Licence 1Algèbre

Opérations, degré et racines

50 min15 exercicesSéquence 1.1 — Licence 1
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Durée : 50 min

Polynômes : opérations, degré et racines

### 1. Définition d'un polynôme

Soit K=R\mathbb{K} = \mathbb{R} ou C\mathbb{C}. Un polynôme à coefficients dans K\mathbb{K} est une expression de la forme :

P(X)=anXn+an−1Xn−1+⋯+a1X+a0,ai∈KP(X) = a_n X^n + a_{n-1}X^{n-1} + \cdots + a_1 X + a_0, \qquad a_i \in \mathbb{K}

L'ensemble de ces polynômes est noté K[X]\mathbb{K}[X]. Les aia_i sont les coefficients de PP, et XX est une indéterminée (un symbole formel, pas une variable réelle).

Si an≠0a_n \neq 0, on dit que PP est de degré nn, noté deg⁡P=n\deg P = n. Le terme anXna_n X^n est le terme dominant et ana_n le coefficient dominant. Par convention, le polynôme nul a pour degré deg⁡0=−∞\deg 0 = -\infty.

Un polynôme est unitaire (ou monique) si son coefficient dominant vaut 11.

### 2. Opérations sur les polynômes

Somme. Si P=∑i=0naiXiP = \sum_{i=0}^n a_i X^i et Q=∑i=0nbiXiQ = \sum_{i=0}^n b_i X^i (en complétant par des coefficients nuls si nécessaire), alors :

P+Q=∑i=0n(ai+bi)XiP + Q = \sum_{i=0}^{n} (a_i+b_i) X^i

Produit. Si PP est de degré nn et QQ de degré mm :

PQ=∑k=0n+mckXk,ck=∑i+j=kaibjPQ = \sum_{k=0}^{n+m} c_k X^k, \qquad c_k = \sum_{i+j=k} a_i b_j

Règles sur les degrés (pour P,Q≠0P, Q \neq 0) :

deg⁡(PQ)=deg⁡P+deg⁡Qdeg⁡(P+Q)≤max⁡(deg⁡P,deg⁡Q)\deg(PQ) = \deg P + \deg Q \qquad \deg(P+Q) \leq \max(\deg P, \deg Q)

avec égalité dans la seconde formule sauf si deg⁡P=deg⁡Q\deg P = \deg Q et que les termes dominants s'annulent.

Exemple résolu. Soient A=2X3+1A = 2X^3+1 et B=X2−XB = X^2 - X. Alors deg⁡A=3\deg A = 3, deg⁡B=2\deg B = 2, et :

AB=(2X3+1)(X2−X)=2X5−2X4+X2−XAB = (2X^3+1)(X^2-X) = 2X^5 - 2X^4 + X^2 - X

On vérifie deg⁡(AB)=5=3+2\deg(AB) = 5 = 3+2, conforme à la règle.

### 3. Fonction polynomiale et valeur en un point

À tout polynôme P=∑aiXiP = \sum a_i X^i, on associe la fonction polynomiale x↦P(x)=∑aixix \mapsto P(x) = \sum a_i x^i, en substituant à XX un élément x∈Kx \in \mathbb{K}. C'est cette évaluation qui permet de parler de « racine » d'un polynôme.

### 4. Racines d'un polynôme

Définition. Un élément a∈Ka \in \mathbb{K} est une racine (ou un zéro) de PP si P(a)=0P(a) = 0.

Théorème (racine et factorisation). Soit P∈K[X]P \in \mathbb{K}[X] et a∈Ka \in \mathbb{K}. Alors :

a est racine de P  ⟺  (X−a) divise Pa \text{ est racine de } P \iff (X-a) \text{ divise } P

Démonstration. (⇐\Leftarrow) Si (X−a)∣P(X-a) \mid P, on écrit P=(X−a)QP = (X-a)Q pour un certain Q∈K[X]Q \in \mathbb{K}[X]. Alors P(a)=(a−a)Q(a)=0P(a) = (a-a)Q(a) = 0.

(⇒\Rightarrow) Si P(a)=0P(a) = 0, on effectue la division euclidienne de PP par (X−a)(X-a) (cf. leçon suivante) : P=(X−a)Q+rP = (X-a)Q + r où rr est une constante (degré <1< 1). En évaluant en aa : P(a)=0⋅Q(a)+rP(a) = 0 \cdot Q(a) + r, donc r=P(a)=0r = P(a) = 0. Ainsi P=(X−a)QP = (X-a)Q, c'est-à-dire (X−a)∣P(X-a) \mid P. ■\blacksquare

### 5. Multiplicité d'une racine

Définition. aa est une racine de multiplicité k≥1k \geq 1 de PP si (X−a)k∣P(X-a)^k \mid P mais (X−a)k+1∤P(X-a)^{k+1} \nmid P, c'est-à-dire :

P=(X−a)kQ,Q(a)≠0P = (X-a)^k Q, \qquad Q(a) \neq 0

Une racine de multiplicité 11 est dite simple, de multiplicité 22 double, etc.

Caractérisation par les dérivées. aa est racine de multiplicité ≥k\geq k de PP si et seulement si :

P(a)=P′(a)=P′′(a)=⋯=P(k−1)(a)=0P(a) = P'(a) = P''(a) = \cdots = P^{(k-1)}(a) = 0

En particulier, aa est racine multiple (multiplicité ≥2\geq 2) si et seulement si P(a)=0P(a) = 0 et P′(a)=0P'(a) = 0.

### 6. Exemple résolu : détermination de la multiplicité

Énoncé. Étudier les racines de P(X)=X3−3X2+4P(X) = X^3 - 3X^2 + 4.

Solution. On teste a=2a=2 : P(2)=8−12+4=0P(2) = 8 - 12 + 4 = 0, donc 22 est racine.

On calcule P′(X)=3X2−6XP'(X) = 3X^2 - 6X, donc P′(2)=12−12=0P'(2) = 12 - 12 = 0 : la racine 22 est (au moins) double.

On calcule P′′(X)=6X−6P''(X) = 6X - 6, donc P′′(2)=6≠0P''(2) = 6 \neq 0 : la multiplicité de 22 est exactement 22.

On en déduit P(X)=(X−2)2Q(X)P(X) = (X-2)^2 Q(X) avec QQ de degré 11. En effectuant la division (ou par identification), Q(X)=X+1Q(X) = X+1. On vérifie :

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

Donc P(X)=(X−2)2(X+1)P(X) = (X-2)^2(X+1), avec racine double 22 et racine simple −1-1.

### 7. Nombre de racines et théorème de d'Alembert-Gauss

Théorème. Un polynôme non nul de degré nn possède au plus nn racines distinctes dans K\mathbb{K}, en comptant chaque racine avec sa multiplicité.

Théorème de d'Alembert-Gauss (admis). Tout polynôme non constant à coefficients complexes possède au moins une racine dans C\mathbb{C}. Par récurrence, un polynôme de degré nn à coefficients dans C\mathbb{C} admet exactement nn racines dans C\mathbb{C}, comptées avec multiplicité.

Ce théorème sera développé dans la leçon suivante sur la factorisation.

### 8. Synthèse

| Notion | Définition |
|---|---|
| Degré | Plus grand exposant à coefficient non nul |
| Racine | aa tel que P(a)=0P(a)=0 |
| Lien racine/facteur | P(a)=0  ⟺  (X−a)∣PP(a)=0 \iff (X-a) \mid P |
| Multiplicité kk | (X−a)k∣P(X-a)^k \mid P et (X−a)k+1∤P(X-a)^{k+1} \nmid P |
| Critère de multiplicité | P(a)=⋯=P(k−1)(a)=0P(a)=\cdots=P^{(k-1)}(a)=0 et P(k)(a)≠0P^{(k)}(a)\neq 0 |

Exercices

Quel est le degré du polynôme P(X)=5X4−3X2+7P(X) = 5X^4 - 3X^2 + 7 ?

Soit P(X)=X2−3X+2P(X) = X^2 - 3X + 2. Quelle affirmation est correcte ?

Si deg⁡A=3\deg A = 3 et deg⁡B=5\deg B = 5, quel est deg⁡(AB)\deg(AB) ?

Vrai ou faux : deg⁡(P+Q)\deg(P+Q) est toujours égal à max⁡(deg⁡P,deg⁡Q)\max(\deg P, \deg Q).

Le polynôme P(X)=(X−3)P(X) = (X-3) divise Q(X)=X2−9Q(X) = X^2 - 9. Que peut-on en déduire ?

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