
n
i=1
1
A(ai).
EXERCICE 14
Soit PZ[X]unitaire. Montrer que toute racine rationnelle est n´ecessairement un entier.
EXERCICE 15
Soit nN, montrer que le polynˆome
n
k=0
Xk
k!n’admet pas de racines multiples dans C.
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EXERCICE 16
1 ) ´
Etant donn´e un polynˆome PK[X], justifier l’existence d’un polynˆome primitif de P, c’est-`a-dire l’exis-
tence de QK[X]tel que Q=Po`u d´esigne la d´eriv´ee formelle habituelle sur les polynˆomes.
2 ) Trouver les polynˆomes PR[X]tels que
kZ,Zk+1
k
P(t)dt=k+1.
EXERCICE 17
Soit PR[X]. Montrer qu’il y a ´equivalence entre les deux assertions suivantes
xR,P(x)>0,
(A,B)R[X]2;P=A2+B2.
EXERCICE 18 (LAGUERRE)
Pour nN, on d´efinit Ln:RRpar
Ln(x) = exexxn)(n).
Observer que Lnest une fonction polynomiale dont on d´eterminera le degr´e et le coefficient dominant.
EXERCICE 19
On d´efinit une suite de polynˆomes (P
n)nNpar
P
0=2,P
1=X,nN,P
n+2=XP
n+1P
n.
1 ) Calculer P
2et P
3. D´eterminer degr´e et coefficient dominant de P
n.
2 ) Montrer que pour tout nN, et tout zC, on a
P
nz+1
z=zn+1
zn.
3 ) En d´eduire une expression simple de P
n(2cos
θ
)pour
θ
R.
4 ) D´eterminer les racines de P
n.
EXERCICE 20
1 ) Soit PR[X]. Donner le degr´e et le coefficient dominant du polynˆome
1
2(P(X+1)P(X1)).
2 ) Montrer qu’il existe un unique polynˆome P
nRn[X]tel que
1
2(P
n(X+1)P
n(X1)) = Xn.
3 ) Calculer P
0,P
1,P
2,P
3.
4 ) Montrer que la famille (P
k)06k6nest une base de Rn[X].
5 ) Trouver une relation entre P
n,P
n1et en d´eduire P(k)
nen fonction de P
nk.
6 ) Exprimer P
n(X+2)en fonction de P
0,...,P
net en d´eduire une relation de r´ecurrence donnant P
nen fonction
de P
0,...,P
n.
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EXERCICE 21
On souhaite d´eterminer les couples (P,Q)R[X]2tels que
P2+ (1X2)Q2=1.
1 ) D´eterminer les couples tels que Psoit constant.
2 ) Supposons `a pr´esent que deg(P) = n>0. Montrer que n´ecessairement P=±nQ avec nNpuis que
l’on peut se contenter de la relation P=nQ.
3 ) Montrer alors que Pest solution d’une ´equation diff´erentielle scalaire du second ordre `a coefficients non
constants et la r´esoudre.
INDICATION On pourra effectuer le changement de variable t=cos
θ
o`u td´esigne la variable de
l’´equation diff´erentielle.
4 ) Montrer alors que (P,Q) = ±Tn,±1
nT
no`u Tnd´esigne le n-i`eme polynˆome de TCHEBYCHEV
Tn=cos(narccos(
θ
)).
Justifier que Tnest un polynˆome.
EXERCICE 22 (PROBL `
EME)
On d´efinit pour tout entier nNles polynˆomes
Un=1
n!Xn(X1)n,P
n=U(n)
n.
1 ) a. Expliciter P
0,P
1,P
2,P
3.
b. Pour tout entier nN, montrer que P
n(1X) = (1)nP
n(X). Qu’en d´eduit-on sur la courbe repr´esentative
de P
n?
c. Montrer que P
nZ[X]et est de degr´e n. On d´eveloppera le polynˆome Unavant de le d´eriver.
Pr´eciser ensuite le coefficient dominant et le coefficient constant de P
nainsi que P
n(1).
d. En appliquant la formule de LEIBNIZ, montrer que
P
n=
n
k=0n
k2
Xnk(X1)k.
Retrouver ainsi la valeur du coefficient constant de P
net P
n(1). Justifier ´egalement que :
n
k=0n
k2
=2n
n.
2 ) Propri´
et´
es int´
egrales
a. Soient nNet f:[0,1]Rune application Cn.
En int´egrant par parties nfois, montrer que : Z1
0
Un(t)f(n)(t)dt= (1)nZ1
0
P
n(t)f(t)dt.
En d´eduire que pour tout QR[X], deg Q<deg PZ1
0
P
n(t)Q(t)dt=0.
b. Par des int´egrations par parties, calculer Z1
0
tn(1t)mdto`u m,nsont deux entiers.
En d´eduire que pour tout nN,Z1
0
Un(t)dt=(1)nn!
(2n+1)!.
c. Montrer que
Z1
0
P
n(t)P
m(t)dt=0,si m6=n,
on dit que (P
n)nNest une famille orthogonale dans L2([0,1]). Montrer que
Z1
0
P2
n(t)dt=1
2n+1.
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3 ) Racines des polynˆ
omes P
nSoit nN. Dans cette question on d´emontre par deux m´ethodes diff´erentes
que le polynˆome P
nposs`ede nracines distinctes et que ses racines sont dans ]0,1[.
a. Soit S={x1,...,xp}l’ensemble ´eventuellement vide des racines de P
ndans ]0,1[et qui sont de
multiplicit´e impaire, en convenant que x1< .... < xp.
Supposer que p<net utiliser 2a) pour Q=
p
k=1
(Xxk)(ou Q=1 si S=/0).
b. Autre m´ethode — revenir `a la d´efinition de P
net utiliser le th´eor`eme de Rolle.
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