Résolutions des équations algébriques

Résolutions des équations algébriques.

Définition


On considère les quatre nombres complexes aa, bb, cc et dd.
▼  Equation  du  premier  degreˊ{\color{green}{\bf{\blacktriangledown \,\, Equation \,\, du \,\, premier \,\, degré}}}
L'équation az+b=0az+b=0, avec a≠0a \neq 0, admet une racine z=−baz = - \dfrac{b}{a}.
▼▼  Equation  du  deuxieˋme  degreˊ{\color{green}{\bf{\blacktriangledown \blacktriangledown \,\, Equation \,\, du \,\, deuxième \,\, degré}}}
On considère l'équation az2+bz+c=0az^2+bz+c=0, avec a≠0a\neq0. On pose Δ=b2−4ac∈C\Delta = b^2-4ac \in \mathbb{C}, ainsi que Δ=δ2\Delta = \delta^2, avec δ∈C\delta \in \mathbb{C}.
      ⧫  Si  δ  est  nul{\color{black}{\bf{\,\,\,\,\,\, \blacklozenge \,\, Si \,\, \delta \,\, est \,\, nul}}}
Alors dans ce cas il n'y a qu'une seule racine, dite double, et qui est : z=−b2az = \dfrac{-b}{2a}.
      ⧫⧫  Si  δ  est  non  nul{\color{black}{\bf{\,\,\,\,\,\, \blacklozenge \blacklozenge \,\, Si \,\, \delta \,\, est \,\, non \,\, nul}}}
Alors dans ce cas il y a deux racines distinctes, et qui sont : z=−b+δ2az = \dfrac{-b+\delta}{2a} et z=−b−δ2az = \dfrac{-b-\delta}{2a}.
▼▼▼  Equation  du  troisieˋme  degreˊ{\color{green}{\bf{\blacktriangledown \blacktriangledown \blacktriangledown \,\, Equation \,\, du \,\, troisième \,\, degré}}}
On considère l'équation az3+bz2+cz+d=0az^3+bz^2+cz+d=0, avec a≠0a\neq0.
On commence par diviser cette équation par a≠0a \neq 0, et on obtient :
z3+baz2+caz+da=0z^3+\dfrac{b}{a}z^2+\dfrac{c}{a}z+\dfrac{d}{a}=0
Puis, on pose z=x−b3az = x - \dfrac{b}{3a} afin d'éliminer le terme de degré 22. On a alors :
(x−b3a)3+ba(x−b3a)2+ca(x−b3a)+da=0\left( x - \dfrac{b}{3a} \right)^3+\dfrac{b}{a}\left( x - \dfrac{b}{3a} \right)^2+\dfrac{c}{a}\left( x - \dfrac{b}{3a} \right)+\dfrac{d}{a}=0
On aboutit alors à :
x3+px+q=0      avec :  {p=3ac−b23a2q=2b327a3−bca2+dax^3 + px + q = 0 \,\,\,\,\,\, \mathrm{avec} \, : \,\, \left\lbrace \begin{array}{rcl} p & = & \dfrac{3ac - b^2}{3a^2} \\ & & \\ q & = & \dfrac{2b^3}{27a^3} - \dfrac{bc}{a^2} + \dfrac{d}{a} &\end{array} \right.
La méthode de CardanCardan (mais elle fut découverte par Niccoloˋ FontanaNiccolò \, Fontana dit TartagliaTartaglia en 15351535) conciste à poser x=u+vx = u+v. On obtient alors :
u3+v3+(u+v)(3uv+p)+q=0u^3 + v^3 + (u+v)(3uv + p) + q = 0
Et cette égalité est vérifiée si :
{u3+v3=−quv=−p3\left\lbrace \begin{array}{rcl} u^3+v^3 & = & - q \\ & & \\ uv & = & -\dfrac{p}{3} \\ \end{array} \right.
La dernière relation est équivalente à u3v3=−p327u^3v^3 = -\dfrac{p^3}{27}.
On connais donc la somme S=u3+v3S = u^3+v^3 ainsi que le produit P=u3×v3P = u^3 \times v^3. Donc, u3u^3 et v3v^3 sont donc solution de de l'équation du second degré, de l'inconnue tt, suivante :
t2+St+P=0   ⟺   t2+(u3+v3)t+u3v3=0   ⟺   t2−qt−p327=0t^2 + St + P = 0 \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, t^2 + (u^3+v^3)t + u^3 v^3 = 0 \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, t^2 - qt - \dfrac{p^3}{27} = 0
Le discriminant associé est alors q2+4p327q^2+\dfrac{4p^3}{27} et suivant son signe, on aura des racines réelles ou non.
Dans le cas particulier ou pp et qq sont deux nombres réels, on a toujours l'existence d'au moins une racine réelle. On a alors :
↬\looparrowright 1er cas : si q2+4p327>0q^2+\dfrac{4p^3}{27} > 0
Dans ce cas l'équation t2−qt−p327=0t^2 - qt - \dfrac{p^3}{27} = 0 à deux racines réelles distinctes, notées t1t_1 et t2t_2, qui sont les expressions de u3u^3 et v3v^3, et de fait on en déduit les expressions respectives de uu et vv :
{t1=u3=q+q2+4p3272=−q2+q24+p327t2=v3=q−q2+4p3272=−q2−q24+p327   ⟹   {u=−q2+q24+p3273v=−q2−q24+p3273\left\lbrace \begin{array}{rccclcl} t_1 & = & u^3 & = & \dfrac{q + \sqrt{q^2+\dfrac{4p^3}{27}}}{2} & = & -\dfrac{q}{2} + \sqrt{\dfrac{q^2}{4} + \dfrac{p^3}{27}} \\ & & & & & & \\ t_2 & = & v^3 & = & \dfrac{q - \sqrt{q^2+\dfrac{4p^3}{27}}}{2} & = & -\dfrac{q}{2} - \sqrt{\dfrac{q^2}{4} + \dfrac{p^3}{27}} \\ \end{array} \right. \,\,\, \Longrightarrow \,\,\, \left\lbrace \begin{array}{rcl} u & = & \sqrt[3]{-\dfrac{q}{2} + \sqrt{\dfrac{q^2}{4} + \dfrac{p^3}{27}}} \\ & & \\ v & = & \sqrt[3]{-\dfrac{q}{2} - \sqrt{\dfrac{q^2}{4} + \dfrac{p^3}{27}}} \\ \end{array} \right.
L'équation x3+px+q=0x^3 + px + q = 0 à trois racines. Dans notre cas, l'une est réelle x1=u+vx_1 = u+v, et les deux autres x2x_2 et x3x_3 sont complexes conjuguées l'une de l'autre x2‾=x3\overline{x_2} = x_3. Ce qui implique que :
x1=u+v=−q2+q24+p3273+−q2−q24+p3273∈Rx_1 = u + v = \sqrt[3]{-\dfrac{q}{2} + \sqrt{\dfrac{q^2}{4} + \dfrac{p^3}{27}}} + \sqrt[3]{-\dfrac{q}{2} - \sqrt{\dfrac{q^2}{4} + \dfrac{p^3}{27}}} \in \mathbb{R}
Ceci nous permet d'écrire que la solution réelle de l'équation initiale az3+bz2+cz+d=0az^3+bz^2+cz+d=0 est z1z_1 et est donnée par :
z1=x1−b3a=−q2+q24+p3273+−q2−q24+p3273−b3az_1 = x_1 - \dfrac{b}{3a} = \sqrt[3]{-\dfrac{q}{2} + \sqrt{\dfrac{q^2}{4} + \dfrac{p^3}{27}}} + \sqrt[3]{-\dfrac{q}{2} - \sqrt{\dfrac{q^2}{4} + \dfrac{p^3}{27}}} - \dfrac{b}{3a}
C'est le cas pour le polynôme hh d'expression X3−1X^3-1 dont le graphe est :
Dans ce cas précis, les racines de hh sont : 11, −1+i32\dfrac{-1 + i \sqrt{3}}{2} et −1−i32\dfrac{-1 - i \sqrt{3}}{2}.
↬↬\looparrowright \looparrowright 2ième cas : si q2+4p327<0q^2+\dfrac{4p^3}{27} < 0
Dans ce cas l'équation t2−qt−p327=0t^2 - qt - \dfrac{p^3}{27} = 0 à deux racines complexes distinctes conjuguées l'une de l'autre, notées t1t_1 et t2t_2. Donc u3u^3 et v3v^3 sont deux nombres complexes conjugués l'un de l'autre. Il s'ensuit que uu et vv sont également deux nombres complexes conjugués l'un de l'autre. Comme la somme de deux sont deux nombres complexes conjugués l'un de l'autre vaut deux fois leur partie réelle, on a donc u+vu+v qui est une quantité purement réelle. Donc, aux trois déterminations possibles de uu (car il y a trois racines cubiques possibles pour le complexe u3u^3), on obtient trois valeurs réelles différentes pour x=u+vx = u+v, et de fait, également trois valeurs réelles différentes pour z=x−b3az = x - \dfrac{b}{3a}. Cette situation correspond à l'existence de trois racines réelles différentes.
C'est le cas pour le polynôme ff d'expression X3−4X2−X+4X^3-4X^2-X+4 dont le graphe est :

Dans ce cas précis, les racines de ff sont : −1-1, 11 et 44.
↬↬↬\looparrowright \looparrowright \looparrowright 3ième cas : si q2+4p327=0q^2+\dfrac{4p^3}{27} = 0
Dans ce cas l'équation t2−qt−p327=0t^2 - qt - \dfrac{p^3}{27} = 0 à une racine double, et u3=v3=−q2u^3 = v^3 = -\dfrac{q}{2}. Si uu est réelle et vaut u=α∈Ru = \alpha \in \mathbb{R} alors v=u=αv = u = \alpha et l'une des racines recherchées est x=u+v=2αx = u + v = 2\alpha. On trouve que l'autre racine est −α-\alpha (qui est une racine double).
C'est le cas pour le polynôme gg d'expression −X3+3X+2-X^3+3X+2 dont le graphe est :

Dans ce cas précis, les racines de gg sont : −1-1, −1-1 (−1-1 est la racine double) et 22.
▼▼▼▼  Equation  du  quatrieˋme  degreˊ{\color{green}{\bf{\blacktriangledown \blacktriangledown \blacktriangledown \blacktriangledown \,\, Equation \,\, du \,\, quatrième \,\, degré}}}
La méthode de FerrariFerrari fût imaginée et mise au point en 15401540, par le mathématicien italien Ludovico Ferrari  (1522−1565)Ludovico \, Ferrari \,\, (1522 - 1565). Elle permet de résoudre par radicaux les équations du quatrième degré.
On commence par diviser tous les coefficients de l'équation initiale par le coefficient dominant afin de normaliser l'équation initiale pour obtenir une équation du type :
z4+az3+bz2+cz+d=0z^4 + az^3 + bz^2 + cz + d = 0
Il est possible de factoriser cette équation. On pose λ∈K\lambda \in \mathbb{K}, et on a la factorisation suivante :
(z2+a2z+λ)2−[(2λ−b+a24)z2+(aλ−c)z+λ2−d]\left( z^2 + \dfrac{a}{2}z + \lambda \right)^2 - \left[ \left( 2\lambda - b + \dfrac{a^2}{4} \right)z^2 + \left( a \lambda - c \right)z + \lambda^2 - d\right]
Puis, on détermine λ\lambda pour que l'expression (2λ−b+a24)z2+(aλ−c)z+λ2−d\left( 2\lambda - b + \dfrac{a^2}{4} \right)z^2 + \left( a \lambda - c \right)z + \lambda^2 - d soit un carreˊ  parfait{\color{red}{\bf{carré \,\, parfait}}}. Il s'agit d'un polynôme du second degré en zz, dont le discriminant doit être nul. Ceci nous conduit à la condition :
(aλ−c)2−4(2λ−b+a24)(λ2−d)=0\left( a \lambda - c \right)^2 - 4\left( 2\lambda - b + \dfrac{a^2}{4} \right) \left(\lambda^2 - d\right) = 0
Il s'agit d'une équation du troisième degré. Pour chacune des valeurs de λ\lambda alors trouvées, le terme (z2+a2z+λ)2\left( z^2 + \dfrac{a}{2}z + \lambda \right)^2 est un produit de facteurs du second degré, et la résolution devient possible, même si cela est (souvent) laborieux.
▼▼▼▼▼  Equation  de  degreˊ  supeˊrieur  ou  eˊgal  aˋ  cinq{\color{green}{\bf{\blacktriangledown \blacktriangledown \blacktriangledown \blacktriangledown \blacktriangledown \,\, Equation \,\, de \,\, degré \,\, supérieur \,\, ou \,\, égal \,\, à \,\, cinq}}}
Depuis les travaux du mathématicien français Evariste Galois  (1811−1832)Evariste \, Galois \,\ (1811-1832), on sait qu'il est impossible{\color{red}{\bf{impossible}}} de trouver des formules générales de résolution pour des équations de degré supérieur ou égal à cinq.

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