Exercice 1
Introduisons les polynômes symétriques élémentaires
σ
1= x
1+ x
2+ x
3σ
2= x
1x
2+ x
1x
3+ x
2x
3σ
3= x
1x
2x
3et utilisons les pour exprimer chacune des trois relations.
La première relation donne immédiatement σ
12− 2σ
2= 1 .
On obtient la deuxième relation en réduisant au même dénominateur x
1x
2x
3: σ
1σ
3= 3 2
Pour la troisième, on commence par regrouper par trois les termes qui ont le même déno- minateur. Cela fait apparaitre le σ
1au numérateur que l'on peut mettre en facteur :
(x
1+ x
2+ x
3) 1
x
1+ 1 x
2+ 1 x
3= 6
On réduit au même dénominateur x
1x
2x
3ce qui donne directement :
σ1σσ32= 6 . À partir des deux dernières relations, on obtient σ
2= 4 .
En remplaçant dans la première, on obtient σ
12= 9
Le dernier s'obtient à partir de σ
1: σ
3=
23σ
1. On a donc deux possibilités :
σ
1= 3 σ
3= 2 σ
2= 4
σ
1= −3 σ
3= −2 σ
2= 4
Les nombres x
1, x
2, x
3sont donc (à permutation près) les racines des polynômes X
3− 3X
2+ 4X − 2, X
3+ 3X
2+ 4X + 2
après factorisation à l'aide de la racine évidente 1 ou −1 avec une division par X − 1 ou X + 1 , on obtient les triplets (1, 1 + i, 1 − i) et (−1, −1 + i, −1 − i) .
Exercice 2
1. a. Commençons par signaler que l'espace vectoriel contenant ker g et Im f est F . Il s'agit donc de 0
Fdans la formule proposée.
Supposons ker g ◦f ⊂ ker f . Soit x quelconque dans ker g ∩ Im f . Il existe a ∈ E tel que x = f (a) . Comme x ∈ ker g , on a aussi
g(x) = O
G⇒ g ◦ f (a) = 0
G⇒ a ∈ ker g ◦ f ⊂ ker f ⇒ x = f (a) = 0
FAinsi, ker g ∩ Im f = {0
F} .
Supposons ker g ∩ Im f = {0
F} . Soit x quelconque dans ker g◦f . Alors g◦f (x) = 0
Gdonc f (x) ∈ ker g . Or évidemment f (x) ∈ Im f donc f (x) ∈ ker g ∩ Im f = {0
F} c'est à dire x ∈ ker f .
Ainsi ker g ◦ f ⊂ ker f .
b. Supposons Im g ⊂ Im g ◦ f . Soit x quelconque dans F , considérons g(x) . Il appartient à Im g qui est inclus dans Im g ◦ f , il existe donc a ∈ E tel que g(x) = g ◦ f (a) . On peut alors écrire
x = f (a) + (x − f (a))
avec f (a) ∈ Im f et g(x − f (a)) = g(x) − g ◦ f (a) = 0
Gdonc x − f(a) ∈ ker g . Ainsi F = Im f + ker g .
Supposons F = Im f + ker g . Soit u quelconque dans Im g . Il existe x ∈ F tel que u = g(x) . D'après l'hypothèse, ce x se décompose. Il existe a ∈ E et y ∈ ker g tels que
x = f (a) + y En composant par g , on obtient
u = g(x) = g(f(a)) + g(y)
|{z}
=0G
= g ◦ f (a) ∈ Im g ◦ f
Ainsi Im g ⊂ Im g ◦ f .
2. a. On cherche à utiliser la question 1. qui permet de caractériser le fait que le noyau et l'image sont supplémentaires. On forme des conséquences des relations de l'énoncé permettant de le faire :
f ◦ g ◦ f = f g ◦ f ◦ g = g
)
⇒
( ker g ◦ f ⊂ ker f Im g ⊂ Im g ◦ f
On peut donc appliquer la question 1. (avec G = E ) et en déduire que ker g et Im f sont supplémentaires.
L'autre propriété s'obtient en échangeant les rôles de f et g .
b. Pour tout x ∈ Im f , il existe a ∈ E tel que x = f (a) . Par dénition de f et g on a alors :
f ◦ g(x) = f ◦ g(f (a)) = f (g(f (a))) = f ◦ g ◦ f (a) = f (a) = x On en déduit f ◦ g = Id
Imf. On montre de même que g ◦ f = Id
Img.
Comme Im g est un supplémentaire de ker f , le lemme noyau-image du cours assure directement que f est un isomorphisme. Cela s'applique aussi pour g . On prouve bien ainsi qu'il s'agit d'isomorphismes mais pas qu'ils sont inverses l'un de l'autre.
3. a. Ici g ◦f = Id
E. Alors ker g ◦ f = {0
E} ⊂ ker f et Im g ◦ f = E donc Im g ⊂ Im g ◦ f . On en déduit, d'après 1 avec E = F = G que ker g et Im f sont supplémentaires.
Cette question n'est intéressante que si on ne suppose pas la dimension nie. En eet g ◦ f = Id
Eentraine g surjective et f injective. Si on était en dimension nie, les deux seraient bijectifs donc vériant ker g = {0
E} et Im f = E .
En revanche, ces sous-espaces peuvent ne pas être triviaux en dimension nie comme le montre l'exemple demandé dans la question suivante.
b. On dénit f par f (P ) = XP et g par g(P ) est le quotient de la division de P par X . On a alors immédiatement
g ◦ f = Id
R[X]Comme g(1) = 0 , f ◦ g(1) = 0 donc f ◦ g n'est pas l'identité. Quel que soit l'exemple choisi, g ◦ f = Id
Eentraine ker f = {0
E} et Im g = E .
Problème
Partie I. Propriétés trigonométriques.
1. a. En utilisant la dénition :
T
2= 2X
2− 1 T
3= 4X
3− 3X b. On démontre par récurrence la propriété
(P
n) :
deg(T
n) =n coecient dominant de T
n=2
n−1T c
n(−X) =(−1)
nT
nLa dernière relation signie que T
nest "de même parité" que n .
2. Écrivons d'abord une relation entre exponentielles : e
i(n+2)θ+ e
inθ= e
i(n+1)θe
iθ+ e
−iθ= 2 cos θe
i(n+1)θEn prenant la partie réelle, on obtient
cos(n + 2)θ + cos nθ = 2 cos θ cos(n + 1)θ De même :
e
(n+2)θ+ e
nθ= e
(n+1)θe
θ+ e
−θ= 2 ch θe
(n+1)θEn prenant la partie paire de l'expression considérée comme une fonction de θ , on obtient
ch(n + 2)θ + ch nθ = 2 ch θ ch(n + 1)θ Il sera utile pour la question 3. d'écrire ces formules comme :
cos(n + 1)θ = 2 cos θ cos nθ − cos(n − 1)θ ch(n + 1)θ = 2 ch θ ch nθ − ch(n − 1)θ 3. a. Utilisons une récurrence forte. Introduisons la propriété
(P
n) ∀k ∈ {0, · · · , n}, ∀x ∈ R : (
T f
n(cos x) = cos(nx) T f
n(ch x) = ch(nx)
Cette propriété est vériée pour n = 1 . La relation de récurrence T
n+1= 2XT
n− T
n−1et les factorisations de la question 2. montrent que P
n−1entraine P
n. b. Pour tout nombre réel u tel que |u| ≤ 1 , il existe des réels x tels que u = cos x .
Alors
T f
n(u)
=
T f
n(cos x)
= |cos(nx)| ≤ 1
Pour tout nombre réel u > 1 , il existe un unique réel x > 0 tel que u = ch x . Alors
T f
n(u)
=
T f
n(ch x)
= |ch(nx)| = ch(nx) > 1
Pour tout nombre réel u < −1 , il existe un unique réel x > 0 tel que u = − ch x . Alors
T f
n(u)
=
T f
n(− ch x) =
(−1)
nT f
n(ch x) =
T f
n(ch x)
= ch(nu) > 1
4. a. D'après les questions précédentes : T f
n(cos x) = 0 ⇔ cos nx = 0 ⇔ nx ≡ π
2 mod π
⇔ ∃k ∈ Z tel que x = (2k + 1)π 2n Pour les racines dans [0, π] , on doit se limiter aux k ∈ {0, · · · , n − 1} . On obtient donc n racines distinctes car la restriction de cos dans cet intervalle est injective.
b. La restriction à [0, π] de la fonction cos est strictement décroissante, les cos
(2k+1)π2npour k ∈ {0, · · · , n − 1} prennent donc n valeurs distinctes qui sont toutes des racines de T
n. Comme T
nest de degré n elles forment l'ensemble de toutes les racines de T
n.
À cause du caractère décroissant, pour numéroter les racines dans l'ordre crois- sant, il faut "inverser" les indices.
Lorsque k croît de 0 à n−1 alors k
0= n−k décroît de n à 1 et les cos augmentent.
En revenant à la lettre k pour désigner l'indice, on obtient que les n racines de T
nsont les
x
k= cos 2(n − k) + 1
2n π = − cos 2k − 1
2n π avec k ∈ {1, · · · n}
Partie II. Sommes et produits de racines.
1. Dans la partie I, on a vu que T
nest de degré n et de coecient dominant 2
n−1. Comme les racines de T
nsont x
1, · · · , x
n, la décomposition en facteurs irréductibles s'écrit
T
n= 2
n−1n
Y
k=1
(X − x
k)
La deuxième égalité est de nature trigonométrique.
cos nx = Re(cos x + i sin x)
n= Re
n
X
l=0
n l
(cos x)
n−l(i sin x)
l!
(binôme)
=
n
X
k=0
n 2k
(cos x)
n−2k(−1)
k(sin x)
2k(seuls les indices pairs contribuent)
=
n
X
k=0
n 2k
(cos x)
n−2k(cos
2x − 1)
kcar − sin
2x = cos
2x − 1 .
Rappelons que dans cette question n est pair : n = 2p . Dénissons un polynôme Q
npar :
Q
n=
p
X
k=0
n 2k
X
n−2k(X
2− 1)
kOn a Q f
n(cos x) = cos nx = T f
n(cos x) . Ainsi le polynôme T
n− Q
nadmet une innité de racines ; à savoir toutes les valeurs du cos c'est à dire [−1, +1] . Ce polynôme doit donc être nul et
T
n=
p
X
k=0
n 2k
X
n−2k(X
2− 1)
k2. a. Ici encore, n est pair égal à 2p et la parité de T
nse lit très bien sur la deuxième expression qui ne contient que des puissances paires de X . On en déduit que σ
1= 0 . On aurait pu remarquer aussi que les racines vont par paires. Chaque racine peut être appariée à son opposée, la somme de toutes est donc nulle.
Le calcul du σ
nse fait en cherchant les termes de degré 0 dans la somme. Ils ne peuvent venir que du seul k = p . On a donc
terme de degré 0 de T
n= n
2p
(−1)
p= 2
n−1(−1)
nσ
n= 2
n−1(−1)
nπ
nOn en déduit :
σ
n= π
n= (−1)
p2
1−nLe calcul du σ
2est plus compliqué car tous les termes de la somme contribuent : terme degré n − 2 de T
n=
p
X
k=0
n 2k
( terme degré 2k − 2 de (X
2− 1)
k)
=
p
X
k=0
n 2k
(−k) (formule du binôme)
= − 1 2
p
X
k=0
n 2k
2k = − n 2
n
X
k=1
n − 1 2k − 1
(rel. coe. binôme) La somme de tous les
n−1iest égale à (1 + 1)
n−1= 2
n−1. La diérence entre les sommes pour les indices pairs et impairs est nulle. On en déduit que ces deux sommes sont égales entre elles et valent 2
n−2. On obtient donc :
terme degré n − 2 de T
n= −n 2
2n−3= 2
n−1σ
2⇒ σ
2= − n
4
b. Pour les polynômes symétriques en général : s
n= σ
21− 2σ
2. Dans notre cas particulier, on obtient, en revenant à l'expression des racines :
s
n=
n
X
k=1
cos
22k − 1 2n π = n
2
3. On peut calculer s
ndirectement à partir de l'expression avec les racines
n
X
k=1
cos
22k − 1 2n π On commence par linéariser les cos
2:
cos
2θ = 1 2 + 1
2 cos 2θ On obtient alors
s
n= n 2 + 1
2
n
X
k=1
cos 2k − 1 n π
On utilise ensuite l'exponentielle, la partie réelle et une somme de termes en progression géométrique ou les propriétés des racines n -èmes de l'unité
n
X
k=1
cos 2k − 1 n π = Re
n
X
k=1
e
i2k−1n π!
= Re e
−iπnn
X
k=1
e
i2πnn!
= 0
car la somme la plus à droite est formée par les racines n -èmes de l'unité.
Partie III. Minimalité.
1. a. L'ensemble U
nn'est évidemment pas un sous-espace vectoriel, il n'est pas stable par la multiplication par un réel car le coecient dominant est multiplié aussi.
b. La fonction polynomiale associée à un polynôme est continue. Sa restriction au segment [−1, 1] est donc bornée et atteint ses bornes. On peut donc poser
N(P ) = max n P(x) e
, x ∈ [−1, 1] o
Si la fonction polynomiale est nulle sur le segment, le polynôme admet une innité de racines, il doit donc être nul. Ainsi pour un polynôme non nul N(P ) > 0 .
1
1 1 2n−1N(P)
−2n−1N(P)