Structure d'espace vectoriel de K[X]

Addition

DéfinitionAddition de deux polynômes

Soit \(P\) et \(Q\) deux polynômes à coefficients dans \(K\). Quitte à introduire des coefficients, il existe un entier \(n\) tel que :

\(P(X)=a_nX^n+a_{n-1}X^{n-1}+\ldots+a_1X+a_0\)

\(Q(X)=b_nX^n+b_{n-1}X^{n-1}+\ldots+b_1X+a_0\)

Alors \(P+Q\) est le polynôme \(c_nX^n+\ldots+c_1X+c_0\) avec

\(\forall k\), \(0\leq k\leq n\), \(c_k=a_k+b_k\)

Remarque

cette définition est tout à fait naturelle et conforme à l'intuition, mais elle nécessite ensuite une analyse des degrés.

Il est clair, compte tenu de cette définition, que toutes les propriétés de l'addition

dans \(K[X]\) se déduisent immédiatement des propriétés de l'addition dans \(K\).

On obtient alors le théorème suivant :

Propriétéde l'addition des polynômes

Tous les polynômes considérés dans ces formules sont des éléments de \(K[X]\). Alors l'addition des polynômes :

  • est associative, c'est-à-dire que pour tous polynômes \(P\), \(Q\), et \(R\) on a : \((P+Q)+R=P+(Q+R)\)

  • est commutative, c'est-à-dire que pour tous polynômes \(P\) et \(Q\) on a :

    \(P+Q=Q+P\)

  • admet un élément neutre, c'est à dire qu'il existe un polynôme \(P_0\) tel que pour tout polynôme \(P\), on ait : \(P_0+P=P+P_0=P\)

    C'est le polynôme nul, noté 0.

  • est telle que tout élément a un symétrique, c'est à dire que pour tout polynôme \(P\) il existe un polynôme \(P'\) tel que :

    \(P+P'=P'+P=0\)

    Si \(P(X)=a_nX^n+a_{n-1}X^{n-1}+\ldots+a_1X+a_0\),

    le symétrique de \(P\) est le polynôme \(-a_nX^n-a_{n-1}X^{n-1}-\ldots-a_1X-a_0\).

    On le note \(-P\).

    Ces propriétés permettent de dire que l'ensemble des polynômes muni de la loi + est un groupe commutatif.

Degré de la somme de polynômes

De la définition de la somme de deux polynômes, on déduit immédiatement la propriété suivante :

Propositiondegré de la somme de polynômes

Soient \(P\) et \(Q\) deux éléments non nuls de \(K[X]\).

  • Si \(degP\neq deg Q\), alors le polynôme \(P+Q\) est non nul et \(deg(P+Q)=max(deg(P),deg(Q))\)

  • Si \(degP=degQ\) \(et si\) le polynôme \(P+Q\) est non nul, alors \(deg(P+Q)\leq deg(P)\)

Exemple

  1. Soit \(P(X)=X^2+X+1\) et \(Q(X)=X^3-3\), polynômes de \(R[X]\).

    Alors \((P+Q)(X)=X^3+X^2+X-2\). C'est un polynôme de degré égal à 3 qui est bien le plus grand des deux degrés à savoir 2 et 3.

  2. Soit \(P(X)=X^2+X+1\) et \(Q(X)=-X^2+2X-3\), polynômes de \(R[X]\).

    Alors \((P+Q)(X)=3X-2\). C'est un polynôme non nul de degré égal à 1. Ce degré est strictement inférieur à 2. Ce phénomène se produit lorsque la somme fait intervenir deux polynômes de même degré dont les termes dominants s'éliminent.

  3. Soit \(P(X)=X^2+X+1\)et \(Q(X)=X^2+2X-3\), polynômes de \(R[X]\).

    Alors \((P+Q)(X)=2X^2+3X-2\). C'est un polynôme non nul de degré égal à 2, qui est le degré de \(P\) et de \(Q\).

  4. Soit \(P(X)=X^2+X+1\) et \(Q(X)=-X^2-X-1\), polynômes de \(R[X]\).

    Alors \((P+Q)=X^2+X+1\)et l'on ne peut pas parler du degré de \(P+Q\).

Produit par un scalaire

Définitionproduit d'un polynôme par un scalaire

Soient \(P(X)=a_nX^n+a_{n-1}X^{n-1}+\ldots+a_1X+a_0\) un polynôme à coefficients dans \(K\).

Soit \(\alpha\) un élément quelconque de \(K\).

Alors \(\alpha P\) est le polynôme \(c_nX^n+\ldots+c_1X+c_0\) avec \(\forall k\), \(0\leq k\leq n\), \(c_k=\alpha a_k\)

Remarque

Là, aussi, cette définition est tout à fait naturelle et conforme à l'intuition. Si \(\alpha\) et \(P\) sont non nuls, \(\alpha P\)et \(P\) ont le même degré.

Il est clair, compte tenu de cette définition, que toutes les propriétés du produit d'un élément de \(K[X]\) par un scalaire de \(K\) se déduisent immédiatement des propriétés du produit de \(K\). On obtient alors le théorème suivant :

Propriétédu produit d'un polynôme par un scalaire

Tous les polynômes considérés dans ces formules sont des éléments de et les scalaires des éléments de K. Alors on a les propriétés suivantes :

  • pour tous polynômes \(P\), \(Q\), et tout scalaire , on a : \(\alpha(P+Q)=\alpha P+\alpha Q\)

  • pour tout polynôme \(P\) et tous scalaires \(\alpha\) et \(\beta\), on a : \((\alpha+\beta)P=\alpha P+\beta P\)

  • pour tout polynôme \(P\) et tous scalaires \(\alpha\) et \(\beta\), on a : \((\alpha\beta)P=\alpha(\beta P)\)

  • pour tout polynôme \(P\) : \(1P=P\)

où 1 est l'unité de \(K\).

L'ensemble des propriétés de l'addition et du produit par un scalaire permet d'énoncer le théorème de structure suivant :

ThéorèmeStructure d'espace vectoriel de K[X]

L'ensemble \(K[X]\), muni de l'addition et du produit par un scalaire définis dans les propositions précédentes, est un espace vectoriel sur \(K\).