Polynôme/Exercices/Racines de polynômes

Exercice 1-1

Trouver tous les polynômes $P\in \mathbb {C} [X]$ tels que $P(X^{2})=P(X)P(X+1)$.

Solution

Soit $P$ une solution non nulle.

Soit $\lambda$ une racine de $P$. Alors :

• $P(\lambda ^{2})=P(\lambda )P(\lambda +1)=0\quad (1)$ et $P((\lambda -1)^{2})=P(\lambda -1)P(\lambda )=0\quad (2)$ ;
• D'après $(1)$, tous les $\lambda ^{2^{n}}\;(n\in \mathbb {N} )$ sont racines de $P$ donc ils sont en nombre fini, ce qui implique que $\lambda$ est nul ou racine de l'unité (donc de module 1) ;
• D'après $(2)$, $\lambda -1$ est donc aussi nul ou de module 1 ;
• Par conséquent, $\lambda \in \{0,1,-\mathrm {j} ^{2},-\mathrm {j} \}$ donc aussi (d'après $(1)$) $\lambda ^{2}\in \{0,1,-\mathrm {j} ^{2},-\mathrm {j} \}$.

Finalement, les seules racines possibles de $P$ sont $0$ et $1$.

Soit $P=aX^{p}(X-1)^{q}$ avec $p,q\in \mathbb {N}$ et $a\in \mathbb {C} ^{*}$. Alors, $P(X^{2})=P(X)P(X+1)\Leftrightarrow aX^{2p}(X-1)^{2q}=a^{2}X^{p}(X-1)^{q}(X+1)^{p}X^{q}\Leftrightarrow a=1{\text{ et }}p=q$.

Les solutions sont donc : $P=0$ ou $P(X)=(X^{2}-X)^{n}{\text{ avec }}n\in \mathbb {N}$.

 

Exercice 1-2

Déterminer les polynômes $P\in \mathbb {C} [X]$ tels que $XP(X+1)=(X+4)P(X)$.

Solution

Puisque $X$ est premier avec $X+4$, un polynôme $P$ est solution si et seulement si $P=XQ$ pour un $Q\in \mathbb {C} [X]$ tel que $X(X+1)Q(X+1)=(X+4)XQ(X)$, c.-à-d. $(X+1)Q(X+1)=(X+4)Q(X)$.

De même, $Q$ est solution de l'équation précédente si et seulement si $Q=(X+1)R$ pour un $R\in \mathbb {C} [X]$ tel que $(X+1)(X+2)R(X+1)=(X+4)(X+1)R(X)$, c.-à-d. $(X+2)R(X+1)=(X+4)R(X)$.

Et ainsi de suite. Finalement, $P$ est solution si et seulement si $P=X(X+1)(X+2)(X+3)T$ pour un $T\in \mathbb {C} [X]$ tel que $T(X+1)=T(X)$.

Les solutions $P$ sont donc les polynômes de la forme $aX(X+1)(X+2)(X+3)$ avec $a\in \mathbb {C}$.

 

Exercice 1-3

Soit $P(X)=X^{3}-X+1$. Montrer que :

1. $P$ a une unique racine réelle $\alpha$ ;
2. $\alpha <-1$.
3. Soient $\beta ,\gamma \in \mathbb {C}$ les deux autres racines de $P$. Exprimer $\beta +\gamma$ et $\beta \gamma$ en fonction de $\alpha$.
4. En déduire que $|\beta |=|\gamma |<1$.
5. Calculer $\alpha ^{2}+\beta ^{2}+\gamma ^{2}$.

Solution

1. Une rapide étude de variations montre que la fonction polynôme du troisième degré $x\mapsto x^{3}-x+1$ (continue, et de limite $-\infty$ en $-\infty$) est strictement positive sur $\left[-1/{\sqrt {3}},+\infty \right[$ et strictement croissante sur $\left]-\infty ,-1/{\sqrt {3}}\right]$. Elle s'annule donc exactement une fois.
2. $P\left(-1\right)=1>0$ donc $\alpha <-1$.
3. De $X^{3}-X+1=(X-\alpha )(X-\beta )(X-\gamma )$ on déduit (en identifiant les coefficients en degrés 2 et 0) : $\beta +\gamma =-\alpha$ et $\beta \gamma =-1/\alpha$.
4. $\beta +\gamma ,\beta \gamma \in \mathbb {R}$ donc $\gamma ={\overline {\beta }}$, et $|\beta |^{2}=|\gamma |^{2}=-1/\alpha <1$.
5. $\alpha ^{2}+\beta ^{2}+\gamma ^{2}=\alpha ^{2}+\left(\beta +\gamma \right)^{2}-2\beta \gamma =2\alpha ^{2}+2/\alpha =2{\frac {\alpha ^{3}+1}{\alpha }}=2$.

 

Exercice 1-4

Soit $P\in \mathbb {R} [X]$ tel que $\forall x\in \mathbb {R} \quad P(x)\geq 0$. Montrer que $P$ est somme de deux carrés de polynômes réels.

Première méthode : chercher à factoriser $P$ dans $\mathbb {C} [X]$ sous la forme $P=Q{\overline {Q}}$.

Solution

$P\in \mathbb {R} [X]$ est a priori le produit dans $\mathbb {R} [X]$ d'un polynôme $Q$ scindé et d'un polynôme unitaire $R$ à racines complexes conjuguées deux à deux. On a alors $R(\mathbb {R} )>0$ donc (puisque $P(\mathbb {R} )\geq 0$) $Q(\mathbb {R} )\geq 0$. Par conséquent, toutes les racines de $Q$ sont d'ordre pair et son coefficient dominant est positif, si bien que $Q$ est le carré d'un polynôme $S\in \mathbb {R} [X]$. $R$ étant pour sa part de la forme $T{\overline {T}}$ avec $T\in \mathbb {C} [X]$, on obtient : $P=Q{\overline {Q}}$, avec $Q=ST\in \mathbb {C} [X]$. En décomposant $Q$ sous la forme $A+\mathrm {i} B$ avec $A,B\in \mathbb {R} [X]$, on conclut : $P=A^{2}+B^{2}$.

 

Seconde méthode :

1. Que dire de la décomposition de $P$ en facteurs irréductibles dans $\mathbb {R} [X]$ ?
2. Montrer l'identité $(A^{2}+B^{2})(C^{2}+D^{2})=(AD-BC)^{2}+(AC+BD)^{2}$.
3. Conclure.

Solution

1. Les facteurs irréductibles sont de degré 2 ou sont élevés à une puissance paire.
2. En développant d'une part $(AD-BC)^{2}+(AC+BD)^{2}$ et d'autre part $(A^{2}+B^{2})(C^{2}+D^{2})$, on trouve bien le même résultat.
3. On procède par récurrence sur le nombre de facteurs irréductibles de degré 2. Si ce nombre est nul, $P$ est un carré donc $P=A^{2}+0^{2}$. Sinon, $P=(A^{2}+B^{2})Q$ où $A^{2}+B^{2}$ est un facteur irréductible de degré 2. Par hypothèse de récurrence, $Q$ est de la forme $C^{2}+D^{2}$. La question précédente permet de conclure.

 

Exercice 1-5

Soient $\alpha \in \mathbb {R} ,\,n\in \mathbb {N} ,\,P_{n}=\left(\cos \alpha +X\sin \alpha \right)^{n}$.

Déterminer les restes des divisions euclidiennes de $P_{n}$ par $(X^{2}+1)^{2}$ et par $X^{2}+1$.

Solution

Le reste de la division euclidienne de $P_{n}$ par $(X^{2}+1)^{2}$ est $aX^{3}+bX^{2}+cX+d$ avec (puisque $\mathrm {i}$ et $-\mathrm {i}$ sont racines doubles de $(X^{2}+1)^{2}$) :

• $-a\mathrm {i} -b+c\mathrm {i} +d=P(\mathrm {i} )=\mathrm {e} ^{n\mathrm {i} \alpha }$ ;
• $a\mathrm {i} -b-c\mathrm {i} +d=P(-\mathrm {i} )=\mathrm {e} ^{-n\mathrm {i} \alpha }$ ;
• $-3a+2b\mathrm {i} +c=P'(\mathrm {i} )=n\sin \alpha \operatorname {e} ^{(n-1)\mathrm {i} \alpha }$ ;
• $-3a-2b\mathrm {i} +c=P'(-\mathrm {i} )=n\sin \alpha \operatorname {e} ^{-(n-1)\mathrm {i} \alpha }$.

En résolvant le système, on en déduit :

$a=2\sin(n\alpha )-n\sin \alpha \cos((n-1)\alpha ),\quad b={\frac {n\sin \alpha \sin((n-1)\alpha )}{2}},$

$c=3\sin(n\alpha )-n\sin \alpha \cos((n-1)\alpha ),\quad d={\frac {2\cos(n\alpha )+n\sin \alpha \sin((n-1)\alpha )}{2}}$.

Le reste de la division euclidienne de $P_{n}$ par $X^{2}+1$ est donc :

$(c-a)X+d-b=\sin(n\alpha )X+\cos(n\alpha )$.

 

Exercice 1-6

1. Montrer que pour tout $(p,q,r)\in \mathbb {N} ^{3}$, $X^{3p}+X^{3q+1}+X^{3r+2}$ est divisible par $X^{2}+X+1$.
2. Pour quelles valeurs de l'entier $n$ le polynôme $X^{2n}+X^{n}+1$ est-il divisible par $X^{2}+X+1$ ?

Solution

1. Il suffit de vérifier que $\mathrm {j}$ (donc aussi ${\bar {\mathrm {j} }}$) est racine de ce polynôme.
   $\mathrm {j} ^{3p}+\mathrm {j} ^{3q+1}+\mathrm {j} ^{3r+2}=1+\mathrm {j} +\mathrm {j} ^{2}=0$.
   (Ou par triple récurrence.)
2. $\mathrm {j} ^{2n}+\mathrm {j} ^{n}+1=0\Leftrightarrow \mathrm {j} ^{n}=\mathrm {j} {\text{ ou }}\mathrm {j} ^{2}\Leftrightarrow n\equiv 1{\text{ ou }}2{\bmod {3}}$, donc $X^{2n}+X^{n}+1$ est divisible par $X^{2}+X+1$ si et seulement si $n$ n'est pas un multiple de $3$.

 

Montrer que pour tout $n\in \mathbb {N}$, le polynôme $P_{n}=(X+1)^{6n+1}-X^{6n+1}-1$ est divisible par $(X^{2}+X+1)^{2}$.

Solution

Il suffit de vérifier que $\mathrm {j}$ (donc aussi $-\mathrm {j}$) est racine double de $P_{n}$.

$P_{n}(\mathrm {j} )=\left(-\mathrm {j} ^{2}\right)^{6n+1}-\mathrm {j} ^{6n+1}-1=-\mathrm {j} ^{2}-\mathrm {j} -1=0$.

$P'_{n}(\mathrm {j} )=(6n+1)\left(\left(-\mathrm {j} ^{2}\right)^{6n}-\mathrm {j} ^{6n}\right)=(6n+1)(1-1)=0$.

 

1. Montrer que le reste de la division euclidienne d'un polynôme $P$ par $X^{2}+pX+q$ s'obtient en remplaçant $X^{2}$ par $-pX-q$ autant de fois que cela est possible dans le polynôme $P$.
2. Pour quelles valeurs de l'entier $n$ le polynôme $X^{3}+1$ divise-t-il le polynôme $X^{3n}+1$ ?
3. Montrer que $(X-1)^{n+2}+X^{2n+1}$ est divisible par $X^{2}-X+1$.
4. Pour quels triplets $(s,t,u)\in \mathbb {N} ^{3}$ le polynôme $X^{3s}-X^{3t+1}+X^{3u+2}$ est-il divisible par $X^{2}-X+1$ ?

Solution

1. Soient $Q,R$ les quotient et reste de cette division euclidienne, alors $P-(X^{2}+pX+q)A=(Q-A)(X^{2}+pX+q)+R$, donc chaque remplacement de $X^{2}$ par $-pX-q$ change le quotient mais pas le reste. Quand on ne peut plus rien remplacer, c'est que le polynôme obtenu est de degré $\leq 1$, donc égal à son reste.
2. $X^{3}+1$ a 3 racines simples : $-1$, $-\mathrm {j}$ et $-{\bar {\mathrm {j} }}$. Il divise donc $X^{3n}+1$ si et seulement si $(-1)^{3n}+1=0$ et $(-\mathrm {j} )^{3n}+1=0$, c.-à-d. si $n$ est impair.
   Autre méthode : $X^{3}+1$ divise $X^{3n}+1$ si et seulement si $X+1$ et $X^{2}-X+1$ le divisent. La première condition équivaut à $n$ impair, et la seconde est stable par parité, car le reste ne change pas quand on remplace $n$ par $n-2$, car d'après la question précédente, $X^{3n}+1=X^{3n-6}(X^{2})^{3}+1$ a même reste que $X^{3n-6}(X-1)^{3}+1$, donc que $X^{3n-6}((X-3)(X-1)+3X-1)+1=X^{3n-6}(X^{2}-X+2)+1$, donc que $X^{3n-6}(X-1-X+2)+1=X^{3(n-2)}+1$. On se ramène ainsi au cas $n=1$, qui est trivial.
3. $X^{2}-X+1={\frac {X^{3}+1}{X+1}}$ a 2 racines simples : $-\mathrm {j}$ et $-{\bar {\mathrm {j} }}$, et $(-\mathrm {j} -1)^{n+2}+(-\mathrm {j} )^{2n+1}=(\mathrm {j} ^{2})^{n+2}-\mathrm {j} ^{2n+1}=\mathrm {j} ^{2n+1}\left(\mathrm {j} ^{3}-1\right)=0$.
   Autre méthode : d'après la question 1, le reste euclidien de $(X-1)^{n+2}+X^{2n+1}$ par $X^{2}-X+1$ est le même que celui de $(X-1)^{n+2}+X(X-1)^{n}=(X-1)^{n}(X^{2}-X+1)$, donc est nul.
4. $(-\mathrm {j} )^{3s}-(-\mathrm {j} )^{3t+1}+(-\mathrm {j} )^{3u+2}=(-1)^{s}+(-1)^{t}\mathrm {j} +(-1)^{u}\mathrm {j} ^{2}=0$ si et seulement si $s,t,u$ sont de même parité.

 

Exercice 1-7

Démontrer que pour tout $n\in \mathbb {N} ^{*}$,

$\prod _{k=1}^{2n}\cos {\frac {k\pi }{2n+1}}={\frac {1}{(-4)^{n}}}$.

Indication : on fera intervenir un polynôme de degré $4n$ ayant pour racines les nombres complexes $\operatorname {e} ^{\pm \mathrm {i} {\frac {k\pi }{2n+1}}}$ pour $1\leq k\leq 2n$, et l'on en déduira (à l'aide des polynômes de Tchebychev) un polynôme $P$ de degré $2n$ ayant pour racines les $\cos {\frac {k\pi }{2n+1}}$. Une relation entre coefficients et racines de $P$ permettra de conclure.

Solution

Les $\operatorname {e} ^{\pm \mathrm {i} {\frac {k\pi }{2n+1}}}$ pour $1\leq k\leq 2n$ sont racines de ${\frac {X^{2(2n+1)}-1}{X^{2}-1}}=X^{4n}+X^{4n-2}+\dots +X^{2}+1=X^{2n}\left(X^{2n}+{\frac {1}{X^{2n}}}+X^{2n-2}+{\frac {1}{X^{2n-2}}}+\dots +X^{2}+{\frac {1}{X^{2}}}+1\right)$.

Autrement dit, pour $\theta ={\frac {k\pi }{2n+1}}$ ($1\leq k\leq 2n$) : $0=2\cos(2n\theta )+2\cos((2n-2)\theta )+\dots +2\cos(2\theta )+1=P(\cos \theta )$, où $P=2T_{2n}+2T_{2n-2}+\dots +2T_{2}+1$.

Le $m$-ième polynôme de Tchebychev $T_{m}$ est de degré $m$, de coefficient dominant $2^{m-1}$ et de terme constant $(-1)^{m/2}$ si $m$ est pair. $P$ est donc de degré $2n$, de coefficient dominant $p_{2n}=2\times 2^{2n-1}=4^{n}$ et de terme constant $p_{0}=2(-1)^{n}+2(-1)^{n-1}+\dots +2(-1)+1=(-1)^{n}$. Le produit $\prod _{k=1}^{2n}\cos {\frac {k\pi }{2n+1}}$ de ses racines est bien égal à $(-1)^{2n}{\frac {p_{0}}{p_{2n}}}={\frac {1}{(-4)^{n}}}$.

 

Remarque : de façon équivalente, $\prod _{k=1}^{n}\cos {\frac {k\pi }{2n+1}}={\frac {1}{2^{n}}}$.

• Pour une autre méthode, voir Trigonométrie/Exercices/Relations trigonométriques 1#Exercice 10-6 question 2 (dans le cas particulier $n=4$).
• Pour d'autres formules de ce genre, voir Recherche:Polynômes annulateurs de nombres sous la forme cosinus ou tangente/Formules générales en relation avec les coefficients des polynômes minimaux trigonométriques.

Exercice 1-8

Soit un polygone régulier de sommets $A_{1},\dots ,A_{n}$ inscrit dans un cercle de rayon 1. Montrer que

$A_{1}A_{2}\cdot A_{1}A_{3}\cdots A_{1}A_{n}=n$.

Solution

Il s'agit de vérifier que $|\omega -1||\omega ^{2}-1|\dots |\omega ^{n-1}-1|=n$, où $\omega =\operatorname {e} ^{\mathrm {i} {\frac {2\pi }{n}}}$.

Le polynôme $P(X):=(X-\omega )(X-\omega ^{2})\dots (X-\omega ^{n-1})$ est égal à ${\frac {X^{n}-1}{X-1}}=1+X+\dots +X^{n-1}$ donc $P(1)=n$.

 

Exercice 1-9

Le polynôme $P(X):=X^{3}+X+1$ a-t-il une racine double ?

Solution

Non car les racines de $P'(X)=3X^{2}+1$ sont $\pm {\frac {\mathrm {i} }{\sqrt {3}}}$ et aucune des deux n'est racine de $P$.

 

Trouver un polynôme $A$ tel que $A'-A={\frac {X^{n}}{n!}}$ et montrer que $A$ n'admet pas de racine multiple.

Solution

L'unique solution est $A=-\sum _{k=0}^{n}{\frac {X^{n}}{n!}}$ et seul $0$ pourrait éventuellement être racine multiple d'un tel polynôme, or $A(0)=1$.

 

Soit $n\in \mathbb {N} ^{*}$. Déterminer $a$, $b$ et $c$ de manière que $P:=aX^{n+1}+bX^{n}+c$ soit divisible par $(X-1)^{2}$. La racine 1 peut-elle être triple ?

Solution

$P(1)=P'(1)=0\Leftrightarrow a+b+c=(n+1)a+nb=0\Leftrightarrow a=nc,\;b=-(1+n)c$. Alors, $P''(1)=nc(n+1)n-(1+n)cn(n-1)=n(n+1)c\neq 0$ (sauf bien sûr si $P=0$).

 

Exercice 1-10

Soit $P$ un polynôme non constant tel que $P(X)\mid P(X^{2})$.

1. En donner des exemples.
2. Si $\alpha$ est une racine de $P$, montrer que $\alpha =0$ ou $\alpha$ est une racine n-ième de 1 pour un certain n.

Solution

1. $P(X)=X$, $P(X)=X^{n}-1$, ou des produits de tels polynômes.
2. Si $P(X)\mid P(X^{2})$ alors pour toute racine $\alpha$ de $P$, $\alpha ^{2}$ est aussi racine de $P$ et ainsi, $\alpha ^{2^{k}}$ est racine de $P$ pour tout $k\in \mathbb {N}$. Comme $P$ n'a qu'un nombre fini de racines, cela implique qu'il existe deux entiers $i>j\geq 0$ tels que $\alpha ^{2^{i}}=\alpha ^{2^{j}}$, d'où $\alpha =0$ ou $\alpha ^{2^{i}-2^{j}}=1$.

 

Exercice 1-11

Calculer $P_{n}(X):=(1+X)(1+X^{2})(1+X^{4})\dots (1+X^{2^{n}})$.

Solution

$P_{0}(X)=1+X$ et $P_{n+1}(X)=P_{n}(X)(1+X^{2^{n+1}})$ donc par récurrence, $P_{n}(X)=1+X+X^{2}+X^{3}+\dots +X^{2^{n+1}-1}={\frac {X^{2^{n+1}}-1}{X-1}}$ (l'une ou l'autre de ces deux formes pouvant être utilisée pour la récurrence).

Autre méthode : $\deg(P_{n})=1+2+2^{2}+\dots +2^{n}=2^{n+1}-1$ et les $2^{n+1}-1$ racines de $P_{n}$ sont les complexes $z$ tels que $z^{2^{k}}=-1$ pour un certain $k\in \{0,1,\dots ,n\}$. Cela équivaut à $\exists k\in \{0,1,\dots ,n\}\quad z^{2^{k+1}}=1$ et $z^{2^{k}}\neq 1$, donc à $z\neq 1$ et $\exists j\in \{0,1,\dots ,n\}\quad z^{2^{j+1}}=1$. Le polynôme unitaire dont les racines sont simples et sont les racines $2^{n+1}$-ièmes de l'unité sauf 1 est ${\frac {X^{2^{n+1}}-1}{X-1}}$.

 

Exercice 1-12

Soit $P(X)=X^{5}-13X^{4}+67X^{3}-171X^{2}+216X-108$. Calculer $\operatorname {pgcd} (P,P')$ et en déduire une factorisation de $P$.

Solution

$P'(X)=5X^{4}-52X^{3}+201X^{2}-342X+216$.

$P(X)=(X-13/5)P'(X)-{\frac {6}{5}}(X^{3}-8X^{2}+21X-18)$ et $P'(X)=(X^{3}-8X^{2}+21X-18)(5X-12)$ donc $\operatorname {pgcd} (P,P')=X^{3}-8X^{2}+21X-18$ et ce polynôme a forcément une racine multiple car s'il avait trois racines simples, $P$ aurait trois racines doubles, ce qui est exclu vu son degré.

$(X^{3}-8X^{2}+21X-18)'=3X^{2}-16X+21=(X-3)(3X-7)$ et $3^{3}-8.3^{2}+21.3-18=9(3-8+7-2)=0$ donc $X^{3}-8X^{2}+21X-18=(X-3)^{2}(X-\alpha )$, avec $-18=(-3)^{2}(-\alpha )$ donc $\alpha =2$.

Puisque 3 est racine double et 2 racine simple de $\operatorname {pgcd} (P,P')$, 3 est racine triple et 2 racine double de $P$, donc (comme $P$ est unitaire et de degré 5) $P(X)=(X-3)^{3}(X-2)^{2}$.

 

Exercice 1-13

Trouver $a$ tel que les racines de $X^{4}+X^{3}+aX^{2}+3X+2$ vérifient $x_{1}+x_{2}=x_{3}x_{4}$. Résoudre alors la ou les équation(s) obtenue(s).

Solution

$X^{4}+X^{3}+aX^{2}+3X+2=(X^{2}-\lambda X+\alpha )(X^{2}-\beta X+\lambda )\Leftrightarrow \beta =-\lambda -1,\alpha ={\frac {2}{\lambda }},a=-\lambda ^{2}+{\frac {2}{\lambda }}=1$ donc la seule solution est $a=1$, et l'on peut alors choisir $\lambda =1$, ce qui donne $X^{4}+X^{3}+aX^{2}+3X+2=(X^{2}-X+2)(X^{2}+2X+1)=(X^{2}-X+2)(X+1)^{2}$.

 

Exercice 1-14

1. Décomposer le polynôme $P:=X^{4}+12X-5$ en produit de deux polynômes du second degré sachant qu'il admet deux racines $a$ et $b$ telles que $a+b=2$.
2. Quelles sont les valeurs de $a$ et $b$ ?
3. Donner la décomposition en facteurs irréductibles de $P$ dans $\mathbb {R} [X]$.

Solution

1. $P=(X^{2}-2X+r)(X^{2}+pX+q)$. En développant et en identifiant, on obtient un système de 4 équations en les 3 inconnues $p,q,r$ : $p-2=r-2p+q=0$, $pr-2q=12$ et $rq=-5$. La solution (au demeurant unique) est $(p,q,r)=(2,-1,5)$, donc $P=(X^{2}-2X+5)(X^{2}+2X-1)$.
2. $a,b=1\pm 2\mathrm {i}$.
3. $P=(X^{2}-2X+5)(X+1+{\sqrt {2}})(X+1-{\sqrt {2}})$.