Parmi les expressions suivantes, laquelle définit une fonction polynôme ?
Remarque
Une fonction polynôme est formée uniquement d'une somme de termes de la forme akxk, où les puissances k sont des entiers naturels. Une variable sous une racine, au dénominateur ou dans une valeur absolue ne définit pas un polynôme.
Définition · 2
Définition d'un polynôme et de son degré
Soient a0,a1,…,an des réels avec an=0.
P(x)=anxn+an−1xn−1+⋯+a1x+a0
La fonction P est appelée fonction polynôme. L'entier naturel n est le degré du polynôme P, noté d∘(P)=n.
Vocabulaire
Monôme — akxk
Terme constant — a0
Terme de plus haut degré — anxn
Remarque
Le polynôme nul n'a pas de degré. Un polynôme constant non nul est de degré 0.
Exemple travaillé · 3
Soit P(x)=2−x+x3+x5+x7. Détermine le degré de P, son terme constant et son coefficient dominant.
1
On ordonne le polynôme selon les puissances décroissantes de x :
2
P(x)=x7+x5+x3−x+2
3
La plus haute puissance de x dont le coefficient est non nul est 7, donc :
4
d∘(P)=7
5
Le terme de plus haut degré est x7 (coefficient dominant 1) et le terme constant est 2.
Vérification · 4
Soit le polynôme P(x)=−3x3+25x2+1. Complète les informations suivantes :
Remarque
Le terme de plus haut degré est −3x3, donc le degré est 3. Le terme constant est la valeur sans variable, soit 1.
Définition · 5
Opérations sur les polynômes et calcul de degré
Soient P et Q deux fonctions polynômes non nulles, α un réel non nul et n∈N.
d∘(P×Q)=d∘(P)+d∘(Q)
d∘(Pn)=n×d∘(P)etd∘(αP)=d∘(P)
d∘(P+Q)≤max(d∘(P),d∘(Q))
Remarque
Le degré de la somme P+Q peut être strictement inférieur au maximum si les termes dominants s'annulent.
Piège classique · 6
On donne P(x)=x3+2x et Q(x)=−x3+4x2+1. Quel est le degré du polynôme (P+Q) ?
Attention
Affirmer que d∘(P+Q)=3 en appliquant mécaniquement le maximum des degrés.
À la place : Les termes de plus haut degré s'annulent : x3+(−x3)=0. On a (P+Q)(x)=4x2+2x+1, donc d∘(P+Q)=2.
Exemple travaillé · 7
Soient P(x)=3x2−x et Q(x)=2x3−4x+1. 1. Détermine le degré de (PQ) sans développer. 2. Développe et réduis le produit (PQ)(x).
1
1. Le degré d'un produit est la somme des degrés :
2
d∘(PQ)=d∘(P)+d∘(Q)=2+3=5
3
2. On applique la distributivité de chaque monôme de P sur Q :
4
(PQ)(x)=3x2(2x3−4x+1)−x(2x3−4x+1)
5
(PQ)(x)=(6x5−12x3+3x2)−(2x4−4x2+x)
6
On regroupe et on ordonne par puissances décroissantes :
7
(PQ)(x)=6x5−2x4−12x3+7x2−x
Vérification · 8
Soit A(x)=(x2+1)3(2x4−5x+1). Quel est le degré du polynôme A ?
Remarque
Le facteur (x2+1)3 est de degré 2×3=6. Le second facteur est de degré 4. Le degré du produit est donc 6+4=10.
Définition · 9
Égalité de deux polynômes et identification
Soient P et Q deux fonctions polynômes définies sur R.
P(x)=Q(x)pour tout x∈R⟺d∘(P)=d∘(Q) et les coefficients de meˆme degreˊ sont eˊgaux
En particulier, un polynôme est nul sur R si et seulement si tous ses coefficients sont nuls :
anxn+⋯+a1x+a0=0pour tout x∈R⟺an=an−1=⋯=a0=0
Exemple travaillé · 10
Soient P(x)=ax2+bx+c et Q(x)=2x2−10x+11. Détermine les réels a,b et c pour que P(x)=Q(x) pour tout réel x.
1
Les deux polynômes sont déjà ordonnés par puissances décroissantes et sont de degré 2.
2
Par identification des coefficients des termes de même degré :
3
⎩⎨⎧a=2b=−10c=11
4
Les réels cherchés sont donc a=2, b=−10 et c=11.
Piège classique · 11
On pose A(x)=ax3+bx2+cx+d et B(x)=4x3−5x+1. Pour que A(x)=B(x) sur R, quelle est la valeur de b ?
Attention
Associer b à −5 en alignant visuellement le deuxième terme écrit sans vérifier son degré.
À la place : Le terme en x2 est absent dans B(x), son coefficient est donc 0. En écrivant B(x)=4x3+0x2−5x+1, on obtient b=0 et c=−5.
Vérification · 12
Soient P(x)=(a−1)x2+(b+3) et Q(x)=3x2−2. Trouve a et b pour que P(x)=Q(x) pour tout réel x.
Remarque
Par identification terme à terme : a−1=3⟹a=4 et b+3=−2⟹b=−5.
Définition · 13
Racine d'un polynôme et divisibilité par (x-α)
Soit P une fonction polynôme de degré n≥1 et α un nombre réel.
P(α)=0⟺P(x)=(x−α)Q(x)
où Q est un polynôme de degré n−1.
Vocabulaire
Racine (ou zéro) — P(α)=0
Factorisable par — (x−α)
Piège classique · 14
Pour vérifier si un polynôme P(x) est factorisable par (x+3), quelle valeur calcule-t-on ?
Attention
Calculer P(3) en gardant le signe « + » présent dans le binôme (x+3).
À la place : Calculer P(−3). Le binôme (x+3) s'annule pour x=−3, car (x+3)=(x−(−3)).
Définition · 15
Nombre maximal de racines et factorisation complète
Un polynoˆme de degreˊn≥1 admet au plus n racines reˊelles.
Si P admet n racines réelles distinctes α1,α2,…,αn, sa factorisation complète s'écrit :
P(x)=an(x−α1)(x−α2)…(x−αn)
Remarque
Le réel an est le coefficient du terme de plus haut degré de P.
Exemple travaillé · 16
Soit P(x)=x3+3x2−4x−12. 1. Vérifie que 2 est une racine de P. 2. Détermine le polynôme Q tel que P(x)=(x−2)Q(x).
1
1. On évalue P(2) :
2
P(2)=23+3(2)2−4(2)−12=8+12−8−12=0
3
P(2)=0, donc 2 est bien une racine de P.
4
2. Comme d∘(P)=3, le quotient Q est de degré 2 : Q(x)=ax2+bx+c.
5
(x−2)(ax2+bx+c)=ax3+(b−2a)x2+(c−2b)x−2c
6
Par identification avec x3+3x2−4x−12 :
7
⎩⎨⎧a=1b−2(1)=3⟹b=5−2c=−12⟹c=6
8
On obtient Q(x)=x2+5x+6, soit P(x)=(x−2)(x2+5x+6).
Vérification · 17
Soit P(x)=2x3−3x2−8x−3. Sachant que P(−1)=0, par quel binôme P(x) est-il factorisable ?
Remarque
Puisque −1 est racine, P(x) est divisible par (x−(−1)), c'est-à-dire (x+1).
Définition · 18
Recherche de racines évidentes
Pour factoriser un polynôme sans indication, on cherche d'abord une racine évidente :
Si la somme des coefficients de P(x) est nulle, alors 1 est racine de P.
Si P(−1)=0, alors −1 est racine de P.
Remarque
Les racines entières simples se cherchent en priorité parmi les diviseurs du terme constant (±1,±2,±3,…).
Exemple travaillé · 19
Soit P(x)=3x3−2x2−7x−2. Détermine une racine évidente de P, puis factorise complètement P(x).
1
On teste −1 parmi les diviseurs du terme constant −2 :
2
P(−1)=3(−1)3−2(−1)2−7(−1)−2=−3−2+7−2=0
3
−1 est une racine, donc P(x) est factorisable par (x+1) : P(x)=(x+1)(ax2+bx+c).
4
Par identification, on trouve a=3, c=−2 et b=−5 :
5
P(x)=(x+1)(3x2−5x−2)
6
On factorise le trinôme 3x2−5x−2 : son discriminant est Δ=(−5)2−4(3)(−2)=49=72. Ses racines sont 2 et −31.
7
P(x)=(x+1)(x−2)(3x+1)
Définition · 20
Polynôme symétrique de degré 3
Un polynôme de la forme f(x)=ax3+bx2+bx+a (avec a=0) est appelé polynôme symétrique de degré 3.
f(−1)=−a+b−b+a=0⟹−1 est toujours racine de f
Le polynôme se factorise immédiatement sous la forme canonique :
f(x)=(x+1)(ax2+(b−a)x+a)
Remarque
Le discriminant du trinôme quotient est Δ=(b−a)2−4a2=(b−3a)(b+a).
Exemple travaillé · 21
Soit f(x)=2x3+5x2+5x+2. Factorise f(x) et résous dans R l'équation f(x)=0.
1
f est un polynôme symétrique avec a=2 et b=5. La valeur −1 est racine évidente.
2
On applique la factorisation canonique avec le coefficient central b−a=5−2=3 :
3
f(x)=(x+1)(2x2+3x+2)
4
On résout 2x2+3x+2=0 en calculant le discriminant :
5
Δ=32−4(2)(2)=9−16=−7
6
Comme Δ<0, le trinôme n'admet aucune racine réelle. L'unique solution de l'équation est S={−1}.
Vérification · 22
Soit le polynôme symétrique P(x)=3x3+7x2+7x+3. Quelle est l'expression de son quotient par (x+1) ?
Remarque
Pour f(x)=ax3+bx2+bx+a, le quotient par (x+1) s'écrit ax2+(b−a)x+a. Avec a=3 et b=7, on a b−a=7−3=4, d'où 3x2+4x+3.
Définition · 23
Équations bicarrées et changement de variable
Une équation de degré 4 de la forme ax4+bx2+c=0 (avec a=0) est appelée équation bicarrée.
X=x2⟹aX2+bX+c=0
On résout d'abord l'équation du second degré en X, sous la contrainte obligatoire :
X≥0
Remarque
Une valeur X<0 ne donne aucune solution réelle pour x, car un carré est toujours positif ou nul sur R.
Piège classique · 24
En posant X=x2, on trouve que les solutions en X d'une équation sont X1=4 et X2=−9. Quel est l'ensemble des solutions réelles en x ?
Attention
Conserver la valeur X=−9 et écrire x=±3, ou accepter des racines impossibles dans R.
À la place : L'égalité x2=−9 est impossible dans R. Seule la racine positive X1=4 donne des solutions réelles : x2=4⟺x=−2 ou x=2.
Exemple travaillé · 25
Soit g(x)=3x4−x2−2. Factorise g(x) puis résous dans R l'inéquation g(x)≤0.
1
On pose X=x2. L'expression devient le trinôme f(X)=3X2−X−2.
2
La somme des coefficients de 3X2−X−2 est nulle (3−1−2=0), ses racines sont donc X1=1 et X2=−32.
3
f(X)=3(X−1)(X+32)=(X−1)(3X+2)
4
On revient à la variable x en remplaçant X par x2 :
5
g(x)=(x2−1)(3x2+2)=(x−1)(x+1)(3x2+2)
6
Pour tout réel x, 3x2+2≥2>0. Ce facteur est strictement positif, donc le signe de g(x) est uniquement celui de (x−1)(x+1) :
7
g(x)≤0⟺(x−1)(x+1)≤0⟺x∈[−1;1]
Vérification · 26
Soit l'équation x4+5x2+4=0. En posant X=x2, l'équation X2+5X+4=0 admet pour racines X1=−1 et X2=−4. Combien l'équation initiale admet-elle de solutions réelles en x ?
Remarque
Puisque X1<0 et X2<0, les équations x2=−1 et x2=−4 n'admettent aucune solution dans R. L'équation n'a donc aucune solution réelle (S=∅).
Définition · 27
Fonction rationnelle et ensemble de définition
Soient f et g deux fonctions polynômes avec g non nulle.
h(x)=g(x)f(x)
La fonction h est appelée fonction rationnelle. Son ensemble de définition est l'ensemble des réels x tels que le dénominateur est non nul :
Dh={x∈R∣g(x)=0}
Remarque
Les réels qui annulent le dénominateur g(x) sont appelés les valeurs interdites de la fonction rationnelle.
Piège classique · 28
Soit f(x)=(x−1)(x+2)(x−1)(x+6), définie sur R∖{−2;1}. Pour x∈Df, on simplifie par (x−1) : f(x)=x+2x+6. Dans le tableau de signes de f(x), que met-on sous la valeur x=1 ?
Attention
Traiter x=1 comme un point ordinaire sans coupure car le facteur (x−1) n'apparaît plus dans l'écriture simplifiée.
À la place : La valeur x=1 annule le dénominateur de départ : elle reste une valeur interdite pour f, marquée par une double barre « ‖ ».
Piège classique · 29
On étudie le signe de Q(x)=x2+x+1. Son discriminant est Δ=−3<0. Que doit-on inscrire sur la ligne de Q(x) dans un tableau de signes ?
Attention
Chercher à alterner des signes « - » et « + » ou déclarer l'étude impossible faute de zéros.
À la place : Comme Δ<0, le trinôme ne s'annule jamais. Il garde un signe constant sur tout R, celui de son coefficient dominant a=1, donc uniquement des « + ».
Exemple travaillé · 30
Soit la fonction rationnelle h(x)=x2+x−2x2+5x−6. 1. Détermine l'ensemble de définition Dh. 2. Simplifie h(x) sur Dh. 3. Étudie le signe de h(x) sur Dh.
1
1. Le dénominateur x2+x−2 a pour racines 1 et −2. L'ensemble de définition est :
2
Dh=R∖{−2;1}
3
2. Le numérateur x2+5x−6 a pour racines 1 et −6. On factorise :
4
h(x)=(x−1)(x+2)(x−1)(x+6)
5
Pour tout x∈Dh (où x=1), on simplifie par (x−1) :
6
h(x)=x+2x+6
7
3. On dresse le tableau de signes en signalant les valeurs interdites −2 et 1 :
x
−∞
-6
-2
1
+∞
x+6
-
0
+
+
+
x+2
-
-
0
+
+
h(x)
+
0
‖
‖
+
8
Conclusion : h(x)>0 sur ]−∞;−6[∪]−2;1[∪]1;+∞[, h(x)<0 sur ]−6;−2[, et h(x)=0 pour x=−6.
Vérification · 31
Soit f(x)=(x−1)(x2+1)x−3 définie sur R∖{1}. Quel est l'ensemble des solutions de l'inéquation f(x)≥0 ?
Remarque
Pour tout réel x, x2+1>0 (car Δ=−4<0). Le signe de f(x) dépend uniquement de (x−3) et (x−1), avec x=1 valeur interdite. Le quotient est positif à l'extérieur des racines 1 et 3, soit S=]−∞;1[∪[3;+∞[.