MPSI B 6 juin 2015 ´ Enonc´ e Partie II. Sommes et produits de racines. Dans cette partie, on suppose n pair non nul avec n = 2p. On note σ1 , σ2 , · · · , σn les polynˆomes sym´etriques ´el´ementaires form´es avec les x1 , · · · , xn . On note L’objet de ce probl`eme est d’´etablir certaines propri´et´es de polynˆomes particuliers dits polynˆ omes de Tchebychev de premi`ere esp`ece. On d´esigne par R[X] l’espace vectoriel des polynˆ omes `a coefficients r´eels et (pour tout entier naturel n) par Rn [X] le sous-espace des polynˆ omes de degr´e inf´erieur ou ´egal `a n. Pour tout p ∈ R[X] et a ∈ C, on d´esigne par Pe(a) le r´esultat du remplacement de X par a dans l’expression de P . Soit (Tn )n∈N la suite de polynˆ omes de R[X] d´efinie par : T0 =1 T1 =X ∀n ∈ N : Tn+2 =2XTn+1 − Tn sn = x21 + · · · + x2n 1. Montrer que n−1 Tn = 2 2. (X − xk ) = p X 2p k=0 2k X 2p−2k (X 2 − 1)k a. Pr´eciser les trois coefficients σ1 , σ2 , σn . En d´eduire πn . b. Exprimer sn en fonction des σ1 , σ2 , σn . En d´eduire une expression simple de sn . 3. Proposer une autre m´ethode pour calculer sn . On demande seulement les principes et les articulations de ce calcul sans le r´ealiser explicitement. a. D´eterminer les polynˆ omes T2 et T3 . Partie III. Minimalit´ e. b. D´eterminer le degr´e, la parit´e et le coefficient dominant de Tn pour n ∈ N. 2. Factoriser cos((n + 2)x) + cos(nx) et ch((n + 2)x) + ch(nx) pour tous n ∈ N et x ∈ R. Les d´emonstrations devront obligatoirement utiliser des exponentielles. ´ 3. a. Etablir, pour tout nombre r´eel x et tout entier naturel n : fn (cos x) = cos(nx) T Dans cette partie n est un entier non nul fix´e. On note Un l’ensemble des polynˆ omes unitaires `a coefficients r´eels et de degr´e n. 1. a. L’ensemble Un est-il un sous-espace vectoriel de R[X] ? b. Pour tout P ∈ R[X], on pose fn (ch x) = ch(nx) T n o N (P ) = max Pe(x) , x ∈ [−1, 1] b. Montrer que, pour tout nombre r´eel u : f |u| ≤ 1 ⇒ T n (u) ≤ 1 f |u| > 1 ⇒ T n (u) > 1 4. n Y k=1 Partie I. Propri´ et´ es trigonom´ etriques. 1. πn = x1 · · · xn Pourquoi peut-on le faire ? Montrer que N (P ) > 0 si P n’est pas le polynˆ ome nul. c. On consid`ere maintenant mn = inf {N (P ), P ∈ Un } a. Pour tout n entier naturel non nul, r´esoudre dans [0, π] l’´equation Pourquoi peut-on le faire ? 2. Montrer que mn ≤ 2−n+1 . fn (cos(x)) = 0 T 3. b. Montrer que, pour n entier naturel non nul, Tn admet n racines. Pr´eciser ces racines, elles seront not´ees x1 , · · · , xn avec x1 < x2 < · · · < xn . Cette cr´ eation est mise ` a disposition selon le Contrat Paternit´ e-Partage des Conditions Initiales a ` l’Identique 2.0 France disponible en ligne http://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.0/fr/ 1 a. D´eterminer les racines des polynˆ omes Tn − 1 et Tn + 1 dans [−1, 1] sous la forme de suites croissantes y1 , y2 , · · · et z1 , z2 , · · · . Pr´eciser les in´egalit´es entre les yi et les zj . R´ emy Nicolai Atcheb3 MPSI B 6 juin 2015 Corrig´ e b. Soit P ∈ R[X] unitaire de degr´e n tel que N (P ) < 2−n+1 . Montrer que l’on aboutit ` a une contradiction en ´etudiant les racines de Partie I. Propri´ et´ es trigonom´ etriques. 2n−1 P − Tn 1. a. En utilisant la d´efinition : c. En d´eduire : T2 = 2X 2 − 1 mn = 2−n+1 = min {N (P ), P ∈ Un } 4. T3 = 4X 3 − 3X b. On d´emontre par r´ecurrence la propri´et´e deg(Tn ) =n (Pn ) : coefficient dominant de Tn =2n−1 cn (−X) =(−1)n Tn T a. Soient a et b deux r´eels avec a < b, d´efinir une bijection affine strictement croissante de [−1, 1] dans [a, b]. b. Soit P ∈ R[X] de degr´e p ≥ 1 tel que |Pe(x)| ≤ 2 pour tous les x ∈ [a, b]. Montrer que b−a≤4 La derni`ere relation signifie que Tn est ”de mˆeme parit´e” que n. ´ 2. Ecrivons d’abord une relation entre exponentielles : ei(n+2)θ + einθ = ei(n+1)θ eiθ + e−iθ = 2 cos θei(n+1)θ En prenant la partie r´eelle, on obtient cos(n + 2)θ + cos nθ = 2 cos θ cos(n + 1)θ De mˆeme : e(n+2)θ + enθ = e(n+1)θ eθ + e−θ = 2 ch θe(n+1)θ En prenant la partie paire de la 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’´ecrire ces formules comme : cos(n + 1)θ = 2 cos θ cos nθ − cos(n − 1)θ 3. ch(n + 1)θ = 2 ch θ ch nθ − ch(n − 1)θ a. Utilisons une r´ecurrence forte. Introduisons la propri´et´e ( fn (cos x) = cos(nx) T (Pn ) ∀k ∈ {0, · · · , n}, ∀x ∈ R : fn (ch x) = ch(nx) T Cette propri´et´e est v´erifi´ee pour n = 1. La relation de r´ecurrence Tn+1 = 2XTn − Tn−1 et les factorisations de la question 2. montrent que Pn−1 entraine Pn . Cette cr´ eation est mise ` a disposition selon le Contrat Paternit´ e-Partage des Conditions Initiales a ` l’Identique 2.0 France disponible en ligne http://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.0/fr/ 2 R´ emy Nicolai Atcheb3 MPSI B 6 juin 2015 b. Pour tout nombre r´eel u tel que |u| ≤ 1, il existe des r´eels x tels que u = cos x. Alors f f Tn (u) = Tn (cos x) = |cos(nx)| ≤ 1 La deuxi`eme ´egalit´e est de nature trigonom´etrique. ! n X n n−l l cos nx = Re(cos x + i sin x) = Re (cos x) (i sin x) (binˆ ome) l l=0 n X n (cos x)n−2k (−1)k (sin x)2k (seuls les indices pairs contribuent) = 2k k=0 n X n = (cos x)n−2k (cos2 x − 1)k 2k n Pour tout nombre r´eel u > 1, il existe un unique r´eel x > 0 tel que u = ch x. Alors f f Tn (u) = Tn (ch x) = |ch(nx)| = ch(nx) > 1 Pour tout nombre r´eel u < −1, il existe un unique r´eel x > 0 tel que u = − ch x. Alors f f fn (ch x) = ch(nu) > 1 fn (ch x) = T Tn (u) = Tn (− ch x) = (−1)n T 4. k=0 car − sin2 x = cos2 x − 1. Rappelons que dans cette question n est pair : n = 2p. D´efinissons un polynˆ ome Qn par : a. D’apr`es les questions pr´ec´edentes : fn (cos x) = 0 ⇔ cos nx = 0 ⇔ nx ≡ π T 2 mod π ⇔ ∃k ∈ Z tel que x = (2k + 1)π 2n p X n Qn = X n−2k (X 2 − 1)k 2k Pour les racines dans [0, π], on doit se limiter aux k ∈ {0, · · · , n − 1}. On obtient donc n racines dans cet intervalle. b. La restriction a` [0, π] de la fonction cos est strictement d´ecroissante, les cos (2k+1)π 2n pour k ∈ {0, · · · , n − 1} prennent donc n valeurs distinctes qui sont toutes des racines de Tn . Comme Tn est de degr´e n elles forment l’ensemble de toutes les racines de Tn . ` cause du caract`ere d´ecroissant, pour num´eroter les racines dans l’ordre croisA sant, il faut ”inverser” les indices. Lorsque k croˆıt de 0 ` a n−1 alors k 0 = n−k d´ecroˆıt de n `a 1 et les cos augmentent. En revenant ` a la lettre k pour d´esigner l’indice, on obtient que les n racines de Tn sont les xk = cos k=0 fn (cos x) = cos nx = T fn (cos x). Ainsi le polynˆ On a Q ome Tn − Qn admet une infinit´e de racines `a savoir toutes les valeurs du cos c’est ` a dire [−1, +1]. Ce polynˆ ome doit donc ˆetre nul et p X n Tn = X n−2k (X 2 − 1)k 2k k=0 2. 2k − 1 2(n − k) + 1 π = − cos π avec k ∈ {1, · · · n} 2n 2n a. Ici encore, n est pair ´egal ` a 2p et la parit´e de Tn se lit tr`es bien sur la deuxi`eme expression qui ne contient que des puissances paires de X. On en d´eduit que σ1 = 0. On aurait pu remarquer aussi que les racines vont par paires. Chaque racine peut ˆetre appari´ee ` a son oppos´ee, la somme de toutes est donc nulle. Le calcul du σn se fait en cherchant les termes de degr´e 0 dans la somme. Ils ne peuvent venir que du seul k = p. On a donc Partie II. Sommes et produits de racines. n−1 terme de degr´e 0 de Tn = 1. Dans la partie I, on a vu que Tn est de degr´e n et de coefficient dominant 2 . Comme les racines de Tn sont x1 , · · · , xn , la d´ecomposition en facteurs irr´eductibles s’´ecrit Tn = 2n−1 n Y On en d´eduit : (X − xk ) σn = πn = (−1)p 21−n k=1 Cette cr´ eation est mise ` a disposition selon le Contrat Paternit´ e-Partage des Conditions Initiales a ` l’Identique 2.0 France disponible en ligne http://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.0/fr/ n (−1)p = 2n−1 (−1)n σn = 2n−1 (−1)n πn 2p 3 R´ emy Nicolai Atcheb3 MPSI B 6 juin 2015 Le calcul du σ2 est plus compliqu´e car tous les termes de la somme contribuent : terme degr´e n − 2 de Tn = p X n k=0 2k car la somme la plus ` a droite est form´ee par les racines n-`emes de l’unit´e. Partie III. Minimalit´ e. (terme degr´e 2k − 2 de (X 2 − 1)k ) p X n = (−k) (formule du binˆome) 2k k=0 p n 1X n n X n−1 =− 2k = − (rel. coeff. binˆome) 2k 2k − 1 2 2 k=0 k=1 La somme de tous les n−1 est ´egale ` a (1 + 1)n−1 = 2n−1 . La diff´erence entre i les sommes pour les indices pairs et impairs est nulle. On en d´eduit que ces deux sommes sont ´egales entre elles et valent 2n−2 . On obtient donc : n terme degr´e n − 2 de Tn = −n 22n−3 = 2n−1 σ2 ⇒ σ2 = − 4 1 2n−1 N (P ) 1 b. Pour les polynˆ omes sym´etriques en g´en´eral : sn = σ12 − 2σ2 . Dans notre cas particulier, on obtient, en revenant ` a l’expression des racines : sn = n X cos2 k=1 −2n−1 N (P ) n 2k − 1 π= 2n 2 1 3. On peut calculer sn directement ` a partir de l’expression avec les racines n X cos2 k=1 Fig. 1 – Graphe de T6 2k − 1 π 2n 1. On commence par lin´eariser les cos2 : cos2 θ = On obtient alors 1 1 + cos 2θ 2 2 b. La fonction polynomiale associ´ee ` a un polynˆ ome est continue. Sa restriction au segment [−1, 1] est donc born´ee et atteint ses bornes. On peut donc poser n o N (P ) = max Pe(x) , x ∈ [−1, 1] n sn = 2k − 1 n 1X + cos π 2 2 n k=1 Si la fonction polynomiale est nulle sur le segment, le polynˆ ome admet une infinit´e de racines, il doit donc ˆetre nul. Ainsi pour un polynˆ ome non nul N (P ) > 0. On utilise ensuite l’exponentielle, la partie r´eelle et une somme de termes en progression g´eom´etrique ou les propri´et´es des racines n-`emes de l’unit´e ! ! n n n n X X X iπ 2π 2k − 1 i 2k−1 π − i cos π = Re e n = Re e n e n =0 n k=1 k=1 Cette cr´ eation est mise ` a disposition selon le Contrat Paternit´ e-Partage des Conditions Initiales a ` l’Identique 2.0 France disponible en ligne http://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.0/fr/ a. L’ensemble Un n’est ´evidemment pas un sous-espace vectoriel, il n’est pas stable par la multiplication par un r´eel car le coefficient dominant est multipli´e aussi. c. L’ensemble {N (P ), P ∈ Un } est une partie de R non vide et minor´ee par 0, elle admet donc une borne inf´erieure mn . Il n’est absolument pas ´evident que cette borne soit le plus petit ´el´ement, c’est l’objet des questions suivantes. k=1 4 R´ emy Nicolai Atcheb3 MPSI B 6 juin 2015 c. D’apr`es la question pr´ec´edente, 2−n+1 est un minorant de {N (P ), P ∈ Un } ce qui entraine l’in´egalit´e manquante 2−n+1 ≤ mn car la borne inf´erieure est le plus grand des minorants. 2. Le polynˆ ome Tn est de degr´e n et de coefficient dominant 2n−1 , de plus il v´erifie : f |Tn (x)| ≤ 1 pour tous les x ∈ [−1, 1] et il atteint plusieurs fois les valeurs 1 et −1 (ce point sera d´etaill´e dans la questiion3.a.). On en d´eduit que pour le polynˆome unitaire 21−n Tn : N (21−n Tn ) = 21−n ⇒ mn ≤ 21−n 3. 4. t→ fn (cos x) = cos nx. a. Comme en I, on utilise T cos nx = 1 ⇔ nx ≡ 0 mod 2π ⇔ ∃k ∈ Z tq x = 2kπ n Q = Pb( 2kπ n avec 0 ≤ k ≤ b c n 2 mod 2π ⇔ ∃k ∈ Z tq x = (2k + 1)π n Formons un polynˆ ome unitaire et appliquons le r´esultat de 3. 2p+1 2p+1 2p −p+1 Q ≤ ⇒ 2 ≤ ⇒ (a − b)p ≤ 22p ⇒ b − a ≤ 4 N (b − a)p (b − a)p (b − a)p Le polynˆ ome Tn + 1 admet donc b n−1 2 c + 1 racines qui sont les cos a+b b−a +X ) 2 2 p Ce polynˆome est de degr´e p et de coefficient dominant ( b−a 2 ) . De plus, par construction, il v´erifie : e ∀x ∈ [−1, 1] : Q(x) ≤2 De mˆeme cos nx = −1 ⇔ nx ≡ π a+b b−a +t 2 2 ` partir du polynˆ b. A ome P v´erifiant l’hypoth`ese, formons un polynˆ ome Q : On se limite ` a [0, π] pour assurer l’injectivit´e du cos. Le polynˆ ome Tn − 1 admet donc b n2 c + 1 racines qui sont les cos a. La fonction suivante r´epond aux conditions demand´ees (2k + 1)π n−1 avec 0 ≤ k ≤ b c n 2 fn (1) = cos 0 = 1. Il est ´evident `a cause des monoRemarquons de plus que T tonies des restrictions des cos que ces racines s’entrem`elent. Pour les disposer pr´ecis´ement, il est commode de s´eparer les cas pairs et impairs. La valeur 1 est atteinte aux yi , la valeur −1 est atteinte aux zi n b n2 c + 1 b n−1 2 c+1 racines 2p p+1 p y1 = −1 < z1 < y2 < · · · < zp < yp+1 = 1 2p + 1 p+1 p+1 z1 = −1 < y1 < z2 < · · · < zp+1 < yp+1 = 1 b. Dans les deux cas, on obtient n + 1 racines qui forment n intervalles. De l’hypoth`ese N (P ) < 2−n+1 , on tire que 2n−1 P ne prend (en module) que des valeurs strictement plus petites que 1. Le polynˆ ome Tn − 2n−1 P admettra donc au moins n racines. Or ce polynˆ ome est de degr´e strictement plus petit car les coefficients de degr´e n s’annulent. Cette cr´ eation est mise ` a disposition selon le Contrat Paternit´ e-Partage des Conditions Initiales a ` l’Identique 2.0 France disponible en ligne http://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.0/fr/ 5 R´ emy Nicolai Atcheb3
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