La formule d'Euler - Exercice 1

1 h
90
Certain exercice requiert plus de réflexion !
Question 1
Soit nn un entier naturel supérieur ou égal à 22.
Soit { ai }1⩽i⩽n\left\lbrace \, a_i \, \right\rbrace_{1 \leqslant i \leqslant n} une famille de nn nombres complexes distincts{\color{red}{distincts}}.
Soit s∈Ns \in \mathbb{N}. On considère PP un polynôme de C[X]\mathbb{C}[X] de degré n−2n-2 au plus, et définit comme :
P(X)=b0+b1X+b2X2+...+bsXs=∑ℓ=0sbℓXℓP(X) = b_0 + b_1 X + b_2 X^2 + ... + b_s X^s = \sum_{\ell = 0}^{s} b_\ell X^\ell
On pose alors :
Q(X)=(X−a1) (X−a2)⋯(X−an)=∏i=1n(X−ai)Q(X) = (X-a_1) \, (X-a_2) \cdots (X-a_n) = \prod_{i = 1}^{n} (X-a_i)
On définit par RR la fraction rationnelle constituée du rapport de PP sur QQ :
R(X)=P(X)Q(X)R(X) = \dfrac{P(X)}{Q(X)}
Par hypothèse, on supposera que RR est une fraction  rationnelle  irreˊductible{\color{red}{fraction \,\, rationnelle \,\, irréductible}}.

Décomposer en éléments simples la fraction rationnelle RR dans C(X)\mathbb{C}(X).

Correction
La décomposition en éléments simples de la fraction rationnelle RR dans C(X)\mathbb{C}(X) est de la forme :
R(X)=∑k=1nAkX−ak        (k∈[ ⁣[n ; p] ⁣])R(X) = \sum_{k=1}^{n} \dfrac{A_k}{X - a_k} \,\,\,\,\,\,\,\, \big(k \in [\![ n \, ; \, p ]\!] \big)
Les n∈Nn \in \mathbb{N} coefficients complexes AkA_k se calculent tous en multipliant, successivement\bf{successivement}, l'expression R(X)=P(X)Q(X)R(X) = \dfrac{P(X)}{Q(X)} par X−akX-a_k et en posant après X=akX = a_k. En effet, on a :
(X−ak)R(X)=P(X)Q(X)(X−ak)=P(X)(X−a1) (X−a2)⋯(X−ak)⋯(X−an)(X−ak)(X-a_k)R(X) = \dfrac{P(X)}{Q(X)}(X-a_k) = \dfrac{P(X)}{(X-a_1) \, (X-a_2) \cdots (X-a_k) \cdots (X-a_n)}(X-a_k)
En simplifiant par le terme non nul (X−ak)(X-a_k), on obtient alors :
(X−ak)R(X)=P(X)Q(X)(X−ak)=P(X)(X−a1) (X−a2)⋯⋯(X−an)(X-a_k)R(X) = \dfrac{P(X)}{Q(X)}(X-a_k) = \dfrac{P(X)}{(X-a_1) \, (X-a_2) \cdots \cdots (X-a_n)}
D'où l'écriture :
(X−ak)R(X)=P(X)Q(X)(X−ak)=P(X)∏i(≠k)=1n(X−ai)(X-a_k)R(X) = \dfrac{P(X)}{Q(X)}(X-a_k) = \dfrac{P(X)}{\displaystyle{\prod_{i (\neq k)=1}^{n}} (X -a_i)}
Puis, on a :
(X−ak)R(X)=∑i=1nAi(X−ak)X−ai=Ak+∑i(≠k)=1nAi(X−ak)X−ai(X-a_k)R(X) = \sum_{i=1}^{n} \dfrac{A_i(X-a_k)}{X - a_i} = A_k + \sum_{i(\neq k)=1}^{n} \dfrac{A_i(X-a_k)}{X - a_i}
D'où l'égalité des deux expressions de (X−ak)R(X)(X-a_k)R(X) :
Ak+∑i(≠k)=1nAi(X−ak)X−ai=P(X)∏i(≠k)=1n(X−ai)A_k + \sum_{i(\neq k)=1}^{n} \dfrac{A_i(X-a_k)}{X - a_i} = \dfrac{P(X)}{\displaystyle{\prod_{i (\neq k) =1}^{n}} (X -a_i)}
Dans cette dernière relation, posons X=akX = a_k, on obtient alors :
Ak+∑i(≠k)=1nAi(ak−ak)ak−ai=P(ak)∏i(≠k)=1n(ak−ai)     ⟺     Ak+0=P(ak)∏i(≠k)=1n(ak−ai)A_k + \sum_{i(\neq k)=1}^{n} \dfrac{A_i(a_k-a_k)}{a_k - a_i} = \dfrac{P(a_k)}{\displaystyle{\prod_{i (\neq k)=1}^{n}} (a_k -a_i)} \,\,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\,\, A_k + 0 = \dfrac{P(a_k)}{\displaystyle{\prod_{i (\neq k)=1}^{n}} (a_k -a_i)}
Soit :
Ak=P(ak)∏i(≠k)=1n(ak−ai)      ⟹      R(X)=∑k=1nP(ak)∏i(≠k)=1n(ak−ai)X−akA_k = \dfrac{P(a_k)}{\displaystyle{\prod_{i (\neq k)=1}^{n}} (a_k -a_i)} \,\,\,\,\,\, \Longrightarrow \,\,\,\,\,\, {\color{red}{R(X) = \sum_{k=1}^{n} \dfrac{\dfrac{P(a_k)}{\displaystyle{\prod_{i (\neq k)=1}^{n}} (a_k -a_i)}}{X - a_k} }}
Question 2

En déduire, pour 1⩽i⩽n1 \leqslant i \leqslant n, l'égalité suivante :
∑k=1nP(ak)∏i(≠k)=1n(ak−ai)=0\sum_{k = 1}^{n} \dfrac{P(a_k)}{\displaystyle{\prod_{i (\neq k)=1}^{n}} (a_k -a_i)} = 0

Correction
On sait que :
R(X)=P(X)Q(X)     ⟺     ∑k=1nAkX−ak=P(X)Q(X)     ⟺     P(X)=Q(X)∑k=1nAkX−akR(X) = \dfrac{P(X)}{Q(X)} \,\,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\,\, \sum_{k=1}^{n} \dfrac{A_k}{X - a_k} = \dfrac{P(X)}{Q(X)} \,\,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\,\, P(X) = Q(X)\sum_{k=1}^{n} \dfrac{A_k}{X - a_k}
Ce qui peut encore s'écrire comme :
P(X)=∑k=1nQ(X)AkX−ak     ⟺     P(X)=∑k=1n∏i=1n(X−ai)AkX−akP(X) = \sum_{k=1}^{n} Q(X) \dfrac{A_k}{X - a_k} \,\,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\,\, P(X) = \sum_{k=1}^{n} \prod_{i = 1}^{n} (X-a_i) \dfrac{A_k}{X - a_k}
Donc, en simplifiant par le terme non nul X−akX-a_k, on trouve que :
P(X)=∑k=1n∏i(≠k)=1n(X−ai)Ak     ⟺     P(X)=∑k=1nAk∏i(≠k)=1n(X−ai)P(X) = \sum_{k=1}^{n} \prod_{i(\neq k) = 1}^{n} (X-a_i) A_k \,\,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\,\, P(X) = \sum_{k=1}^{n} A_k \prod_{i(\neq k) = 1}^{n} (X-a_i)
Dans cette expression, le terme ∏i(≠k)=1n(X−ai)\displaystyle{\prod_{i(\neq k) = 1}^{n}} (X-a_i) représente un polynôme de degré n−1n-1 qui à la forme suivante (début et fin) :
∏i(≠k)=1n(X−ai)=Xn−1+⋯+(−1)n−1∏i(≠k)=1nai\displaystyle{\prod_{i(\neq k) = 1}^{n}} (X-a_i) = X^{n-1} + \cdots + (-1)^{n-1}\displaystyle{\prod_{i(\neq k) = 1}^{n}} a_i
Ce qui implique que :
Ak∏i(≠k)=1n(X−ai)=AkXn−1+⋯+Ak(−1)n−1∏i(≠k)=1naiA_k \displaystyle{\prod_{i(\neq k) = 1}^{n}} (X-a_i) = A_k X^{n-1} + \cdots + A_k (-1)^{n-1} \displaystyle{\prod_{i(\neq k) = 1}^{n}} a_i
On en déduit alors que le polynôme PP à la "\textit{structure}" suivante :
P(X)=(∑k=1nAk)Xn−1+⋯+(−1)n−1∑k=1nAk∏i(≠k)=1naiP(X) = \left(\sum_{k = 1}^{n} A_k \right) X^{n-1} + \cdots + (-1)^{n-1} \sum_{k = 1}^{n} A_k \displaystyle{\prod_{i(\neq k) = 1}^{n}} a_i
Or, le sujet nous indique que PP est un polynôme de "degré n−2n-2 au plus, ce qui implique que le coefficient devant Xn−1X^{n-1} est automatiquement nul. Ce qui nous permet d'écrire que :
∑k=1nAk=0\sum_{k = 1}^{n} A_k = 0
C'est à dire que l'on a bien :
∑k=1nP(ak)∏i(≠k)=1n(ak−ai)=0{\color{red}{\sum_{k = 1}^{n} \dfrac{P(a_k)}{\displaystyle{\prod_{i (\neq k)=1}^{n}} (a_k -a_i)} = 0}}
Question 3

Déduire de la question précédente, pour 1⩽i⩽n1 \leqslant i \leqslant n, les formules dites d'EulerEuler suivantes :
∀s∈[ ⁣[1 ; n−2] ⁣],   ∑k=1naks∏i(≠k)=1n(ak−ai)=0\forall s \in [\![ 1 \, ; \, n-2 ]\!], \,\,\, \sum_{k = 1}^{n} \dfrac{a_k^s}{\displaystyle{\prod_{i (\neq k)=1}^{n}} (a_k -a_i)} = 0

Correction
Soit ss un entier naturel tel que 0⩽s⩽n−20 \leqslant s \leqslant n-2.
Plaçons-nous dans le cas particulier pour lequel :
P(X)=Xs      ⟹      P(ak)=aksP(X) = X^s \,\,\,\,\,\, \Longrightarrow \,\,\,\,\,\, P(a_k) = a_k^s
Dans ce cas, on obtient les formules dites d'EulerEuler suivantes :
∑k=1naks∏i(≠k)=1n(ak−ai)=0{\color{red}{\sum_{k = 1}^{n} \dfrac{a_k^s}{\displaystyle{\prod_{i (\neq k)=1}^{n}} (a_k -a_i)} = 0 }}

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