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Licence 1 · Polynômes et fractions rationnelles

Opérations, degré et racines

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 de la leçon

Exercice 1

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

Corrigé

Le degré est l'exposant le plus élevé dont le coefficient est non nul. Ici le terme dominant est 5X45X^4, donc deg⁡P=4\deg P = 4.

Exercice 2

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

Corrigé

P(1)=1−3+2=0P(1) = 1 - 3 + 2 = 0, donc 11 est bien racine de PP. (On a aussi P(2)=4−6+2=0P(2)=4-6+2=0, donc P(X)=(X−1)(X−2)P(X)=(X-1)(X-2).)

Exercice 3

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

Corrigé

Pour des polynômes non nuls, deg⁡(AB)=deg⁡A+deg⁡B=3+5=8\deg(AB) = \deg A + \deg B = 3 + 5 = 8.

Exercice 4

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

Corrigé

Faux. Si deg⁡P=deg⁡Q\deg P = \deg Q et que les coefficients dominants sont opposés, ils peuvent s'annuler dans la somme. Par exemple P=X2+1P=X^2+1, Q=−X2+XQ=-X^2+X : P+Q=X+1P+Q = X+1, de degré 1<2=max⁡(deg⁡P,deg⁡Q)1 < 2 = \max(\deg P,\deg Q).

Exercice 5

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

Corrigé

Par le théorème racine-facteur, (X−3)∣Q  ⟺  Q(3)=0(X-3) \mid Q \iff Q(3) = 0. En effet Q(3)=9−9=0Q(3) = 9-9=0. (On a aussi Q(X)=(X−3)(X+3)Q(X)=(X-3)(X+3), donc −3-3 est aussi racine.)

Exercice 6

Quelle est la multiplicité de la racine 22 dans P(X)=(X−2)3(X+1)2P(X) = (X-2)^3(X+1)^2 ?

Corrigé

PP est déjà factorisé : l'exposant de (X−2)(X-2) donne directement la multiplicité de la racine 22, soit 33.

Exercice 7

Soit P(X)=X2−4X+4P(X) = X^2 - 4X + 4. Quelle est la multiplicité de sa racine 22 ?

Corrigé

P(X)=X2−4X+4=(X−2)2P(X) = X^2-4X+4 = (X-2)^2. On vérifie aussi par les dérivées : P(2)=0P(2)=0, P′(X)=2X−4P'(X)=2X-4 donc P′(2)=0P'(2)=0, P′′(X)=2≠0P''(X)=2\neq 0 : multiplicité exactement 22.

Exercice 8

Vrai ou faux : un polynôme de degré 44 à coefficients réels peut n'avoir aucune racine réelle.

Corrigé

Vrai. Par exemple P(X)=X4+1P(X) = X^4+1 n'a aucune racine réelle car P(x)=x4+1≥1>0P(x) = x^4+1 \geq 1 > 0 pour tout x∈Rx \in \mathbb{R}. Ses racines sont complexes.

Exercice 9

On sait que P(X)=X3+1P(X) = X^3+1 admet −1-1 comme racine. Quel polynôme QQ vérifie P=(X+1)QP = (X+1)Q ?

Corrigé

On vérifie : (X+1)(X2−X+1)=X3−X2+X+X2−X+1=X3+1(X+1)(X^2-X+1) = X^3-X^2+X+X^2-X+1 = X^3+1. Donc Q(X)=X2−X+1Q(X)=X^2-X+1 (l'identité classique a3+b3=(a+b)(a2−ab+b2)a^3+b^3=(a+b)(a^2-ab+b^2) avec a=Xa=X, b=1b=1).

Exercice 10

Combien de racines distinctes au maximum peut avoir un polynôme non nul de degré 77 dans R\mathbb{R} ?

Corrigé

Un polynôme non nul de degré nn a au plus nn racines distinctes (en comptant sans multiplicité, c'est aussi une borne). Ici n=7n=7.

Exercice 11

Démontrer que si aa est racine de PP et de P′P', alors aa est racine de multiplicité au moins 22 de PP.

Corrigé

Démonstration. Comme P(a)=0P(a)=0, on sait par le théorème racine-facteur que (X−a)∣P(X-a) \mid P, donc P=(X−a)RP = (X-a)R pour un polynôme RR.

On dérive : P′(X)=R(X)+(X−a)R′(X)P'(X) = R(X) + (X-a)R'(X).

On évalue en aa : P′(a)=R(a)+0=R(a)P'(a) = R(a) + 0 = R(a).

Or par hypothèse P′(a)=0P'(a) = 0, donc R(a)=0R(a) = 0 : aa est racine de RR.

Par le théorème racine-facteur appliqué à RR, on a (X−a)∣R(X-a) \mid R, donc R=(X−a)SR = (X-a)S pour un polynôme SS.

Finalement P=(X−a)R=(X−a)2SP = (X-a)R = (X-a)^2 S, donc (X−a)2∣P(X-a)^2 \mid P : aa est racine de multiplicité au moins 22. ■\blacksquare

Exercice 12

Quelle est la multiplicité de la racine 11 dans P(X)=X4−X3−3X2+5X−2P(X) = X^4 - X^3 - 3X^2 + 5X - 2 ?

Corrigé

P(1)=1−1−3+5−2=0P(1) = 1-1-3+5-2 = 0. P′(X)=4X3−3X2−6X+5P'(X)=4X^3-3X^2-6X+5, P′(1)=4−3−6+5=0P'(1)=4-3-6+5=0. P′′(X)=12X2−6X−6P''(X)=12X^2-6X-6, P′′(1)=12−6−6=0P''(1)=12-6-6=0. P′′′(X)=24X−6P'''(X)=24X-6, P′′′(1)=18≠0P'''(1)=18\neq 0. Donc la multiplicité est exactement 33 : P(X)=(X−1)3(X+2)P(X)=(X-1)^3(X+2).

Exercice 13

Vrai ou faux : si P∈R[X]P \in \mathbb{R}[X] et z∈C∖Rz \in \mathbb{C}\setminus\mathbb{R} est racine de PP, alors zˉ\bar{z} est aussi racine de PP.

Corrigé

Vrai. Si P(X)=∑aiXiP(X) = \sum a_i X^i avec ai∈Ra_i \in \mathbb{R}, alors P(z)‾=∑ai‾ z‾i=∑aizˉi=P(zˉ)\overline{P(z)} = \sum \overline{a_i}\,\overline{z}^i = \sum a_i \bar z^i = P(\bar z) car les aia_i sont réels. Si P(z)=0P(z)=0 alors P(z)‾=0\overline{P(z)}=0, donc P(zˉ)=0P(\bar z)=0 : zˉ\bar z est aussi racine.

Exercice 14

Factoriser entièrement P(X)=X3−2X2−X+2P(X) = X^3 - 2X^2 - X + 2 sur R\mathbb{R}, sachant que 11 est racine.

Corrigé

Solution. On vérifie P(1)=1−2−1+2=0P(1) = 1-2-1+2 = 0, donc 11 est racine et (X−1)∣P(X-1) \mid P.

On effectue la division euclidienne de PP par (X−1)(X-1) : X3−2X2−X+2=(X−1)(X2−X−2)X^3-2X^2-X+2 = (X-1)(X^2-X-2) (par identification des coefficients : (X−1)(X2+bX+c)=X3+(b−1)X2+(c−b)X−c(X-1)(X^2+bX+c) = X^3+(b-1)X^2+(c-b)X-c, donc −c=2⇒c=−2-c=2 \Rightarrow c=-2, b−1=−2⇒b=−1b-1=-2 \Rightarrow b=-1, et on vérifie c−b=−2−(−1)=−1c-b=-2-(-1)=-1 ✓).

On factorise ensuite X2−X−2X^2-X-2 : ses racines vérifient r1+r2=1r_1+r_2=1 et r1r2=−2r_1 r_2=-2, donc r1=2,r2=−1r_1=2, r_2=-1. Ainsi X2−X−2=(X−2)(X+1)X^2-X-2=(X-2)(X+1).

Finalement : P(X)=(X−1)(X−2)(X+1)P(X) = (X-1)(X-2)(X+1). ■\blacksquare

Exercice 15

Soit P(X)=(X2+1)(X−1)2P(X) = (X^2+1)(X-1)^2. Quel est l'ensemble des racines réelles de PP et leur multiplicité ?

Corrigé

X2+1X^2+1 n'a pas de racine réelle (ses racines sont ii et −i-i, complexes non réelles). La seule racine réelle de PP provient du facteur (X−1)2(X-1)^2, donc 11 est racine réelle de multiplicité 22, et c'est la seule.

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