Licence 1Algèbre

Division euclidienne et factorisation

50 min15 exercicesSéquence 2.2 — Licence 1
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Durée : 50 min

Division euclidienne et factorisation des polynômes

### 1. Théorème de la division euclidienne

Théorème. Soient A,B∈K[X]A, B \in \mathbb{K}[X] avec B≠0B \neq 0. Il existe un unique couple (Q,R)∈K[X]2(Q,R) \in \mathbb{K}[X]^2 tel que :

A=BQ+R,deg⁡R<deg⁡BA = BQ + R, \qquad \deg R < \deg B

QQ est le quotient et RR le reste de la division euclidienne de AA par BB. Si R=0R = 0, on dit que BB divise AA, noté B∣AB \mid A.

La méthode pratique reprend l'algorithme de division posée, en éliminant à chaque étape le terme de plus haut degré.

### 2. Exemple résolu de division euclidienne

Énoncé. Diviser A(X)=X4−2X3+3X−1A(X) = X^4 - 2X^3 + 3X - 1 par B(X)=X2−X+1B(X) = X^2 - X + 1.

Solution. On pose la division :

- X4÷X2=X2X^4 \div X^2 = X^2. On calcule X2⋅B=X4−X3+X2X^2 \cdot B = X^4 - X^3 + X^2. Reste partiel : (X4−2X3+3X−1)−(X4−X3+X2)=−X3−X2+3X−1(X^4-2X^3+3X-1) - (X^4-X^3+X^2) = -X^3 - X^2+3X-1.
- −X3÷X2=−X-X^3 \div X^2 = -X. On calcule −X⋅B=−X3+X2−X-X \cdot B = -X^3+X^2-X. Reste partiel : (−X3−X2+3X−1)−(−X3+X2−X)=−2X2+4X−1(-X^3-X^2+3X-1)-(-X^3+X^2-X) = -2X^2+4X-1.
- −2X2÷X2=−2-2X^2 \div X^2 = -2. On calcule −2⋅B=−2X2+2X−2-2 \cdot B = -2X^2+2X-2. Reste partiel : (−2X2+4X−1)−(−2X2+2X−2)=2X+1(-2X^2+4X-1)-(-2X^2+2X-2) = 2X+1.

Le degré de 2X+12X+1 (qui est 11) étant strictement inférieur à deg⁡B=2\deg B = 2, on arrête. On obtient :

Q(X)=X2−X−2,R(X)=2X+1Q(X) = X^2 - X - 2, \qquad R(X) = 2X+1

X4−2X3+3X−1=(X2−X+1)(X2−X−2)+(2X+1)X^4-2X^3+3X-1 = (X^2-X+1)(X^2-X-2) + (2X+1)

Vérification : en développant (X2−X+1)(X2−X−2)(X^2-X+1)(X^2-X-2) on retrouve bien X4−2X3+3X−1−(2X+1)=X4−2X3−2X^4-2X^3+3X-1-(2X+1) = X^4-2X^3-2, conforme au produit.

### 3. Division par (X−a)(X-a) et schéma de Horner

Diviser PP par (X−a)(X-a) donne toujours un reste constant, égal à P(a)P(a) (cf. leçon précédente). C'est le cas particulier le plus utile : si P(a)=0P(a) = 0, le quotient QQ vérifie P=(X−a)QP = (X-a)Q et deg⁡Q=deg⁡P−1\deg Q = \deg P - 1.

### 4. Théorème de factorisation

Théorème. Tout polynôme P∈K[X]P \in \mathbb{K}[X] non nul de degré n≥1n \geq 1, ayant des racines a1,…,apa_1, \ldots, a_p (distinctes) de multiplicités respectives k1,…,kpk_1, \ldots, k_p, se factorise sous la forme :

P(X)=an(X−a1)k1(X−a2)k2⋯(X−ap)kp Q(X)P(X) = a_n (X-a_1)^{k_1}(X-a_2)^{k_2}\cdots(X-a_p)^{k_p}\, Q(X)

où ana_n est le coefficient dominant de PP et QQ n'a aucune racine dans K\mathbb{K}, avec k1+⋯+kp+deg⁡Q=nk_1+\cdots+k_p+\deg Q = n.

Polynôme scindé. PP est dit scindé sur K\mathbb{K} si QQ est constant, c'est-à-dire si PP se factorise entièrement en facteurs de degré 11 : k1+⋯+kp=nk_1+\cdots+k_p = n.

### 5. Théorème de d'Alembert-Gauss et conséquences

Théorème de d'Alembert-Gauss (admis). Tout polynôme non constant de C[X]\mathbb{C}[X] admet au moins une racine dans C\mathbb{C}.

Conséquence 1 : C\mathbb{C} est algébriquement clos. Tout polynôme de degré n≥1n \geq 1 dans C[X]\mathbb{C}[X] est scindé sur C\mathbb{C}, c'est-à-dire s'écrit :

P(X)=an∏i=1n(X−zi)P(X) = a_n \prod_{i=1}^n (X - z_i)

où z1,…,zn∈Cz_1,\ldots,z_n \in \mathbb{C} (non nécessairement distincts) sont ses nn racines comptées avec multiplicité.

Conséquence 2 : polynômes irréductibles sur R\mathbb{R}. Les polynômes irréductibles de R[X]\mathbb{R}[X] sont exactement :
- les polynômes de degré 11 ;
- les polynômes de degré 22 à discriminant Δ<0\Delta < 0 (sans racine réelle).

En effet, tout polynôme réel se factorise sur C\mathbb{C} en facteurs (X−zi)(X-z_i) ; en regroupant chaque racine complexe non réelle avec sa conjuguée (qui est aussi racine, cf. leçon précédente), on obtient des facteurs réels de degré 22 : (X−z)(X−zˉ)=X2−2 Re(z) X+∣z∣2(X-z)(X-\bar z) = X^2 - 2\,\mathrm{Re}(z)\,X + |z|^2, à discriminant négatif.

### 6. Relations entre coefficients et racines : cas du second degré

Soit P(X)=aX2+bX+cP(X) = aX^2+bX+c (a≠0a\neq 0) de racines r1,r2∈Cr_1, r_2 \in \mathbb{C} (éventuellement confondues). On a P(X)=a(X−r1)(X−r2)=a(X2−(r1+r2)X+r1r2)P(X) = a(X-r_1)(X-r_2) = a\big(X^2 - (r_1+r_2)X + r_1 r_2\big). Par identification :

r1+r2=−bar1r2=car_1 + r_2 = -\frac{b}{a} \qquad r_1 r_2 = \frac{c}{a}

Exemple. Pour X2−5X+6X^2-5X+6 : on cherche deux nombres de somme 55 et de produit 66 : ce sont 22 et 33. Donc X2−5X+6=(X−2)(X−3)X^2-5X+6=(X-2)(X-3).

### 7. Formules de Viète en degré nn

Soit P(X)=anXn+⋯+a0=an(X−r1)⋯(X−rn)P(X) = a_n X^n + \cdots + a_0 = a_n(X-r_1)\cdots(X-r_n), racines r1,…,rn∈Cr_1,\ldots,r_n \in \mathbb{C}. En notant σk\sigma_k la kk-ième fonction symétrique élémentaire des racines (somme de tous les produits de kk racines distinctes), les formules de Viète donnent :

σk=(−1)kan−kan,k=1,…,n\sigma_k = (-1)^k \frac{a_{n-k}}{a_n}, \qquad k=1,\ldots,n

En particulier σ1=r1+⋯+rn=−an−1an\sigma_1 = r_1+\cdots+r_n = -\dfrac{a_{n-1}}{a_n} et σn=r1r2⋯rn=(−1)na0an\sigma_n = r_1 r_2\cdots r_n = (-1)^n \dfrac{a_0}{a_n}.

Exemple résolu (degré 3). Pour P(X)=X3−2X2−5X+6P(X) = X^3-2X^2-5X+6, qui admet pour racines 1,−2,31, -2, 3 (on vérifie P(1)=1−2−5+6=0P(1)=1-2-5+6=0, P(−2)=−8−8+10+6=0P(-2)=-8-8+10+6=0, P(3)=27−18−15+6=0P(3)=27-18-15+6=0) :

σ1=1+(−2)+3=2=−−21✓σ3=1×(−2)×3=−6=(−1)361✓\sigma_1 = 1+(-2)+3 = 2 = -\frac{-2}{1} \checkmark \qquad \sigma_3 = 1\times(-2)\times 3 = -6 = (-1)^3\frac{6}{1} \checkmark

### 8. Synthèse

| Résultat | Énoncé |
|---|---|
| Division euclidienne | A=BQ+RA = BQ+R, deg⁡R<deg⁡B\deg R < \deg B, unique |
| Division par (X−a)(X-a) | reste constant =P(a)=P(a) |
| d'Alembert-Gauss | tout P∈C[X]P\in\mathbb{C}[X] non constant a une racine dans C\mathbb{C} |
| Irréductibles sur R\mathbb{R} | degré 11, ou degré 22 à Δ<0\Delta<0 |
| Viète (degré 2) | r1+r2=−b/ar_1+r_2=-b/a, r1r2=c/ar_1r_2=c/a |
| Viète (degré nn) | σk=(−1)kan−k/an\sigma_k = (-1)^k a_{n-k}/a_n |

Exercices

Dans la division euclidienne A=BQ+RA = BQ+R, quelle condition doit vérifier RR ?

Quel est le reste de la division euclidienne de P(X)=X3−2X+5P(X)=X^3-2X+5 par (X−1)(X-1) ?

Pour P(X)=X2−7X+10P(X) = X^2-7X+10, quelle est la somme des racines ?

Vrai ou faux : un polynôme de degré 22 à discriminant strictement négatif est irréductible sur R\mathbb{R}.

Quel est le produit des racines de P(X)=2X2+3X−5P(X) = 2X^2+3X-5 ?

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