Exercices corrigés de Polytechnique sur le thème « polynômes et fractions rationnelles », regroupés par filière.
MP–MPI
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}.}
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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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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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Montrer que {\sum_{k=1}^n\binom nkP_k=2^{n-1}P_n\left(\frac{X+1}2\right).}
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Poser {F(z)=\prod\limits_{j=1}^n(1+q^{2j-1}z)(1+q^{2j-1}z^{-1})}.
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Montrer qu’il existe {P\in\mathbb{C}[X]} tel que {X^n\mid P^k-f}.
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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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Montrer que ses racines sont des racines de l’unité.
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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}.
b) En déduire qu’un {Q_i} a un degré au moins {2\lfloor(n+1)/2\rfloor}.
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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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Montrer qu’une racine {z} de {P} et une racine {t} de {P'} vérifient {|z-t|\le|z|}.
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Montrer {M_P\le\lVert P\rVert}.
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Si {a_k\ne0}, montrer que {r^k\le\binom nk|a_0|/|a_k|}.
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Montrer que les modules minimaux des racines de {P'}, pour {P\in A_n}, sont uniformément bornés.
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Montrer que si {\theta^{-1}} est un pôle de {f}, alors {a_0=1} et {n} est pair.
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Est-ce une racine de {B=(P')^2+(Q')^2} ?
Que dire si {z} est racine multiple de {A} ?
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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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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}.
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
Donner une condition nécessaire et suffisante pour que {Q\mid P_n}.
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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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Montrer qu’il possède une racine complexe de module strictement inférieur à un.
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PC
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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Montrer {P=Q}.
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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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2) Même question pour les fractions rationnelles {F\in\mathbb{C}(X)}.
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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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Trouver tous les couples {(f,g)} de tels polynômes vérifiant {f^2+g^2=1}.
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Si {x\lt y} sont deux racines de {A}, montrer que {B} a une racine dans {[x,y]}.
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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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Montrer qu’il existe une infinité d’entiers {n} tels que {F(n)} ne soit pas un nombre premier.
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Montrer {\lVert L(f)\rVert_\infty\le\lVert \phi\rVert_\infty\lVert f\rVert_\infty} et étudier l’égalité.
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Montrer {A\cap]2,\infty[=\varnothing}.
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Montrer la même propriété pour {k=5}.
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Montrer que {f} n’est pas le quotient de deux polynômes.
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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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Montrer que {f} et {f+g} ont le même nombre de racines, comptées avec multiplicité, dans ce disque.
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