Polynômes et fractions rationnelles — CCINP et autres écoles

Exercices corrigés du CCINP et d’autres écoles sur le thème « polynômes et fractions rationnelles », regroupés par filière.

MP–MPI


Exercice 1. (★★★) racines ; localisation des racines ; module
Soit {P=X^n-\sum\limits_{k=0}^{n-1}a_kX^k}, avec {a_0>0} et {a_1,\ldots,a_{n-1}} réels positifs.
a) Montrer que {P} admet une unique racine sur {\mathbb{R}_+}, que l’on note {\rho}.
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b) Si {z} est une racine complexe de {P}, montrer que {|z|\leq\rho}.
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c) Montrer que {\rho\leq\max(1,a_0+\cdots+a_{n-1})}.
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d) Montrer que {\rho\leq1+\max(a_0,\ldots,a_{n-1})}.
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Exercice 2. (★★) lemme de Gauss ; identité de Bézout ; division euclidienne
Pour {n\geq1}, déterminer tous les couples {(P,Q)\in\mathbb{R}[X]^2} tels que {(X-1)^nQ+X^nP=1}.

Montrer d’abord l’existence et l’unicité d’un couple {(P_0,Q_0)} de degrés inférieurs à {n}.

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Exercice 3. (★★★) racines et multiplicités ; racines de l’unité ; interprétation géométrique
Soit {P} complexe unitaire de degré trois, de racines {z_1,z_2,z_3}, affixes de {M_1,M_2,M_3}.

Montrer que {P'} a une racine double si et seulement si le triangle est équilatéral.

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Exercice 4. (★★★) relations coefficients-racines ; polynômes scindés ; inégalité de Jensen
Soit {P} réel unitaire de degré {n\geq1}, à coefficients dans {\left\{-1,0,1\right\}}, scindé, avec {P(0)\ne0}, et de racines {x_i}. Notons {\sigma_1=\sum\limits x_i}, {\sigma_2=\sum\limits_{i\lt j}x_ix_j}, {\sigma_n=\prod\limits x_i}.
1) Montrer {\ln(\sum\limits x_i^2/n)\geq\sum\limits\ln(x_i^2)/n} et l’inégalité arithmético-géométrique correspondante.

2) Donner les valeurs possibles des {\sigma_i} indiqués.

3) Montrer {\sum\limits x_i^2\leq3}.

4) Déterminer tous les polynômes réels scindés à coefficients dans {\left\{-1,0,1\right\}}.

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Exercice 5. (★★★) racines des polynômes ; Séries entières ; convergence normale
Pour {P_n=\sum\limits_{k=0}^nX^k/k!} et {R>0}, montrer que toutes les racines complexes de {P_n} ont module au moins {R} à partir d’un certain rang.
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Exercice 6. (★★) polynômes irréductibles ; factorisation réelle ; discriminant
Factoriser {X^8+X^4+1} dans {\mathbb{R}[X]}.
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Exercice 7. (★) racines des polynômes ; unicité ; interpolation de Lagrange
Pour {n+1} réels distincts {a_k} :
a) montrer l’existence et l’unicité de {P\in\mathbb{R}_n[X]} prenant des valeurs prescrites {b_k} ;

b) expliciter les polynômes {L_k} prenant la valeur {1} en {a_k} et {0} aux autres points ;

c) montrer {X^p=\sum\limits_{k=1}^{n+1}a_k^pL_k} pour {0\le p\le n}.

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PSI


Exercice 1. (★★) multiplicité des racines ; factorisation ; dérivation polynomiale
Soit {P(X)=X^4+\alpha X^3+\beta X-16}, {\alpha,\beta\in\mathbb{C}}.

Déterminer les valeurs de {\alpha,\beta} pour lesquelles {P} admet une racine triple.

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PC


Exercice 1. (★) Racines de l'unité ; Factorisation sur C
Soit {P=(X+1)^n-1}.
a) Déterminer ses racines et le factoriser dans {\mathbb{C}[X]}.
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b) Calculer {\prod\limits_{k=1}^{n}\sin(k\pi/n)}.
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Exercice 2. (★★) Identification des coefficients ; Degré ; Dérivation
Trouver les polynômes {P\in\mathbb{R}[X]} tels que {(X^2-X)P''=6P}.
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Exercice 3. (★★★) Coefficients binomiaux ; Bases ; Sommes télescopiques
a) Pour {n\in\mathbb{Z}}, montrer que {n(n+1)/2\in\mathbb{Z}}.

En déduire que {P=X(X+1)/2} vérifie {P(\mathbb{Z})\subset\mathbb{Z}}.

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b) On pose {H_0=1} et {H_k=\frac1{k!}\prod\limits_{i=1}^{k}(X-i+1)} pour {k\geq1}.

i) Relier {H_k(X+1)}, {H_k(X)} et {H_{k-1}(X)}.

ii) Montrer que {(H_0,\ldots,H_k)} est une base de {\mathbb{R}_k[X]}.

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c) i) Calculer {H_k(n)} pour {k,n\in\mathbb{N}}.

ii) Montrer que {H_k(\mathbb{Z})\subset\mathbb{Z}}.

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d) Montrer que {\sum\limits_{i=0}^{n}H_k(i)=H_{k+1}(n+1)}.
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e) Pour {P\in\mathbb{C}[X]} de degré {d}, montrer que {P(\mathbb{Z})\subset\mathbb{Z}} si et seulement si {P=\sum\limits_{i=0}^{d}m_iH_i} avec {m_i\in\mathbb{Z}}.
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Exercice 4. (★★) racines d'un polynôme ; équations du second degré ; factorisation
Montrer que {P=X^3-(2+i)X^2+3X+i-2} possède une racine réelle, puis le factoriser sur {\mathbb{C}}.
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Exercice 5. (★) irréductibilité ; factorisation sur les réels
Le polynôme {X^4+4} est-il irréductible sur {\mathbb{R}} ?
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Exercice 6. (★) division euclidienne ; multiplicité des racines
Pour {n\ge1}, soit {P_n=nX^{n+2}-(n+2)X^{n+1}+(n+2)X-n}.

Montrer que {(X-1)^3} divise {P_n}, puis donner le reste de sa division par {(X-1)^3}.

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Exercice 7. (★★) racines et multiplicités ; racines de l’unité ; factorisation sur R et C
Soit {P=(X+1)^7-X^7-1}.

Montrer que {j=e^{2i\pi/3}} est racine, déterminer sa multiplicité et factoriser {P} dans {\mathbb{C}[X]}.

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Author: Jean-Michel Ferrard

Professeur de mathématiques en classe préparatoire aux grandes écoles.