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Soit nn un entier naturel non nul. On considère le polynôme PP défini par :

P=(n+1)Xn+1j=0nXjC[X]P = (n+1) X^{n+1} - \sum_{j=0}^{n} X^{j} \in \mathbb{C}[X]

  1. Étude des racines de PP.
    1. Démontrer que toutes les racines de PP sont de module inférieur ou égal à 1.
    2. Déterminer l'unique racine de PP dont le module est égal à 1.
    3. Montrer que toutes les racines de PP sont simples.

  2. Application à une suite récurrente. Soit (up)pN(u_p)_{p \in \mathbb{N}} une suite complexe dont les n+1n+1 premiers termes sont fixés. On suppose que pour tout pNp \in \mathbb{N} :
    up+n+1=1n+1j=0nup+ju_{p+n+1} = \frac{1}{n+1} \sum_{j=0}^{n} u_{p+j}
    Justifier que la suite (up)(u_p) converge et déterminer sa limite en fonction des conditions initiales.

1.

Pour les racines, utiliser l'inégalité triangulaire sur l'égalité (n+1)zn+1=zj(n+1)|z|^{n+1} = |\sum z^j| et étudier le cas d'égalité.

2.

Pour la simplicité des racines, on pourra introduire le polynôme Q(X)=(X1)P(X)Q(X) = (X-1)P(X) et étudier ses racines communes avec sa dérivée.

3.

Pour la suite, traduire la relation à l'aide d'une matrice compagnon et utiliser la réduction pour obtenir la forme générale du terme upu_p.

4.

Pour la limite, on pourra chercher une combinaison linéaire des termes αjup+j\sum \alpha_j u_{p+j} qui reste invariante par la relation de récurrence.

Idées clés

Analyse du cas d'égalité dans l'inégalité triangulaire pour le module des racines.

Utilisation du lien entre racines multiples et racines du polynôme dérivé.

Diagonalisation d'une matrice compagnon dont le spectre est contrôlé.

Recherche d'un invariant pour une suite récurrente linéaire.

Résolution.

    1. Soit zCz \in \mathbb{C} une racine de PP. On a l'égalité :
      (n+1)zn+1=j=0nzj(n+1)z^{n+1} = \sum_{j=0}^n z^j

      Supposons z>1|z| > 1. Par l'inégalité triangulaire :

      (n+1)zn+1j=0nzj(n+1)|z|^{n+1} \le \sum_{j=0}^n |z|^j

      Or, comme z>1|z| > 1, pour tout j{0,,n}j \in \{0, \dots, n\}, on a zjzn|z|^j \le |z|^n. Ainsi :

      (n+1)zn+1(n+1)zn(n+1)|z|^{n+1} \le (n+1)|z|^n

      En divisant par (n+1)zn>0(n+1)|z|^n > 0, on obtient z1|z| \le 1, ce qui contredit l'hypothèse. \medskip Par conséquent, toutes les racines de PP sont dans le disque unité fermé :

      zC,P(z)=0    z1\boxed{\forall z \in \mathbb{C}, P(z) = 0 \implies |z| \le 1}

    2. Soit zz une racine de module 1. L'inégalité triangulaire utilisée précédemment devient une égalité :
      (n+1)=(n+1)zn+1=j=0nzj=j=0nzj=n+1(n+1) = |(n+1)z^{n+1}| = \left| \sum_{j=0}^n z^j \right| = \sum_{j=0}^n |z|^j = n+1

      Le cas d'égalité de l'inégalité triangulaire pour des nombres complexes non nuls impose que tous les termes zjz^j soient colinéaires et de même sens. Comme z0=1z^0 = 1, tous les zjz^j doivent être des réels strictement positifs. Étant de module 1, on a nécessairement zj=1z^j = 1 pour tout jj, d'où z=1z=1. Réciproquement, P(1)=(n+1)(n+1)=0P(1) = (n+1) - (n+1) = 0. L'unique racine de module 1 est donc :

      z=1\boxed{z = 1}

    3. Pour X1X \neq 1, on peut écrire P(X)=(n+1)Xn+1Xn+11X1P(X) = (n+1)X^{n+1} - \frac{X^{n+1}-1}{X-1}. Posons Q(X)=(X1)P(X)=(n+1)Xn+2(n+2)Xn+1+1Q(X) = (X-1)P(X) = (n+1)X^{n+2} - (n+2)X^{n+1} + 1. Une racine multiple de PP est racine de PP et de PP', donc racine de QQ et de QQ'. Calculons la dérivée de QQ :
      Q(X)=(n+1)(n+2)Xn+1(n+1)(n+2)Xn=(n+1)(n+2)Xn(X1)Q'(X) = (n+1)(n+2)X^{n+1} - (n+1)(n+2)X^n = (n+1)(n+2)X^n(X-1)

      Les racines de QQ' sont 00 (de multiplicité nn) et 11 (simple). Or Q(0)=10Q(0) = 1 \neq 0, donc 00 n'est pas racine de QQ. Concernant 11, on a Q(1)=(n+1)(n+2)+1=0Q(1) = (n+1) - (n+2) + 1 = 0 et Q(1)=0Q'(1) = 0. Calculons Q(1)Q''(1) :

      Q(X)=(n+1)(n+2)[(n+1)XnnXn1]Q''(X) = (n+1)(n+2) \left[ (n+1)X^n - nX^{n-1} \right]
      Q(1)=(n+1)(n+2)0Q''(1) = (n+1)(n+2) \neq 0, donc 11 est racine double de QQ. Puisque Q(X)=(X1)P(X)Q(X) = (X-1)P(X), la racine double 11 de QQ correspond à une racine simple de PP. Toute autre racine zz de PP est racine de QQ mais n'est pas racine de QQ'. \boxed{\text{Toutes les racines de } P \text{ sont donc simples.}}

  1. La suite (up)(u_p) est une suite récurrente linéaire d'ordre n+1n+1 dont l'équation caractéristique est P(X)=0P(X)=0 (en multipliant par n+1n+1). Notons z1,z2,,zn+1z_1, z_2, \dots, z_{n+1} les racines de PP, avec z1=1z_1 = 1. D'après la question 1, les racines sont simples et zj<1|z_j| < 1 pour j2j \ge 2. Il existe des complexes λ1,,λn+1\lambda_1, \dots, \lambda_{n+1} tels que pour tout pNp \in \mathbb{N} :
    up=λ1(1)p+j=2n+1λjzjpu_p = \lambda_1 (1)^p + \sum_{j=2}^{n+1} \lambda_j z_j^p
    Comme zj<1|z_j| < 1 pour j{2,,n+1}j \in \{2, \dots, n+1\}, on a limpzjp=0\lim_{p \to \infty} z_j^p = 0. La suite converge donc vers :
    limpup=λ1\boxed{\lim_{p \to \infty} u_p = \lambda_1}
    Pour déterminer λ1\lambda_1, cherchons un invariant de la forme Ip=k=0nαkup+kI_p = \sum_{k=0}^n \alpha_k u_{p+k}. On veut Ip+1=IpI_{p+1} = I_p, soit k=0nαkup+k+1=k=0nαkup+k\sum_{k=0}^n \alpha_k u_{p+k+1} = \sum_{k=0}^n \alpha_k u_{p+k}. En remplaçant up+n+1u_{p+n+1} par sa définition :
    αn(1n+1j=0nup+j)+k=0n1αkup+k+1=j=0nαjup+j\alpha_n \left( \frac{1}{n+1} \sum_{j=0}^n u_{p+j} \right) + \sum_{k=0}^{n-1} \alpha_k u_{p+k+1} = \sum_{j=0}^n \alpha_j u_{p+j}
    En identifiant les coefficients de up+ju_{p+j} : - Pour j=0j=0 : αnn+1=α0\frac{\alpha_n}{n+1} = \alpha_0. - Pour j{1,,n}j \in \{1, \dots, n\} : αnn+1+αj1=αj\frac{\alpha_n}{n+1} + \alpha_{j-1} = \alpha_j. On en déduit que (αj)(\alpha_j) est une suite arithmétique de raison α0\alpha_0. Ainsi αj=(j+1)α0\alpha_j = (j+1)\alpha_0. Pour α0=1\alpha_0 = 1, on a αj=j+1\alpha_j = j+1. La quantité Ip=j=0n(j+1)up+jI_p = \sum_{j=0}^n (j+1) u_{p+j} est constante. À la limite, si upLu_p \to L, alors IpLj=0n(j+1)=L(n+1)(n+2)2I_p \to L \sum_{j=0}^n (j+1) = L \frac{(n+1)(n+2)}{2}. Par conservation de l'invariant Ip=I0I_p = I_0 :
    L(n+1)(n+2)2=j=0n(j+1)ujL \frac{(n+1)(n+2)}{2} = \sum_{j=0}^n (j+1) u_j
    On conclut :
    limpup=2(n+1)(n+2)j=0n(j+1)uj\boxed{ \lim_{p \to \infty} u_p = \frac{2}{(n+1)(n+2)} \sum_{j=0}^{n} (j+1) u_{j} }

Attention à ne pas oublier que l'équation caractéristique de la suite est (n+1)zn+1zn1=0(n+1)z^{n+1} - z^n - \dots - 1 = 0 et non zn+11n+1(zn++1)=0z^{n+1} - \frac{1}{n+1}(z^n + \dots + 1) = 0. Bien que les racines soient les mêmes, la confusion peut mener à des erreurs de calcul dans l'invariant.