Maths Post-Bac Ouvrir l'app

Polynômes & corps finis

Algèbre · leçon socle (gratuite)

L2L3Maths ingénieur

Polynômes — division, PGCD, racines, factorisation

Idée. Sur un corps KK (typiquement Q,R,C\mathbb Q,\mathbb R,\mathbb C ou Fp\mathbb F_p), l'anneau K[X]K[X] se comporte exactement comme Z\mathbb Z : il y a une division euclidienne, donc un PGCD par l'algorithme d'Euclide, une identité de Bézout, des « nombres premiers » (les polynômes irréductibles) et une factorisation unique. Le degré joue le rôle de la valeur absolue.

A. Degré & division euclidienne

deg(PQ)=degP+degQ\deg(PQ)=\deg P+\deg Q et deg(P+Q)max(degP,degQ)\deg(P+Q)\le\max(\deg P,\deg Q). Pour A,BK[X]A,B\in K[X] avec B0B\neq0, il existe un unique couple (Q,R)(Q,R) tel que

A=BQ+R,degR<degB.A=BQ+R,\qquad \deg R<\deg B.

Exemple. X4+1=(X2+X+1)(X2X)+(X+1)X^4+1=(X^2+X+1)(X^2-X)+(X+1) : quotient X2XX^2-X, reste X+1X+1 (deg=1<2\deg=1<2).

B. PGCD, algorithme d'Euclide, Bézout

pgcd(A,B)\operatorname{pgcd}(A,B) (unitaire) s'obtient par divisions successives : pgcd(A,B)=pgcd(B,R)\operatorname{pgcd}(A,B)=\operatorname{pgcd}(B,R).

Exemple. pgcd(X41,X31)\operatorname{pgcd}(X^4-1,X^3-1) : X41=X(X31)+(X1)X^4-1=X(X^3-1)+(X-1), X31=(X1)(X2+X+1)X^3-1=(X-1)(X^2+X+1), donc pgcd=X1\operatorname{pgcd}=X-1.

Bézout. Il existe U,VK[X]U,V\in K[X] tels que UA+VB=pgcd(A,B)UA+VB=\operatorname{pgcd}(A,B) (Euclide étendu). Ex. 1(X41)+(X)(X31)=X11\cdot(X^4-1)+(-X)(X^3-1)=X-1. A,BA,B sont premiers entre eux     U,V, UA+VB=1\iff \exists U,V,\ UA+VB=1.

C. Racines & factorisation par (Xa)(X-a)

Théorème du reste. Le reste de PP par (Xa)(X-a) est P(a)P(a). Donc aa est racine de PP     (Xa)P\iff (X-a)\mid P.

On factorise par divisions successives (schéma de Horner).

Exemple. P=X32X2+3X4P=X^3-2X^2+3X-4 : P(2)=2P(2)=2, donc P=(X2)(X2+3)+2P=(X-2)(X^2+3)+2.

D. Multiplicité & relations de Viète

aa est racine de multiplicité mm si (Xa)mP(X-a)^m\mid P mais (Xa)m+1P(X-a)^{m+1}\nmid P. Pour P=an(Xri)P=a_n\prod(X-r_i) unitaire (an=1a_n=1), les relations de Viète lient coefficients et racines :

ri=an1,i<jrirj=an2,ri=(1)na0.\sum r_i=-a_{n-1},\quad \sum_{i<j}r_ir_j=a_{n-2},\quad \prod r_i=(-1)^n a_0.

Exemple. X36X2+11X6=(X1)(X2)(X3)X^3-6X^2+11X-6=(X-1)(X-2)(X-3) : ri=6\sum r_i=6, i<jrirj=11\sum_{i<j}r_ir_j=11, ri=6\prod r_i=6.

E. Dérivée formelle & racines multiples

La dérivée formelle (Xn)=nXn1(X^n)'=nX^{n-1} (purement algébrique) détecte les racines multiples :

aa est racine multiple de PP     P(a)=P(a)=0\iff P(a)=P'(a)=0     (Xa)pgcd(P,P)\iff (X-a)\mid\operatorname{pgcd}(P,P').

Exemple. P=X33X+2P=X^3-3X+2, P=3X23=3(X1)(X+1)P'=3X^2-3=3(X-1)(X+1), pgcd(P,P)=X1\operatorname{pgcd}(P,P')=X-1 : 11 est racine double, et en effet P=(X1)2(X+2)P=(X-1)^2(X+2).

F. Irréductibilité & factorisation

Un polynôme est irréductible sur KK s'il n'est pas produit de deux polynômes de degré 1\ge1 de K[X]K[X]. La factorisation dépend du corps :

  • sur C\mathbb C : les irréductibles sont les degré 1 (théorème de d'Alembert-Gauss) ;
  • sur R\mathbb R : les degré 1 et les degré 2 à discriminant négatif (car les racines complexes vont par paires conjuguées) ;
  • sur Q\mathbb Q : critères (racines rationnelles, Eisenstein : si un premier pp divise tous les coefficients sauf le dominant et p2a0p^2\nmid a_0, le polynôme est irréductible).

Exemple. X41=(X1)(X+1)(X2+1)X^4-1=(X-1)(X+1)(X^2+1) sur R\mathbb R ; sur C\mathbb C, X2+1=(Xi)(X+i)X^2+1=(X-i)(X+i).

Plan complexe avec l'axe reel et l'axe imaginaire ; une racine reelle marquee sur l'axe horizontal en moins un, et deux paires de racines complexes conjuguees symetriques par rapport a l'axe reel (i et moins i, un plus i et un moins i), chaque paire reliee par un segment vertical en pointilles montrant la symetrie.
Racines complexes d'un polynôme à coefficients réels : elles sont symétriques par rapport à l'axe réel (racines conjuguées par paires). C'est la raison pour laquelle les irréductibles de R[X]\mathbb R[X] sont de degré 11 (racine réelle) ou 22 (paire conjuguée X22Re(z)X+z2X^2-2\operatorname{Re}(z)X+|z|^2) : ici 11 racine réelle (1-1) et deux paires conjuguées (±i\pm i, 1±i1\pm i).

Dans le palier approfondissement (Pro) : Anneaux quotients K[X]/(P) & corps finis

  • A. Congruences de polynômes & anneau quotient
  • B. Inverse modulaire & corps
  • C. Interpolation de Lagrange & restes chinois
  • D. Corps Fp\mathbb F_p et factorisation selon le corps
  • E. Construction d'un corps fini GF(pn)\mathrm{GF}(p^n)
  • F. Groupe multiplicatif & élément primitif

La suite dans l'app Maths Post-Bac

Palier approfondissement, 54 exercices corrigés pas à pas, quiz, tuteur IA, PDF téléchargeables et suivi de progression — pour BUT, BTS, licence et maths de l'ingénieur.