Lycée Hoche MPSI B Feuille Fractions rationnelles
1.
(Efr01)Décomposer les fractions rationnelles suivantes en éléments simples complexes ou réels :
(X + 2)
(X + 1)(X
2+ 1) , X
2(X
2+ 1)
2, 1 1 − X
21
(X − 1)(X − 2) · · · (X − n) , 1
(X − 1)
2(X − 2) X
5(X
4− 1)
2, X
X
4+ X
2+ 1 , X
7− X
6− X + 1 (X − 1)
5X
2X
4− 2X
2cos α + 1 (α 6≡ 0 mod 2π), 1 (X
2− 1)
2X
4(X − 1)
2(X + 1) 2.
(Efr02)On rappelle que
∀n ∈ N
∗: 1
1 − X = 1 + X + · · · + X
n−1+ X
n1 − X En déduire les décompositions en éléments simples de
1 X
n(1 − X )
1 X(1 − X)
n1 (X + 1)(X + 2)
63.
(Efr03)Formule de Taylor pour une fraction rationnelle.
Soit F ∈ C (X) et a un nombre complexe qui n'est pas un pôle de F .
a. Soit k un entier naturel quelconque, montrer que a n'est pas un pôle de F
(k).
b. Soit n un entier naturel quelconque, on dénit une fraction rationnelle R
npar :
F = F e (a)+ f F
0(a)
1! (X −a)+ · · ·+ F g
(n)(a)
n! (X −a)
n+ R
nMontrer que a est un zéro de R
nde multiplicité strictement supérieure à n .
c. En déduire la décomposition en éléments simples
de 1
(X − 1)
3(X + 1)
24.
(Efr04)Soit n ≥ 2 dans N et A
n, B
ndans Z [X ] :
A
n=
bn−12 c
X
k=0
(−1)
kn
2k + 1
X
2k+1B
n=
bn2c
X
k=0
(−1)
kn
2k
X
2kOn dénit la fraction rationnelle F
n=
ABnn
et l'ensemble I
n= J 0, n − 1 K \
n − 1 2
On remarque que si n est pair,
n−12n'est pas entier et il n'y a rien à enlever à J 0, n − 1 K. Pour k ∈ I
n, on note :
θ
k= (2k + 1)π
2n , t
k= tan(θ
k)
a. Montrer que, pour x non congru à
π2modulo π , sin(nx) = (cos(x))
nA f
n(tan(x)) cos(nx) = (cos(x))
nB f
n(tan(x))
En déduire que tan(nx) = F f
n(tan(x)) lorsque tan(x) n'est pas un pôle de F
n.
b. Montrer que {t
k, k ∈ I
n} est l'ensemble des racines de B
n. Calculer A f
n(t
k) pour k ∈ I
n.
c. Quel est le degré de F
n? Quels sont les pôles de F
n? Montrer que la décomposition en éléments simples de F
nest
− 1 n
X
k∈In
1 + t
2kX − t
ksi n est pair 1
n X − 1 n
X
k∈In
1 + t
2kX − t
ksi n est impair 5.
(Efr05)Soit a un pôle de multiplicité m de F ∈ K(X) .
Est-il encore un pôle de F
0? et de quelle multiplicité ? 6.
(Efr06)Valuations d'une fraction rationnelle.
Pour tout a ∈ C et F ∈ C (X) , on dénit v
a(F ) ∈ Z (valuation de F en a ) de la manière suivante :
v
a(F ) = 0 si a n'est ni un pôle ni un zéro de F . v
a(F ) = m si a est un zéro de F de multiplicité m . v
a(F ) = −m si a est un pôle de F de multiplicité m .
a. Montrer que v
a(F ) = m si et seulement si il existe des polynômes P et Q tels que F = (X − a)
m PQavec P e (a) 6= 0 et Q(a) e 6= 0 .
b. Soit F et G deux fractions rationnelles. Montrer que v
a(F G) = v
a(F ) + v
a(G) .
Montrer que v
a(F + G) ≥ min(v
a(F ), v
a(G)) avec égalité lorsque v
a(F ) 6= v
a(G) .
c. Soit F , G
1, G
2trois fractions rationnelles vériant F
2+ G
1F + G
2= 0
C(X)Montrer qu'un pôle de F est soit un pôle de G
1soit un pôle de G
2.
7.
(Efr07)Préciser la fraction R telle que 1
1 + X
2= 1 − X
2+ X
4+ R En déduire la partie polaire relative au pôle 0 de
F = X + 1 X
4(X
2+ 1)
Achever la décomposition en éléments simples de F . 8.
(Efr08)Soit a un nombre complexe non nul. On dénit une
suite de fractions rationnelles par : F
0= 1 −
1aX
(1 + X )(1 + aX)(1 + a
2X )
∀n ∈ N : F
n+1= a F b
n(aX)
En utilisant une décomposition en éléments simples, sim- plier
F
0+ F
1+ · · · + F
n9.
(Efr09)Soit α 6= 0 mod π et f dénie dans R par
∀x ∈ R , f (x) = 1
1 − 2x cos α + x
2Former une expression complexe de f
(n). En déduire une expression simple de f
(n)(cos α) .
10.
(Efr10)Soit p naturel non nul, P polynôme de degré < p . On dénit une fraction F et une suite (u
n)
n∈N∗F = P
X (X + 1) · · · (X + p) et u
n= F(n) e a. Préciser les coecients de la décomposition en élé-
ments simples de F . On les notera λ
0, λ
1, · · · , λ
p. b. Montrer la convergence de la suite
n
X
k=1
u
k!
n∈N∗
et exprimer sa limite en fonction des λ
i.
11.
(Efr11)Soit x
1, · · · , x
ncomplexes non nuls deux à deux distincts et r ∈ J 0, n K. Montrer que
1n
X
j=1
x
rjQ
k6=j
(x
j− x
k) =
0 si r < n − 1 1 si r = n − 1
X
j
x
jsi r = n 12.
(Efr12)a. Soit k ∈ N
∗, donner un développement limité à l'ordre 1 en 1 de la fonction x → x
k.
b. Soit n ∈ N
∗, donner un développement limité à l'ordre 1 en 1 de
x → 1
(1 + x + x
2+ · · · + x
n−1)
2c. Calculer la partie polaire relative au pôle 1 de
1 (X
n− 1)
2d. Décomposer en éléments simples de C(X ) 1
(X
n− 1)
213.
(Efr13)Soit a , b , c dans C \ {−1, 0, 1} et deux à deux distincts. Résoudre le système aux inconnues x , y , z
x a − 1 + y
a + z a + 1 = 1 x
b − 1 + y b + z
b + 1 = 1 x
c − 1 + y c + z
c + 1 = 1
14.
(Efr14)Démonstration arithmétique de l'existence et de l'unicité d'une partie polaire.
Soit a ∈ C un pôle de multiplicité α de F ∈ C (X ) . Montrer, avec des outils arithmétiques qu'il existe un unique polynôme Λ tel que a ne soit pas un pôle de F −
(X−a)Λ αet que deg(Λ) < α .
1d'après Knuth Art of Computer Programming Vol I p36.
15.
(Efr15)Pour n ∈ N
∗décomposer dans R (X) , F = X
n+ 1
(X
2− 1)(X
n− 1) . (Attention à la parité de n )
16.
(Efr14)Soit P de racines z
1, · · · , z
pdans C avec les mul- tiplicités m
1, · · · , m
p. Soit z une racine de P
0. Montrer que
0 = m
1|z − z
1|
2(z − z
1) + · · · + m
1|z − z
p|
2(z − z
p).
Lycée Hoche MPSI B Feuille Fractions rationnelles : corrigés
1.
(Cfr01)On décompose d'abord en éléments simples de pre- mière espèce puis de deuxième espèce.
Calcul facile car tous les pôles sont simples, puis on regroupe les conjugués
(X + 2) (X + 1)(X
2+ 1)
= 1
2(X + 1) + −1 + 3i
4(X + i) + −1 − 3i 4(X − i)
= 1
2(X + 1) + −X + 3 2(X
2+ 1) Dans C (X ) : deux pôles doubles conjugués (ou oppo-
sés).
X
2(X
2+ 1)
2= a
(X − i)
2+ b X − i
+ c
(X + i)
2+ d X + i Par conjugaison (ou parité) : c = a , d = −b . Par supertildation en i : a =
(2i)−12=
14.
Valeur en 0 :
0 = −(a + c) + i(b − d) ⇒ b = − i 4 X
2(X
2+ 1)
2= 1
4(X − i)
2− i 4(X − i)
+ 1
4(X + i)
2+ i 4(X + i) Dans R [X] , évident par développement idiot
X
2(X
2+ 1)
2= X
2+ 1 − 1 (X
2+ 1)
2= 1
X
2+ 1 − 1 (X
2+ 1)
2Deux pôles simples. Calculs faciles.
1
1 − X
2= 1
2(1 − X) + 1 2(1 + X )
Tous les pôles sont simples. Calculs par supertildation en faisant apparaitre un coecient du binôme.
1
(X − 1)(X − 2) · · · (X − n)
= 1
(n − 1)!
n−1
X
i=0
n − 1 i − 1
(−1)
n−iX − i
1
(X − 1)
2(X − 2) = −1
(X − 1)
2+ −1
X − 1 + 1 X − 2
X
5(X
4− 1)
2= 1
16(X − 1)
2+ 1 8(X − 1)
− 1
16(X + 1)
2+ 1
8(X + 1) + R
avec
R = − i
16(X − i)
2− 1 8(X − i)
+ i
16(X + i)
2− 1 8(X + i) ou
R = − 1
4(x
2+ 1)
2+ 1 4(x
2+ 1)
Les pôles sont les racines carrées de j et j
2soit j , −j , j
2, −j
2. On note a , b , c , d les coecients correspon- dants. Comme la fraction est réelle, c = a et d = b . Comme la fraction est impaire b = −a . On calcule a avec la dérivée du dénominateur :
a = j
4j
3+ 2j = j 4 + 2j
X
X
4+ X
2+ 1 =
j 4+2j
X − j −
j 4+2j
X + j +
j2 4+2j2
X − j
2−
j2 4+2j2
X + j
2On cherche des coecients réel tels que
X
X
4+ X
2+ 1 = aX + b
X
2+ X + 1 + cX + d X
2− X + 1 Par imparité, a = c et d = −b . En multipliant par X et en allant à l'inni, on obtient a = b = 0 . En prenant la valeur en 1 , on obtient la valeur de b . Finalement :
X
X
4+ X
2+ 1 =
1 2
X
2− X + 1 −
1 2
X
2+ X + 1 On peut commencer par factoriser le numérateur et
simplier par (X−1)
2. On divise pour obtenir la partie entière et on utilise la formule de Taylor en 1 pour la partie polaire
X
7− X
6− X + 1
(X − 1)
5= X
2+ 4X + 10
+ 6
(X − 1)
3+ 15
(X − 1)
2+ 20 X − 1 Les pôles sont e
iα2, e
−iα2, −e
iα2, e
−α2. Ils sont simples.
Notons a , b , c , d les coecients des parties polaires correspondantes. Par conjugaison : b = a , d = c . Par parité c = −a , d = −b . Tout s'exprime donc en fonc- tion de a
b = a c = −a d = −a
Le calcul de a se fait en supertildant à l'aide de la factorisation
a = e
iαe
iα2− e
−iα2e
iα2+ e
iα2e
iα2+ e
−iα2= e
iα2i sin
α22e
iα22 cos
α2= − i
4 sin α e
iα2Finalement X
2X
4− 2X
2cos α + 1 =
−ie
iα24 sin α(X − e
iα2) + ie
−iα24 sin α(X − e
−iα2) + ie
iα24 sin α(X + e
iα2) + −ie
−iα24 sin α(X + e
−iα2) Coecients indéterminés.
1
(X
2− 1)
2= a
(X − 1)
2+ b X − 1
+ c
(X + 1)
2+ d X + 1 Par parité : c = a , d = −b . Le a est facile à calculer par supertildation a =
14. On peut calculer le b par la méthode servant à prouver l'existence et l'unicité de la partie polaire
1
(X
2− 1)
2− 1
4(X − 1)
2= − X + 3 (X − 1)(X + 1)
2On déduit b = −
14. Finalement :
1
(X
2− 1)
2= 1
4(X − 1)
2− 1 4(X − 1)
+ 1
4(X + 1)
2+ 1 4(X − 1) Ne pas oublier la partie entière à calculer par division
sans préciser le reste. Le résidu en 1 se calcule par développement limité.
X
4(X − 1)
2(X + 1) = X + 1 + 1 2(X − 1)
2+ 7
4(X − 1) + 1 4(X + 1) 2. pas de correction pour Efr02.tex
3.
(Cfr03)Formule de Taylor pour une fraction rationnelle.
a. Soit F une fraction dont a n'est pas un pôle. Il existe des polynômes P et Q tels que F =
PQavec Q(a) e 6= 0 . Les dérivées successives de F sont des fractions dont le dénominateur est une puissance de Q donc a n'est pôle d'aucune de ces dérivées.
b. Dénissons la fraction R
npar la formule : R
n= F −
F (a) + F
0(a)
1! (X − a) + · · ·
D'après les propriétés algébriques de la dérivation : R
(k)n(a) = 0 pour 0 ≤ k ≤ n . En particulier de R
n(a) = 0 , on déduit que a est un zéro de R
n. Soit p sa multiplicité. Il existe alors une fraction G telle que F = (X − a)
pG avec G(a) 6= 0 . En utilisant la formule de Leibniz, on montre que R
(p)n(a) = p!G(a) 6= 0 . On en déduit que p > n .
En divisant par (X − a)
n+1, la contribution de la
partie principale de la formule de Taylor apparait donc comme la partie polaire en a de la fraction
F (X − a)
n+1Cette méthode peut être utile pour chercher la par- tie polaire d'un pôle avec une multiplicité élecée.
c. On peut appliquer deux fois la question précédente.
dér. succ. : 1
(X + 1)
2, −2
(X + 1)
3, 6 (X + 1)
4val. en 1 : 1
4 , − 1
4 , 3
8
dér. succ. : 1
(X − 1)
3, −3 (X − 1)
4val. en −1 : − 1
8 , − 3
16 On en déduit :
1
(X − 1)
3(X + 1)
2=
1 4
(X − 1)
3+
−1 4
(X − 1)
2+
3 16
X − 1 + −
18(X + 1)
2+ −
163X + 1 4.
(Cfr04)a. La séparation entre les puissances paires et im- paires dans la formule du binôme permet d'écrire
e
inx= (cos x + i sin x)
n= (cos x)
nB f
n(tan x) + i A f
n(tan x) . On en déduit
sin(nx) = (cos(x))
nA f
n(tan(x)) (1) cos(nx) = (cos(x))
nB f
n(tan(x)) (2) tan(nx) = F f
n(tan(x)). (3) D'après 2, tous les t
kavec k ∈ I
nsont des racines de B
n. On obtient donc autant de racines que le degré de B
n, ce sont donc toutes les racines de B
nou les pôles de F
n. D'après 1,
A f
n(t
k) = sin
(2k+1)π2cos
nθ
k= (−1)
kcos
nθ
k. b. Si n = 2p est pair,
deg(A
n) = 2p − 1, deg(B
n) = 2p, deg(F
n) = −1.
Si n = 2p + 1 est impair,
deg(A
n) = 2p + 1, deg(B
n) = 2p, deg(F
n) = +1.
Lycée Hoche MPSI B Feuille Fractions rationnelles : corrigés
c. Dans le cas impair n = 2p + 1 , la décomposition contient une partie entière qui est le quotient de la division de
A
n= (−1)
pX
n+ 0X
n−1+ · · ·
par B
n= (−1)
pnX
n−1+ 0X
n−2+ · · · Or
A
n= X
n B
n+ pol de degré n − 2 donc ce quotient est
Xn.
Dans le cas pair, la décomposition en éléments simples ne comporte pas de partie entière.
La partie polaire relative au pôle t
kest
X−tλkkavec λ
k= A f
n(t
k)
B f
0n(t
k) . Dérivons la relation 2.
− n sin(nx) = −n(sin x)(cos
n−1x) B f
n(x) + cos
nx(1 + tan
2x) B f
0n(tan x).
Comme sin θ
k= 0 ,
B f
n0(t
k) = − n sin(nθ
k) cos
n−2θ
k= n(−1)
n+1cos
n−2θ
k⇒ λ
k= −1 n cos
2θ
k= − 1 + t
2kn . 5.
(Cfr05)Soit a un pôle de multiplicité m de F ∈ K(X) . Il
existe alors A et B K[X] tel que
F = A
(X − a)
mB avec A(a) e 6= 0, B(a) e 6= 0.
Avec les règles de dérivation :
F
0= (X − a)A
0B − mAB − (X − a)AB
0(X − a)
m+1B
2Notons N le numérateur.
N f
0(a) = −m A(a) e B(a) e 6= 0.
On en déduit que a est un pôle de F
0de multiplicité m + 1 .
6. pas de correction pour Efr06.tex 7. pas de correction pour Efr07.tex
8.
(fr08)Décomposons F
0en éléments simples F
0= α
1 + X + β
1 + aX + γ 1 + a
2X
sans calculer tout de suite les coecients. Écrivons la somme en respectant les colonnes
α
1 + X + β
1 + aX + γ 1 + a
2X aα
1 + aX + aβ
1 + a
2X + aγ 1 + a
3X a
2α
1 + a
2X + a
2β
1 + a
3X + a
2γ 1 + a
4X ...
Un facteur γ + aβ + a
2α se dégage dans le coeur de la sommation. Ce facteur est nul car comme le degré de F
0est −2 , en multipliant par X et en allant à l'inni, il vient
α + β a + γ
a
2= 0
La somme se simplie en domino et il ne reste que deux termes à chaque extrémité
α
1 + X + β + aα
1 + aX + a
n−1γ + a
nβ
1 + a
n+1X + a
nγ 1 + a
n+2X Les coecients α , β , γ dans F
0se calculent comme d'ha- bitude
α = 1 +
1a(1 − a)(1 − a
2) β = 1 +
a12(1 −
1a)(1 − a) γ = 1 +
a13(1 −
a12)(1 −
a1) 9. pas de correction pour Efr09.tex 10. pas de correction pour Efr10.tex 11.
(Cfr11)On considère
F = X
r(X − x
1) · · · (X − x
n)
Comme les x
isont non nuls, ce sont les pôles de F et ils sont simples. Décomposons :
F = Q +
n
X
j=1
λ
jX − x
joù Q est la partie entière et
λ
j= x
rjQ
k6=j
(x
j− x
k)
Si r < n − 1 , Q = 0 , XF → 0 en l'inni donc X
j
λ
j= 0
Si r = n − 1 , Q = 0 , XF → 1 en l'inni donc X
j
λ
j= 1 Si r = n , Q = 1 et
n
X
j=1
λ
jX − x
j= F − 1
= X
n− (X − x
1) · · · (X − x
n) (X − x
1) · · · (X − x
n)
= (x
1+ · · · x
n)X
n−1+ · · · (X − x
1) · · · (X − x
n) d'où en multipliant par X et en allant à l'inni
X
j
λ
j= x
1+ · · · x
n12. pas de correction pour Efr12.tex 13.
(Cfr13)On considère une fraction
F = x X − 1 + y
X + z X + 1 Alors, (x, y, z) est solution si et seulement si
F e (a) = F e (b) = F(c) = 1 e
Cela revient à chercher un polynôme A de degré 2 avec des valeurs prescrites en a , b , c :
A(a) = (a e − 1)a(a + 1) A(b) = (b e − 1)b(b + 1) A(c) = (c e − 1)c(c + 1)
On peut l'obtenir avec les polynômes d'interpolation de Lagrange en a , b , c . Il reste alors à décomposer la fraction F en éléments simples pour obtenir la solution (x, y, z) . 14.
(Cfr14)Soit F =
BAun représentant irréductible. Il existe
B
1∈ C [X] tel que
B = (X − a)
αB
1, B
1∧ (X − a)
α= 1.
D'après Bezout, il existe Λ, V ∈ C [X ] tels que ΛB
1+ (X − a)
αV = A.
En divisant éventuellement Λ par (X − a)
α, on peut supposer deg(Λ) < α . En divisant par B , on obtient
F = Λ
(X − a)
α+ V B
1.
Ceci prouve l'existence. Si U
1, V
1est un autre couple solution de l'équation de Bezout, en soustrayant,
(Λ − U
2)B
1= (V
2− V )(X − a)
α⇒ Λ = U
2avec le théorème de Gauss si deg(U
2) < α .
15.
(Cfr15)Les pôles sont +1 et −1 et les éléments de U
n. La multiplicité de 1 est toujours 2 , mais celle de −1 dépend de la parité de n . En fait −1 est un pôle double si n est pair mais n'est pas un pôle si n est impair. Les autres éléments de U
nsont des pôles simples.
Commençons par former la décomposition complexe en cherchant la partie polaire
X−uλuen u ∈ U
n\ {−1, 1} . On utilise la dérivée du dénominateur pour calculer λ
uλ
u= u
n+ 1
(n + 2)u
n+1− nu
n−1− 2u = 2 n(u − u
−1)
= − i
n sin θ si u = e
iθ. Regroupons les pôles conjugués :
− i
n sin θ(X − e
iθ) + i
n sin θ(X − e
−iθ)
= ie
−iθ− ie
iθn sin θ(X
2− 2 cos θX + 1)
= 2
n(X
2− 2 cos θX + 1) .
Pour former la partie polaire en 1 (notée Π
1), on cherche le développement limité à l'ordre 1 en 1 de
x 7→ x
n+ 1
(x + 1)(1 + x + · · · + x
n−1) . Le développement fondamental est
x
k= 1 + k(x − 1) + o(x − 1).
Après calculs, le coecient de (x − 1) est nul et le déve- loppement cherché est
1
n + o(x − 1) ⇒ Π
1= 1 n(X − 1)
2.
Si n est pair ( = 2p ), la fraction est conservée par la substitution de −X à X qui échange les pôles doubles 1 et −1 . Les autres racines de 1 sont des pôles simples.
On en déduit Π
−1= Π
1et . F = 1
n(X − 1)
2+ 1 n(X + 1)
2+
p−1
X
k=1