Polynômes et fractions rationnelles — Polytechnique

Exercices corrigés de Polytechnique sur le thème « polynômes et fractions rationnelles », regroupés par filière.

MP–MPI


Exercice 1. (★★★★) Arithmétique ; Racines ; Corps finis
Soient {p} premier et {A_1,\ldots,A_{2p-1}} des entiers. On veut trouver {J\subset\left\{1,\ldots,2p-1\right\}} de cardinal {p} tel que {p\mid\sum\limits_{i\in J}A_i}.

Dans {K=\mathbb{F}_p}, notons {a_i} les classes des {A_i} et posons {P=\sum_{i=1}^{2p-1}X_i^{p-1},\qquad Q=\sum_{i=1}^{2p-1}a_iX_i^{p-1}.}

1) Montrer que le résultat équivaut à l’existence d’un zéro commun non trivial de {P,Q}.
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2) Conclure avec {R=(1-P^{p-1})(1-Q^{p-1})}. On admet {\sum\limits_{x\in K}x^j=0} pour {0\le j\lt p-1}.
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Exercice 2. (★★) Irrationalité ; Calcul polynomial
Existe-t-il {P\in\mathbb{Z}[X]} tel que {P(1/\sqrt2)=\sqrt3} ?
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Exercice 3. (★★★★) Exponentielle complexe ; Dérivation ; Degré
Un polynôme trigonométrique réel est une fonction {P(\cos x,\sin x)}, avec {P\in\mathbb{R}[X,Y]}.
1) Déterminer les couples {(f,g)} de polynômes trigonométriques tels que {f^2+g^2=1}.
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2) Déterminer les polynômes trigonométriques {h} tels que {\cos h} soit un polynôme trigonométrique.
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Exercice 4. (★★★★) Racines réelles ; Théorème de Rolle ; Inégalités différentielles
Soient {A,B\in\mathbb{R}[X]} tels que toute combinaison linéaire de {A,B} soit scindée sur {\mathbb{R}} ou nulle.

Si {x_1\lt x_2} sont deux racines de {A}, montrer que {[x_1,x_2]} contient une racine de {B}.

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Exercice 5. (★★★) Polynôme caractéristique ; Groupe symétrique, déterminants ; Racines multiples
Soit {P=X^n+a_{n-1}X^{n-1}+\cdots+a_0=\prod\limits_{i=1}^n(X-\lambda_i)} et {\Delta(P)=\prod\limits_{i\lt j}(\lambda_i-\lambda_j)^2}.
1) Exprimer {\Delta(P)} pour {n=2}.
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2) Montrer que {\Delta(P)=(-1)^{n(n-1)/2}\prod\limits_iP'(\lambda_i)}.
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3) Si {P=\chi_A} et {M=(\operatorname{tr}(A^{i+j-2}))_{i,j=1}^n}, montrer que {\det M=\Delta(P)}.
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4) Montrer que {\Delta(P)} est un polynôme à coefficients entiers en les {a_i}.
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Exercice 6. (★★★) Racines ; Intégrabilité ; Intégration terme à terme
Soient {P\in\mathbb{C}[X]} avec {P(0)\ne0} et {r>0}.

Justifier la convergence de {\frac1{2\pi}\int_{-\pi}^\pi\ln|P(re^{it})|\,dt}et la calculer à l’aide de {P(0)} et des racines de module strictement inférieur à {r}.

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Exercice 7. (★★) Formule du binôme ; Sommes géométriques ; Intégrité
Pour {n\ge1}, poser {P_n=1+X+\cdots+X^{n-1}}.

Montrer que {\sum_{k=1}^n\binom nkP_k=2^{n-1}P_n\left(\frac{X+1}2\right).}

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Exercice 8. (★★★) Degré ; Dérivation ; Isomorphismes
a) Pour {n\in\mathbb{N}}, montrer qu’il existe un unique {S_n\in\mathbb{Q}[X]} tel que {S_n(N)=\sum\limits_{k=0}^{N-1}k^n} pour tout {N}. On note {b_n} son coefficient de {X}.
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b) Exprimer {b_n} par récurrence à partir de {b_0,\ldots,b_{n-1}}.
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c) Pour {n\ge1}, relier {S_n''} à {S_{n-1}'}.
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d) Exprimer les coefficients de {S_n} en fonction des {b_j}.
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Exercice 9. (★★★★) Identification des coefficients ; Récurrence ; Produits finis
Soient {n\ge1} et {q\in\mathbb{C}} avec {0\lt |q|\lt 1}.

Poser {F(z)=\prod\limits_{j=1}^n(1+q^{2j-1}z)(1+q^{2j-1}z^{-1})}.

a) Montrer qu’il existe une unique liste {c_0,\ldots,c_n} telle que {F(z)=\sum\limits_{k=0}^nc_k(z^k+z^{-k})} pour {z\ne0}.
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b) Relier {c_k} et {c_{k+1}} et exprimer les coefficients par un produit. Indication : exprimer {F(q^2z)} en fonction de {F(z)}.
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Exercice 10. (★★★) Identification des coefficients ; Racines complexes ; Divisibilité
Soit {f\in\mathbb{C}[X]} avec {f(0)\ne0} et {k,n\ge1}.

Montrer qu’il existe {P\in\mathbb{C}[X]} tel que {X^n\mid P^k-f}.

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Exercice 11. (★★) Bézout ; Interpolation ; Divisibilité
Soient {\alpha_1,\ldots,\alpha_r} complexes distincts, {n_1,\ldots,n_r\ge1} et {H_1,\ldots,H_r\in\mathbb{C}[X]}.

Montrer qu’il existe {H\in\mathbb{C}[X]} tel que {(X-\alpha_i)^{n_i}\mid H-H_i} pour chaque {i}.

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Exercice 12. (★★★★) Localisation des racines ; Irréductibilité ; Applications contractantes
Pour {n\in\mathbb{N}}, le polynôme {X^{n+1}-nX^n+1} est-il irréductible dans {\mathbb{Z}[X]} ?
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Exercice 13. (★★★★) Racines de l'unité ; Relations coefficients-racines ; Polynôme caractéristique
Soit {P\in\mathbb{Z}[X]} unitaire dont toutes les racines complexes ont un module inférieur ou égal à {1}.

Montrer que ses racines sont des racines de l’unité.

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Exercice 14. (★★★★) Racines et multiplicités ; Degré ; Polynômes à coefficients entiers
Soit {P\in\mathbb{Z}[X]} possédant {n} racines distinctes {x_1,\ldots,x_n}.

Écrire {P^2+1=Q_1\cdots Q_r} avec {Q_i\in\mathbb{Z}[X]} et poser {R=\sum\limits_{i=1}^rQ_i^2-r}.

a) Montrer que les {x_k} sont des racines au moins doubles de {R}.

b) En déduire qu’un {Q_i} a un degré au moins {2\lfloor(n+1)/2\rfloor}.

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Exercice 15. (★★★★★) Relations coefficients-racines ; Récurrence ; Valeurs intermédiaires
On veut démontrer le théorème de d’Alembert–Gauss.
a) Montrer qu’il suffit de traiter les polynômes à coefficients réels.

Écrire leur degré sous la forme {2^nq}, avec {q} impair, et raisonner par récurrence sur {n}.

b) Traiter {n=0}.

c) Soit {P\in\mathbb{R}[X]} de degré {d=2^nq}, {n\ge1}. On admet une extension {K} de {\mathbb{C}} dans laquelle {P} est scindé, de racines {x_1,\ldots,x_d} avec multiplicité. Pour {c\in\mathbb{R}}, poser {y_{ij}(c)=x_i+x_j+cx_ix_j}, {i\le j}.

d) Montrer que {Q_c=\prod\limits_{i\le j}(X-y_{ij}(c))} est réel.

e) Montrer qu’un {y_{ij}(c)} appartient à {\mathbb{C}}.

f) En déduire qu’un {x_i} appartient à {\mathbb{C}}.

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Exercice 16. (★★★★) Racines de l'unité ; Factorisation ; Zéros et pôles
Soient {F\in\mathbb{C}(X)} et {q\in\mathbb{C}^\star}.
a) Si {q} n’est pas racine de l’unité, montrer qu’il existe au plus deux {G\in\mathbb{C}(X)} telles que {F=1+G(qX)G(q^{-1}X)F(q^{-2}X)}, et que deux solutions sont opposées.
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b) Montrer que cela peut échouer si {q} est racine de l’unité.
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Exercice 17. (★★★★) Interpolation de Lagrange ; Intégration par parties ; Orthogonalité
Pour {n\ge1}, poser {L_n=D^n((X^2-1)^n)}.
a) Déterminer son degré et montrer que {\int_{-1}^1L_n(t)P(t)dt=0} pour {\deg P\le n-1}.
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b) Montrer que {L_n} a {n} racines réelles simples {-1\lt x_1\lt \cdots\lt x_n\lt 1}.
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c) Montrer qu’il existe {a_1,\ldots,a_n\in\mathbb{R}} tels que {\int_{-1}^1P(t)dt=\sum\limits_{k=1}^na_kP(x_k)} pour {\deg P\le2n-1}.
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Exercice 18. (★★★★) Identification des coefficients ; Récurrence ; Inégalités
On appelle nombre de coefficients positifs de {P=\sum\limits_{k=0}^na_kX^k} le cardinal de {\left\{i\in\left\{0,\ldots,n\right\}:a_i\ge0\right\}}.
1) Pour {\deg P=n\ge2}, montrer que {P^2} a au moins trois coefficients positifs au sens de cette définition.
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2) Pour chaque {n\ge2}, construire {P} de degré {n} dont le carré a exactement trois tels coefficients.
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Exercice 19. (★★★★) Racines et multiplicités ; Module ; Dérivation
Soit {P\in\mathbb{C}[X]} de degré {n\ge2}, de racines {z_0,\ldots,z_{n-1}} dans le disque unité. Notons {t_1,\ldots,t_{n-1}} les racines de {P'}.
1) Montrer que {|t_k|\le1}.
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2) Si {z_0} est simple, calculer {P''(z_0)/P'(z_0)} en fonction des {t_k}, puis des {z_k}.
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3) Si {|z|\le1} et {z\ne-1}, montrer que {\Re(1/(1+z))\ge1/2}.
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4) Si {z_0=1} est simple, montrer qu’un {t_k} vérifie {|1-t_k|\le1}.
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5) Même conclusion {|z_0-t_k|\le1} si {|z_0|=1}.
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6) Pour {Q\in\mathbb{R}[X]} non constant et {\alpha\ne0} réel, poser {P=Q^2+\alpha^2}.

Montrer qu’une racine {z} de {P} et une racine {t} de {P'} vérifient {|z-t|\le|z|}.

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Exercice 20. (★★★★) Relations entre coefficients et racines ; Factorisation ; Norme quadratique
Pour {P=\sum\limits_{i=0}^na_iX^i\in\mathbb{C}[X]}, posons {\lVert P\rVert=(\sum\limits_i|a_i|^2)^{1/2}}.
1) Montrer {\lVert (X-z)P\rVert=\lVert (1-\overline zX)P\rVert}.
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2) Si {P} est unitaire, noter {M_P} le produit des modules de ses racines de module au moins {1}.

Montrer {M_P\le\lVert P\rVert}.

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3) Montrer, pour {1\le k\le n-1}, {|a_k|\le\binom{n-1}{k}M_P+\binom{n-1}{k-1}}.
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Exercice 21. (★★★★) Relations entre coefficients et racines ; Module ; Dérivation
1) Soit {P=\sum\limits_{k=0}^na_kX^k} de degré {n\ge1}, et {r=\min\left\{|z|:P(z)=0\right\}>0}.

Si {a_k\ne0}, montrer que {r^k\le\binom nk|a_0|/|a_k|}.

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2) Soit {A_n=\left\{P\in\mathbb{C}[X]:\deg P=n,\ P(-1)=P(1)=0\right\}}.

Montrer que les modules minimaux des racines de {P'}, pour {P\in A_n}, sont uniformément bornés.

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Exercice 22. (★★★) Degré ; Identification des coefficients
Soient {\omega,q\in\mathbb{C}^\star} tels que {\omega^2} ne soit aucune puissance entière de {q}. On considère {\omega f(z)g(qz)=\omega^{-1}f(qz)g(z)+P(z),}avec {P,f,g\in\mathbb{C}[X]} et {g,P} unitaires.
1) Trouver une relation entre leurs degrés.
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2) Pour {P} fixé, montrer l’existence de {(f,g)}.
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3) Pour {(P,f)} fixé, y a-t-il unicité de {g} ?
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Exercice 23. (★★★) Identification des coefficients ; Séries entières ; Irréductibilité
Soit {\theta\in\mathbb{C}} algébrique.
1) Montrer que ses polynômes annulateurs dans {\mathbb{Q}[X]} sont les multiples d’un unique polynôme unitaire {P}. Écrivons {P=\sum\limits_{k=0}^na_kX^k} et supposons {P\in\mathbb{Z}[X]}, {\theta} irrationnel et {a_0\ge0}.
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2) Montrer que {n\ge2}, {a_0>0} et {\theta} est racine simple.
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3) Poser {Q=X^nP(1/X)} et {f=P/Q}.

Montrer que si {\theta^{-1}} est un pôle de {f}, alors {a_0=1} et {n} est pair.

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4) Montrer que {f} possède près de {0} un développement en série entière à coefficients entiers.
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Exercice 24. (★★★★) Racines ; Adhérence ; Densité
Soit {E} l’ensemble des polynômes à coefficients dans {\left\{-1,0,1\right\}} et {A} l’ensemble des racines des polynômes non nuls de {E}.
1) Donner des propriétés de stabilité ou de symétrie de {A}.
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2) Montrer que {|a|\lt 2} pour tout {a\in A}.
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3) Montrer que {\overline A=[-2,-1/2]\cup\left\{0\right\}\cup[1/2,2]}.
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Exercice 25. (★★★) Racines ; Compacité ; Bornes atteintes
Soit {P:\mathbb{R}^2\to\mathbb{R}} polynomiale et positive ou nulle.
1) Atteint-elle nécessairement un minimum ?
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2) Même question si {P(x,y)\to+\infty} lorsque {\lVert (x,y)\rVert\to\infty}.
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3) Sous cette dernière hypothèse, montrer que, pour tout {(x,y)} unitaire, {P(tx,ty)/t^2} tend vers une valeur {C(x,y)\in]0,+\infty]}.
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4) Montrer que {C} est finie et strictement positive partout, ou qu’elle n’est finie qu’en un nombre fini de points du cercle.
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Exercice 26. (★★★★) Racines ; Récurrence ; Orthogonalité
Dans le plan, posons {e_0=(1,0)}, {e_1=(0,1)}, {e_2=(-1,0)}, {e_3=(0,-1)}, avec périodicité {4}. Écrivons {P=c_0X^n-c_1X^{n-1}+\cdots+(-1)^nc_n} et posons {M_{-1}=0}, {M_k=M_{k-1}+c_ke_k}. Soit {D_k} la droite par {M_k} dirigée par {e_k}. Pour {\lambda\in\mathbb{R}}, soit {\Delta_1} la droite de pente {\lambda} par {0}, {\Delta_0} sa perpendiculaire, et {\Delta_k=\Delta_{k\bmod2}}. Posons {\mu_0=0} ; pour {k\ge1}, {\mu_k} est l’intersection de {D_k} avec la parallèle à {\Delta_k} passant par {\mu_{k-1}}.
1) Pour {P=X^3-2X^2-5X+6}, déterminer les racines, construire {M_3,\mu_3} pour chaque racine, et formuler une conjecture.
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2) En notant {\delta_k} la distance algébrique de {M_k} à {\mu_k} selon {e_k}, montrer {M_n=\mu_n} si et seulement si {P(\lambda)=0}.
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Exercice 27. (★★★) Racines rationnelles ; Récurrence ; Racines de l'unité
Pour quels entiers {n\ge1} le réel {\cos(2\pi/n)} est-il rationnel ?
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Exercice 28. (★★★★) Racines de l'unité ; Relations coefficients-racines ; Irréductibilité
Posons {\alpha=(12+5i)/13}.
a) Montrer que {\alpha} n’est pas une racine de l’unité.
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b) Est-elle racine d’un polynôme unitaire sur {\mathbb{Q}} ? sur {\mathbb{Z}} ?
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c) Si un complexe {\alpha} annule un polynôme unitaire entier dont toutes les racines ont module un, montrer que {\alpha} est une racine de l’unité.
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Exercice 29. (★★★) Nombres réels ou complexes ; Racines et multiplicités ; Factorisation
a) Soient {P,Q\in\mathbb{C}[X]} premiers entre eux et {z} racine de {A=P^2+Q^2}.

Est-ce une racine de {B=(P')^2+(Q')^2} ?

Que dire si {z} est racine multiple de {A} ?

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b) Pour {P\in\mathbb{R}[X]}, montrer que {P=U^2+V^2}, avec {U,V} réels, équivaut à {P(x)\ge0} pour tout {x\in\mathbb{R}}.
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c) Montrer que tout polynôme complexe est somme de deux carrés complexes.
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d) Est-ce vrai pour deux cubes ?
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Exercice 30. (★★★★) Division euclidienne ; Racines ; Pivot de Gauss
Soit {F\in\mathbb{R}(X)} et {A=\left\{x\in\mathbb{Q}:F(x)\in\mathbb{Q}\right\}}, {A'=\left\{x\in\mathbb{Z}:F(x)\in\mathbb{Z}\right\}}, aux points où {F} est définie.
a) Si {A} est infini, montrer {F\in\mathbb{Q}(X)}.
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b) Si {A'} est infini, que peut-on dire de {F} ?
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Exercice 31. (★★★★) Factorisation ; Module ; Domination
** Soit {f=\sum\limits_{k=0}^nc_kX^k\in\mathbb{Z}[X]} de degré {n}, dont toutes les racines appartiennent à {\mathbb{Q}^\star}, et {H=\max_k|c_k|}.
a) Montrer {|f(i)|^2\le H^2(n^2/2+n+1)}.
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b) Montrer {|f(i)|^2\ge2^n}.
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c) En déduire que, si {n\ge10}, alors {n\le5\log_2H}.
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Exercice 32. (★★★★) Ordre de multiplicité ; Dérivées successives ; Croissances comparées
Pour quatre fonctions sur {]-1,1[}, la condition {(C)} est : {\varphi_1\lt \varphi_2\lt \varphi_3\lt \varphi_4} sur {]0,1[}, et {\varphi_2\lt \varphi_4\lt \varphi_1\lt \varphi_3} sur {]-1,0[}.
a) Montrer qu’aucune famille de polynômes ne satisfait {(C)}. Indication : étudier les valuations des différences.
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b) Existe-t-il une famille de classe {C^\infty} satisfaisant {(C)} ?
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Exercice 33. (★★★★★) Bases de monômes ; Formule de Taylor ; Extrema locaux
Soient {E=\mathbb{R}[X]} et {\varphi\in\mathcal L(E)}.
a) Montrer qu’il existe une unique suite de polynômes {G_n} telle que {\varphi(P)=\sum\limits_{n\ge0}G_nP^{(n)}}.

b) Calculer les {G_n} pour {\varphi(P)(x)=\int_0^xP(t)\,dt}.

c) Si tout minimum local de {P} en {a} impose {\varphi(P)(a)=0}, montrer {\varphi(P)=QP'} pour un {Q} fixé.

d) Si la condition devient {\varphi(P)(a)\ge0}, montrer {\varphi(P)=QP'+RP''} avec {R\ge0} sur {\mathbb{R}}.

e) Donner une preuve directe de la formule du b).

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Exercice 34. (★★★★★) Séries entières ; Racines et multiplicités ; Interpolation
* a) Soit {g(z)=\sum\limits_{k\le d}c_kz^k}, absolument convergente pour {|z|>R}, avec {d\ge0} et {c_1,\ldots,c_d\in\mathbb{Q}}.

Si {g(a)\in\mathbb{Z}} pour une infinité d’entiers {a}, montrer {c_0\in\mathbb{Q}} et {c_k=0} pour {k\lt 0}.

b) Soit {P\in\mathbb{C}[X]} dont toutes les valeurs {P(n)} pour {n} entier assez grand sont des puissances {s}-ièmes d’entiers, avec {s\ge1}.

Pour des entiers {\tau_1,\ldots,\tau_s}, construire une fonction {g} comme en a) telle que {\prod\limits_jP(z+\tau_j)=g(z)^s} près de l’infini.

En déduire {P=Q^s} avec {Q(k)\in\mathbb{Z}} pour tout {k\in\mathbb{Z}}.

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PSI


Exercice 1. (★★★) Divisibilité ; Racines et multiplicités ; Racines de l’unité
Pour {n\ge2}, poser {P_n=(X+1)^n+X^n+1} et {Q=(X^2+X+1)^2}.

Donner une condition nécessaire et suffisante pour que {Q\mid P_n}.

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Exercice 2. (★★) familles échelonnées en degré ; bases de polynômes
Pour {n\ge1}, posons {P_0=1} et {P_k=\prod\limits_{j=0}^{k-1}(X-j)} pour {1\le k\le n}.

Montrer qu’il existe des entiers {s_0,\ldots,s_n} tels que {X^n=\sum\limits_{k=0}^ns_kP_k}.

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Exercice 3. (★) théorème des valeurs intermédiaires ; racines réelles
Soit {P=X^{11}-14X^2-5X+1}.

Montrer qu’il possède une racine complexe de module strictement inférieur à un.

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PC


Exercice 1. (★★) Degré ; Interpolation de Lagrange ; Racines
Soient {x_0\lt \cdots\lt x_n} réels, {y_k=\prod\limits_{i\ne k}(x_k-x_i)} et {P_k=\prod\limits_{i\ne k}(X-x_i)/y_k}.

Pour {P\in\mathbb{C}[X]} unitaire de degré {n}, montrer {P=\sum\limits_{k=0}^nP(x_k)P_k} et {1=\sum\limits_{k=0}^nP(x_k)/y_k}. Montrer que, si {x_{k+1}-x_k\ge1} pour tout {k\lt n}, alors {\max_k|P(x_k)|\ge n!/2^n}.

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Exercice 2. (★★★) Racines et multiplicités ; Division euclidienne ; Racines de l'unité
Pour quels {n\in\mathbb{N}} le polynôme {(X^2+X+1)^2} divise-t-il {(X+1)^n-X^n-1} ? Lorsque c’est le cas, le quotient est-il à coefficients entiers ?
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Exercice 3. (★★★★) Racines et multiplicités ; Degré
Soit {a\ne0} complexe et {P,Q} non constants, ayant les mêmes racines, tels que {P+a,Q+a} aient aussi les mêmes racines.

Montrer {P=Q}.

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Exercice 4. (★★★) Racines ; Relations coefficients-racines ; Factorisation
Existe-t-il une suite {(a_k)_{k\ge0}} de réels non nuls telle que, pour tout {n\in\mathbb{N}}, {P_n=\sum\limits_{k=0}^n a_kX^k} soit scindé à racines simples dans {[0,1]} ?
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Exercice 5. (★★) Pôles simples ; Dérivation ; Primitives
Soient {a_1\lt \cdots\lt a_n} des réels et {\lambda_1,\ldots,\lambda_n} des réels.

Montrer que {R=\sum\limits_{k=1}^n\lambda_k/(X-a_k)} admet une primitive rationnelle si et seulement si tous les {\lambda_k} sont nuls.

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Exercice 6. (★★★★) Racines et multiplicités ; Module ; Conjugaison
1) Déterminer les {P\in\mathbb{C}[X]} tels que {|P(e^{i\theta})|=1} pour tout {\theta\in\mathbb{R}}.

2) Même question pour les fractions rationnelles {F\in\mathbb{C}(X)}.

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Exercice 7. (★★★★) Racines simples ; Valeurs intermédiaires ; Interprétation géométrique
Soit {n\ge1} et {P_n(X)=(1+X)^{6n}+X^{6n}+1}.

Poser {A=\left\{z:\operatorname{Re}z=-1/2\right\}}, {B=\left\{z:|z|=1\right\}} et {C=\left\{z:|z+1|=1\right\}}.

Montrer que {P_n} a {2n} racines dans chacun de ces ensembles et que ces racines sont distinctes.

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Exercice 8. (★★★) Degré ; Exponentielle complexe ; Module
Un polynôme trigonométrique réel est une fonction réelle {f(x)=\sum\limits_{k=-n}^na_ke^{ikx}}, avec {a_k\in\mathbb{C}}.

Trouver tous les couples {(f,g)} de tels polynômes vérifiant {f^2+g^2=1}.

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Exercice 9. (★★★★) racines et multiplicités ; théorème de Rolle ; inégalités
Soient {A,B\in\mathbb{R}[X]} dont toute combinaison linéaire réelle est scindée ou nulle.

Si {x\lt y} sont deux racines de {A}, montrer que {B} a une racine dans {[x,y]}.

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Exercice 10. (★★) racines de l'unité ; pôles simples
Calculer {\sum\limits_{z\in\mathbb{U}_n}1/(2-z)}, où {\mathbb{U}_n} est l’ensemble des racines {n}-ièmes de l’unité.
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Exercice 11. (★★★★) racines et multiplicités ; module et argument ; factorisation sur les réels et les complexes
Soit {P\in\mathbb{R}[X]} scindé sur {\mathbb{R}} et {a\in\mathbb{R}}.

Montrer que le polynôme obtenu en prenant les parties réelles des coefficients de {P(X+ia)} est scindé sur {\mathbb{R}}.

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Exercice 12. (★★) calcul polynomial ; degré ; divisibilité
Soit {F\in\mathbb{Z}[X]} non constant.

Montrer qu’il existe une infinité d’entiers {n} tels que {F(n)} ne soit pas un nombre premier.

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Exercice 13. (★★★★) interpolation de Lagrange ; existence d'extremums ; normes équivalentes
Pour {f\in C^0([0,1],\mathbb{R})} et {n\ge0}, montrer qu’il existe un unique {P_0\in\mathbb{R}_n[X]} minimisant {\lVert f-P\rVert_\infty}.
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Exercice 14. (★★★) interpolation de Lagrange ; normes usuelles ; inégalités
Soient {x_0\lt \cdots\lt x_n} dans {I=[a,b]} et {P_j} les polynômes de Lagrange, {P_j(x_i)=\delta_{ij}}. Pour {f\in C(I)}, posons {L(f)=\sum\limits_jf(x_j)P_j} et {\phi(t)=\sum\limits_j|P_j(t)|}.

Montrer {\lVert L(f)\rVert_\infty\le\lVert \phi\rVert_\infty\lVert f\rVert_\infty} et étudier l’égalité.

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Exercice 15. (★★) racines et multiplicités ; degré ; sommes et produits
Soit {E} l’ensemble des polynômes à coefficients dans {\left\{-1,0,1\right\}} et {A} l’ensemble de leurs racines.

Montrer {A\cap]2,\infty[=\varnothing}.

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Exercice 16. (★★★★★) relations coefficients-racines ; Suites numériques ; trace
Soit {P\in\mathbb{Z}[X]} unitaire de degré {d}, de racines {\lambda_k} avec {|\lambda_k|\le1}. Posons {f(n)=\sum\limits_{k=1}^d\lambda_k^n} pour {n\ge1}.
a) Montrer {f(n)\in\mathbb{Z}}.
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b) Montrer que cette suite est périodique.
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Exercice 17. (★★★) degré ; racines et multiplicités ; inversibilité
Soient {A,B\in M_2(\mathbb{Z})} telles que {A+kB} soit inversible à inverse entier pour {k=0,1,2,3,4}.

Montrer la même propriété pour {k=5}.

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Exercice 18. (★★★★) rayon de convergence ; racines et multiplicités ; degré
On pose {f:z\mapsto\sum\limits_{n=0}^{+\infty}z^n/2^{n(n-1)/2}}.

Montrer que {f} n’est pas le quotient de deux polynômes.

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Exercice 19. (★★★★) racines et multiplicités ; intégration terme à terme ; continuité
1) Soit {f\in\mathbb{C}[X]} non constant et {r>0}. On suppose que {f} n’a pas de racine de module {r}. On note {N_r(f)} le nombre de racines, comptées avec multiplicité, dans le disque de centre zéro et de rayon {r}.

Montrer que {N_r(f)=\frac1{2\pi}\int_0^{2\pi}\frac{f'(re^{i\theta})}{f(re^{i\theta})}re^{i\theta}\,d\theta.}

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2) Soient {r>0} et {f,g\in\mathbb{C}[X]} tels que {|g(z)|\lt |f(z)|} pour {|z|=r}.

Montrer que {f} et {f+g} ont le même nombre de racines, comptées avec multiplicité, dans ce disque.

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3) Montrer que {X^8-5X^3+X+2} possède trois racines, comptées avec multiplicité, dans le disque unité.
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Author: Jean-Michel Ferrard

Professeur de mathématiques en classe préparatoire aux grandes écoles.