Racines d’un polynôme et Viète en maths sup (MPSI) : cours et méthodes

Racines d'un polynôme et Viète – Cours de maths en Maths sup (MPSI) sur Maths-pdf.fr Couverture : Manuel de cours de maths MPSI en PDF Télécharger en PDF Le livre des cours de maths en MPSI PDF à imprimer Voir le livre ›


Ce chapitre étudie les polynômes à travers leurs racines. Il commence par l’anneau \(\mathbb{K}[X]\) et la division euclidienne, puis relie chaque racine à un facteur \(X-a\). Il arrive en fin de premier semestre, après les nombres complexes. C’est pourquoi les racines de l’unité y réapparaissent naturellement.

Ce cours de racines polynôme MPSI insiste sur les savoir-faire de colle : calculer une multiplicité par les dérivées, utiliser la formule de Taylor, exploiter les relations de Viète et construire un polynôme de Lagrange. La dernière partie énonce le théorème de d’Alembert-Gauss et décrit les irréductibles de \(\mathbb{R}[X]\) et de \(\mathbb{C}[X]\). Ces outils préparent l’algèbre linéaire du second semestre, en particulier les polynômes d’endomorphismes.

Ce que vous saurez faire

  • Effectuer une division euclidienne et calculer un reste sans poser la division.
  • Traduire « \(a\) est racine » en « \(X-a\) divise » et compter les racines d’un polynôme.
  • Déterminer la multiplicité d’une racine à l’aide des dérivées successives.
  • Exploiter les relations de Viète entre coefficients et racines d’un polynôme scindé.
  • Construire le polynôme d’interpolation de Lagrange associé à des points donnés.
  • Factoriser un polynôme en irréductibles dans \(\mathbb{C}[X]\) puis dans \(\mathbb{R}[X]\), notamment \(X^n-1\).

1. L’anneau K[X] et la division euclidienne

Dans tout le chapitre, \(\mathbb{K}\) désigne \(\mathbb{R}\) ou \(\mathbb{C}\). Un polynôme est une suite \((a_k)\) de scalaires dont tous les termes sont nuls au-delà d’un certain indice. On l’écrit \(P=\sum_{k} a_kX^k\). Ainsi, \(\mathbb{K}[X]\) est un anneau commutatif pour l’addition et le produit usuels.

1.1 Degré et coefficient dominant

Définition :

Si \(P\neq 0\), le degré de \(P\) est le plus grand entier \(d\) tel que \(a_d\neq 0\). Le coefficient \(a_d\) s’appelle le coefficient dominant. Si ce coefficient vaut 1, on dit que \(P\) est unitaire. Par convention, le polynôme nul a pour degré \(-\infty\).

Propriété :

Pour tous \(P\), \(Q\) dans \(\mathbb{K}[X]\) :

  • \(\deg(PQ)=\deg P+\deg Q\), et le coefficient dominant de \(PQ\) est le produit des coefficients dominants ;
  • \(\deg(P+Q)\leqslant\max(\deg P,\deg Q)\), avec égalité si \(\deg P\neq\deg Q\).

La formule du produit a une conséquence importante. En effet, si \(PQ=0\), alors \(P=0\) ou \(Q=0\). Autrement dit, \(\mathbb{K}[X]\) est intègre, et l’on peut simplifier par un polynôme non nul.

Piège à éviter :

Le degré d’une somme peut chuter. Par exemple, \((X^3+X)-(X^3-2)=X+2\) est de degré 1 seulement. Avant d’affirmer un degré, on vérifie donc que les termes dominants ne se compensent pas.

1.2 Division euclidienne

Théorème :

Soit \(A\) et \(B\) dans \(\mathbb{K}[X]\), avec \(B\neq 0\). On peut écrire \(A=BQ+R\) avec \(\deg R<\deg B\), et ce d’une seule façon. Les polynômes \(Q\) et \(R\) ainsi déterminés portent les noms de quotient et de reste.

Preuve :

Commençons par l’unicité. Supposons \(BQ+R=BQ_1+R_1\). Alors \(B(Q-Q_1)=R_1-R\). À droite, le degré reste sous \(\deg B\). À gauche, si \(Q\neq Q_1\), il atteint au moins \(\deg B\). Donc \(Q=Q_1\), puis \(R=R_1\).

Passons à l’existence, par récurrence forte sur \(\deg A\). Si \(\deg A<\deg B\), le couple \((0,A)\) convient. Sinon, on note \(a\) et \(b\) les coefficients dominants, \(n=\deg A\) et \(p=\deg B\). Le polynôme \(A-\frac{a}{b}X^{n-p}B\) est de degré strictement inférieur à \(n\). On lui applique l’hypothèse de récurrence, ce qui fournit le couple cherché pour \(A\).

Exemple guidé :

Nous divisons \(A=X^4-2X^3+3X-1\) par \(B=X^2+X-1\). D’abord, \(A-X^2B=-3X^3+X^2+3X-1\). Ensuite, on retranche \(-3XB\) : il reste \(4X^2-1\). Enfin, on retranche \(4B\) : il reste \(-4X+3\), de degré 1.

Ainsi \(Q=X^2-3X+4\) et \(R=-4X+3\). Pour contrôler, on développe \(BQ=X^4-2X^3+7X-4\), puis on ajoute \(R\) et l’on retrouve bien \(A\).

Souvent, on ne demande que le reste. Dans ce cas, poser la division est inutile : on exploite les racines du diviseur.

Comment faire :

Pour trouver le reste de \(A\) dans la division par \(B=(X-\alpha)(X-\beta)\), avec \(\alpha\neq\beta\) :

  1. Écrire \(A=BQ+R\) avec \(R=uX+v\), car \(\deg R\leqslant 1\).
  2. Évaluer en \(\alpha\) et en \(\beta\) : on obtient \(R(\alpha)=A(\alpha)\) et \(R(\beta)=A(\beta)\).
  3. Résoudre le système de deux équations d’inconnues \(u\) et \(v\).
Exemple guidé :

Cherchons le reste de \(X^n\) dans la division par \((X+1)(X-2)\). On pose \(R=uX+v\). Alors \(-u+v=(-1)^n\) et \(2u+v=2^n\). Par soustraction, \(u=\frac{2^n-(-1)^n}{3}\). Ensuite, \(v=\frac{2^n+2(-1)^n}{3}\).

Vérifions pour \(n=2\) : on trouve \(R=X+2\). Or \(X^2-(X^2-X-2)=X+2\). Le résultat est donc cohérent.

1.3 Divisibilité

On dit que \(B\) divise \(A\), et l’on note \(B\mid A\), s’il existe \(Q\) tel que \(A=BQ\). Pour \(B\neq 0\), cela revient à dire que le reste de la division de \(A\) par \(B\) est nul. Par ailleurs, deux polynômes qui se divisent mutuellement sont égaux à une constante multiplicative près : on les dit associés.

Exemple guidé :

Montrons que \(X-1\) divise \(X^7-1\) et précisons le quotient. On utilise l’identité \(a^7-b^7=(a-b)(a^6+a^5b+\dots+b^6)\) avec \(a=X\) et \(b=1\). Ainsi \(X^7-1=(X-1)(X^6+X^5+X^4+X^3+X^2+X+1)\). Autrement dit, le quotient est la somme des puissances de \(X\) de 0 à 6, et le reste est nul.

Remarque :

Le degré est un excellent outil de contrôle. Par exemple, si \(B\mid A\) avec \(A\neq 0\), alors \(\deg B\leqslant\deg A\). Ainsi, un polynôme de degré 3 ne peut jamais diviser un polynôme non nul de degré 2.

2. Racines d’un polynôme et multiplicité

2.1 Racine et divisibilité

Définition :

Un élément \(a\in\mathbb{K}\) est racine de \(P\) lorsque \(\tilde{P}(a)=0\), où \(\tilde{P}\) est la fonction polynomiale associée. Dans la pratique, on note simplement \(P(a)\).

Théorème :

Le scalaire \(a\) est racine de \(P\) si et seulement si \(X-a\) divise \(P\). Plus généralement, si \(a_1,\dots,a_r\) sont des racines deux à deux distinctes de \(P\), alors \(\prod_{i=1}^{r}(X-a_i)\) divise \(P\).

Preuve :

On divise \(P\) par \(X-a\) : \(P=(X-a)Q+R\) avec \(R\) constant. En évaluant en \(a\), on obtient \(R=P(a)\). Donc \(X-a\) divise \(P\) si et seulement si \(P(a)=0\). Pour plusieurs racines, on procède par récurrence : si \(P=(X-a_1)Q\), alors chaque \(a_i\) avec \(i\geqslant 2\) annule \(Q\), car \(a_i-a_1\neq 0\).

Corollaire :

Soit \(P\neq 0\) de degré \(n\). Alors \(P\) admet au plus \(n\) racines deux à deux distinctes. En conséquence, si \(\deg P\leqslant n\) et si \(P\) prend la valeur 0 en \(n+1\) scalaires distincts, alors \(P=0\).

Ce corollaire est un outil de démonstration redoutable. Par exemple, pour prouver que deux polynômes de degré au plus \(n\) sont égaux, il suffit de vérifier qu’ils coïncident en \(n+1\) points. Dans le même esprit, seul le polynôme nul admet une infinité de racines.

2.2 Multiplicité et dérivée formelle

Définition :

Soit \(P\neq 0\) et \(a\) une racine de \(P\). La multiplicité de \(a\) est le plus grand entier \(m\) tel que \((X-a)^m\) divise \(P\). De façon équivalente, \(P=(X-a)^mQ\) où \(Q(a)\neq 0\). Lorsque \(m\) vaut 1, 2 ou 3, la racine est dite simple, double ou triple.

La dérivée formelle de \(P=\sum a_kX^k\) est \(P^{\prime}=\sum k\,a_kX^{k-1}\). Elle vérifie les règles habituelles de dérivation d’une somme et d’un produit. De plus, elle permet d’écrire un polynôme suivant les puissances de \(X-a\).

Théorème :

Formule de Taylor : pour tout \(P\) de degré au plus \(n\) et tout \(a\in\mathbb{K}\), \[P=\sum_{k=0}^{n}\frac{P^{(k)}(a)}{k!}(X-a)^k.\]

Théorème :

Soit \(m\geqslant 1\). Le scalaire \(a\) est racine de multiplicité exactement \(m\) de \(P\) si et seulement si \(P(a)=P^{\prime}(a)=\dots=P^{(m-1)}(a)=0\) et \(P^{(m)}(a)\neq 0\).

Preuve :

D’après la formule de Taylor, \(P=\sum_{k<m}\frac{P^{(k)}(a)}{k!}(X-a)^k+(X-a)^mS\), où \(S=\sum_{k\geqslant m}\frac{P^{(k)}(a)}{k!}(X-a)^{k-m}\). Si les \(m\) premières dérivées s’annulent en \(a\), alors \(P=(X-a)^mS\) avec \(S(a)=\frac{P^{(m)}(a)}{m!}\neq 0\). Réciproquement, l’unicité de l’écriture suivant les puissances de \(X-a\) donne les conditions annoncées.

Exemple guidé :

Soit \(P=X^5-3X^4+4X^3-4X^2+3X-1\). On calcule \(P(1)=1-3+4-4+3-1=0\). Ensuite, \(P^{\prime}=5X^4-12X^3+12X^2-8X+3\) donne \(P^{\prime}(1)=0\). De même, \(P^{\prime\prime}=20X^3-36X^2+24X-8\) s’annule en 1. Enfin, \(P^{(3)}=60X^2-72X+24\) vaut 12 en 1.

Par conséquent, 1 est racine triple de \(P\). D’ailleurs, on vérifie que \(P=(X-1)^3(X^2+1)\).

La figure compare l’allure du graphe près d’une racine simple, double et triple. Le graphe traverse l’axe pour une multiplicité impaire, et le touche sans le traverser pour une multiplicité paire.

Graphe d'un polynôme réel avec une racine simple, une racine double et une racine triple sur l'axe des abscisses

Piège à éviter :

Pour conclure « multiplicité exactement \(m\) », il faut vérifier que \(P^{(m)}(a)\neq 0\). S’arrêter à la dernière dérivée nulle ne donne qu’une minoration de la multiplicité. C’est une perte de points fréquente en colle.

2.3 Détecter les racines multiples

Le critère des dérivées donne une méthode simple pour repérer les racines multiples sans factoriser. En effet, une racine est multiple exactement lorsqu’elle annule à la fois \(P\) et \(P^{\prime}\). On cherche donc d’abord les racines de \(P^{\prime}\), souvent plus faciles à obtenir, puis on teste lesquelles annulent \(P\).

Exemple guidé :

Cherchons les racines multiples de \(P=X^4-2X^3+2X-1\). On dérive : \(P^{\prime}=4X^3-6X^2+2=2(2X^3-3X^2+1)\). Le nombre 1 annule la parenthèse, et l’on obtient \(P^{\prime}=2(X-1)^2(2X+1)\). Les candidates sont donc 1 et \(-\frac{1}{2}\).

Ensuite, \(P(1)=1-2+2-1=0\), donc 1 est racine multiple. En revanche, \(P\left(-\frac{1}{2}\right)=\frac{1}{16}+\frac{1}{4}-1-1\neq 0\). Enfin, 1 est racine double de \(P^{\prime}\), donc racine triple de \(P\). On en déduit \(P=(X-1)^3(X+1)\), ce que confirme le terme constant.

Remarque :

Ce raisonnement utilise un fait général : si \(a\) est racine de multiplicité \(m\geqslant 1\) de \(P\), alors \(a\) est racine de multiplicité \(m-1\) de \(P^{\prime}\). Par conséquent, un polynôme dont la dérivée ne s’annule en aucune racine a toutes ses racines simples.

3. Polynômes scindés et relations de Viète

Définition :

On qualifie de scindé sur \(\mathbb{K}\) tout polynôme non constant de la forme \(P=c\prod_{i=1}^{n}(X-x_i)\), avec \(c\neq 0\) et des \(x_i\in\mathbb{K}\) non nécessairement distincts. Les \(x_i\) sont alors les racines de \(P\), répétées selon leur multiplicité.

Développons le produit. Le coefficient de \(X^{n-k}\) fait apparaître la somme des produits de \(k\) racines. C’est pourquoi on introduit les fonctions symétriques élémentaires.

Théorème :

Relations de Viète. Soit \(P=\sum_{k=0}^{n}a_kX^k\) scindé, de racines \(x_1,\dots,x_n\), avec \(a_n\neq 0\). Pour \(1\leqslant k\leqslant n\), on note \(\sigma_k\) la somme des produits \(x_{i_1}\cdots x_{i_k}\) avec \(i_1<\dots<i_k\). Alors \[\sigma_k=(-1)^k\,\frac{a_{n-k}}{a_n}.\] En particulier, \(\sigma_1=-\frac{a_{n-1}}{a_n}\) et \(\sigma_n=x_1\cdots x_n=(-1)^n\frac{a_0}{a_n}\).

Pour un polynôme de degré 3, cela donne trois égalités à connaître par cœur. Si \(aX^3+bX^2+cX+d\) a pour racines \(x_1,x_2,x_3\), alors \(x_1+x_2+x_3=-\frac{b}{a}\), \(x_1x_2+x_1x_3+x_2x_3=\frac{c}{a}\) et \(x_1x_2x_3=-\frac{d}{a}\).

Comment faire :

Pour calculer une expression symétrique des racines sans les connaître :

  1. Écrire les \(\sigma_k\) à l’aide des coefficients.
  2. Exprimer la quantité cherchée en fonction des \(\sigma_k\), par exemple \(\sum x_i^2=\sigma_1^2-2\sigma_2\).
  3. Pour les inverses, réduire au même dénominateur : \(\sum\frac{1}{x_i}=\frac{\sigma_{n-1}}{\sigma_n}\) si aucune racine n’est nulle.
Exemple guidé :

Soit \(x_1,x_2,x_3\) les racines complexes de \(X^3+2X^2-X+3\). On lit \(\sigma_1=-2\), \(\sigma_2=-1\) et \(\sigma_3=-3\). Par conséquent, \(x_1^2+x_2^2+x_3^2=4+2=6\). Ensuite, aucune racine n’est nulle, car \(\sigma_3\neq 0\). Ainsi \(\frac{1}{x_1}+\frac{1}{x_2}+\frac{1}{x_3}=\frac{\sigma_2}{\sigma_3}=\frac{1}{3}\).

Remarque :

Réciproquement, si l’on connaît \(\sigma_1,\dots,\sigma_n\), les nombres \(x_i\) sont les racines de \(X^n-\sigma_1X^{n-1}+\sigma_2X^{n-2}-\dots+(-1)^n\sigma_n\). Cette remarque permet de résoudre certains systèmes symétriques.

Exemple guidé :

Cherchons deux complexes \(u\) et \(v\) de somme 4 et de produit 13. D’après la remarque précédente, ce sont les racines de \(X^2-4X+13\). Le discriminant vaut \(16-52=-36=(6i)^2\). Par conséquent, \(\{u,v\}=\{2+3i,\,2-3i\}\). On contrôle : la somme vaut 4 et le produit vaut \(4+9=13\).

Piège à éviter :

Les signes alternent. Par exemple, pour \(2X^3-5X^2+X+4\), le produit des racines vaut \(-\frac{4}{2}=-2\), et non \(2\). De plus, il faut diviser par le coefficient dominant, que l’on oublie facilement quand il n’est pas égal à 1.

4. Interpolation de Lagrange

4.1 Le polynôme interpolateur

On se donne \(n+1\) points d’abscisses distinctes \(a_0,\dots,a_n\) et des valeurs \(b_0,\dots,b_n\). Nous cherchons un polynôme de degré au plus \(n\) qui prend la valeur \(b_i\) en \(a_i\).

Définition :

Pour \(0\leqslant i\leqslant n\), le \(i\)-ème polynôme de Lagrange est \[L_i=\prod_{j\neq i}\frac{X-a_j}{a_i-a_j}.\] Il est de degré \(n\), vaut 1 en \(a_i\) et s’annule en chaque \(a_j\) avec \(j\neq i\).

Théorème :

Il existe un unique polynôme \(P\) de degré au plus \(n\) tel que \(P(a_i)=b_i\) pour tout \(i\). Il s’écrit \(P=\sum_{i=0}^{n}b_iL_i\).

Preuve :

D’abord, le polynôme \(\sum b_iL_i\) est de degré au plus \(n\). De plus, en \(a_k\), seul le terme \(b_kL_k\) est non nul, et il vaut \(b_k\). Ensuite, si \(P\) et \(P_1\) conviennent, leur différence a trop de racines pour son degré : \(n+1\) racines pour un degré au plus \(n\). Elle est donc nulle.

Exemple guidé :

Cherchons \(P\) de degré au plus 2 tel que \(P(-1)=2\), \(P(1)=0\) et \(P(2)=5\). On a \(L_0=\frac{(X-1)(X-2)}{6}\) et \(L_2=\frac{(X+1)(X-1)}{3}\). Le terme en \(L_1\) disparaît, car \(b_1=0\). Donc \(P=\frac{X^2-3X+2}{3}+\frac{5X^2-5}{3}=2X^2-X-1\).

Enfin, on contrôle : \(P(-1)=2\), \(P(1)=0\) et \(P(2)=8-2-1=5\).

La figure montre la parabole obtenue, qui passe exactement par les trois points imposés.

Parabole d'interpolation de Lagrange passant par les trois points d'abscisses -1, 1 et 2

4.2 Démontrer une identité par interpolation

L’interpolation ne sert pas seulement à calculer un polynôme. En effet, elle fournit aussi un moyen élégant de prouver des égalités entre valeurs d’un polynôme quelconque de degré borné.

Comment faire :

Pour établir une relation valable pour tous les polynômes de degré au plus \(n\) :

  1. Choisir \(n+1\) abscisses distinctes adaptées au problème.
  2. Écrire \(P=\sum_iP(a_i)L_i\), ce qui est permis par l’unicité de l’interpolation.
  3. Évaluer cette égalité au point voulu, en calculant seulement les nombres \(L_i(x)\).
Exemple guidé :

Montrons que tout polynôme \(P\) de degré au plus 2 vérifie \(P(3)=P(0)-3P(1)+3P(2)\). On prend les abscisses 0, 1 et 2. Alors \(L_0=\frac{(X-1)(X-2)}{2}\), \(L_1=-X(X-2)\) et \(L_2=\frac{X(X-1)}{2}\). En 3, ces polynômes valent respectivement 1, \(-3\) et 3. Le résultat en découle. Par exemple, pour \(P=X^2\), on retrouve \(9=0-3+12\).

Piège à éviter :

Le polynôme \(L_i\) dépend de tous les points, et pas seulement de \(a_i\). Ajouter un point modifie donc tous les \(L_i\). En outre, l’unicité ne vaut que parmi les polynômes de degré au plus \(n\) : en degré plus grand, il existe une infinité de solutions.

5. Factorisation dans C[X] et dans R[X]

5.1 Le théorème de d’Alembert-Gauss

Théorème :

Tout polynôme non constant de \(\mathbb{C}[X]\) possède au moins une racine complexe. Par conséquent, tout polynôme non constant de \(\mathbb{C}[X]\) est scindé sur \(\mathbb{C}\).

Ce théorème est admis en MPSI. Sa conséquence se démontre par récurrence sur le degré : on extrait une racine \(a\), on factorise par \(X-a\), puis on recommence avec le quotient. Ainsi, un polynôme complexe de degré \(n\) a exactement \(n\) racines, comptées avec multiplicité.

5.2 Polynômes irréductibles

Définition :

On dit que \(P\in\mathbb{K}[X]\) est irréductible lorsque \(\deg P\geqslant 1\) et que toute écriture \(P=AB\) impose que \(A\) ou \(B\) soit constant.

Théorème :
  • Dans \(\mathbb{C}[X]\), seuls les polynômes de degré 1 sont irréductibles.
  • Dans \(\mathbb{R}[X]\), un polynôme est irréductible exactement lorsqu’il est de degré 1, ou de degré 2 sans racine réelle, c’est-à-dire à discriminant \(\Delta<0\).

De plus, tout polynôme non constant s’écrit, de façon unique à l’ordre près, comme le produit de son coefficient dominant et de polynômes irréductibles unitaires.

Le cas réel repose sur une observation simple. Si \(P\) est à coefficients réels et \(P(z)=0\), alors \(P(\overline{z})=\overline{P(z)}=0\). De plus, \(z\) et \(\overline{z}\) ont la même multiplicité. On regroupe alors les facteurs conjugués : \((X-z)(X-\overline{z})=X^2-2\,\mathrm{Re}(z)\,X+|z|^2\), qui est à coefficients réels.

Contre-exemple :

Un polynôme réel sans racine réelle n’est pas forcément irréductible dans \(\mathbb{R}[X]\). Par exemple, \(X^4+9\) n’a aucune racine réelle. Pourtant, \(X^4+9=(X^2+3)^2-6X^2=(X^2-\sqrt{6}X+3)(X^2+\sqrt{6}X+3)\). Le critère « pas de racine, donc irréductible » ne vaut qu’en degré 2 ou 3.

La figure place les quatre racines de \(X^4+9\) dans le plan complexe. Elles forment deux couples de conjugués, et chaque couple fournit un facteur réel de degré 2.

Les quatre racines complexes de X puissance 4 plus 9 regroupées en deux couples de nombres conjugués

5.3 Factorisation de X^n − 1

Proposition :

Soit \(n\geqslant 1\) et \(\omega=e^{2i\pi/n}\). Dans \(\mathbb{C}[X]\), on a \[X^n-1=\prod_{k=0}^{n-1}\left(X-\omega^k\right).\] Dans \(\mathbb{R}[X]\), on regroupe \(\omega^k\) et \(\omega^{n-k}=\overline{\omega^k}\), ce qui fait apparaître les facteurs \(X^2-2\cos\frac{2k\pi}{n}X+1\).

En effet, les \(n\) racines n-ièmes de l’unité sont des racines distinctes de \(X^n-1\), qui est unitaire de degré \(n\). Le produit des \(X-\omega^k\) divise donc \(X^n-1\), et les deux polynômes ont même degré et même coefficient dominant.

Exemple guidé :

Pour \(n=5\), les racines réelles se réduisent à 1. Les autres se regroupent en deux couples : \(\{\omega,\omega^4\}\) et \(\{\omega^2,\omega^3\}\). Ainsi \[X^5-1=(X-1)\left(X^2-2\cos\tfrac{2\pi}{5}X+1\right)\left(X^2-2\cos\tfrac{4\pi}{5}X+1\right).\] Les deux trinômes ont un discriminant \(4\cos^2\theta-4<0\), donc ils sont irréductibles dans \(\mathbb{R}[X]\).

Les cinq racines de X puissance 5 moins 1 sur le cercle unité avec les couples de conjugués reliés
À savoir :

Pour \(n\) pair, \(-1\) est aussi racine réelle de \(X^n-1\). On obtient alors deux facteurs de degré 1, \(X-1\) et \(X+1\), puis \(\frac{n}{2}-1\) trinômes irréductibles.

5.4 Méthode générale de factorisation

Comment faire :

Pour factoriser un polynôme réel en irréductibles :

  1. Chercher les racines complexes, par exemple avec une racine évidente, un changement de variable \(Y=X^k\) ou les racines de l’unité.
  2. Regrouper chaque racine non réelle \(z\) avec \(\overline{z}\) pour former \(X^2-2\,\mathrm{Re}(z)X+|z|^2\).
  3. Contrôler que chaque trinôme obtenu a un discriminant strictement négatif, puis vérifier le coefficient dominant.
Exemple guidé :

Factorisons \(X^4+X^2+1\). Une astuce consiste à compléter le carré : \(X^4+X^2+1=(X^2+1)^2-X^2\). Il s’agit donc d’une différence de deux carrés. Ainsi \(X^4+X^2+1=(X^2-X+1)(X^2+X+1)\).

Les deux trinômes ont pour discriminant \(-3\). Par conséquent, cette écriture est la factorisation dans \(\mathbb{R}[X]\). D’ailleurs, \(X^4+X^2+1=\frac{X^6-1}{X^2-1}\), ce qui explique que ses racines soient les racines sixièmes de l’unité autres que \(\pm 1\).

Les erreurs fréquentes

  • Conclure à une multiplicité exacte sans vérifier que la dérivée suivante ne s’annule pas.
  • Oublier le signe \((-1)^k\) dans les relations de Viète, surtout pour le produit des racines.
  • Affirmer qu’un polynôme réel sans racine réelle est irréductible dans \(\mathbb{R}[X]\), même en degré 4.
  • Poser une longue division euclidienne alors que seul le reste est demandé.
  • Utiliser le corollaire « \(n+1\) racines » pour un polynôme dont on ne contrôle pas le degré.

Fiche mémo

  • \(\deg(PQ)=\deg P+\deg Q\) ; \(\mathbb{K}[X]\) est intègre.
  • Division euclidienne : \(A=BQ+R\) avec \(\deg R<\deg B\), couple unique.
  • \(P(a)=0\) si et seulement si \((X-a)\mid P\) ; au plus \(\deg P\) racines si \(P\neq 0\).
  • Multiplicité \(m\) : \(P(a)=\dots=P^{(m-1)}(a)=0\) et \(P^{(m)}(a)\neq 0\).
  • Taylor : \(P=\sum_k\frac{P^{(k)}(a)}{k!}(X-a)^k\).
  • Viète : \(\sigma_k=(-1)^k\frac{a_{n-k}}{a_n}\) ; \(\sum x_i^2=\sigma_1^2-2\sigma_2\).
  • Lagrange : \(L_i=\prod_{j\neq i}\frac{X-a_j}{a_i-a_j}\) et \(P=\sum b_iL_i\).
  • d’Alembert-Gauss : tout polynôme non constant est scindé sur \(\mathbb{C}\).
  • Irréductibles de \(\mathbb{R}[X]\) : degré 1, et degré 2 avec \(\Delta<0\).
  • \(X^n-1=\prod_{k=0}^{n-1}(X-\omega^k)\), avec \(\omega=e^{2i\pi/n}\).

Questions fréquentes

Comment montrer qu'une racine est double et pas triple ?

On vérifie que le polynôme et sa dérivée s’annulent en ce point, puis que la dérivée seconde ne s’y annule pas. La dernière vérification est indispensable : sans elle, on sait seulement que la multiplicité est au moins 2. On peut aussi factoriser par le carré de X – a et contrôler que le quotient ne s’annule pas en a.

Les relations de Viète s'appliquent-elles à tout polynôme ?

Elles s’appliquent aux polynômes scindés, c’est-à-dire produits de facteurs de degré 1. Sur C, tout polynôme non constant est scindé grâce au théorème de d’Alembert-Gauss, donc elles valent toujours si l’on compte les racines complexes avec multiplicité. Sur R, il faut d’abord s’assurer que toutes les racines sont réelles.

Un polynôme réel sans racine réelle est-il irréductible ?

Seulement en degré 2 ou 3. En degré 4 ou plus, il peut se factoriser en trinômes réels sans racine réelle, comme X^4 + 9. Dans R[X], les facteurs qu’on ne peut plus casser sont les polynômes du premier degré et les trinômes sans racine réelle.

À quoi sert l'interpolation de Lagrange en pratique ?

Elle fournit l’unique polynôme de degré au plus n qui passe par n + 1 points d’abscisses distinctes. En colle, elle sert surtout à démontrer des identités, car deux polynômes de degré au plus n qui coïncident en n + 1 points sont égaux. Elle intervient aussi en analyse numérique pour approcher une fonction.

Pour aller plus loin

Voter.. post
Télécharger puis imprimer cette fiche en PDF.

Télécharger ou imprimer cette fiche «racines d'un polynôme et Viète en maths sup (MPSI) : cours et méthodes» au format PDF afin de pouvoir travailler en totale autonomie.


Nombre de fichiers PDF téléchargés.  Maths PDF c'est 16 225 288 cours et exercices de maths téléchargés en PDF et 4 250 exercices.

Télécharger les manuels scolaires de maths en PDF du CP à la Terminale