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Notions de polynômes — cours

2ème année · section Informatique · mathématiques, programme officiel tunisien.

Le cours

Point de départ · 1

Parmi les expressions suivantes, laquelle définit une fonction polynôme ?

Remarque

Une fonction polynôme est formée uniquement d'une somme de termes de la forme akxka_k x^k, où les puissances kk 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,,ana_0, a_1, \dots, a_n des réels avec an0a_n \neq 0.

P(x)=anxn+an1xn1++a1x+a0P(x) = a_n x^n + a_{n-1} x^{n-1} + \dots + a_1 x + a_0

La fonction PP est appelée fonction polynôme. L'entier naturel nn est le degré du polynôme PP, noté d(P)=nd^\circ(P) = n.

Vocabulaire

  • Monômeakxka_k x^k
  • Terme constanta0a_0
  • Terme de plus haut degréanxna_n x^n

Remarque

Le polynôme nul n'a pas de degré. Un polynôme constant non nul est de degré 00.

Exemple travaillé · 3

Soit P(x)=2x+x3+x5+x7P(x) = 2 - x + x^3 + x^5 + x^7. Détermine le degré de PP, son terme constant et son coefficient dominant.

1

On ordonne le polynôme selon les puissances décroissantes de xx :

2
P(x)=x7+x5+x3x+2P(x) = x^7 + x^5 + x^3 - x + 2
3

La plus haute puissance de xx dont le coefficient est non nul est 77, donc :

4
d(P)=7d^\circ(P) = 7
5

Le terme de plus haut degré est x7x^7 (coefficient dominant 11) et le terme constant est 22.

Vérification · 4

Soit le polynôme P(x)=3x3+25x2+1P(x) = -3x^3 + 2\sqrt{5}x^2 + 1. Complète les informations suivantes :

Remarque

Le terme de plus haut degré est 3x3-3x^3, donc le degré est 33. Le terme constant est la valeur sans variable, soit 11.

Définition · 5

Opérations sur les polynômes et calcul de degré

Soient PP et QQ deux fonctions polynômes non nulles, α\alpha un réel non nul et nNn \in \mathbb{N}.

d(P×Q)=d(P)+d(Q)d^\circ(P \times Q) = d^\circ(P) + d^\circ(Q)

d(Pn)=n×d(P)etd(αP)=d(P)d^\circ(P^n) = n \times d^\circ(P) \quad \text{et} \quad d^\circ(\alpha P) = d^\circ(P)

d(P+Q)max(d(P),d(Q))d^\circ(P + Q) \le \max(d^\circ(P), d^\circ(Q))

Remarque

Le degré de la somme P+QP+Q peut être strictement inférieur au maximum si les termes dominants s'annulent.

Piège classique · 6

On donne P(x)=x3+2xP(x) = x^3 + 2x et Q(x)=x3+4x2+1Q(x) = -x^3 + 4x^2 + 1. Quel est le degré du polynôme (P+Q)(P+Q) ?

Attention

Affirmer que d(P+Q)=3d^\circ(P+Q) = 3 en appliquant mécaniquement le maximum des degrés.

À la place : Les termes de plus haut degré s'annulent : x3+(x3)=0x^3 + (-x^3) = 0. On a (P+Q)(x)=4x2+2x+1(P+Q)(x) = 4x^2 + 2x + 1, donc d(P+Q)=2d^\circ(P+Q) = 2.

Exemple travaillé · 7

Soient P(x)=3x2xP(x) = 3x^2 - x et Q(x)=2x34x+1Q(x) = 2x^3 - 4x + 1.
1. Détermine le degré de (PQ)(PQ) sans développer.
2. Développe et réduis le produit (PQ)(x)(PQ)(x).

1

1. Le degré d'un produit est la somme des degrés :

2
d(PQ)=d(P)+d(Q)=2+3=5d^\circ(PQ) = d^\circ(P) + d^\circ(Q) = 2 + 3 = 5
3

2. On applique la distributivité de chaque monôme de PP sur QQ :

4
(PQ)(x)=3x2(2x34x+1)x(2x34x+1)(PQ)(x) = 3x^2(2x^3 - 4x + 1) - x(2x^3 - 4x + 1)
5
(PQ)(x)=(6x512x3+3x2)(2x44x2+x)(PQ)(x) = (6x^5 - 12x^3 + 3x^2) - (2x^4 - 4x^2 + x)
6

On regroupe et on ordonne par puissances décroissantes :

7
(PQ)(x)=6x52x412x3+7x2x(PQ)(x) = 6x^5 - 2x^4 - 12x^3 + 7x^2 - x

Vérification · 8

Soit A(x)=(x2+1)3(2x45x+1)A(x) = (x^2 + 1)^3 (2x^4 - 5x + 1). Quel est le degré du polynôme AA ?

Remarque

Le facteur (x2+1)3(x^2+1)^3 est de degré 2×3=62 \times 3 = 6. Le second facteur est de degré 44. Le degré du produit est donc 6+4=106 + 4 = 10.

Définition · 9

Égalité de deux polynômes et identification

Soient PP et QQ deux fonctions polynômes définies sur R\mathbb{R}.

P(x)=Q(x)pour tout xR    d(P)=d(Q) et les coefficients de meˆme degreˊ sont eˊgauxP(x) = Q(x) \quad \text{pour tout } x \in \mathbb{R} \iff d^\circ(P) = d^\circ(Q) \text{ et les coefficients de même degré sont égaux}

En particulier, un polynôme est nul sur R\mathbb{R} si et seulement si tous ses coefficients sont nuls :

anxn++a1x+a0=0pour tout xR    an=an1==a0=0a_n x^n + \dots + a_1 x + a_0 = 0 \quad \text{pour tout } x \in \mathbb{R} \iff a_n = a_{n-1} = \dots = a_0 = 0

Exemple travaillé · 10

Soient P(x)=ax2+bx+cP(x) = ax^2 + bx + c et Q(x)=2x210x+11Q(x) = 2x^2 - 10x + 11. Détermine les réels a,ba, b et cc pour que P(x)=Q(x)P(x) = Q(x) pour tout réel xx.

1

Les deux polynômes sont déjà ordonnés par puissances décroissantes et sont de degré 22.

2

Par identification des coefficients des termes de même degré :

3
{a=2b=10c=11\begin{cases} a = 2 \\ b = -10 \\ c = 11 \end{cases}
4

Les réels cherchés sont donc a=2a = 2, b=10b = -10 et c=11c = 11.

Piège classique · 11

On pose A(x)=ax3+bx2+cx+dA(x) = ax^3 + bx^2 + cx + d et B(x)=4x35x+1B(x) = 4x^3 - 5x + 1. Pour que A(x)=B(x)A(x) = B(x) sur R\mathbb{R}, quelle est la valeur de bb ?

Attention

Associer bb à 5-5 en alignant visuellement le deuxième terme écrit sans vérifier son degré.

À la place : Le terme en x2x^2 est absent dans B(x)B(x), son coefficient est donc 00. En écrivant B(x)=4x3+0x25x+1B(x) = 4x^3 + 0x^2 - 5x + 1, on obtient b=0b = 0 et c=5c = -5.

Vérification · 12

Soient P(x)=(a1)x2+(b+3)P(x) = (a-1)x^2 + (b+3) et Q(x)=3x22Q(x) = 3x^2 - 2. Trouve aa et bb pour que P(x)=Q(x)P(x) = Q(x) pour tout réel xx.

Remarque

Par identification terme à terme : a1=3    a=4a - 1 = 3 \implies a = 4 et b+3=2    b=5b + 3 = -2 \implies b = -5.

Définition · 13

Racine d'un polynôme et divisibilité par (x-α)

Soit PP une fonction polynôme de degré n1n \ge 1 et α\alpha un nombre réel.

P(α)=0    P(x)=(xα)Q(x)P(\alpha) = 0 \iff P(x) = (x-\alpha)Q(x)

QQ est un polynôme de degré n1n-1.

Vocabulaire

  • Racine (ou zéro)P(α)=0P(\alpha) = 0
  • Factorisable par(xα)(x-\alpha)

Piège classique · 14

Pour vérifier si un polynôme P(x)P(x) est factorisable par (x+3)(x+3), quelle valeur calcule-t-on ?

Attention

Calculer P(3)P(3) en gardant le signe « + » présent dans le binôme (x+3)(x+3).

À la place : Calculer P(3)P(-3). Le binôme (x+3)(x+3) s'annule pour x=3x=-3, car (x+3)=(x(3))(x+3) = (x-(-3)).

Définition · 15

Nombre maximal de racines et factorisation complète

Un polynoˆme de degreˊ n1 admet au plus n racines reˊelles.\text{Un polynôme de degré } n \ge 1 \text{ admet au plus } n \text{ racines réelles.}

Si PP admet nn racines réelles distinctes α1,α2,,αn\alpha_1, \alpha_2, \dots, \alpha_n, sa factorisation complète s'écrit :

P(x)=an(xα1)(xα2)(xαn)P(x) = a_n(x-\alpha_1)(x-\alpha_2)\dots(x-\alpha_n)

Remarque

Le réel ana_n est le coefficient du terme de plus haut degré de PP.

Exemple travaillé · 16

Soit P(x)=x3+3x24x12P(x) = x^3 + 3x^2 - 4x - 12.
1. Vérifie que 22 est une racine de PP.
2. Détermine le polynôme QQ tel que P(x)=(x2)Q(x)P(x) = (x-2)Q(x).

1

1. On évalue P(2)P(2) :

2
P(2)=23+3(2)24(2)12=8+12812=0P(2) = 2^3 + 3(2)^2 - 4(2) - 12 = 8 + 12 - 8 - 12 = 0
3

P(2)=0P(2) = 0, donc 22 est bien une racine de PP.

4

2. Comme d(P)=3d^\circ(P)=3, le quotient QQ est de degré 22 : Q(x)=ax2+bx+cQ(x) = ax^2 + bx + c.

5
(x2)(ax2+bx+c)=ax3+(b2a)x2+(c2b)x2c(x-2)(ax^2 + bx + c) = ax^3 + (b-2a)x^2 + (c-2b)x - 2c
6

Par identification avec x3+3x24x12x^3 + 3x^2 - 4x - 12 :

7
{a=1b2(1)=3    b=52c=12    c=6\begin{cases} a = 1 \\ b - 2(1) = 3 \implies b = 5 \\ -2c = -12 \implies c = 6 \end{cases}
8

On obtient Q(x)=x2+5x+6Q(x) = x^2 + 5x + 6, soit P(x)=(x2)(x2+5x+6)P(x) = (x-2)(x^2 + 5x + 6).

Vérification · 17

Soit P(x)=2x33x28x3P(x) = 2x^3 - 3x^2 - 8x - 3. Sachant que P(1)=0P(-1) = 0, par quel binôme P(x)P(x) est-il factorisable ?

Remarque

Puisque 1-1 est racine, P(x)P(x) est divisible par (x(1))(x - (-1)), c'est-à-dire (x+1)(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.\text{Si la somme des coefficients de } P(x) \text{ est nulle, alors } 1 \text{ est racine de } P.

Si P(1)=0, alors 1 est racine de P.\text{Si } P(-1) = 0, \text{ alors } -1 \text{ est racine de } P.

Remarque

Les racines entières simples se cherchent en priorité parmi les diviseurs du terme constant (±1,±2,±3,\pm 1, \pm 2, \pm 3, \dots).

Exemple travaillé · 19

Soit P(x)=3x32x27x2P(x) = 3x^3 - 2x^2 - 7x - 2. Détermine une racine évidente de PP, puis factorise complètement P(x)P(x).

1

On teste 1-1 parmi les diviseurs du terme constant 2-2 :

2
P(1)=3(1)32(1)27(1)2=32+72=0P(-1) = 3(-1)^3 - 2(-1)^2 - 7(-1) - 2 = -3 - 2 + 7 - 2 = 0
3

1-1 est une racine, donc P(x)P(x) est factorisable par (x+1)(x+1) : P(x)=(x+1)(ax2+bx+c)P(x) = (x+1)(ax^2+bx+c).

4

Par identification, on trouve a=3a=3, c=2c=-2 et b=5b=-5 :

5
P(x)=(x+1)(3x25x2)P(x) = (x+1)(3x^2 - 5x - 2)
6

On factorise le trinôme 3x25x23x^2 - 5x - 2 : son discriminant est Δ=(5)24(3)(2)=49=72\Delta = (-5)^2 - 4(3)(-2) = 49 = 7^2. Ses racines sont 22 et 13-\frac{1}{3}.

7
P(x)=(x+1)(x2)(3x+1)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+af(x) = ax^3 + bx^2 + bx + a (avec a0a \neq 0) est appelé polynôme symétrique de degré 33.

f(1)=a+bb+a=0    1 est toujours racine de ff(-1) = -a + b - b + a = 0 \implies -1 \text{ est toujours racine de } f

Le polynôme se factorise immédiatement sous la forme canonique :

f(x)=(x+1)(ax2+(ba)x+a)f(x) = (x+1)(ax^2 + (b-a)x + a)

Remarque

Le discriminant du trinôme quotient est Δ=(ba)24a2=(b3a)(b+a)\Delta = (b-a)^2 - 4a^2 = (b-3a)(b+a).

Exemple travaillé · 21

Soit f(x)=2x3+5x2+5x+2f(x) = 2x^3 + 5x^2 + 5x + 2. Factorise f(x)f(x) et résous dans R\mathbb{R} l'équation f(x)=0f(x) = 0.

1

ff est un polynôme symétrique avec a=2a=2 et b=5b=5. La valeur 1-1 est racine évidente.

2

On applique la factorisation canonique avec le coefficient central ba=52=3b-a = 5 - 2 = 3 :

3
f(x)=(x+1)(2x2+3x+2)f(x) = (x+1)(2x^2 + 3x + 2)
4

On résout 2x2+3x+2=02x^2 + 3x + 2 = 0 en calculant le discriminant :

5
Δ=324(2)(2)=916=7\Delta = 3^2 - 4(2)(2) = 9 - 16 = -7
6

Comme Δ<0\Delta < 0, le trinôme n'admet aucune racine réelle. L'unique solution de l'équation est S={1}S = \{-1\}.

Vérification · 22

Soit le polynôme symétrique P(x)=3x3+7x2+7x+3P(x) = 3x^3 + 7x^2 + 7x + 3. Quelle est l'expression de son quotient par (x+1)(x+1) ?

Remarque

Pour f(x)=ax3+bx2+bx+af(x) = ax^3 + bx^2 + bx + a, le quotient par (x+1)(x+1) s'écrit ax2+(ba)x+aax^2 + (b-a)x + a. Avec a=3a=3 et b=7b=7, on a ba=73=4b-a = 7 - 3 = 4, d'où 3x2+4x+33x^2 + 4x + 3.

Définition · 23

Équations bicarrées et changement de variable

Une équation de degré 4 de la forme ax4+bx2+c=0ax^4 + bx^2 + c = 0 (avec a0a \neq 0) est appelée équation bicarrée.

X=x2    aX2+bX+c=0X = x^2 \implies aX^2 + bX + c = 0

On résout d'abord l'équation du second degré en XX, sous la contrainte obligatoire :

X0X \ge 0

Remarque

Une valeur X<0X < 0 ne donne aucune solution réelle pour xx, car un carré est toujours positif ou nul sur R\mathbb{R}.

Piège classique · 24

En posant X=x2X = x^2, on trouve que les solutions en XX d'une équation sont X1=4X_1 = 4 et X2=9X_2 = -9. Quel est l'ensemble des solutions réelles en xx ?

Attention

Conserver la valeur X=9X = -9 et écrire x=±3x = \pm 3, ou accepter des racines impossibles dans R\mathbb{R}.

À la place : L'égalité x2=9x^2 = -9 est impossible dans R\mathbb{R}. Seule la racine positive X1=4X_1 = 4 donne des solutions réelles : x2=4    x=2x^2 = 4 \iff x = -2 ou x=2x = 2.

Exemple travaillé · 25

Soit g(x)=3x4x22g(x) = 3x^4 - x^2 - 2. Factorise g(x)g(x) puis résous dans R\mathbb{R} l'inéquation g(x)0g(x) \le 0.

1

On pose X=x2X = x^2. L'expression devient le trinôme f(X)=3X2X2f(X) = 3X^2 - X - 2.

2

La somme des coefficients de 3X2X23X^2 - X - 2 est nulle (312=03 - 1 - 2 = 0), ses racines sont donc X1=1X_1 = 1 et X2=23X_2 = -\frac{2}{3}.

3
f(X)=3(X1)(X+23)=(X1)(3X+2)f(X) = 3(X - 1)\left(X + \frac{2}{3}\right) = (X - 1)(3X + 2)
4

On revient à la variable xx en remplaçant XX par x2x^2 :

5
g(x)=(x21)(3x2+2)=(x1)(x+1)(3x2+2)g(x) = (x^2 - 1)(3x^2 + 2) = (x - 1)(x + 1)(3x^2 + 2)
6

Pour tout réel xx, 3x2+22>03x^2 + 2 \ge 2 > 0. Ce facteur est strictement positif, donc le signe de g(x)g(x) est uniquement celui de (x1)(x+1)(x-1)(x+1) :

7
g(x)0    (x1)(x+1)0    x[1;1]g(x) \le 0 \iff (x-1)(x+1) \le 0 \iff x \in [-1 \, ; \, 1]

Vérification · 26

Soit l'équation x4+5x2+4=0x^4 + 5x^2 + 4 = 0. En posant X=x2X = x^2, l'équation X2+5X+4=0X^2 + 5X + 4 = 0 admet pour racines X1=1X_1 = -1 et X2=4X_2 = -4. Combien l'équation initiale admet-elle de solutions réelles en xx ?

Remarque

Puisque X1<0X_1 < 0 et X2<0X_2 < 0, les équations x2=1x^2 = -1 et x2=4x^2 = -4 n'admettent aucune solution dans R\mathbb{R}. L'équation n'a donc aucune solution réelle (S=S = \emptyset).

Définition · 27

Fonction rationnelle et ensemble de définition

Soient ff et gg deux fonctions polynômes avec gg non nulle.

h(x)=f(x)g(x)h(x) = \frac{f(x)}{g(x)}

La fonction hh est appelée fonction rationnelle. Son ensemble de définition est l'ensemble des réels xx tels que le dénominateur est non nul :

Dh={xRg(x)0}D_h = \{x \in \mathbb{R} \mid g(x) \neq 0\}

Remarque

Les réels qui annulent le dénominateur g(x)g(x) sont appelés les valeurs interdites de la fonction rationnelle.

Piège classique · 28

Soit f(x)=(x1)(x+6)(x1)(x+2)f(x) = \frac{(x-1)(x+6)}{(x-1)(x+2)}, définie sur R{2;1}\mathbb{R} \setminus \{-2 \, ; \, 1\}. Pour xDfx \in D_f, on simplifie par (x1)(x-1) : f(x)=x+6x+2f(x) = \frac{x+6}{x+2}. Dans le tableau de signes de f(x)f(x), que met-on sous la valeur x=1x=1 ?

Attention

Traiter x=1x=1 comme un point ordinaire sans coupure car le facteur (x1)(x-1) n'apparaît plus dans l'écriture simplifiée.

À la place : La valeur x=1x=1 annule le dénominateur de départ : elle reste une valeur interdite pour ff, marquée par une double barre « ‖ ».

Piège classique · 29

On étudie le signe de Q(x)=x2+x+1Q(x) = x^2 + x + 1. Son discriminant est Δ=3<0\Delta = -3 < 0. Que doit-on inscrire sur la ligne de Q(x)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\Delta < 0, le trinôme ne s'annule jamais. Il garde un signe constant sur tout R\mathbb{R}, celui de son coefficient dominant a=1a=1, donc uniquement des « + ».

Exemple travaillé · 30

Soit la fonction rationnelle h(x)=x2+5x6x2+x2h(x) = \frac{x^2+5x-6}{x^2+x-2}.
1. Détermine l'ensemble de définition DhD_h.
2. Simplifie h(x)h(x) sur DhD_h.
3. Étudie le signe de h(x)h(x) sur DhD_h.

1

1. Le dénominateur x2+x2x^2+x-2 a pour racines 11 et 2-2. L'ensemble de définition est :

2
Dh=R{2;1}D_h = \mathbb{R} \setminus \{-2 \, ; \, 1\}
3

2. Le numérateur x2+5x6x^2+5x-6 a pour racines 11 et 6-6. On factorise :

4
h(x)=(x1)(x+6)(x1)(x+2)h(x) = \frac{(x-1)(x+6)}{(x-1)(x+2)}
5

Pour tout xDhx \in D_h (où x1x \neq 1), on simplifie par (x1)(x-1) :

6
h(x)=x+6x+2h(x) = \frac{x+6}{x+2}
7

3. On dresse le tableau de signes en signalant les valeurs interdites 2-2 et 11 :

x-\infty-6-21++\infty
x+6-0+++
x+2--0++
h(x)+0+
8

Conclusion : h(x)>0h(x) > 0 sur ];6[]2;1[]1;+[]-\infty \, ; \, -6[ \cup ]-2 \, ; \, 1[ \cup ]1 \, ; \, +\infty[, h(x)<0h(x) < 0 sur ]6;2[]-6 \, ; \, -2[, et h(x)=0h(x) = 0 pour x=6x = -6.

Vérification · 31

Soit f(x)=x3(x1)(x2+1)f(x) = \frac{x-3}{(x-1)(x^2+1)} définie sur R{1}\mathbb{R} \setminus \{1\}. Quel est l'ensemble des solutions de l'inéquation f(x)0f(x) \ge 0 ?

Remarque

Pour tout réel xx, x2+1>0x^2+1 > 0 (car Δ=4<0\Delta = -4 < 0). Le signe de f(x)f(x) dépend uniquement de (x3)(x-3) et (x1)(x-1), avec x=1x=1 valeur interdite. Le quotient est positif à l'extérieur des racines 11 et 33, soit S=];1[[3;+[S = ]-\infty \, ; \, 1[ \cup [3 \, ; \, +\infty[.

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