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Topos Uranos

Résumé

Cette leçon étudie les polynômes à coefficients réels : leur définition par les coefficients, leur degré et l’égalité entre eux ; les opérations de somme, de différence et de produit, avec la règle qui donne le degré du produit et leur concordance avec les valeurs numériques ; la division euclidienne des polynômes, avec les théorèmes du reste et du facteur ; le nombre de racines et le principe d’identification, qui permet d’identifier chaque polynôme à la fonction qu’il définit et prouve, par exemple, que la racine carrée n’est pas une fonction rationnelle ; et la factorisation, avec les identités remarquables. On montre, en outre, qu’un polynôme peut se factoriser même s’il n’a pas de racine réelle.

Objectifs d’apprentissage

  1. Identifier le degré, les coefficients et le coefficient dominant d’un polynôme, et reconnaître quand deux polynômes sont égaux.
  2. Additionner, soustraire et multiplier des polynômes, et prévoir le degré du résultat.
  3. Diviser des polynômes par la division euclidienne et appliquer les théorèmes du reste et du facteur.
  4. Démontrer qu’un polynôme non nul de degré nn a au plus nn racines, et utiliser le principe d’identification pour comparer des coefficients.
  5. Factoriser des polynômes au moyen de leurs racines et des identités remarquables.
  6. Mettre en équation avec des polynômes des problèmes appliqués, comme le volume d’une boîte ou une épargne à intérêts composés, et les résoudre avec les théorèmes du reste et du facteur.

Polynômes

Un polynôme à coefficients réels en la variable xx est une expression de la forme suivante, où nn est un entier naturel ou zéro et où les coefficients a0,a1,…,ana_0, a_1, \ldots, a_n sont des nombres réels :

P(x)=∑i=0naixi=a0+a1x+a2x2+⋯+anxnP(x) = \sum_{i = 0}^{n} a_i x^i = a_0 + a_1 x + a_2 x^2 + \cdots + a_n x^n

Chacune des quantités aixia_i x^i que l’on additionne s’appelle un terme, et a0a_0 est le terme constant. Chaque polynôme définit une fonction : celle qui associe à chaque réel xx le nombre P(x)P(x) obtenu en remplaçant la variable par xx dans l’expression. Les fonctions ainsi obtenues, appelées fonctions polynômes, sont les fonctions algébriques les plus simples, présentées dans la leçon sur les fonctions algébriques.

Deux polynômes sont égaux lorsqu’ils ont les mêmes coefficients, puissance par puissance, une fois complétées par des coefficients nuls les puissances qui manquent dans l’un d’eux ; ainsi, 1+0x+3x21 + 0x + 3x^2 et 1+3x21 + 3x^2 sont le même polynôme. Le polynôme dont tous les coefficients sont nuls s’appelle le polynôme nul.

Le degré d’un polynôme non nul est le plus grand exposant dont le coefficient est différent de zéro ; ce coefficient s’appelle le coefficient dominant. Ainsi, P(x)=3−x+5x4P(x) = 3 - x + 5x^4 est de degré 44 et de coefficient dominant 55, et l’on écrit deg⁡(P)=4\deg(P) = 4. Le polynôme nul n’a pas de degré, car il n’a aucun coefficient différent de zéro. Comme le degré et le coefficient dominant se lisent sur les coefficients, et que deux polynômes égaux ont les mêmes coefficients, tous deux sont bien définis.

Or un polynôme s’utilise presque toujours à travers la fonction qu’il définit, et l’on peut se demander si deux polynômes distincts pourraient définir la même fonction ; s’il en était ainsi, le degré d’une fonction polynôme ne serait pas bien défini. Le principe d’identification, qui se démontre dans la section sur le nombre de racines, répond que non : deux polynômes définissent la même fonction si et seulement s’ils sont égaux. Jusque-là, tout ce qui se dit sur les polynômes, et en particulier sur leur degré, porte sur leurs coefficients, de sorte qu’aucune démonstration antérieure à ce principe n’en dépend. Ensuite, chaque polynôme peut être identifié à sa fonction, et il est légitime de comparer les coefficients dans une égalité entre fonctions polynômes, comme dans le problème résolu 5.

Classification

Les polynômes se classent, en premier lieu, selon leur degré :

  1. Constants : ceux de degré 00, de la forme P(x)=cP(x) = c avec c≠0c \neq 0, ainsi que le polynôme nul.
  2. Du premier degré, de degré 11 : P(x)=a0+a1xP(x) = a_0 + a_1 x, avec a1≠0a_1 \neq 0.
  3. Du second degré, de degré 22, et cubiques, de degré 33 ; ceux de degrés plus élevés se nomment par leur nombre : de degré 44, de degré 55, et ainsi de suite.

Selon son nombre de termes non nuls, un polynôme s’appelle un monôme s’il en a un, un binôme s’il en a deux et un trinôme s’il en a trois.