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==Exercice 4-3== |
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Soient <math>P=\sum_{i=0}^na_iX^i</math> un polynôme à coefficients entiers, et <math>\frac pq</math> (<math>p\in\Z</math>, <math>q\in\N^*</math>) une racine rationnelle de <math>P</math>, écrite sous forme irréductible. |
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#Montrer que <math>qX-p\mid P</math>. |
#Montrer que <math>qX-p\mid P</math>. |
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#En déduire que <math>p\mid a_0</math> et <math>q\mid a_n</math>. |
#En déduire que <math>p\mid a_0</math> et <math>q\mid a_n</math>. |
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#En déduire qu'une racine rationnelle d'un polynôme unitaire à coefficients entiers est nécessairement entière. |
#En déduire qu'une racine rationnelle d'un polynôme unitaire à coefficients entiers est nécessairement entière. |
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#Déduire du 1. que <math>p-q\mid P(1)</math> et <math>p+q\mid P(-1)</math>. |
#Déduire du 1. que <math>p-q\mid P(1)</math> et <math>p+q\mid P(-1)</math>. |
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#Déduire du 1. que s'il existe deux entiers relatifs distincts <math>m_1</math> et <math>m_2</math> tels que <math>|P(m_1)|=|P(m_2)|=1</math> alors <math>|m_1-m_2|\le2</math> et <math>\frac pq=\frac{m_1+m_2}2</math>. |
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#Dans <math>\Q[X]</math>, <math>X-\frac pq\mid P</math> donc <math>qX-p\mid P</math>. Comme <math>p</math> et <math>q</math> sont premiers entre eux, <math>P</math> est donc divisible par <math>qX-p\mid P</math> non seulement dans <math>\Q[X]</math> mais même dans <math>\Z[X]</math> (en effet <math>Q:=\frac{P(X)}{qX-p}=\sum_{i=0}^{n-1}b_iX^i</math> avec, puisque <math>a_np^n+a_{n-1}p^{n-1}q+\dots+a_1pq^{n-1}+a_0q^n=q^nP(p/q)=0</math> :<br><math>b_i=\frac{a_{i+1}q^{n-i-1}+a_{i+2}q^{n-i-2}p+\dots+a_{n-1}qp^{n-i-2}+a_np^{n-i-1}}{q^{n-i}}=-\frac{a_0q^i+a_1q^{i-1}p+\dots+a_ip^i}{p^{i+1}}\in\Z</math> d'après le [[Arithmétique/Théorèmes de Bézout et Gauss|lemme de Gauss]].<br>Pour un argument plus général, voir [[w:Anneau factoriel#Anneaux des polynômes|Contenu d'un polynôme]]). |
#Dans <math>\Q[X]</math>, <math>X-\frac pq\mid P</math> donc <math>qX-p\mid P</math>. Comme <math>p</math> et <math>q</math> sont premiers entre eux, <math>P</math> est donc divisible par <math>qX-p\mid P</math> non seulement dans <math>\Q[X]</math> mais même dans <math>\Z[X]</math> (en effet <math>Q:=\frac{P(X)}{qX-p}=\sum_{i=0}^{n-1}b_iX^i</math> avec, puisque <math>a_np^n+a_{n-1}p^{n-1}q+\dots+a_1pq^{n-1}+a_0q^n=q^nP(p/q)=0</math> :<br><math>b_i=\frac{a_{i+1}q^{n-i-1}+a_{i+2}q^{n-i-2}p+\dots+a_{n-1}qp^{n-i-2}+a_np^{n-i-1}}{q^{n-i}}=-\frac{a_0q^i+a_1q^{i-1}p+\dots+a_ip^i}{p^{i+1}}\in\Z</math> d'après le [[Arithmétique/Théorèmes de Bézout et Gauss|lemme de Gauss]].<br>Pour un argument plus général, voir [[w:Anneau factoriel#Anneaux des polynômes|Contenu d'un polynôme]]). |
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#Si de plus <math>a_n=1</math>, alors <math>q=1</math>. |
#Si de plus <math>a_n=1</math>, alors <math>q=1</math>. |
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#<math>P(1)=(q-p)Q(1)</math> et <math>P(-1)=(q+p)Q(-1)</math>. |
#<math>P(1)=(q-p)Q(1)</math> et <math>P(-1)=(q+p)Q(-1)</math>. |
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#<math>qm_1-p</math> et <math>qm_2-p</math> sont tous deux égaux à <math>\pm1</math> et distincts, donc opposés.<br><math>qm_1-p=-qm_2+p\Leftrightarrow\frac pq=\frac{m_1+m_2}2</math>, et <math>qm_1-p=-qm_2+p=\pm1\Rightarrow|m_1-m_2|=\frac2q\le2</math>. |
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Référence : exercice 12 de {{Lien web|url=https://webusers.imj-prg.fr/~emmanuel.lepage/TD/MM002/2015/sol3.pdf|titre=|auteur=Emmanuel Lepage|titre=M1, Algèbre et théorie de Galois, TD n° 3, Solutions|site=[[w:Institut de mathématiques de Jussieu – Paris Rive Gauche|webusers.imj-prg.fr]]|date=2015}}. |
Référence pour les questions 1 à 4 : exercice 12 de {{Lien web|url=https://webusers.imj-prg.fr/~emmanuel.lepage/TD/MM002/2015/sol3.pdf|titre=|auteur=Emmanuel Lepage|titre=M1, Algèbre et théorie de Galois, TD n° 3, Solutions|site=[[w:Institut de mathématiques de Jussieu – Paris Rive Gauche|webusers.imj-prg.fr]]|date=2015}}. |
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Version du 4 juillet 2021 à 16:01
Exercice 4-1
On note l’ensemble des polynômes unitaires de degré de dont les racines ont leur module inférieur ou égal à 1.
- Montrer que est fini.
- Soit un élément de . On note le polynôme . Montrer que .
- Montrer que les racines non nulles des éléments de sont des racines de l'unité.
- D'après les relations entre coefficients et racines, les coefficients d'un tel polynôme sont bornés.
- car .
- Soit une racine non nulle d'un élément de . D'après la question 2, les pour sont aussi des racines d'éléments de et d'après la question 1, il n'y en a qu'un nombre fini. Il existe donc distincts tels que .
Exercice 4-2
Soient n entiers deux à deux distincts () et . Dans chacun des cas suivants, montrer que dans , le polynôme est irréductible, c'est-à-dire que ses seuls diviseurs sont .
- avec n impair ;
- ;
- .
Soient tels que avec, sans perte de généralité, unitaires et . Montrons que .
- et donc et . Par conséquent, avec (pour des raisons de degrés et de coefficients dominants) ou . Mais est impossible (on aurait donc pair). Donc et , si bien que .
- Par le même raisonnement, avec ou . Mais est impossible (on aurait , non unitaire). Donc et , si bien que .
- Par le même raisonnement, . En fait, car sur , puisque est unitaire et ne s'annule pas (car ), . Par conséquent, avec (puisque est unitaire et de degré ), ou . Mais est impossible ( n'est pas divisible par ) donc , si bien que .
(Inspiré de l'exercice 6 de http://michel.quercia.free.fr/polyn%C3%B4mes/irreduc.pdf.)
Exercice 4-3
Soient un polynôme à coefficients entiers, et (, ) une racine rationnelle de , écrite sous forme irréductible.
- Montrer que .
- En déduire que et .
- En déduire qu'une racine rationnelle d'un polynôme unitaire à coefficients entiers est nécessairement entière.
- Déduire du 1. que et .
- Déduire du 1. que s'il existe deux entiers relatifs distincts et tels que alors et .
- Dans , donc . Comme et sont premiers entre eux, est donc divisible par non seulement dans mais même dans (en effet avec, puisque :
d'après le lemme de Gauss.
Pour un argument plus général, voir Contenu d'un polynôme). - Le terme constant et le coefficient dominant de sont respectivement et .
- Si de plus , alors .
- et .
- et sont tous deux égaux à et distincts, donc opposés.
, et .
Référence pour les questions 1 à 4 : exercice 12 de Emmanuel Lepage, « M1, Algèbre et théorie de Galois, TD n° 3, Solutions », sur webusers.imj-prg.fr, .
Le polynôme est-il irréductible dans ? dans ? dans ?
est scindé dans . Il a au moins une racine réelle. Il est irréductible dans car il est de degré 3 sans racine rationnelle car d'après le critère précédent, les seules éventuelles racines rationnelles sont , or et .
Et le polynôme ?
Mêmes réponses que pour le polynôme précédent. Les seules éventuelles racines rationnelles sont , or .
Et le polynôme ?
Mêmes réponses que pour les polynômes précédents. Les seules éventuelles racines rationnelles sont et , et l'on vérifie que ces quatre nombres ne sont pas racines.