Exercice 6 - Exercice 1

1 h
90
Soit E=Rn[X]E = \mathbb{R}_n[X] muni de sa structure usuelle de R\mathbb{R}-espace vectoriel. On considère l'endomorphisme φ\varphi tel que :
φ:{E⟶EP⟼φ(P)\varphi : \left\lbrace \begin{array}{ccc} E & \longrightarrow & E \\ & & \\ P & \longmapsto & \varphi(P) \\ \end{array} \right.
Avec X∈RX \in \mathbb{R} :
φ(P)(X)=(2X+1) P(X)+(1−X2) P′(X)\varphi(P)(X) = (2X+1)\,P(X) + (1-X^2)\,P'(X)
On note par BB la base canonique, de EE, suivante :
B={ 1 ; X ; X2 ; X3 ; ⋯ Xn  ;  ⋯ }B = \left\lbrace \, 1 \,;\ X \,;\, X^2 \,;\, X^3 \,;\, \cdots \, X^n \, \,;\, \, \cdots \right\rbrace
Question 1

Soit k∈Nk \in \mathbb{N}. Déterminer l'expression de φ(Xk)\varphi(X^k).

Correction
L'expression de φ(Xk)\varphi(X^k) est :
φ(Xk)=(2X+1) Xk+(1−X2) (Xk)′\varphi(X^k) = (2X+1)\,X^k + (1-X^2)\,(X^k)'
Soit :
φ(Xk)=(2X+1) Xk+k (1−X2) Xk−1\varphi(X^k) = (2X+1)\,X^k + k\,(1-X^2)\,X^{k-1}
La présence de la puissance k−1k-1 nous oblige à distinguer le cas k=0k=0 et le cas k≠0k \neq 0. On a :
     ∙  \,\,\,\,\, \bullet \,\, Si k=0k = 0
Dans ce cas, on a :
φ(X0)=φ(1)=(2X+1) 1+k (1−X2) (1)′=(2X+1)\varphi(X^0) = \varphi(1) = (2X+1)\,1 + k\,(1-X^2)\,(1)' = (2X+1)
Ce qui nous donne :
φ(X0)=φ(1)=2X+1\varphi(X^0) = \varphi(1) = 2X+1
     ∙∙  \,\,\,\,\, \bullet \bullet \,\, Si k⩾1k \geqslant 1 :
Dans ce cas, on a :
φ(Xk)=(2X+1) Xk+k (1−X2) Xk−1\varphi(X^k) = (2X+1)\,X^k + k\,(1-X^2)\,X^{k-1}
Ce qui nous permet d'écrire en développant :
φ(Xk)=2 X Xk+Xk+k Xk−1−kX2 Xk−1\varphi(X^k) = 2 \, X \, X^k + X^k + k\,X^{k-1} - k X^2\, X^{k-1}
Soit encore :
φ(Xk)=2 Xk+1+Xk+k Xk−1−kXk−1+2\varphi(X^k) = 2 \, X^{k+1} + X^k + k\,X^{k-1} - k X^{k-1+2}
Finalement, on trouve que :
φ(Xk)=(2−k) Xk+1+Xk+k Xk−1\varphi(X^k) = (2-k) \, X^{k+1} + X^k + k\,X^{k-1}
Question 2

Soit PP un polynôme non nul. Comparer les degrés de PP et de φ(P)\varphi(P).

Correction
Comme P∈Rn[X]P \in \mathbb{R}_n[X], son expression, selon l'indéterminée XX, est donc donnée par :
P(X)=∑k=0nak Xk     avec :an≠0P(X) = \sum_{k = 0}^{n} a_k \, X^k \,\,\,\,\, \mathrm{avec} \, : a_n \neq 0
Ainsi, on en déduit que :
φ(P)(X)=φ(∑k=0nak Xk)=∑k=0nak φ(Xk)\varphi(P)(X) = \varphi \left(\sum_{k = 0}^{n} a_k \, X^k \right) = \sum_{k = 0}^{n} a_k \, \varphi \left( X^k \right)
Selon la première question, on a alors :
φ(P)(X)=∑k=1nak φ(Xk)+a0 φ(X0)=∑k=1nak φ(Xk)+a0 φ(1)\varphi(P)(X) = \sum_{k = 1}^{n} a_k \, \varphi \left( X^k \right) + a_0 \, \varphi \left( X^0 \right) = \sum_{k = 1}^{n} a_k \, \varphi \left( X^k \right) + a_0 \, \varphi \left( 1 \right)
Donc, on trouve que :
φ(P)(X)=∑k=1n(ak(2−k) Xk+1+ak Xk+k ak Xk−1)+a0(2X+1)\varphi(P)(X) = \sum_{k = 1}^{n} \left( a_k (2-k) \, X^{k+1} + a_k \, X^k + k \, a_k \,X^{k-1} \right) + a_0 (2X+1)
Afin de clairement faire apparaitre le degré de φ(P)\varphi(P), on va donc écrire que :
φ(P)(X)=an(2−n) Xn+1+anXn+nan Xn−1+∑k=1n−1(ak(2−k) Xk+1+akXk+k ak Xk−1)+a0(2X+1)\begin{array}{l} \varphi(P)(X) = \\ {\color{red}{a_n(2-n) \, X^{n+1}}} + a_nX^n + n a_n \,X^{n-1} + \displaystyle{\sum_{k = 1}^{n-1}} \left( a_k (2-k) \, X^{k+1} + a_k X^k + k \, a_k \, X^{k-1} \right) + a_0 (2X+1) \\ \end{array}
Donc, on constate que :
♣  \clubsuit \,\, si n=deg⁡P=0n = \deg P = 0 alors deg⁡φ(P)=1\deg \varphi (P) = 1 car :
P(X)=a0     ⟹     φ(P)(X)=a0(2X+1)=2a0 X+a0P(X) = a_0 \,\,\,\,\, \Longrightarrow \,\,\,\,\, \varphi(P)(X) = a_0 (2X+1) = 2 a_0 \, X + a_0
♣  \clubsuit \,\, n=deg⁡P=1n = \deg P = 1 alors deg⁡φ(P)=2\deg \varphi (P) = 2 car :
P(X)=a1X+a0     ⟹     φ(P)(X)=a1(2−1)X1+1+a1X1+1 a1 X1−1+a0(2X+1)P(X) = a_1X + a_0 \,\,\,\,\, \Longrightarrow \,\,\,\,\, \varphi(P)(X) = a_1(2-1)X^{1+1} + a_1 X^1 + 1 \, a_1\,X^{1-1} + a_0 (2X+1)
Soit :
P(X)=a1X+a0     ⟹     φ(P)(X)=a1 X2+(2a0+a1) X+a0+a1P(X) = a_1X + a_0 \,\,\,\,\, \Longrightarrow \,\,\,\,\, \varphi(P)(X) = a_1 \,X^{2} + (2 a_0 + a_1) \, X + a_0 + a_1
♣  \clubsuit \,\, si n=deg⁡P=2n = \deg P = 2 alors on a :
P(X)=a2X2+a1X+a0P(X) = a_2 X^2 + a_1 X + a_0
On a donc :
φ(P)(X)=a2(2−2) X2+1+a2X2+2a2 X2−1+a1(2−1) X1+1+a1 X1+1 a1 X1−1+a0(2X+1)\begin{array}{l} \varphi(P)(X) = \\ {\color{red}{a_2(2-2) \, X^{2+1}}} + a_2 X^2 + 2 a_2 \,X^{2-1} + a_1 (2-1) \, X^{1+1} + a_1 \, X^1 + 1 \, a_1 \,X ^{1-1} + a_0 (2X+1) \\ \end{array}
Soit :
φ(P)(X)=0 X2+1+a2X2+2a2 X1+a1 X2+a1 X+a1 X0+2a0 X+a0\varphi(P)(X) = {\color{red}{0 \, X^{2+1}}} + a_2 X^2 + 2 a_2 \,X^{1} + a_1 \, X^{2} + a_1 \, X + a_1 \,X ^{0} + 2 a_0 \, X + a_0
Soit encore :
φ(P)(X)=(a2+a1)X2+(2a2+a1+2a0) X+a0+a1\varphi(P)(X) = (a_2 + a_1) X^2 + (2 a_2 + a_1 + 2 a_0 ) \,X + a_0 + a_1
Ainsi, si n=deg⁡P=2n = \deg P = 2 alors deg⁡φ(P)⩽2\deg \varphi (P) \leqslant 2.
Par exemple :
∙\bullet si on a a1≠−a2a_1 \neq - a_2 alors deg⁡φ(P)=2\deg \varphi (P) = 2 ;
∙\bullet si on a a1=−a2a_1 = - a_2 \textbf{et} a0≠−12a2a_0 \neq - \dfrac{1}{2} a_2 alors deg⁡φ(P)=1\deg \varphi (P) = 1 ;
∙\bullet si on a a1=−a2a_1 = - a_2 \textbf{et} a0=−12a2a_0 = - \dfrac{1}{2} a_2 alors deg⁡φ(P)=0\deg \varphi (P) = 0 car dans ce cas précis a0=12a1a_0 = \dfrac{1}{2} a_1 et de fait a0+a1=32a1=−32a2a_0 + a_1 = \dfrac{3}{2} a_1 = - \dfrac{3}{2} a_2 ;
\item la seule possibilité pour avoir φ(P)(X)=0\varphi(P)(X) = 0 serait d'avoir a0=a1=a2=0a_0 = a_1 = a_2 = 0. Mais cela n'est pas possible par ici a2≠0a_2 \neq 0.
♣  \clubsuit \,\, si n=deg⁡P⩾3n = \deg P \geqslant 3 alors deg⁡φ(P)=n+1\deg \varphi (P) = n+1
En  conclusion:{\color{red}{\bf{En \,\, conclusion :}}}
     ∙  si  deg⁡P≠2  alors  deg⁡φ(P)=1+deg⁡P;{\color{red}{\,\,\,\,\, \bullet \,\, si \,\,\deg P \neq 2 \,\, alors \,\, \deg \varphi (P) = 1 + \deg P ;}}
     ∙  si  deg⁡P=2  alors  deg⁡φ(P)⩽2.{\color{red}{\,\,\,\,\, \bullet \,\, si \,\, \deg P = 2 \,\, alors \,\, \deg \varphi (P) \leqslant 2.}}
Question 3

L'application φ\varphi est-elle injective ? Justifier.

Correction
Pour que φ\varphi soit injective, il suffit que ker⁡φ=0E\ker \varphi = 0_E. On a alors :
φ(P)(X)=0E     ⟺     (2X+1) P(X)+(1−X2) P′(X)=0\varphi(P)(X) = 0_E \,\,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\,\, (2X+1)\,P(X) + (1-X^2)\,P'(X) = 0
Soit :
−2X+11−X2=P′(X)P(X)     ⟺     2X+1X2−1=P′(X)P(X)-\dfrac{2X+1}{1-X^2} = \dfrac{P'(X)}{P(X)} \,\,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\,\, \dfrac{2X+1}{X^2-1} = \dfrac{P'(X)}{P(X)}
Ce qui nous donne :
2XX2−1+1X2−1=P′(X)P(X)     ⟺     2XX2−1+1(X+1)(X−1)=P′(X)P(X)\dfrac{2X}{X^2-1} + \dfrac{1}{X^2-1} = \dfrac{P'(X)}{P(X)} \,\,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\,\, \dfrac{2X}{X^2-1} + \dfrac{1}{(X+1)(X-1)} = \dfrac{P'(X)}{P(X)}
En effectuant une décomposition en éléments simples sur la seconde fraction rationnelle, on obtient alors :
2XX2−1+12(1X−1−1X+1)=P′(X)P(X)\dfrac{2X}{X^2-1} + \dfrac{1}{2} \left( \dfrac{1}{X-1} - \dfrac{1}{X+1} \right) = \dfrac{P'(X)}{P(X)}
Par intégration, avec q∈Rq \in \mathbb{R}, on trouve que :
ln⁡(X2−1)+12(ln⁡(X−1)−ln⁡(X+1))+q=ln⁡(P(X))\ln(X^2-1) + \dfrac{1}{2} \left( \ln(X-1) - \ln(X+1) \right) + q = \ln(P(X))
Soit encore :
ln⁡(X2−1)+12ln⁡(X−1X+1)+q=ln⁡(P(X))\ln(X^2-1) + \dfrac{1}{2} \ln\left( \dfrac{X-1}{X+1} \right) + q = \ln(P(X))
Ainsi, on a encore :
ln⁡(X2−1)+ln⁡(X−1X+1)+q=ln⁡(P(X))\ln(X^2-1) + \ln\left( \sqrt{\dfrac{X-1}{X+1}} \right) + q = \ln(P(X))
Avec les propriétés algébriques des logarithmes, on obtient :
ln⁡((X2−1)X−1X+1)+q=ln⁡(P(X))\ln\left( (X^2-1)\sqrt{\dfrac{X-1}{X+1}} \right) + q = \ln(P(X))
En posant q=ln⁡(r)q = \ln(r), et donc r∈Rr \in \mathbb{R}, on obtient :
ln⁡((X2−1)X−1X+1)+ln⁡(r)=ln⁡(P(X))     ⟺     ln⁡(r(X2−1)X−1X+1)=ln⁡(P(X))\ln\left( (X^2-1)\sqrt{\dfrac{X-1}{X+1}} \right) + \ln(r) = \ln(P(X)) \,\,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\,\, \ln\left( r(X^2-1)\sqrt{\dfrac{X-1}{X+1}} \right) = \ln(P(X))
Ce qui nous donne :
P(X)=r(X2−1)X−1X+1P(X) =r(X^2-1)\sqrt{\dfrac{X-1}{X+1}}
Cette   expression   n’est   pas   possible   car   elle   n’est   pas   polynomiale{\color{red}{\textbf{Cette \,\, expression \,\, n'est \,\, pas \,\, possible \,\, car \,\, elle \,\, n'est \,\, pas \,\, polynomiale}}}. Donc, il nous faut une autre approche. D'après les questions précédentes, on sait qu'à partir de P∈Rn[X]P \in \mathbb{R}_n[X], la  seule  possibiliteˊ{\color{red}{\bf{la \,\, seule \,\, possibilité}}} pour obtenir une image φ(P)\varphi(P) qui soit nulle est de partir d'un polynôme du second degré, à savoir :
P(X)=a2X2+a1X+a0    ⟹    φ(P)(X)=(a2+a1)X2+(2a2+a1+2a0) X+a0+a1P(X) = a_2 X^2 + a_1 X + a_0 \,\,\,\, \Longrightarrow \,\,\,\, \varphi(P)(X) = (a_2 + a_1) X^2 + (2 a_2 + a_1 + 2 a_0 ) \,X + a_0 + a_1
Avec :
a2=a1=a0=0a_2 = a_1 = a_0 = 0
Ainsi, on en déduit que le noyau est composé uniquement du polynôme nul :
ker⁡φ=0E\ker \varphi = 0_E
Et de fait φ\varphi est injective.
Question 4

L'application φ\varphi est-elle surjective ? Justifier.

Correction
On rappelle que pour qu'une application f:E⟶Ff : E \longrightarrow F soit déclarée surjective, il faut que tous  les  eˊleˊments{\color{red}{\bf{tous \,\, les \,\, éléments}}} de FF admette au moins un antécédent dans EE.
D'après l'étude sur les degrés de PP et de φ(P)\varphi(P), on constate que tous les polynômes images φ(P)\varphi(P) de degré 33 n'admette pas d'antécédent PP. Donc φ\varphi n'est pas surjective.
Question 5

Soit λ\lambda un réel. Déterminer les valeurs de λ\lambda, et les expressions non nulles de PP, qui satisfont à la relation suivante :
φ(P)=λ P\varphi(P) = \lambda \, P

Correction
Soit λ\lambda un réel. La relation
φ(P)=λ P\varphi(P) = \lambda \, P
implique que :
deg⁡φ(P)=deg⁡P\deg \varphi(P) = \deg P
Ceci n'est possible qu'avec les polynôme du second degré ; donc le coefficient réel a2≠0a_2 \neq 0. Donc, on en déduit que l'on a la relation suivante :
(a2+a1)X2+(2a2+a1+2a0) X+a0+a1=λ(a2X2+a1X+a0)(a_2 + a_1) X^2 + (2 a_2 + a_1 + 2 a_0 ) \,X + a_0 + a_1 = \lambda \left( a_2 X^2 + a_1 X + a_0 \right)
Soit encore :
(a2+a1)X2+(2a2+a1+2a0) X+a0+a1=λa2X2+λa1X+λa0(a_2 + a_1) X^2 + (2 a_2 + a_1 + 2 a_0 ) \,X + a_0 + a_1 = \lambda a_2 X^2 + \lambda a_1 X + \lambda a_0
Ainsi, on a les trois égalités suivantes :
{a2+a1=λa22a2+a1+2a0=λa1a0+a1=λa0    ⟺    {a1=(λ−1) a2a1=(λ−1) a02(a2+a0)=(λ−1) a1\left\lbrace \begin{array}{rcl} a_2 + a_1 & = & \lambda a_2 \\ 2 a_2 + a_1 + 2 a_0 & = & \lambda a_1 \\ a_0 + a_1 & = & \lambda a_0 \\ \end{array} \right. \,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\, \left\lbrace \begin{array}{rcl} a_1 & = & (\lambda - 1) \, a_2 \\ a_1 & = & (\lambda - 1) \, a_0 \\ 2 (a_2 + a_0) & = & (\lambda - 1) \, a_1 \\ \end{array} \right.
A ce stade, deux cas sont à distinguer : λ=1\lambda = 1 et λ≠1\lambda \neq 1. On a alors :
       ∙  λ=1{\color{red}{\,\,\,\,\,\,\, \bullet \,\, \lambda = 1}}
Dans ce cas, on obtient :
{a1=0a0=−a2\left\lbrace \begin{array}{rcl} a_1 & = & 0 \\ a_0 & = & - a_2 \\ \end{array} \right.
Ce qui nous donne donc :
Pλ=1(X)=a2X2+0X−a2P_{\lambda = 1}(X) = a_2 X^2 + 0 X - a_2
Finalement :
Pλ=1(X)=a2(X2−1){\color{red}{\boxed{P_{\lambda = 1}(X) = a_2 \left( X^2 - 1 \right)}}}
       ∙  λ≠1{\color{blue}{\,\,\,\,\,\,\, \bullet \,\, \lambda \neq 1}}
Dans ce cas, on obtient :
{a0=a2a1=(λ−1) a22(2a2)=(λ−1) a1    ⟺    {a0=a2a1=(λ−1) a24a2=(λ−1) a1\left\lbrace \begin{array}{rcl} a_0 & = & a_2 \\ a_1 & = & (\lambda - 1) \, a_2 \\ 2 (2a_2) & = & (\lambda - 1) \, a_1 \\ \end{array} \right. \,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\, \left\lbrace \begin{array}{rcl} a_0 & = & a_2 \\ a_1 & = & (\lambda - 1) \, a_2 \\ 4 a_2 & = & (\lambda - 1) \, a_1 \\ \end{array} \right.
Les deux dernière lignes nous permettent d'écrire que :
4a2=(λ−1)×(λ−1) a24 a_2 = (\lambda - 1) \times (\lambda - 1) \, a_2
Comme a2≠0a_2 \neq 0, on peut simplifier par ce coefficient réel a2a_2, et ainsi, on obtient :
4=(λ−1)2    ⟺    22=(λ−1)24 = (\lambda - 1)^2 \,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\, 2^2 = (\lambda - 1)^2
Ainsi :
λ−1=±2    ⟺    λ=1±2\lambda - 1 = \pm 2 \,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\, \lambda = 1 \pm 2
Et on trouve que :
λ=3    ou bien    λ=−1\lambda = 3 \,\,\,\, \mathrm{ou \, bien} \,\,\,\, \lambda = -1
Donc, avec λ=3\lambda = 3, on a :
{a0=a2a1=2 a2    ⟹    Pλ=3(X)=a2X2+2a2X+a2\left\lbrace \begin{array}{rcl} a_0 & = & a_2 \\ a_1 & = & 2\, a_2 \\ \end{array} \right. \,\,\,\, \Longrightarrow \,\,\,\, P_{\lambda = 3}(X) = a_2 X^2 + 2 a_2 X + a_2
Soit en factorisant :
Pλ=3(X)=a2(X+1)2{\color{blue}{\boxed{P_{\lambda = 3}(X) = a_2 \left( X + 1 \right)^2}}}
Et avec λ=−1\lambda = -1, on a :
{a0=a2a1=−2 a2    ⟹    Pλ=−1(X)=a2X2−2a2X+a2\left\lbrace \begin{array}{rcl} a_0 & = & a_2 \\ a_1 & = & -2\, a_2 \\ \end{array} \right. \,\,\,\, \Longrightarrow \,\,\,\, P_{\lambda = -1}(X) = a_2 X^2 - 2 a_2 X + a_2
Soit en factorisant :
Pλ=−1(X)=a2(X−1)2{\color{blue}{\boxed{P_{\lambda = -1}(X) = a_2 \left( X - 1 \right)^2}}}

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