Voici le corrigé du contrôle de maths de L1 sur le thème : polynômes, arithmétique et nombres complexes.
Cette correction détaillée du partiel d’algèbre de L1 montre comment les trois chapitres s’éclairent mutuellement. Les racines sixièmes de l’unité sont placées sur le cercle unité pour obtenir la factorisation réelle, et l’algorithme d’Euclide des polynômes est comparé à celui des entiers pour expliquer pourquoi les deux pgcd diffèrent.
Le lemme de Gauss justifie le critère des racines rationnelles, et la formule de Moivre fournit les trois racines de \(X^3 – 3X – 1\), illustrées par une courbe. Chaque exercice se termine par un barème précis par question.
L’énoncé se trouve sur la page contrôle de maths l1 : polynômes, arithmétique et nombres complexes.
| Exercice | Points |
| Exercice 1 : Question de cours : racines n-ièmes de l’unité | 3 points |
| Exercice 2 : Factorisation de X^6 − 1 | 4 points |
| Exercice 3 : Algorithme d’Euclide pour les polynômes et les entiers | 5 points |
| Exercice 4 : Racines rationnelles d’un polynôme à coefficients entiers | 4 points |
| Exercice 5 : Problème : une équation du troisième degré et cos(π/9) | 4 points |
| Total | 20 points |
Exercice 1 : Question de cours : racines n-ièmes de l’unité (3 points)
- Soit \(z \in \mathbb{U}_n\). Alors \(|z|^n = |z^n| = 1\), et comme \(|z| \geq\, 0\), \(|z| = 1\). On écrit \(z = e^{i\theta}\) : \(z^n = e^{in\theta} = 1\) équivaut à \(n\theta \in 2\pi\mathbb{Z}\), soit \(\theta = \dfrac{2k\pi}{n}\) avec \(k \in \mathbb{Z}\). En écrivant la division euclidienne \(k = nq + r\) avec \(0 \leq\, r \leq\, n – 1\), on a \(e^{2ik\pi/n} = e^{2iq\pi}\,e^{2ir\pi/n} = e^{2ir\pi/n}\).
Réciproquement, \((e^{2ik\pi/n})^n = e^{2ik\pi} = 1\). Enfin, pour \(0 \leq\, k < l \leq\, n-1\), les arguments \(\dfrac{2k\pi}{n}\) et \(\dfrac{2l\pi}{n}\) diffèrent d’un nombre de \(]0, 2\pi[\), donc les deux nombres sont distincts. \(\mathbb{U}_n\) est formé des \(n\) nombres distincts \(e^{2ik\pi/n}\), \(0 \leq\, k \leq\, n-1\).
- Posons \(\omega = e^{2i\pi/n}\). Pour \(n \geq\, 2\), \(\omega \neq 1\), et la somme des termes d’une suite géométrique donne
\[\sum_{k=0}^{n-1} \omega^k = \dfrac{1 – \omega^n}{1 – \omega} = \dfrac{1 – 1}{1 – \omega} = 0.\]La somme des racines n-ièmes de l’unité est nulle pour \(n \geq\, 2\).
Barème : a) 1,5 point (0,5 pour le module, 0,5 pour les arguments, 0,5 pour la réciproque et la distinction) ; b) 1,5 point (0,5 pour \(\omega \neq 1\), 1 pour le calcul).
Exercice 2 : Factorisation de X^6 − 1 (4 points)
- Les racines de \(X^6 – 1\) sont les six éléments distincts de \(\mathbb{U}_6\) : \(1\), \(e^{i\pi/3}\), \(e^{2i\pi/3}\), \(-1\), \(e^{-2i\pi/3}\), \(e^{-i\pi/3}\). Le polynôme étant unitaire de degré 6 :
\[X^6 – 1 = (X – 1)(X + 1)(X – e^{i\pi/3})(X – e^{-i\pi/3})(X – e^{2i\pi/3})(X – e^{-2i\pi/3}).\] - Pour \(\theta\) réel, \((X – e^{i\theta})(X – e^{-i\theta}) = X^2 – 2\cos(\theta)\,X + 1\). Avec \(\cos\dfrac{\pi}{3} = \dfrac{1}{2}\) et \(\cos\dfrac{2\pi}{3} = -\dfrac{1}{2}\) :
\[X^6 – 1 = (X – 1)(X + 1)(X^2 – X + 1)(X^2 + X + 1).\]Les deux trinômes ont pour discriminant \(-3 < 0\) : ils sont irréductibles dans \(\mathbb{R}[X]\), et c’est la factorisation cherchée.
- On a \(X^6 – 1 = (X^2)^3 – 1 = (X^2 – 1)(X^4 + X^2 + 1)\) et \(X^2 – 1 = (X-1)(X+1)\). En comparant avec b) et en simplifiant par le polynôme non nul \(X^2 – 1\) (l’anneau \(\mathbb{R}[X]\) est intègre) :
\[X^4 + X^2 + 1 = (X^2 – X + 1)(X^2 + X + 1).\]Vérification : \((X^2 + 1 – X)(X^2 + 1 + X) = (X^2 + 1)^2 – X^2 = X^4 + X^2 + 1\). La factorisation est établie.
Barème : a) 1 point ; b) 1,5 point (1 pour le regroupement, 0,5 pour l’irréductibilité) ; c) 1,5 point (1 pour la simplification justifiée, 0,5 pour la vérification).
Exercice 3 : Algorithme d’Euclide pour les polynômes et les entiers (5 points)
- Première division : \((X – 2)\,B = X^4 + 2X^3 + 2X^2 + X – 2X^3 – 4X^2 – 4X – 2 = X^4 – 2X^2 – 3X – 2\), donc
\[A = (X – 2)\,B + R_1, \qquad R_1 = 2X^2 + 3X + 1.\]Deuxième division, de \(B\) par \(R_1\) : \((\dfrac{X}{2} + \dfrac{1}{4}) R_1 = X^3 + \dfrac{3}{2}X^2 + \dfrac{1}{2}X + \dfrac{1}{2}X^2 + \dfrac{3}{4}X + \dfrac{1}{4} = X^3 + 2X^2 + \dfrac{5}{4}X + \dfrac{1}{4}\), donc
\[B = (\dfrac{X}{2} + \dfrac{1}{4}) R_1 + R_2, \qquad R_2 = \dfrac{3}{4}X + \dfrac{3}{4} = \dfrac{3}{4}(X + 1).\]
Troisième division : \(R_1 = (2X + 1)(X + 1) = \dfrac{4}{3}(2X + 1)\,R_2 + 0\).
Le dernier reste non nul est \(R_2\), et le pgcd unitaire est obtenu en le normalisant. \(D = X + 1\). On le confirme par les factorisations \(A = (X-1)(X+1)(X^2+1)\) et \(B = (X+1)(X^2+X+1)\).
- D’après a), \(A = (X+1)\,A_1\) et \(B = (X+1)\,B_1\) avec \(A_1 = (X-1)(X^2+1)\) et \(B_1 = X^2 + X + 1\), qui sont à coefficients entiers. Pour tout entier \(n\), \(A(n) = (n+1)\,A_1(n)\) et \(B(n) = (n+1)\,B_1(n)\) avec \(A_1(n), B_1(n) \in \mathbb{Z}\). Ainsi \(n + 1\) est un diviseur commun de \(A(n)\) et \(B(n)\), donc il divise leur pgcd.
- \(9999 = 8 \times 1221 + 231\), \(1221 = 5 \times 231 + 66\), \(231 = 3 \times 66 + 33\), \(66 = 2 \times 33 + 0\). \(\operatorname{pgcd}(9999, 1221) = 33\).
- On a \(D(10) = 11\) et \(\operatorname{pgcd}(9999, 1221) = 33 = 3 \times 11\). Conformément à b), 11 divise 33, mais l’égalité est fausse : le pgcd des valeurs peut être un multiple strict de la valeur du pgcd. Ici \(A_1(10) = 909 = 9 \times 101\) et \(B_1(10) = 111 = 3 \times 37\) ont le facteur commun 3, alors que \(A_1\) et \(B_1\) sont premiers entre eux dans \(\mathbb{R}[X]\).
Erreur fréquente : garder \(R_2 = \dfrac{3}{4}(X+1)\) comme pgcd ; le pgcd de deux polynômes est défini comme unitaire.
Barème : a) 2,5 points (0,75 par division, 0,25 pour la normalisation) ; b) 1 point ; c) 1 point ; d) 0,5 point.
Exercice 4 : Racines rationnelles d’un polynôme à coefficients entiers (4 points)
- De \(P(\dfrac{p}{q}) = 0\), on tire après multiplication par \(q^n\) :
\[a_n p^n + a_{n-1} p^{n-1} q + \cdots + a_1 p\,q^{n-1} + a_0 q^n = 0.\]Tous les termes sauf le dernier sont multiples de \(p\), donc \(p\) divise \(a_0 q^n\). Comme \(\operatorname{pgcd}(p, q) = 1\), on a aussi \(\operatorname{pgcd}(p, q^n) = 1\) (un diviseur premier commun à \(p\) et \(q^n\) diviserait \(q\)). D’après le lemme de Gauss, \(p\) divise \(a_0\).
De même, tous les termes sauf le premier sont multiples de \(q\) : \(q\) divise \(a_n p^n\), et \(q\) est premier avec \(p^n\). Le lemme de Gauss donne \(q \mid a_n\).
- Pour \(P_1 = 2X^3 – 3X^2 – 3X + 2\), une racine rationnelle \(\dfrac{p}{q}\) vérifie \(p \mid 2\) et \(q \mid 2\) : les candidats sont \(\pm 1\), \(\pm 2\), \(\pm \dfrac{1}{2}\). On calcule \(P_1(1) = -2\), \(P_1(-1) = -2 – 3 + 3 + 2 = 0\), \(P_1(2) = 16 – 12 – 6 + 2 = 0\), \(P_1(-2) = -16 – 12 + 6 + 2 = -20\), \(P_1(\dfrac{1}{2}) = \dfrac{1}{4} – \dfrac{3}{4} – \dfrac{3}{2} + 2 = 0\) et \(P_1(-\dfrac{1}{2}) = -\dfrac{1}{4} – \dfrac{3}{4} + \dfrac{3}{2} + 2 = \dfrac{5}{2}\).
Les racines rationnelles sont \(-1\), \(2\) et \(\dfrac{1}{2}\), et comme il y en a trois pour un degré 3, on obtient \(P_1 = 2(X + 1)(X – 2)(X – \dfrac{1}{2}) = (X+1)(X-2)(2X-1)\). Contrôle : \((X^2 – X – 2)(2X – 1) = 2X^3 – 3X^2 – 3X + 2\).
- Pour \(Q = X^3 – 3X – 1\), les seuls candidats sont \(\pm 1\). Or \(Q(1) = -3\) et \(Q(-1) = -1 + 3 – 1 = 1\). \(Q\) n’a aucune racine rationnelle.
Barème : a) 2 points (0,5 pour l’égalité multipliée par \(q^n\), 0,75 par divisibilité justifiée par Gauss) ; b) 1,5 point (0,5 pour les candidats, 0,5 pour les tests, 0,5 pour la factorisation) ; c) 0,5 point.
Exercice 5 : Problème : une équation du troisième degré et cos(π/9) (4 points)
- Comme \(\dfrac{1}{z} = e^{-i\theta}\), on a \(x = e^{i\theta} + e^{-i\theta} = 2\cos\theta\) (formule d’Euler). Par la formule du binôme,
\[x^3 = z^3 + 3z + \dfrac{3}{z} + \dfrac{1}{z^3}, \qquad \text{donc} \qquad x^3 – 3x = z^3 + \dfrac{1}{z^3} = e^{3i\theta} + e^{-3i\theta} = 2\cos(3\theta).\]On a bien \(x^3 – 3x = 2\cos(3\theta)\).
- D’après a), \(x = 2\cos\theta\) est racine de \(Q\) si et seulement si \(2\cos(3\theta) = 1\), c’est-à-dire \(\cos(3\theta) = \dfrac{1}{2}\). Or \(\cos\dfrac{\pi}{3} = \cos\dfrac{5\pi}{3} = \cos\dfrac{7\pi}{3} = \dfrac{1}{2}\), donc \(\theta = \dfrac{\pi}{9}\), \(\dfrac{5\pi}{9}\) et \(\dfrac{7\pi}{9}\) conviennent.
Ces trois angles appartiennent à \([0, \pi]\), où la fonction cosinus est strictement décroissante, donc les nombres \(2\cos\dfrac{\pi}{9}\), \(2\cos\dfrac{5\pi}{9}\), \(2\cos\dfrac{7\pi}{9}\) sont deux à deux distincts. Un polynôme de degré 3 a au plus trois racines : ce sont exactement les trois racines de \(Q\).
- Si \(\cos\dfrac{\pi}{9}\) était rationnel, \(2\cos\dfrac{\pi}{9}\) serait une racine rationnelle de \(Q\), ce qui contredit l’exercice 4 c). Donc \(\cos\dfrac{\pi}{9}\) est irrationnel.
- La somme des racines de \(Q\) est l’opposé du coefficient de \(X^2\), qui est nul. Donc \(2\cos\dfrac{\pi}{9} + 2\cos\dfrac{5\pi}{9} + 2\cos\dfrac{7\pi}{9} = 0\), et \(\cos\dfrac{\pi}{9} + \cos\dfrac{5\pi}{9} + \cos\dfrac{7\pi}{9} = 0\). (Contrôle approché : \(0{,}940 – 0{,}174 – 0{,}766 = 0\).)
Barème : a) 1 point ; b) 1,5 point (0,5 pour l’équation en \(\theta\), 0,5 pour les trois valeurs, 0,5 pour la distinction et le nombre de racines) ; c) 1 point ; d) 0,5 point.
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Après le corrigé du contrôle : polynômes, arithmétique et nombres complexes
Pour consolider ce que le corrigé vous a appris, 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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