B ÉRARD
Questions résolues. Développement de la théorie sur laquelle il a été demandé des éclaircissemens à la page 291 du IX.e volume de ce recueil
Annales de Mathématiques pures et appliquées, tome 10 (1819-1820), p. 61-72
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6I
QUESTIONS RÉSOLUES.
Développement de la théorie
surlaquelle il a été
demandé des éclaircissemens à la page 29I du IX.e volume de
cerecueil ;
Par M. BÉRARD , professeur de mathématiques, membre
de plusieurs sociétés
savantes.QUESTIONS RÉSOLUES.
JE rappelle
l’énoncé duproblème,
parce quej’ai besoin
de modifiaun peu le
procédé qui y
estexpliqué.
Soit X=o une
équation numérique
en x, dudegré
m ; soit10
la limite inférieure des racines
positives
de cetteéquation ;
soitchange ,
dansX=0, x
enx+l.,
cequi
donnera une transforméeX1=0.
Soit
Il
la limite inférieure des racinespositives
de cette dernièreéquation;
en ychangeant
x enx+lI,
ou bien enchangeant,
dansX=0,
x enx+l0+lI,
cequi
revient au même, et cequi
estpréférable ,
comme on le verratout-à-l’heure ;
on obtiendra unenouvelle transformée
X2=0.
Soit
l2
la limite inférieure des racine!positives
decelle-ci ;
enchangeant,
dansX=0, x
enx+l0+l1+l2 ;
on obtiendra unetroisième transformée
X3=0.
En
supposant
que ceprocédé
ait été indéfinimentpoursuivi
dela même
manière,
on proposei.° De démontrer que , si la
proposée
X-o a une ouplusieurs
racines réelles
positives,
lasérie l0+lI+L2+...
seraconvergente,
et aura pour limite de la somme de ses termes la
plus petite
deces racines ?
2.0
D’expliquer
ce que devient cette mêmesérie ,
dans le casoù la
proposée , n’ayant
aucune racine réellepositive ,
offrenéan-
moins une ou
plusieurs
variations ?§.
1. Premièrepartie.
Soit la
proposée
en y
changeant
x enx+l ;
etposant,
pourabréger,
ce
qui donne ,
comme l’onsait,
elle.
deviendraRÉSOLUES.
63En mettant donc dans les valeurs
de A, B, C,...;
les nom-bres que
représentent
a ,b-,
c,... ; il devient très-aisé de forrrer les différentestransformées ;
car il suffitd’y
substituer succes-siveinent
pour 1,
lesvaleurs 10 , l0+lI , l0+l1+l2,...
des sommes de limites obtenues au moyen des transformées
qui qui précèdent
cellesqu’on
se propose d’obtenir.La
première
recherchequi
doit nous occuper ici est celle de la marche que suivent les coefficiens destransformées successives.
Imaginons
que sur un. axe indéfiniOX, don,t l’origine
est en0 ,
on ait construit la courbeparabolique A=y, dont
l’abscissevariable est
l,
etqui
seraévidemment
lamême
queX=y;
etqu’on
aitplacé
les lettresA.
yA2 A
3 ,,... auxpoints
où l’axecoupe les branches de la
courbe ;
ceslettres
seront aunombre
dem,
si ,
comme nous le supposonsd’abord,
toutes les racines de X=o sont réellcs.Soit construite sur le même axe la courbe
B=yI ;
etsoient placées
les lettresBI, B2, B3,
...Bm-I
auxpoints où
celtecourbe est
coupée
par l’axe.Soit construite
semblablement ,
ettoujours
sur le même axela courbe
C=y2;
et soientplacées
leslettres CI, C2, C3,....Cm-2,
aux
points
d’intersection de cettecourbe
avec l’axe.En
poursuivant ainsi, jusqu’au
dernier des coefficiensA, B ; C,
....,lequel
donnera unesimple ligne droite ;
on remarquera facilement les diverses circonstances quevoici ,
I.° Les
points BI , B3, B 3
,.... sont intermédiaires auxpoints AI, A2, A3, les points CI, C, C3, .... le
sont auxpoints
BI, B2, B 3
,... ; et ainside suite.
2.° Les
points B, , B2 , B3,
... sont lespieds
desordonnées
maxima de la courbe
A=y; les points CI, C2, C3 ,...
sontles
pieds
des ordonnéesmaxima de
la courbeB=yI;
etainsi
de suite.3.° Le coefficient A est
maximum, quand B=0;
le coefficient B estmaximum , quand C=0;
et ainsi de suite.4.°
Lescoefficiens A 1 B, C,
",.croissent ,
décroissent et chan-gent
designes respectivement
et en mêmetemps
que lesordonnées
y, yI, y2, ... des diverses courbes
paraboliques.
5.°
Enfin,
toutes ces remarquessubsistent , quelle
que soit la valeurde l; puisque ,
dans la construction de cescourbes
/ aété
regardé
comme l’abscisse.Maintenant,
il faut faire attention que ,quand
onchange
suc-cessivement , danslaproposée, x
enx+l0, x+l0+lI, x+l0+lI+l2,...;
on ne fait que
déplacer l’origine
desabscisses ,
en latransportant
de 0 en
OI, O2 , O3,
... Les ordonnées y, yI, 03B32, ... corres-pondant
auxorigines
successives0 ; OI, O2
...indiquent donc,
tout à la
fois ,
lagrandeur
et lesigne
descoefficiens A, B, C ,
...des
transformées.
Par
là ,
il devient très-aisd de se rendrecompte
de lamarche
des
coefficiens ;
onpeut assigner,
pourchacun,
lesigne ,
l’accrois-sement ou le
décroissement,
pour uneposition
donnée del’origine;
ces
considérationspeuvent
même fournir une démonstration très-simple
de laRègle
deDescartes ;
car il suffit pour cela deplacer
d’abord
l’origine
àgauche
de toutes lesbranches ,
cequi
rendtous les
signes alternatifs ; puis
de remarquer que,quand l’origine dépasse
unebranche , A change
designe ,
cequi
faitperdre
unevariation
àl’équation.
En continuant à faire mouvoirl’origine
degauche
àdroite
, en se convaincraqu’il
en est de même pourchaque
racinepositive qu’on
faitperdre
àl’équation.
La considération des mêmes courbes
peut
encore démontrerfaci-
lement la cause du
grand
nombre de combinaisons designes
quepeut
fournir uneéquation
etexpliquer
lasignification
de chacune.d’elles. Prenons un
exemple simple ;
celui del’équation
du 3..me’degré.
L’axe OX
portera,
les lettresOAIBICIA2CIB2A3X.
La lettreC,
n’estplacée qu’en
un seulpoint ,
pour- une mêmeéquation y
mais,
comme ellepeut
se trouver à droite ou àgauche
dupoint A2,
il a fallu l’écrire deuxfois ,
pourcomprendre
tous les caspossibles.
Il en résulte 9points qui comprennent
entre eux 8 espacesou
RÉSOLUES.
65ou
régions différentes.
Chacune de cesréginns correspond à
unecombinaison différente
designes ,
dont le nombre est iciI+3+
3+I=8=23.
Si l’on considère le nombre des
variations ,
on voit que ,quand
l’origine
est dansl’espace OAI,
il y a troisvariations
dansl’equa- tion ;
que ,quand
elle est dansl’espace AIA2,
il y a deux varia-tions ; qu’il
y en a uneseule , quand
cetteorigine
est dans l’es- paceA2A3 ; qu’enfin
iln’y en
a aucune ,quand
elle est dans1 espace A3x.
Pour le
4.me degré ,
le nombre des combinaisons designes
estI+4+6+4+I=I6=24.
Engénéral,
il est 2m. C’est la sommeI+m I=m I·m-I 2+mI·m-I 2·m-2 3 +...
des coefficiens dudéve-
loppement
de(1+x)m.
On sent bien que les racines
imaginaires changent
lafigure
descourbes et la
position
del’axe ;
mais elles ne détruisent pas lesconséquences
que nous voulons en tirer.Les
équations A=0, B=0, C=0,... peuvent avoir
des racinesimaginaires,
en sorte quequelques-unes
des lettresAI, Az
...,.BI, B2
,...ci C2 ,
...manquent ;
cequi
diminue le nombredes
régions
et parconséquent
celui des combinaisons designes qu’admet
laproposée
par la transformation del’origine.
Parexemple,
si,
laproposée
étant du 3.medegré,
les sommets sontréels ;
et sil’axe ne rencontre
qu’une branche;
au lieude 7
combinaisons designes,
iln’y
en auraplus
que 5seulement ;
parce que lespoints A2, A3 manqueront.
Si les sommets ne sont pasréels,
iln’y
auraplus que 3
combinaisons designes;
parce que les lettresA2, A3, BI, B2
n’existerontplus.
Après
avoir trouvé la loi des coefficiensA, B, C,
... dansles transformées
successives ,
il reste à chercher celle de la sériel0, lI, l2
,...On voit que cette loi
doit dépendre , jusqu’à
un certainpoint
Tom. x. 9
de la
règle
que l’on choisit pour déterminer lalimite des x : pre-
nons la
plus simple.
On sait que 17 étant leplus grand
coefficient designe
contraire à celui du terme connu , on aural=A A+V; l
sera donc
toujours
unefraction , comprise
entre o et iqui
aug-mentera ou diminuera d’une transformée à la
suivante,
selon que A auraaugmente
ou diminué lui-même dans unplus grand
oudans un moindre
rapport
que V. En outre ,quand
ilsurviendra
un
changement
designe
dansl’équation, V qui représentait
uncoefficient,
B parexemple ,
enreprésentera
un autre,qui
entreraa son tour comme élément dans
l’expression
del;
circonstancequi changera
nécessairement la marche de la sériel0, A l2,
...Il serait minutieux et sans doute
pénible
designaler
et declasser
toutes les anomalies
qui peuvent
avoirlieu ;
il suffit de remarquer que c’est le coefficient Aqui joue
leprincipal
rôle etqui
déter-mine la série à être ascendante ou. descendante.
Le cas le
plus simple
est celui oùl’origine
estdans la région OAi
et où toutes les racines sont réelles.Quand
on al=A A+B;
a cause de B=dA dl on a A B = Adl dA=ydx dy=sous-tangente=s,
et l=s s+A;
or, sdiminue ,
ainsi que y,depuis
lé
point
0jusqu’au point A,
où ils sontnuls ;
donc aussi la sérieest décroissante entre ces deux
points.
C’est cequ’on
voit pourl’équation (x-I)(x-2)(x-3)=0.
Quand l’origine
est entre lespoints A,
etBI ,
la série est d’abordcroissante, puis
elle décroîtjusqu’au point A2,
comme dans cetteéquation (x+I)(x-3)=0.
Lorsque
laproposée
a des racinesimaginaires ,
la série suit encoreassez exactement les accroissemens et les décroissemens du coeffi- cient
A=y. Ainsi , à
mesure quel’origine s’approche
de l’ordonnéeminima, A
diminued’abord ,
sanspouvoir
néanmoins devenirnul ;
RÉSSOLUES. 67
puis
ilaugmente
sanschanger
designe.
Demême
, la série décroîtpour croître ensuite et décroître de nouveau , autant de fois
qu’il
y a d’ordonnées minima.
L’équation x3-6x2+IIx-6,4=0
estdans ce cas ; la courbe est comme on la voit ici :
On trouvera
l0=0.37, l6=0.0I6, correspondant
au sommetconvexe,
lI0=0,4; lII=0,3, correspondant
au sommet concave ouordonnée
maximum, lI2=0,12;
etc.Cet
exemple
offre unesingularité :
c’est que le maximum de l arrive avant l’ordonnéemaximum,
par l’effet duchangement
decoefficient dans le dénominateur de
A A+V.
Au reste , il serait oiseux de
s’appesantir
sur la loi des accrois-seluens et décroissemens de la
série ;
car cette circonstance est tout"à-fait indifférente au succès de la
méthode.
Peuimporte
la marchede cette
série ;
l’essentiel est de savoirqu’elle
finittoujours
par devenirdécroissante ,
et par converger vers l’intersection laplus proche
àdroite ,
or , cela est de touteévidence ;
car ce n’estque dans les
points AI, A2,... qu’on
aA=0,
et par con-séquent
I=o.Mais,
nous a demandé ungéomètre,
nepourrait-il
pas se trouvera gauche
de l’intersection dont on cherche à déterminerl’abscisse ,
un
point
que la sériel0+l1+l2+...
nepût jamais dépasser;
ou,QUESTIONS
en
d’autres termes ,
nepourrait-il
pasarriver quelquefois
dumoins ,
que la somme des termes de cette série eût une limiteinférieure
d’unequantité
finie à laplus petite
des racinespositives?
Je
réponds
que non. Tantqu’il
existe une variation dans la der- nièretransformée ,
rienn’empéche
d’en faire de nouvellesqui
trans-portent l’origine
sur la droite.Supposons ,
eneffet ,
l’existence dece
point
vraimentsingulier ; que k
soit sa distance àl’origine ;
enmettant
x+k+l
pour x dans laproposée , l’origine
se trouveratransportée
au-delà de cepoint
etplus
voisine que lui de l’inter- sectionqu’il s’agit d’assigner ;
Maistoujours
à sagauche ,
si 1 estsuffisamment
petit ; l’équation
aura donc encore au moins unevariation ;
et rien nes’opposera
à cequ’on
fasse de nouvelles trans-formées ;
d’où nous nous croyons fondés à conclure que lepoint
en
question
est tout-à-faitchimérique.
§. II. Deuxième partie.
Je
réponds qu’après
un certain nombre detransformées ,
la der-nière n’aura
plus
devariations. En effet,
les valeurs de 1 nepeuvent
devenir nulles quelorsque A peut
le devenir et A nepeut
ledevenir
dansl’hypothèse
oùl’équation
n’a aucune racine réellepositive , puisque axe
ne rencontre aucunebranche
du côté des xpositifs. En appelant
L la limite
supérieure positive ;
il arrivera unpoint
où l’ou aural.+lI+l2+...=L
ou>L ;
et alors la transformée n’auraplus
que des permanences.
On peut démontrer la même
proposition ,
en observant que 1dans
l’hypothèse
dont ils’agit,
laproposée
est de cette formeet
il
estclair que
lasubstitution de x+l0, x+l0+lI, pour x
doitRESOLUES. 69
finir
par
rendre tous les termespositifs ; parce
que les tcrmes dela
série ,
au lieu dedécroitre ,
comme a la rencontre d’unebranche J
croissent ici et décroissent
alternativement,
avec A ou 03B3.Ainsi,
ladisparition
des variations avertit bientôtqu’il n.y
apoint
de racinesréelles
positives
à chercher.Après
avoirdissipé
lesscrupules
dugéomètre
auteur dupro- blème, je
vaisajouter quelques
remarquespropres à
éclairer età
simplifier l’usage
de la méthode.Remarque
1.Quelques auteurs ( LEGENDRE, Supplément
à lathéorie des
nombres )
disentqu’après
avoir trouvé une racine ap-prochée 03B1,
il faut diviser laproposée
par x-03B1, et chercher lesracines du
quotient.
Ceprocédé
esttrès-vicieux ;
parcequ’en négli-
geant
le reste de ladivision ,
on altère lequotient qui
n’estplus
cxact. Son défaut d’exactitude
peut changer
des racinesimaginaires
en racines
réelles , égales
ouinégales
et viceversâ;
et l’on sentque cela arrivera sur-tout
quand
l’axe de la courbeX=y
passera fortprès
d’un sommet. Soit parexemple l’équation
on trouvera de suite
que
2 en est une racinetrès-approchée;
car,en la mettant pour x ,
l’équation
devient -0,000000I=0; or, si l’on divise lapraposée
par x-2 , ennégligeant
le reste , on trouve pourquotient x2+2x+I=(x+I)2=0;
d’où on serait conduit à conclure que, outre la racinedéjà trouvée, l’équation
a deux autres racinesréelles , égales
à -I ; tandis que ses deux autres racines sont ima-ginaires,
comme il est aisé de le vérifier,Si la
proposée
étaitx3-x-I,9999999=0,
enprenant
x=2pour valeur
approchée
de l’une desracines,
cequi
réduit lepremier
membre à
+0,000000I,
etopérant
commeci-dessus ;
on trouveraitencore les deux autres racines
égales
à -i ; tandis que les trois racines de cetteéquation
sontinégales.
Il
serait aisé de former d’autreséquations plus élevées
oùle
QUESTIONS
même
procédé
conduirait aux mêmes erreurs , ens’arrêtant, pour
lapremière racine ,
à undegré
donnéd’approximation
Notre méthode n’est pas
sujette
à cesinconveniens parce qu’après
avo!r trouvé une
première racine,
c’est sur laproposée
elle-mêmequ’on opère
pour déterminer les autres , en y exécutant seulementun
changement d’origine qui
n’en altère aucunement les coefficiens.Remarque
II. Dans lapratique,
il estbeaucoup plus avantageux
de mettre de suite
x+-l0+l1+l2+...
pour x dansX= o ,
que demettre successivement
x+l0
pour x dans X=0 pour avoirXI=0, x+lI
pour xdans X,=o
pour avoirX2=0,
et ainsi desuite ,
quoique
d’ailleurs la cllose soit indifférente en théorie. Eneffet,
dans le dernier
procédé ,
les lettresa, b, C,
...changent et
ac-quièrent
un nombre de chiffres decimauxtoujours croissant ;
cequi
finit par rendre les calculs
Impraticables. Et , si,
pour parer à cetinconvénient ,
onprend
leparti
denégliger
desdécimales,
onretombe
dans l’inconvénientbeaucoup plus
grave d’altérer les trans-formées,
et , parsuite ,
de denaturer lesracines ,
comme on l’avu dans la remarque
précédente.
Remarque
III.Quand
an a trouvé laplus petite
racinepositive
avec le
degré d’exactitude
dont on abesoin ;
pour découvrir la seconde racinepositive,
s’il y en a , il faut mettre dans la pro-posée X=0, x+h pour x, h
étant un nombre un peuplus grand
que la
racine trouvée,
et tel que la transforméequi
en résulte aieune variation de
moins
que la dernière transformée. Un oudeux
tâtonnemens suffisent pour trouver un
pareil nombre h ;
et on est alors assuré de n’avoirdépassé qu’une
branche de lacourbe ,
etl’on forme de nouvelles transformées
qui promurent
une seconde sériel0+lI+l2+....,
au moyen delaquelle
la seconde racine setrouve
exprimée
parh+l0+lI+l2+...
Onprocède
de même àla recherche des autres
racines ;
mais il faut remarquerpourtant
que tout c cisuppose qu’on
apréalablement
délivrél’équation
detoutes les racines
égales qu’elle peut contenir ;
cequ’auf surplus
on peut
toujours
faire.RÉSOLUES.
7IPour avoir les racines
négatives ,
onchange +x
en -x dans la pro-posée
et on détermine les racinespositives
de la nouvelleéquation,
les-quelles, prises
avec lesigne
-, sont les racinesnégatives
de laproposée.
Ainsi ,
voilà unprocédé réguler
uniforme etsimple , qui n’exige qu’un
nombre m-I detâtonnemens,
auplus,
pourdéterminer,
d’une manière sure , toutes les racines réelles d’uncéquation quelconque.
Simplification de
la méthode. En réfléchissant sur laprécédente méthode,
on reconnaît bientôtqu’on peut
diminuer considérable-ment le nombre des
transformées,
enprenant
pour 1 un nombreplus grand
que celuiqui
est fourni par larègle Imparfaite
deslimites. On avancera
ainsi
àgrands
pas , lelong de l’axe ;
et la diminution
progressive
du ternIe A avertiratoujours qu’on
est
près
d’unebranche ;
que s’il arrivequ’on
l’aitdépassée ,
la racinecherchée se trouvera
par-là
même renfermée entre deux limitesqu’il
sera ensuite très-facile de resserrer , en
prenant
pour 1 la fraction-A B, fournie
par la dernière transformée. Ceci suppose, ausurplus, qu’on
n’adépassé qu’une branche ,
ce que l’on reconnaîtra par la dernière transforméequi
ne doit avoirperdu qu’une
variation. S’il arrivaitqu’elle
en eûtperdu plus d’une ,
on reviendrait sur sespas , en
prenant
pour 1 un nombreplus petit.
Ce
procédé
aquelque
ressemblance avec la méthode ordinaire dessubstitutions,
et avec celle deNewton ;
mais il n’en apas les inconvéniens. En
effet ,
on sait que deux substitutionsqui
donnent pour X des résultats de
signes
contrairespeuvent
inter-cepter
un nombreimpair
de racines réelles ouimaginaires ;
or ,par la méthode
vulgaire des substitutions ,
on nepeut point
dis-cerner le nombre des racines
interceptées ,
tandis que,par la nôtre, la , diminution, de ..4 ,
et les variationsperdues,
fonttoujours
connaître lenombre des branches
dépassées
par la translation del’origine
desabscisses : c’est un fanal
qui
est là pour éclairer tous les écueils.La circonstance de deux variations
perdues
mérite un examenparticulier;
elle a lieu dans trois cas, savoir : i.°quand l’origine
a
dépasse deux branches ;
2.°quand
elle adépassé
une ordonnéeminima ;
3.°quand
elle adepassé
deux racineségales.
Le troisièmecas
peut
êtreévité, puisqu’on
sait délivrer uneéquation
de ses-racines
égales.
Dans ce cas, Aet B, qui
ont un diviseur commun .tendent à s’anéantir
ensemble ,
sans yparvenir.
Au-delà de cepoint,
A conserve son
signe
et B enchange.
Le
premier
cas sedistingue
du second en ce que , dans lepremier,
le terme Apeut s’approcher
de zéro autantqu’on
leveut , ce
qui
n’a pas lieu dans le second. Au reste , pour évitertout
embarras ,
onregardera
comme non avenue la dernière trans-formée, qui
auraperdu
deuxvariations ;
on en formera une noù-velle
d’après
la méthodegénérale ; c’est-à-dire ,
enprenant
pour 1 le nombrequi
a servi à former la transforméeXn-I=0 ( Xn=o
étant
celle qu’ou abandonner) ;
et , enajoutant
à ce nombre la limiteinférieure de
Xn-I=0, Alors,
si la nouvelle transformée Xn=0perd
encore deux
variations ,
on sera assuré que les deux racines douteuses30nt
imaginaires,
et l’onpoursuivra l’opération
sans s’eninquiéter.
Les bornes de ce mémoire ne me
permettent
pas de faire leparallèle
des diverses méthodesimaginées jusqu’à
cejour ;
onverrait que celle tirée de
l’équation
auxquarrés
des différences del’illustre Lagrange
estimpraticable
dans lesdegrés
un peuélevés,
et
quelle peut exiger des
milliers de substitutions dans certains cas. Ausurplus,
ceuxqui désireront;
de’plus amples
détails surce
sujet pourront
consulter mon ouvrage intitulé : Méthodes nou-velles
pour déterminer les racines deséquations (*).
(*) Nous aurions
beaucoup
de réflexions à faire sur tout le contenu de l’articlequ’on
vient de lire ; et nous avions mêmepréparé ,
dans cette vue r ungrand
nombre de notes ; mais , l’auteur ne nous ayant autorisé à le rendre
public
que sous la condition expresse que nous nous abstiendrions de toutes remarques
critiques,
nous nous trouvons contraints depcier
nos lecteurs de vouloir bien icieupplécr à
notre silence. Nous croyons toutefois devoir déclarer, pourl’acquit
denotre conscience
mathématique,
que nous sommes oin deregarder
comme stiffisam-ment