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  Calcul Algébrique
 

Dans la section d'arithmétique de ce site, nous avons beaucoup écrit sur différentes théories utilisant les nombres abstraits afin de généraliser l'étendue de la validité de ces dernières. Nous avons cependant peu abordé la façon dont nous devions manipuler avec exactitude ces nombres abstraits. C'est ce que nous allons voir maintenant.

Comme vous le savez peut-être déjà, le nombre peut être envisagé en faisant abstraction de la nature des objets qui constituent le groupement qu'il caractérise; et ainsi qu'à la façon de codifier (chiffre arabe, romain, ou autre système...). Nous disons alors que le nombre est une "nombre abstrait" et lorsque nous manipulons ces types de nombres nous disons que nous faisons du "calcul algébrique" ou encore du "calcul littéral".

Pour les mathématiciens il n'est pas avantageux de travailler avec des valeurs numériques (1,2,3…) car ils représentent uniquement des cas particuliers. Ce que cherchent les physiciens théoriciens ainsi que les mathématiciens, se sont des relations applicables universellement dans un cadre le plus général possible.

Ces nombres abstraits appelés aujourd'hui communément "variables" sont très souvent représentés par:

1. L'alphabet latin (a, b, c, d, e... ; A, B, C, D, E)

2. Par l'alphabet grec, qui est lui particulièrement utilisé pour représenter des opérateurs mathématiques plus ou moins complexes (comme le sont le + pour l'addition, le - pour la soustraction par exemple).

3. Par l'alphabet hébraïque (à moindre mesure)

Bien que ces symboles puissent représenter n'importe quel nombre, il en existe quelques uns qui peuvent représenter des constantes dites Universelles (vitesse de la lumière c, la constante gravitationnelle G, ...).

Remarque: Il semblerait que les lettres pour représenter les nombres ont été employées pour la première fois par Viète.

Habituellement, les premières lettres de l'alphabet latin a, b, c, ... désignent les nombres connus, et les dernières x, y, z, ... les nombres inconnus.

Une variable est donc susceptible de prendre des valeurs numériques différentes. L'ensemble de ces valeurs peut varier suivant le caractère du problème considéré.

Rappels (nous avions déjà défini cela dans le chapitre traitant des nombres dans la section d'arithmétique) :

R1. Nous appelons "domaine de définition" d'une variable, l'ensemble des valeurs numériques qu'elle est susceptible de prendre entre deux bornes.

Soit deux  a et b deux nombres tel que a<b. Alors :

R2. Nous appelons "intervalle fermé d'extrémité a et b", l'ensemble de tous les nombres x compris entre ces deux valeurs et nous le désignons de la façon suivante : 

  (1)

R3. Nous appelons "intervalle ouvert d'extrémité a et b", l'ensemble de tous les nombres x compris entre ces deux valeurs non comprises et nous le désignons de la façon suivante: 

  (2)

R4. Nous appelons "intervalle fermé à gauche, ouvert à droite" la relation suivante :

  (3)

R5. nous appelons "intervalle ouvert à gauche, fermé à droite" la relation suivante :

  (4)

Remarque: Si la variable peut prendre toutes les valeurs négatives et positives possibles nous écrivons dès lors: où le symbole "" signifie "infini". Evidemment il peut y avoir des combinaisons d'intervalles ouverts et infinis à droite, fermé et limité gauche et réciproquement.

Définition: Nous appelons "voisinage de a", tout intervalle ouvert de  contenant a (c'est un concept simple que nous reprendrons pour définir ce qu'est une fonction continue). Ainsi:

est un voisinage de a.

 

ÉQUATIONS ET INÉQUATIONS

L'algèbre élémentaire consiste à partir des définitions de l'addition, soustraction, multiplication, et puissance et de leurs propriétés (associativité, distributivité, commutativité, élément neutre, inverse, …) - ce qui constitue selon l'ensemble sur lequel nous travaillons un corps ou un groupe commutatif abélien ou non (voir chapitre de théorie des ensembles) - de manipuler selon un but fixé des "équations algébriques".

Nous allons définir de suite après ce qu'est une équation et une inéquation mais nous souhaitons d'abord définir certaines de leurs propriétés :

Soit A et B deux polynômes (ou monômes) quelconques - voir définitions un peu plus loin - les expressions :

  (5)

Vérifient les propriétés suivantes :

P1. Nous pouvons toujours ajouter ou ôter aux deux membres d'une inéquation ou équation un même polynôme en obtenant une inéquation ou équations équivalente (c'est à dire avec les mêmes solutions ou réductions).

P2. Si nous multiplions ou si nous divisons les deux membres d'une inéquation par un même nombre positif nous obtenons également une inéquation ou équation équivalente (nous avons déjà vu cela).

P3. Si nous multiplions ou si nous divisons les deux membres d'une inéquation par un même nombre négatif et si nous inversons le sens de l'inégalité, nous obtenons alors une inéquation ou équation équivalente.

ÉQUATIONS

Définition: Une "équation" est une relation d'égalité entre des valeurs toutes abstraites (autrement dit : deux expressions algébriques) ou non toutes abstraites (dès lors nous parlons d'équations à une inconnue, deux inconnues, trois inconnues, ... ) reliées entre elles par des opérateurs divers.

La maîtrise parfaite de l'algèbre élémentaire est fondamentale en physique-mathématique. Comme il existe une infinité de types d'équations, nous ne les présenterons pas ici. C'est le rôle de l'enseignant dans les classes d'entraîner le cerveau de ses élèves pendant plusieurs années (2 à 3 ans en moyenne) à résoudre énormément de configurations différentes d'équations algébriques (exposées sous forme de problèmes de tous les jours, géométriques ou purement mathématiques) et ce afin que les élèves manipulent ces dernières sans erreurs en suivant un raisonnement logique et rigoureux (ce n'est qu'en forgeant que l'on devient forgeron...)!!!

En d'autres termes : Un professeur et un établissement scolaire sont irremplaçables !!!

Comme nous n'aimons pas les exemples pratiques, nous avons tenté, ci-dessous, de faire une généralisation simpliste des règles de base de l'algèbre élémentaire. Cette généralisation sera d'autant plus simple à comprendre que le lecteur aura l'habitude de manipuler des quantités abstraites :

Ainsi, soit a, b, c, d, e, ..., x, y des nombres abstraits pouvant prendre n'importe quelle valeur numérique. Soit (la lettre majuscule grecque se prononcant "Xi") représentant un ou plusieurs nombres abstraits quelconques opérants entre eux d'une façon quelconque tel que nous ayons des monômes (un seul nombre abstrait) ou polynômes (poly = plusieurs) algébriques différents distinguables ou non (nous faisons un abstrait de l'abstraction).

Propriétés :

P1. Nous aurons toujours  si et seulement si le terme  à gauche de l'égalité représente le même terme que celui qui est à droite de l'égalité. Si cette condition est satisfaite nous avons alors  :

    (6)

P2. Sinon: 

    (7)

où nous excluons le cas particulier où tous les sont nuls.

P3. Nous avons :

  (8)

qui vérifie la symbolique de l'équation  dans le cas seulement où les éléments sont identiques entre eux (nous excluons le dénominateur nul)

P4. Nous avons sinon (dans le cas où tous les sont strictement différents)  : 

    (9)

mais nous pouvons peut quand même avoir :

    (10)

dans le cas où une simplification des termes contenus dans les amènent à une identité de la relation binaire non nécessairement égale à l'unité.

P5. Si tous les sont strictement identiques, alors :

    (11)

P6. Sinon nous avons :

    (12)

qui ne peut s'écrire autrement mais il peut arriver que avec le à droite de l'égalité identique à aucun, un ou encore plusieurs  du membre gauche de l'égalité.

P7. Nous pouvons avoir :

    (13)

sans que nécessairement les exposants du numérateur ou dénominateur soient égaux (nous excluons le dénominateur nul)

P8. Sinon nous pouvons avoir :

ou      (14)

mais il n'est cependant bien évidemment pas impossible d'avoir quand même  ou  (nous excluons exclut le dénominateur nul)

P9. Nous avons si tous les sont strictement identiques :

    (15)

Mais... il est également possible que dans l'expression précédente certains différents s'annulent cependant entre eux dès que leur divisions mutuelle est égale à l'unité (nous excluons le dénominateur nul)

P10. Sinon nous avons :

     (16)

mais il n'est cependant pas impossible d'avoir quand même  avec le à droite de l'égalité identique à aucun, un ou plusieurs  du membre gauche de l'égalité ou même

P11. Soit représentant indifféremment soit exclusivement l'addition ou exclusivement la soustraction nous avons (au signe près) : 

  (17)

si tous les sont identiques entre eux ou si la combinaison d'un nombre indéterminés de sont égaux au présent à droite de l'égalité.

P11'. Sinon quoi nous aurons :

  (18)

il peut cependant arriver que le à droite de l'égalité soit identique à aucun, un ou plusieurs  du membre gauche de l'égalité.

P12. Nous pouvons également avoir : 

  (19)

si et seulement si les sont tous égaux et les puissances non nécessairement égales.

A partir de la connaissance des ces 13 règles (peut être en avons nous oubliés quelques unes), nous pouvons résoudre, simplifier ou montrer qu'une équation possède des solutions ou non par rapport à un problème ou énoncé donné. 

Ainsi, soit  une opérande ou une suite d'opérations quelconques sur une ou des abstractions d'abstrait et parmi tous les , une (ou plusieurs) dont la ou les valeurs numériques est ou sont inconnues (les autres étant connues). Alors, nous devons pouvoir trouver ou démontrer qu'une équation du type :

  (20)

possède ou non des solutions.

Dans le cas d'une équation avec la valeur absolue du type :

  (21)

avec le deuxième membre strictement positif (sinon la relation précédente serait un non sens) cela équivaut bien sûr d'après la définition de la valeur absolue à écrire :

et   (22)

Remarques:

R1. La présence de la valeur absolue dans une équation algébrique dont nous cherchons les solutions double souvent le nombre de solutions.

R2. Une équation est dite "équation conditionnelle", s'il y a des nombres dans l'ensemble de définition des expressions qui ne sont pas solutions (ce qui est en fait le cas le plus fréquent). Inversement, si tout nombre de l'ensemble de définition est solution de l'équation alors l'équation est dit "équation identité".

Nous pouvons parfois avoir à résoudre (et non à simplifier) un "système d'équations". Qu'est-ce que c'est ? : C'est un ensemble d'au moins 2 équations à résoudre (et non à simplifier). La particularité du système ?  : L'ensemble des solutions du système est l'intersection des solutions de toutes les équations à résoudre. Quelle est leur utilité ? : Elle est sans fin, ces systèmes permettent de résoudre des problèmes faisant intervenir des applications des mathématiques à d'autres domaines. A cause de la variété illimitée des applications, il est difficile d'établir des règles précises pour trouver des solutions. La marche à suivre que voici peut-être utile pour autant bien sûr que le problème puisse être formulé sous forme d'équations :

1. Si le problème est posé par écrit, le lire plusieurs fois soigneusement, réfléchir aux faits donnés ainsi qu'à la quantité d'inconnues à trouver (résumer l'énoncé sur une feuille de papier est souvent plus qu'utile pour les gros problèmes).

2. Choisir une lettre qui représente la quantité inconnue. C'est l'un des pas décisifs dans la recherche de la solution. Des phrases contenant des mots comme : trouver, quoi, combien, où, quand ; devraient vous renseigner sur la quantité inconnue

3. Faire éventuellement un dessin (de tête ou sur papier) avec des légendes

4. Dresser une liste des faits connus et des relations concernant les quantités inconnues. Une relation peut être décrite par une équation dans laquelle apparaissent d'un seul ou des deux côtés du signe égal des énoncés écrits à la place des lettres ou des nombres.

5. Après avoir analyse la liste de l'étape 4, formuler une équation qui décrive précisément ce qui est énoncé avec des mots.

6. Résoudre l'équation formulée à l'étape 5.

7. Contrôler les solutions obtenues à l'étape 6 en se reportant à l'énoncé de départ du problème. Vérifier que la solution concorde avec les conditions de l'énoncé.

Les méthodes de résolutions des systèmes d'équations sont traités en détails dans le chapitre traitant des algorithmes dans la section d'analyse numérique du site (vous y verrez la méthode) et également dans le chapitre d'algèbre linéaire de la présente section (vous comprendrez pourquoi la méthode est telle quelle).

INÉQUATIONS

Précédemment nous avons vu qu'une équation était une égalité composée de différents calculs avec différents termes (dont au moins une "inconnue" ou "un chiffre abstrait" ), et que "résoudre" une équation revenait à calculer la valeur de l'inconnue de l'égalité, alors que la "simplifier" revenait à minimiser mathématiquement le nombre de termes (en factorisant ou autre..) et que développer revenait à mettre à plat tous les termes.

Pourquoi avons-nous besoin de rappeler la définition d'une équation ? Tout simplement parce que pour l'inéquation, c'est la même système. La différence ? Si l'équation est une égalité, l'inéquation est une inégalité : comme l'équation, l'inéquation est composée de différents calculs avec différents termes reliés entre eux par des opérateurs quelconques, dont au moins une inconnue.

Différence entre égalité et inégalité:

- Egalité : nous savons qu'elle est symbolisée par le signe =

- Inégalité : l'inégalité est l'utilisation des symboles de relation d'ordre symbolisée par les signes d'égalités strictes et larges .

Lorsque nous résolvons une inéquation, notre inconnue peut-avoir plusieurs valeurs qui satisfont à l'inéquation. Nous disons alors que la solution de l'inéquation est un "ensemble de valeurs".C'est la différence fondamentale entre une égalité et une inégalité !

Rappelons les signes que nous pouvons rencontrer dans une inéquation sont :

 : Se lit "strictement inférieur à" ou "strictement plus petit que". Dans ce cas, le plus souvent, la valeur butoire numérique n'est pas comprise dans le domaine et nous pouvons représenter alors le domaine avec un crochet ouvert à gauche ]... ou à droite ...[ selon que la valeur butoire est positive ou négative.

 : Se lit "strictement supérieur à" ou "strictement plus grand que". Dans ce cas, le plus souvent, la valeur butoire numérique n'est également pas comprise dans le domaine et nous pouvons représenter alors le domaine avec un crochet ouvert à gauche ]... ou à droite ...[ selon que la valeur butoire est positive ou négative.

Remarque: Attention cependant pour les deux cas précités, il existe des cas où le domaine est imposé par l'ensemble de nombres sur lequel nous travaillons (penser par exemple à une inéquation où pour certaines valeurs les solutions appartient à l'ensemble des complexes). Dans ce cas, les valeurs butoires à l'ensemble de nombres sur lequel nous travaillons peuvent imposer des crochets fermés.

 : Se lit "inférieur ou égal à "ou "plus petit ou égal à". Dans ce cas, la valeur butoire numérique est comprise dans le domaine et nous pouvons représenter alors le domaine avec un crochet fermé à gauche [... ou à droite ...] (mais pas nécessairement les deux!) selon que la valeur butoire est positive ou négative.

 : Se lit "supérieur ou égal à"ou "plus grand ou égal à" . Dans ce cas, la valeur butoire numérique est également comprise dans le domaine t nous pouvons représenter alors le domaine avec un crochet fermé à gauche [... ou à droite ...] (mais pas nécessairement les deux!) selon que la valeur butoire est positive ou négative.

Remarque: Nous renvoyons le lecteur au début de ce chapitre où nous avions définit la manière d'écrire des domaines de définition.

L'objectif des inéquations est la plupart du temps (excepté le côté esthétique) d'avoir au moins parmi l'ensemble des termes une valeur numérique qui permet de définir le domaine de solution (de tous les termes abstraits de l'inéquation) qui satisfait l'inéquation.

Il existe plusieurs façons de représenter les domaines de définition des variables qui satisfont à l'inéquation. Nous allons voir à travers un petit exemple quelles sont ces possibilités :

Soit une inéquation linéaire (du premier degré) en x à une seule inconnue à laquelle nous imposons un contrainte particulière arbitraire pour l'exemple (évidemment l'expression peut contenir plus de termes...) :

  (23)

nous avons dans l'inéquation ci-dessus déjà simplifié tous les termes qui étaient superflus.

Résoudre l'inégalité revient à chercher la valeur de xinférieure à 2. Bien sûr, il n'existe pas un seule solution dans  mais un ensemble de solutions et c'est cela même le principe des inéquations.

Pour résoudre l'inéquation, nous observons d'abord le type d'inégalité imposée ("stricte" ou "égal"). Ensuite, dans les petites classes (et pas seulement parfois…) nous représentons l'ensemble  par un tableau tel que :

-

0

+

................... ......|...... ...................
  (24)

Nous savons intuitivement que la solution de notre inéquation regroupe toutes les valeurs inférieures à 2 (2 exclu des solutions) et ce jusqu'à -. Nous écrivons alors cet intervalle ou domaine sous la forme suivante:

  (25)

Ensuite, nous pouvons représenter graphiquement l'ensemble des solutions (cela aide à comprendre et prépare l'étudiant à la résolution de systèmes d'équations et d'inéquations et aux variations de fonctions). Pour cela, nous reprenons le modèle de schéma du système numérique, et y plaçons notre notre valeur butoire (nous n'en avons qu'une dans cet exemple mais parfois il peut y en avoir plusieurs dû au fait qu'il y un singularité ou des racines pour certaines valeurs du domaine de définition), soit 2 :

-

0

2

+

................... ......|...... ......|...... ...................
  (26)

et enfin, nous délimitons au stylo de couleur (…) l'ensemble des solutions de - à 2 exclu :

-

0

2

+

................... ......|...... ......[...... ...................
  (27)

A la valeur 2, nous n'oublions pas de marquer le signe ....[ pour montrer que cette valeur est exclue des solutions. Et voilà, le tour est joué et le concept est extrapolable a des inéquation beaucoup plus complexes.

Remarques:

R1. Parfois au lieu de représenter les tableaux comme nous l'avons fait, certains professeurs (c'est un choix complétement artistique) demandent à leur élèves d'hachurer les cases du tableau et d'y dessiner de petits ronds, ou encore se servent de petites flèches, ou encore de dessiner le graphique des fonctions de l'inéquation (cette dernière méthode est certes esthétique mais prend du temps..).

R2. Dans le cadre d'inéquations de degré supérieur à 1, il faut (voir plus loin ce que cela signifie exactement) d'abord déterminer les racines de l'inéquation qui permettent de déterminer les intervalles et ensuite par essais successifs, déterminer quels intervalles sont à rejeter ou a conserver.

Nous pouvons également (au même titre que les équations) parfois avoir à résoudre un "système d'inéquations". Qu'est-ce que c'est ? : C'est un ensemble d'au moins 2 inéquations à résoudre. La particularité du système ?  : L'ensemble des solutions du système est l'intersection des solutions des toutes les inéquations à résoudre.

Autrement dit, la méthode est la même que la précédente, à la différence que notre tableau (représentant les domaines de solutions) comportera une ligne supplémentaire par inéquation supplémentaire dans le système plus une ligne de synthèse qui est la projection des domaines de solutions possibles du système.

Ainsi, un système à n inéquations aura un tableau récapitulatif à  lignes.

Mathématiquement, les domaines (car il peuvent y en avoir plusieurs qui sont disjoints) peuvent s'écrire comme un ensemble des domaines :

  (28)

Les systèmes d'inéquations sont très fréquents dans beaucoup de problèmes de la mathématique, physique, économétrie, etc… Il est donc important de s'entraîner à les résoudre pendant vos études avec l'aide de votre professeur.

Par exemple, voici une possible représentation du domaine de solutions d'un système d'inéquations pris du chapitre traitant de l'algorithmique dans la section d'informatique théorique où nous étudions la "recherche opérationnelle".


  
(29)

IDENTITÉS REMARQUABLES

Les identités remarquables sont des sortes formules magiques, qui nous servent le plus souvent pour la factorisation ou la résolution d'équations algébriques.

Rappelons certaines notions qui ont déjà été vues dans le chapitre de théorie des ensembles de la section d'arithmétique (nous supposons le concept d'élément neutre connu puisque déjà défini) :

Commutativité : 

 et   (30)

Associativité : 

 et   (31)

Distributivité : 

  (32)

Les mêmes observations sont valables avec l'opération de soustraction bien évidemment dans les domaines de définition adéquats.

Nous pouvons vérifier avec des valeurs numériques (en remplaçant chaque nombre abstrait par un nombre choisi au hasard), ou par distribution (ce serait mieux, ainsi vous êtes sûr d'avoir compris ce dont quoi nous parlions), que les identités algébriques suivantes sont vérifiées (ce sont les plus connues) :

1. Identité du second degré :

  (33)

2. Identité du troisième degré :

  (34)

Remarque: Nous pouvons très bien poser que   où nous avons bien évidemment posé que (nous faisons un "abstrait d'abstraction" ou plus couramment : un "changement de variable")... :

  (35)

Nous pouvons remarquer que pour calculer le développement de , nous utilisons le développement de , c'est-à-dire calculé avec la valeur précédente de n.

Nous remarquons les propriétés suivantes pour a et b :

P1. Les puissances de a décroissent de n à 0 (, donc il n'est pas noté dans le dernier terme)

P2. Les puissances de b croissent de 0 à n (, donc il n'est pas noté dans le dernier terme)

P3. Dans chaque terme, la somme des puissances de a et b est égal à n

P4. Les coefficients multiplicateurs devant chaque terme se calculent en faisant la somme des coefficients multiplicateurs de deux termes du développement obtenu avec la valeur précédente de b (voir la figure ci-dessous).

Les coefficients binomiaux peuvent alors êtres obtenus par construction du "triangle de Pascal" ci-dessous :


  
(36)

Dont chaque élément est donné par (cf. chapitre de Probabilités):

    (37)

avec .

Nous pouvons alors facilement vérifier que:

  (38)

ce qui constitue le fameux "binôme de Newton" (que nous réutiliserons à de multiples endroits sur le site).

Démonstration:

Cette relation se démontre simplement par récurrence en supposant la relation précédente vraie et en la calculant pour le rang 1 :

Montrons que si elle est vraie pour n alors elle est vraie pour n+1:

La relation est vraie au rang n+1, elle est donc vraie pour tout n.

C.Q.F.D.

Pour ce qui est des identités remarquables avec des valeurs négatives, il est inutile d'apprendre par coeur l'emplacement du signe "-". Il suffit de faire un changement de variable et une fois le développement fait de refaire le changement de variable dans l'autre sens.

Exemple :

  (39)

et ainsi de suite pour toute puissance n.

Nous pouvons bien sûr mélanger les genres tels que (fameux exemple particulier) :

  (40)

et quelques relations remarquables pratiques supplémentaires qui sont souvent utilisées dans les petites classes pour les exercices :

  (41)

et autre cas très fréquent :

  (42)

Remarque: Lorsqu'à partir du terme de droite (sous forme numérique simplifiée) le professeur demande à ses élèves en tant qu'exercice d'obtenir la factorisation à gauche de l'égalité, il n'existe pas d'autres moyens que de procéder par essais successifs.

Bien sûr, il y en a encore un beaucoup plus grand nombre de relations utiles (dont une partie découlent d'une généralisation de celle présentées ci-dessus) que le lecteur découvrira par ses propres raisonnements et en fonction de sa pratique.

Remarque:  Il est bien sûr possible de multiplier des polynômes entre eux et de distribuer les termes multiplicatifs. Inversement, il est souvent demandé aux élèves des petites classes de faire la procédure inverse ("factoriser" ou "décomposer" un polynôme) afin qu'ils s'habituent à la manipulation des identités remarquables. Décomposer en un produit de facteurs est une opération importante en mathématiques, puisqu'il est ainsi possible de réduire l'étude d'expressions compliquées à l'étude de plusieurs expressions plus simples.

POLYNÔMES

Définition (simpliste): Nous appelons "polynôme algébrique P(x)" une fonction de degré qui s'écrit :

  (43)

ou de façon plus condensée par :

  (44)

Remarques:

R1. Le n en indice du P(x) est parfois omis car explicitement défini dans l'énoncé.

R2. Le lecteur qui aura parcouru le chapitre de théorie des ensembles, se rappelera certainement que l'ensemble des polynômes de degré n ou inférieurs forment un structure d'espace vectoriel!

Définition (ensembliste): Soit k un anneau (cf. chapitre de Théorie Des Ensembles) et ., "l'anneau des polynômes" en n indéterminées (ou variables) est construit à partir d'un polynôme élémentaire, appelé "monôme" de la forme :

  (45)

et sont des entiers . Ainsi, un polynôme est une somme d'un nombre fini de monômes.

Ainsi, le cas particulier commun utilisé dans les petites classes et présenté au début est k[X], c'est-à-dire l'anneau des polynômes à une variable à coefficients dans k. Tout élément de k[X] s'écrit donc :

    (46)

avec  et

Remarque: Notez bien que les puissances sont toujours positives (ou nulles) dans  !!!

Définition: Nous nommons "racine" ou "zéro de polynôme", la ou les valeurs x telles que "l'équation polynomiale" soit satisfaite à la condition qu'au moins un des  avec soit non nul.

Si le polynôme admet une ou plusieurs racines nous pouvons alors factoriser ce dernier sous la forme (nous le démontrerons rigourement de manière générale plus loin) :

  (47)

Les identités algébriques sont des exemples de types particuliers de fonctions polynomiales. Considérons une constante c et une variable x et :

  (48)

Nous voyons que si nous posons :

  (49)

nous retrouvons :

  (50)

Définition: Le "coefficient dominant" d'un polynôme est le coefficient de son monôme de plus haut degré.

DIVISION EUCLIDIENNE DES POLYNÔMES

Plaçons nous à présent dans l'anneau k[X]. Si , nous notons deg(P) le degré du polynôme P(X) à coefficients dans un anneau k (les réels ou les complexes... peu importe!)

Remarque: Par convention,

Soit :

  (51)

avec .

Alors il existe deux polynômes uniques  tels que :

    (52)

et :

  (53)

Démonstration:

Si  le résultat est évident. Supposons que  et montrons l'existence par récurrence sur le degré k de u(X).

Si  alors  (puisque ) et donc  fait l'affaire.

Supposons l'affirmation vraie pour tout   :

Soit u(X) de degré . Si  alors  et  font l'affaire.

Sinon, si  alors en écrivant :

  (54)

nous réduisons u(X) à polynôme de degré  puisque v(X) est de degré m (et qu'ils existe)!

Effectivement, le terme :

  (55)

élimine (au moins) le terme de plus grand degré

Par hypothèse de récurrence, il existe f(X),g(X) tels que :

  (56)

avec . Donc :

  (57)

et :

  (58)

font l'affaire.

Donc par récurrence nous observons que la division euclidienne existe dans l'anneau des polynômes k[X].

C.Q.F.D.

Remarque: Cette démonstration nous a permis dans le chapitre de théorie des ensembles de montrer que cet anneau est "principal".

THÉORÈME DE FACTORISATION DES POLYNÔMES

Nous allons maintenant démontrer une propriété importante qui est au fait à l'origine illustré (entre autres) par les identités remarquables que nous avons vues plus haut :

Si une fonction polynôme  à coefficients dans k de degré  a une racine dans l'anneau k, alors nous pouvons factoriser P(x) par  tel que :

  (59)

Q  est une fonction polynôme de degré n-1.

Démonstration:

L'idée consiste à effectuer la division euclidienne de P par (x-r). D'après le théorème, il existerait un couple (Q, R) de polynôme tels que :

  (60)

et selon le résultat obtenu du théorème précédent sur la division euclidienne :

  (61)

Or, , donc  (ou ). R est donc une fonction polynôme constante. Par ailleurs, r est une racine de P. Nous avons donc :

  (62)

Donc . Donc R est la fonction polynôme nulle et le théorème est pratiquement démontré. Il reste encore à prouver que , ce qui est une conséquence immédiate de la relation :

  (63)

D'où :

  (64)

C.Q.F.D.

De cette propriété de factoriser un polynôme, appelée "théorème de factorisation", nous pouvons donner un avant gout d'un théorème plus important:

Montrons que si nous avons une fonction polynôme  de degré  à coefficients dans k, alors elle possède au plus n racines (certaines étant éventuellement confondues) dans k.

Démonstration:

Puisque P a un degré, P n'est pas la fonction polynôme nulle. Raisonnons par l'absurde. Si la fonction P possède p racine avec , en notant ces racines, nous avons, d'après le théorème de factorisation précédant (appliqué p fois) :

  (65)

Q est donc une fonction polynôme de degré . Or, comme par définition un polynôme en est un si seulement son degré appartient à , le polynôme Q doit donc être le polynôme nul tel que . Il s'ensuite que , ce qui contredit l'hypothèse initiale comme quoi P n'est la fonction polynôme nulle d'où .

C.Q.F.D.

ÉQUATIONS DIOPHANTIENNES

Si nous généralisons le concept de polynôme avec plusieurs variables tel que:

  (66)

nous appelons alors "équation diophantienne" une équation de la forme:

  (67)

P est un polynôme à coefficients entiers (ou rationnels) dont nous cherchons les radicaux strictement dans ou . Des exemples classiques d'équations diophantiennes sont :

- Les triplets pythagoriciens (ou triades) tel que:

  (68)

- Le grand théorème de Fermat dont la conjecture dit que si n est supérieur à 2, il n'existe pas d'entiers non nuls pour lesquels:

  (69)

Pour la démonstration il faudra attendre un peu que les auteurs du site aient le temps de la comprendre également (...).

POLYNÔMES DE DEGRÉ 1

Soit :

  (70)

Si  alors le polynôme admet une unique racine :

    (71)

tel que .

Remarques: 

R1. Il faut toujours prendre l'habitude de vérifier l'existence de la solution dans l'équation d'origine pour s'assurer de la validation du domaine de définition de la solution. Effectivement, il existe des solutions aux développement de résolution d'une équation qui ne vérifient pas l'équation d'origine et c'est ce que nous nommons des "solutions étrangères" ou encore "racines étrangères".

R2. Si les coefficients du polynômes de degré 1 sont tous réels alors la racine est réelle.

R3. Si un des coefficients est complexe alors la racine est nécessairement complexe.

R4. Si les deux coefficients sont complexes, alors la racine est soit complexe soit réelle.

POLYNÔMES DE DEGRÉ 2

Soit le polynômes à coefficients réels (trinôme du second degré) : 

  (72)

Si  alors une des racines satisfera:

  (73)

Il peut donc y avoir deux racines que l'on note :

  (74)

tel que et où nous définissons un nouveau terme appelé "déterminant du polynôme" ou "discriminant" qui allège souvent les écritures : 

  (75)

Remarque: Il faut aussi toujours prendre l'habitude de vérifier l'existence de la solution dans l'équation d'origine pour s'assurer de la validation du domaine de définition de la solution au cas où la solution serait "étrangère".

Si le polynôme du deuxième degré en x comporte deux racines, nous pouvons alors factoriser de manière irréductible (selon le théorème fondamental de factorisation des polynômes vus plus haut) de la manière suivante :

  (76)

Nous démontrons, à partir de l'expression des racines, sans trop de peine les relations dites "relations de Viète":

 et   (77)

Remarques:

R1. si le polynôme n'admet pas de zéros réels et ne se décompose pas en un produit de facteurs réels du premier degré mais de facteurs complexes. Ainsi (il est nécessaire d'avoir lu la partie traitant des nombres complexes dans le chapitre des nombres de la section d'arithmétique du site) :

  (78)

et nous savons que nous pouvons écrire tout nombre complexe sous une forme condensée (formule d'Euler) et comme les racines complexes d'un polynôme du second degré sont conjugées (nous connaissons ce terme) nous avons :

  (79)

où (rappel) r est le module des racines complexes (module égal pour les deux racines) et  l'argument des racines complexes (égales en valeur absolue).

R2. Si alors le polynôme possède une seule solution qui est bien évidemment :

  (80)

R3. Si alors le polynôme possède deux solution définies par les relations générales que nous avons déjà données précédemment.

Evidemment de ce qui a été vu jusqu'à maintenant on en tire que si un polynôme admet une ou plusieurs racines alors ce même polynôme est divisible par .

Il existe un polynôme de degré deux dont la solution est fameuse de par le monde. Ce nombre est appelé la "divine proportion" et se retrouve en architecture, esthétique ou encore en phyllotaxie (c'est-à-dire dans la disposition des feuilles autour de la tige des plantes). 

Ce nombre vaut:

      (81)

et appartient à l'ensemble des nombres irrationnels car il ne peut pas s'écrire sous forme de fraction entière, mais c'est un nombre algébrique puisqu'il est la solution positive de l'équation:

    (82)

POLYNÔMES DE DEGRÉ 3

Bien que rare à résoudre en physique théorique ou lors de ses études, la résolution d'un polynôme du 3ème degré est assez récréative et montre un bon exemple d'un raisonnement mathématique déjà mature (nous devons ces développements à Scipione del Ferro et Jérome Cardan mathématiciens du 16ème siècle…).

Soit l'équation :

  (83)

avec les coefficients tous dans  (pour commencer…). Dans un premier temps, le lecteur pourra voir que les raisonnements que nous avons appliqués pour les polynômes de degrés inférieurs coincent rapidement (excepté pour des cas particuliers simplistes bien sûr…).

Nous allons contourner le problème par des changements de variables subtils mais tout à fait justifiés.

Ainsi, rien ne nous empêche de poser que :

  (84)

et que en divisant le polynôme de degré 3 par a d'écrire :

  (85)

En regroupant les termes de même ordre :

  (86)

et posons (rien, mais alors absolument rien ne nous l'interdit) :

  (87)

où (1) est connu si et seulement si X est connu et où p, q sont de tout façon connus.

Le polynôme :

  (88)

étant de degré impair, il admet comme permet de le constater tout tracé visuel d'un tel polynôme à coefficient réels aux moins un racine réelle, appelée "racine certaine" (vérifiez vous verrez bien par une représentation graphique d'un polynôme de degré impair que cela est trivial).

Maintenant, nous faisons un autre changement de variable (nous en avons tout à fait le droit) subtil :  en imposant la condition que u,v doivent êtres tels que (rien ne nous empêche d'imposer une telle contrainte) et nous alors :

  (89)

Dès lors nous avons :

  (90)

Nous pouvons très bien faire une analogie entre les deux relations (1') et (2') et les relations de Viète que nous avions obtenues pour le polynôme de degré 2 qui rappelons le étaient :

 et     (91)

à la différence que nous avons maintenant (nous adoptons une autre notation pour ces racines intermédiaires)  et  ce qui nous donne pour le polynôme P en imposant (toujours par analogie)  une nouvelle équation :

  (92)

dont  sont les racines.

Cette dernière équation à pour discriminant :

  (93)

Prenons maintenant le cas par cas :

- Si , l'équation en Z admet deux solutions  dont la somme va nous donner indirectement la valeur de X puisque par définition  et  et . Nous voyons que nous avons tous les ingrédients pour trouver la première racine de l'équation initiale qui sera la racine certaine (ou "zéro certain"). Ainsi :

  (94)

comme  et que les racine supérieurs sont cubiques nous avons nécessairement  si tous les coefficients de l'équation originale sont bien dans .

- Si , nous le savons, l'équation en Z admet une racine double et puisque le discrimant comporte une puissance carrée de q cela signifie nécessairement que p est négatif.

Le polynôme P admet donc lui aussi une racine double et de même pour l'équation d'origine. Nous avons vu par ailleurs que pour un polynôme du second degré si le discriminant est nul les racines sont :

  (95)

alors par analogie :

  (96)

- Si   nous devons à nouveau utiliser les nombres complexes comme nous l'avons fait lors de notre étude du polynôme de degré 3. Ainsi, nous savons que l'équation en Z admet deux solutions complexes telles que :

  (97)

et à nouveau comme les racines sont conjuguées nous pouvons écrire sous la forme condensé :

  (98)

et comme :

  (99)

nous avons donc :

  (100)

Comme  sont conjugués, nous avons nécessairement .

POLYNÔMES DE DEGRÉ 4

L'équation polynômiale à résoudre ici est :

  (101)

avec .

Remarque: Nous devons cette méthode de résolution à l'italien Lodovico Ferrari mathématicien italien du 16ème siècle également.

Quitte à diviser par a nous avons :

  (102)

Puis, en posant :

  (103)

l'équation se réduit à :

  (104)

où nous voyons que le coefficient devant  s'annule. Ainsi, tout polynôme du type :

  (105)

peut être écrit sous la forme suivante :

  (106)

En posant :

  (107)

Remarque: Si , l'équation à résoudre est en réalité une "équation bicarrée". Le changement de variable  permet alors de se ramener à une équation polynomiale du deuxième degré (ce que nous savons facilement résoudre).

Nous introduisons maintenant un paramètre t (que nous choisirons judicieusement par la suite) et nous réécrivons l'équation polynomiale sous la forme suivante :

  (108)

Remarque: Si le lecteur développe et distribue tous les termes de la relation précédente il retombera bien évidemment sur

L'idée sous-jacente est d'essayer de faire en sorte que la partie entre crochets de l'expression précédente puisse s'écrire comme un carré tel que :

  (109)

Car dans ce cas, en utilisant :

  (110)

Notre équation polynomiale peut s'écrire :

  (111)

et nous n'aurions plus qu'à résoudre deux équations polynomiales du deuxième degré (ce que nous savons déjà faire).

Or, pour que nous puissions écrire :

  (112)

Il faudrait que l'expression du deuxième degré à gauche de l'égalité n'ait qu'une seule racine. Or, nous avons vu dans notre étude des équations polynomiales du deuxième degré que cela signifiait dès lors que le déterminant est nul :

  (113)

et que la racine s'exprimait par :

  (114)

Ce qui correspond dans notre cas à :

  (115)

et donc que :

  (116)

avec :

  (117)

Donc finalement, si t est tel que , alors nous avons :

  (118)

puisque le théorème fondamental des polynômes nous donne pour un polynôme du deuxième degré n'ayant qu'une seule racine :

  (119)

Pour conclure, il suffit de voir que trouver un nombre t vérifiant la relation :

  (120)

est un problème de degré 3 que nous savons déjà résoudre par la méthode de Cardan.

De telles méthodes générales n'existent plus pour les degrés égaux ou supérieurs à 5 comme nous le verrons à l'aide de la théorie de Galois (cf. chapitre d'Algèbre Ensembliste).

POLYNÔMES TRIGONOMÉTRIQUES

Définition: Nous appelons "polynôme trigonométrique" de degré N toute somme finie :

  (121)

.

Un polynôme trigonométrique peut aussi être écrit en utilisant les fonctions trigonométriques usuelles grâce aux transformations suivantes :

  (122)

Soit en utilisant le formule d'Euler (cf. chapitre sur les Nombres) :

  (123)

Ce que nous pouvons récrire aussi sous la forme :

  (124)

En posant alors :

  (125)

Il vient :

  (126)

Nous verrons longuement dans la chapitre des suites et séries comment utiliser ces polynômes dans le cadre de l'étude des séries de Fourier.

POLYNÔMES CYCLOTOMIQUES

Si n est un entier naturel, nous appelons "polynôme cyclotomique" ce que nous notons traditionnellement  et définissons comme étant le produit de tous les monômes en  où  est un racine primitive n-ième de l'unité de .

Ainsi, l'ensemble des racines n-ièmes de l'unité est l'ensemble:

  (127)

qui est un groupe cyclique (voir la théorie des ensembles dans la section d'arithmétique du site).

Nous appelons alors "racine primitive n-ième de l'unité" ou "R.P.N." tout élément de ce groupe l'engendrant.

De plus les éléments de  sont du type  avec . Nous pouvons même écrire :

  (128)

Un petit exemple de polynôme cyclotomique:

  (129)

Les racines quatrième de l'unité sont 1, -1, i et -i (autrement dit chacun de ces nombres mis à la puissance 4 donne 1). Elle forment le groupe  et celui-ci peut-être engendré que par i et -i.

Donc un polynôme cyclotomique est le produit de facteurs qui s'écrit:

  (130)

avec et k étant premier par rapport à n.

Les polynômes ont un grand nombre de propriétés que nous n'aborderons pas ici puisque ce site ne se veut pas être un ouvrage de mathématiques supérieure.

Polynômes DE LEGENDRE

Définition: les polynômes de Legendre sont définis par (lire de préférence les chapitres de calcul différentiel et intégral ainsi que d'analyse fonctionnelle avant) :

  (131)

est donc un polynôme de degré n. Nous retrouverons ces polynômes dans la résolution d'équations différentielles en physique (propagation de la chaleur, physique quantique, chimie quantique, etc.).

Démontrons que selon la définition du produit scalaire fonctionnel (cf. chapitre d'Analyse Fonctionnelle et de Calcul Vectoriel) que les polynômes de Legendre sont orthogonaux.

Démonstration:

Soit P un polynôme de degré . Il suffit de montrer que , c'est-à-dire que est orthogonal à l'espace des polynômes de degré inférieur à n. Nous avons en effet :

  (132)

en intégrant par parties nous obtenons :

  (133)

Attention pour le terme nul ci-dessus, seulement le terme  y est dérivé . Donc puisque x est au carré, quelque soit la dérivée la valeur sera toujours la même. Ce qui justifie que le terme soit nul.

En continuant de la sorte nous obtenons après n intégrations par parties :

  (134)

C.Q.F.D.

Remarque: Le terme dérivé est nul puisque le polynômes dérivé est de degré n-1

Voici quelques propriétés utiles en chimie quantique des :

P1.

Démonstration:

  (135)

et par la formule de Leibniz (cf. chapitre de Calcul Différentiel Et Intégral) nous avons :

  (136)

d'où :

  (137)

C.Q.F.D.

P2. si n est pair :

Démonstration:

Si n est pair, est une fonction paire et donc :

  (138)

est paire.

C.Q.F.D.

P3. si n est impair.

Démonstration:

Si n est impair, est impaire et donc :

  (139)

est impaire.

C.Q.F.D.

Nous allons à présent démontrer la validité de la relation de récurrence suivante pour les (relations que nous utiliserons en physique) :

  (140)

pour .

Démonstration:

est un polynôme de degré , il existe dès lors des tel que ce polynôme peut s'exprimer comme combinaisons linéaire de la famille de polynômes constituant la base orthonormale (base qui permet donc d'engendrer) :

  (141)

nous pouvons dès lors écrire :

  (142)

mais nous choisissons (parce que est dès lors de degré ) :

  (143)

Donc c'est-à-dire que nous devons avoir . Par suite :

  (144)

Par les propriétés des polynômes de Legendre vues précédemment, nous pouvons écrire les égalités :

:   (145)

et :

:   (146)

d'où :

et   (147)

Le coefficient dominant de est défini (rappelons-le) par le coefficient du monôme du plus grand degré. Ainsi, il est donné par :

  (148)

Donc :

  (149)

Remarque: Le lecteur vérifiera au besoin pour un n donné que :

  (150)

La relation :

  (151)

que nous avons obtenu ci-dessus nous impose que le coefficient dominant du polynôme de la combinaison linéaire soit égal au coefficient dominant du polynôme (nous avons éliminé le qui se simplifie) :

  (152)

après simplification, nous obtenons :

  (153)

et ce qui donne finalement facilement :

  (154)

La relation :

  (155)

devient dès lors :

  (156)

C.Q.F.D.

Voici les six premiers polynômes de Legendre :

  (157)


  
(158)






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