Factorisation d'un polynôme de degré 4

Partie

Question

Soit le polynôme à coefficients réels \(P(X)=2X^4-7X^3+9X^2-7X+2\).

1. Montrer que si \(\alpha\) est une racine complexe de \(P\), \(\alpha\) n'est pas nul et \(\frac1\alpha\) est aussi une racine de \(P\).

Aide simple

Rappel du théorème : Relations entre coefficients et racines

Si \(P(X)=aX^4+bX^3+cX^2+dX+e\), \(a\neq 0\), \(\sigma_1=-\frac ba\), \(\sigma_2=\frac ca\).

Aide à la lecture

Les deux premières fonctions symétriques élémentaires des racines sont

\(\sigma_1=\lambda_1+\lambda_2+\lambda_3+\lambda_4\),

\(\sigma_2=\lambda_1\lambda_2+\lambda_1\lambda_3+\lambda_1\lambda_4+\lambda_2\lambda_3+\lambda_2\lambda_4+\lambda_3\lambda_4\)

Aide méthodologique

En introduisant les nombres \(u\) et \(v\), on remplace la recherche des racines du polynôme \(P\), de degré 4, par la recherche des racines de deux polynômes de degré 2.

Solution détaillée

Comme tout polynôme non constant de \(C[X]\), le polynôme \(P\) a au moins une racine dans \(C\).

Il est immédiat que 0 n'est pas racine de \(P\), donc si \(\alpha\) est une racine complexe de \(P\), \(\alpha\neq 0\) et \(P(\alpha)=0\).

Donc \(\alpha\) est inversible dans \(C\) et \(2\alpha^4-7\alpha^3+9\alpha^2-7\alpha+2=0\).

D'où, en divisant par \(\alpha^4\), \(2-7\frac {1}{\alpha}+9\frac {1}{\alpha^2}-7\frac {1}{\alpha^3}+2\frac{1}{\alpha^4}=0\), ce qui peut s'écrire \(P\left(\frac 1\alpha\right)=0\).

Ainsi le nombre complexe \(\frac 1\alpha\) est racine de \(P\).

Question

2. On note \(\lambda_1=\alpha\), \(\lambda_2=\frac1\alpha\), \(\lambda_3=\beta\), \(\lambda_4=\frac1\beta\) les racines complexes de \(P\).

On définit les nombres \(u\) et \(v\) par \(u=\alpha+\frac1\alpha\), \(v=\beta+\frac1\beta\).

a. Exprimer les fonctions symétriques élémentaires \(\sigma_1\) et \(\sigma_2\) à l'aide de \(u\) et \(v\).

Aide simple

Rappel du théorème : Relations entre coefficients et racines

Si \(P(X)=aX^4+bX^3+cX^2+dX+e\), \(a\neq 0\), \(\sigma_1=-\frac ba\), \(\sigma_2=\frac ca\).

Aide à la lecture

Les deux premières fonctions symétriques élémentaires des racines sont

\(\sigma_1=\lambda_1+\lambda_2+\lambda_3+\lambda_4\),

\(\sigma_2=\lambda_1\lambda_2+\lambda_1\lambda_3+\lambda_1\lambda_4+\lambda_2\lambda_3+\lambda_2\lambda_4+\lambda_3\lambda_4\)

Aide méthodologique

En introduisant les nombres \(u\) et \(v\), on remplace la recherche des racines du polynôme \(P\), de degré 4, par la recherche des racines de deux polynômes de degré 2.

Solution détaillée

Calcul de \(\sigma_1\)

\(\sigma_1=\lambda_1+\lambda_2+\lambda_3+\lambda_4\) donc \(\sigma_1=u+v\).

Calcul de \(\sigma_2\)

\(\sigma_2=\lambda_1\lambda_2+\lambda_1\lambda_3+\lambda_1\lambda_4+\lambda_2\lambda_3+\lambda_2\lambda_4+\lambda_3\lambda_4\)

donc \(\sigma_2=1+\alpha\beta+\frac\alpha\beta+\frac\beta\alpha+\frac{1}{\alpha\beta}+1\) et \(\sigma_2=2+uv\).

Question

b. En déduire l'ensemble \(\{u,v\}\).

Aide simple

Rappel du théorème : Relations entre coefficients et racines

Si \(P(X)=aX^4+bX^3+cX^2+dX+e\), \(a\neq 0\), \(\sigma_1=-\frac ba\), \(\sigma_2=\frac ca\).

Aide à la lecture

Les deux premières fonctions symétriques élémentaires des racines sont

\(\sigma_1=\lambda_1+\lambda_2+\lambda_3+\lambda_4\),

\(\sigma_2=\lambda_1\lambda_2+\lambda_1\lambda_3+\lambda_1\lambda_4+\lambda_2\lambda_3+\lambda_2\lambda_4+\lambda_3\lambda_4\)

Aide méthodologique

En introduisant les nombres \(u\) et \(v\), on remplace la recherche des racines du polynôme \(P\), de degré 4, par la recherche des racines de deux polynômes de degré 2.

Solution détaillée

En appliquant le théorème : Relations entre coefficients et racines, on obtient \(\sigma_1=\frac72\) et \(\sigma_2=\frac92\).

En utilisant les résultats du a. les nombres \(u\) et \(v\) vérifient le système \(\left\{\begin{array}{c}u+v=\frac72\\uv=\frac52\end{array}\right.\).

Ces nombres sont les racines du polynôme

\(Q(X)=(X-u)(X-v)=X^2-(u+v)X+uv=X^2-\frac72X+\frac52\)

Or \(Q(X)=\left(X-\frac74\right)^2-\frac{49}{16}+\frac52=\left(X-\frac74\right)^2-\frac{9}{16}=\left(X-\frac74+\frac34\right)\left(X-\frac74-\frac34\right)\).

D'où \(Q(X)=(X-1)\left(X-\frac52\right)\).

Les racines de \(Q\) sont 1 et \(\frac52\). D'où \(\{u,v\}=\left\{1,\frac52\right\}\).

Remarque : on aurait pu observer que 1 est racine de \(Q\) et en déduire l'autre racine de \(Q\).

Question

3. Calculer les racines de \(P\) dans \(C\).

Aide simple

Rappel du théorème : Relations entre coefficients et racines

Si \(P(X)=aX^4+bX^3+cX^2+dX+e\), \(a\neq 0\), \(\sigma_1=-\frac ba\), \(\sigma_2=\frac ca\).

Aide à la lecture

Les deux premières fonctions symétriques élémentaires des racines sont

\(\sigma_1=\lambda_1+\lambda_2+\lambda_3+\lambda_4\),

\(\sigma_2=\lambda_1\lambda_2+\lambda_1\lambda_3+\lambda_1\lambda_4+\lambda_2\lambda_3+\lambda_2\lambda_4+\lambda_3\lambda_4\)

Aide méthodologique

En introduisant les nombres \(u\) et \(v\), on remplace la recherche des racines du polynôme \(P\), de degré 4, par la recherche des racines de deux polynômes de degré 2.

Solution détaillée

Pour trouver les racines complexes de \(P\), il nous suffit de calculer les complexes non nuls satisfaisant à : \(\alpha+\frac1\alpha=1\) (1) et \(\beta+\frac1\beta=\frac52\) (2).

(1) \(\Leftrightarrow \alpha^2-\alpha+1=0 \Leftrightarrow\left(\alpha-\frac12\right)^2+\frac34=0 \Leftrightarrow \left(\alpha-\frac12-i\frac{\sqrt{3}}{2}\right)\left(\alpha-\frac12+i\frac{\sqrt{3}}{2}\right)=0\)

Donc \(\{\lambda_1,\lambda_2\}=\left\{\frac12+i\frac{\sqrt{3}}{2},\frac12-i\frac{\sqrt{3}}{2}\right\}=\left\{\exp^{i\frac\pi3},\exp^{-i\frac\pi3}\right\}\).

De même (2) \(\Leftrightarrow \beta^2-\frac52\beta+1=0\Leftrightarrow \left(\beta-\frac54\right)^2-\frac{9}{12}=0 \Leftrightarrow (\beta-2)\left(\beta-\frac12\right)=0\).

Donc \(\{\lambda_3,\lambda_4\}=\left\{\frac12,2\right\}\).

L'ensemble des racines complexes de \(P\) est \(\left\{\frac12+i\frac{\sqrt{3}}{2},\frac12-i\frac{\sqrt{}3}{2},\frac12,2\right\}\).

Question

4. Donner la décomposition de \(P\) en facteurs irréductibles de \(R[X]\).

Aide simple

Rappel du théorème : Relations entre coefficients et racines

Si \(P(X)=aX^4+bX^3+cX^2+dX+e\), \(a\neq 0\), \(\sigma_1=-\frac ba\), \(\sigma_2=\frac ca\).

Aide à la lecture

Les deux premières fonctions symétriques élémentaires des racines sont

\(\sigma_1=\lambda_1+\lambda_2+\lambda_3+\lambda_4\),

\(\sigma_2=\lambda_1\lambda_2+\lambda_1\lambda_3+\lambda_1\lambda_4+\lambda_2\lambda_3+\lambda_2\lambda_4+\lambda_3\lambda_4\)

Aide méthodologique

En introduisant les nombres \(u\) et \(v\), on remplace la recherche des racines du polynôme \(P\), de degré 4, par la recherche des racines de deux polynômes de degré 2.

Solution détaillée

Le polynôme \(P\) possède 2 racines réelles et 2 racines non réelles, complexes conjuguées. Ceci va donner naissance à 3 facteurs irréductibles dans \(R[X]\).

\(P(X)=2\left(X-\frac12\right)(X-2)(X^2-X+1)\)