Ce contrôle de maths de L1 porte sur le thème suivant : polynômes, arithmétique et nombres complexes.
Ce partiel de trois heures clôt le premier semestre d’algèbre et croise trois chapitres : les nombres complexes, l’arithmétique des entiers et les polynômes. Vous commencez par les racines n-ièmes de l’unité et la factorisation de \(X^6 – 1\), puis vous menez en parallèle l’algorithme d’Euclide sur des polynômes et sur des entiers.
Le critère des racines rationnelles fait ensuite intervenir le lemme de Gauss, et le problème final utilise les complexes pour résoudre une équation du troisième degré et prouver l’irrationalité de \(\cos(\pi/9)\). Calculatrice interdite ; rédigez chaque argument.
- Niveau : licence L1
- Chapitres : Nombres complexes et trigonométrie + Arithmétique des entiers + Polynômes et fractions rationnelles
- Durée conseillée : 3 heures
- Barème : sur 20 points (exercice 1 : 3 points ; exercice 2 : 4 points ; exercice 3 : 5 points ; exercice 4 : 4 points ; exercice 5 : 4 points)
- Compétences évaluées :
- Raisonner : démontrer les propriétés des racines n-ièmes de l’unité
- Calculer : factoriser X^n − 1 dans C[X] et dans R[X]
- Calculer : mener l’algorithme d’Euclide pour des polynômes et pour des entiers
- Raisonner : relier arithmétique et polynômes par le critère des racines rationnelles
- Chercher : exploiter les nombres complexes pour résoudre une équation du troisième degré
Exercice 1 : Question de cours : racines n-ièmes de l’unité (3 points)
Calculatrice interdite.
Soit \(n \geq\, 1\) un entier. On note \(\mathbb{U}_n = \{ z \in \mathbb{C} \mid z^n = 1 \}\).
- Démontrez que \(\mathbb{U}_n = \{ e^{2ik\pi/n} \mid k \in \{0, 1, \ldots, n-1\} \}\) et que ces \(n\) nombres sont deux à deux distincts. (1,5 point)
- Démontrez que, pour \(n \geq\, 2\), la somme des éléments de \(\mathbb{U}_n\) est nulle. (1,5 point)
Exercice 2 : Factorisation de X^6 − 1 (4 points)
- Factorisez \(X^6 – 1\) en produit de facteurs du premier degré dans \(\mathbb{C}[X]\). (1 point)
- En regroupant les racines conjuguées, factorisez \(X^6 – 1\) en produit de polynômes irréductibles de \(\mathbb{R}[X]\). (1,5 point)
- En déduire, sans développer, la factorisation de \(X^4 + X^2 + 1\) dans \(\mathbb{R}[X]\), puis vérifiez-la. (1,5 point)
Exercice 3 : Algorithme d’Euclide pour les polynômes et les entiers (5 points)
On considère \(A = X^4 – 1\) et \(B = X^3 + 2X^2 + 2X + 1\) dans \(\mathbb{R}[X]\).
- À l’aide de l’algorithme d’Euclide, déterminez le pgcd unitaire \(D\) de \(A\) et \(B\). Présentez chaque division euclidienne. (2,5 points)
- Montrez que, pour tout entier \(n\), l’entier \(n + 1\) divise \(\operatorname{pgcd}(A(n), B(n))\). (1 point)
- Pour \(n = 10\), on a \(A(10) = 9999\) et \(B(10) = 1221\). Calculez \(\operatorname{pgcd}(9999, 1221)\) par l’algorithme d’Euclide. (1 point)
- Comparez ce pgcd avec \(D(10)\). Que peut-on en conclure ? (0,5 point)
Exercice 4 : Racines rationnelles d’un polynôme à coefficients entiers (4 points)
Soit \(P = a_n X^n + a_{n-1} X^{n-1} + \cdots + a_1 X + a_0\) un polynôme de degré \(n \geq\, 1\) à coefficients entiers, avec \(a_0 \neq 0\).
- On suppose que \(P\) admet une racine rationnelle \(\dfrac{p}{q}\), avec \(p \in \mathbb{Z}\), \(q \in \mathbb{N}^{*}\) et \(\operatorname{pgcd}(p, q) = 1\). Démontrez que \(p\) divise \(a_0\) et que \(q\) divise \(a_n\). (2 points)
- Déterminez toutes les racines rationnelles de \(2X^3 – 3X^2 – 3X + 2\), puis factorisez ce polynôme dans \(\mathbb{Q}[X]\). (1,5 point)
- Montrez que \(X^3 – 3X – 1\) n’a aucune racine rationnelle. (0,5 point)
Exercice 5 : Problème : une équation du troisième degré et cos(π/9) (4 points)
On note \(Q = X^3 – 3X – 1\).
- Soit \(\theta\) un réel et \(z = e^{i\theta}\). On pose \(x = z + \dfrac{1}{z}\). Montrez que \(x = 2\cos\theta\) et que \(x^3 – 3x = z^3 + \dfrac{1}{z^3} = 2\cos(3\theta)\). (1 point)
- En déduire que les trois racines de \(Q\) sont \(2\cos\dfrac{\pi}{9}\), \(2\cos\dfrac{5\pi}{9}\) et \(2\cos\dfrac{7\pi}{9}\). (1,5 point)
- Démontrez que \(\cos\dfrac{\pi}{9}\) est irrationnel. (1 point)
- Calculez \(\cos\dfrac{\pi}{9} + \cos\dfrac{5\pi}{9} + \cos\dfrac{7\pi}{9}\). (0,5 point)
Réviser avant le contrôle : polynômes, arithmétique et nombres complexes
Avant de faire ce contrôle, relisez le cours « Nombres complexes » en L1 et « Arithmétique dans Z » en L1 et « Polynômes » en L1 puis entraînez-vous avec les exercices corrigés nombres complexes, arithmétique dans z, polynômes.
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