Problème : les polynômes de Legendre, racines simples entre et
Exercice de TD · niveau 3 (difficile) · mathématiques (PCSI), chapitre 8 — Polynômes · D. Dérivation, Taylor, multiplicités
Énoncé
Pour , on pose et , dérivée -ième de .
1) Montrer que est de degré , de coefficient dominant , et qu'il a la parité de . Calculer , , .
2) Montrer que et sont racines de de multiplicité , et en déduire que pour .
3) Montrer par récurrence que, pour , admet au moins racines distinctes dans . En déduire que a exactement racines réelles, toutes simples et situées dans , et qu'il est scindé sur .
4) En appliquant la formule de Leibniz à , montrer que et . En déduire que le polynôme vérifie .
5) En dérivant fois l'identité à l'aide de la formule de Leibniz, établir l'équation de Legendre : .
6) Contrôle : vérifier que , qu'il satisfait l'équation de la question 5, et que ses racines et sont dans . Énoncer le théorème obtenu.
Corrigé
Ce qu'on a le droit d'utiliser. Le degré d'un produit et d'une dérivée ; la formule de Leibniz, , où le coefficient se lit « parmi » ; la caractérisation de la multiplicité par les dérivées successives ; le fait qu'un polynôme non nul de degré a au plus racines ; la caractérisation de la divisibilité par les racines ; et le théorème de Rolle (chapitre 6) : si est continue sur , dérivable sur , et , alors s'annule en un point de .
1) Degré, coefficient dominant, parité. Par le binôme, . Chaque dérivation abaisse le degré d'un et multiplie le terme dominant par l'exposant : la dérivée -ième de est , celles des autres termes sont de degré au plus . est de degré , de coefficient dominant . Parité : ne contient que des puissances paires de ; chaque dérivation échange « puissances toutes paires » et « puissances toutes impaires », donc n'a que des puissances de la parité de , et . Les premiers : ; ; . Les coefficients dominants , , sont bien , , .
2) Les racines de . , et vaut en : est racine de multiplicité exactement ; de même , puisque vaut en . Par la caractérisation de la multiplicité, s'annulent en et en .
3) Rolle, une racine de plus à chaque dérivation. Récurrence sur : a au moins racines distinctes dans . Pour , il n'y a rien à montrer. Supposons-le pour un , avec des racines . Par le 2), comme , s'annule aussi en et en , donc aux points . Sur chacun des intervalles , la fonction polynomiale est continue, dérivable, et nulle aux deux bornes : par le théorème de Rolle, s'annule en un point intérieur à chacun. Ces intervalles ouverts étant disjoints, a au moins racines distinctes dans . Conclusion : pour , a au moins racines distinctes dans . Par la caractérisation de la divisibilité, divise ; les deux sont de degré , donc, en comparant les coefficients dominants, est scindé sur , ses racines sont simples, toutes dans , et il n'en a aucune autre, ni réelle ni complexe.
4) Les valeurs en , par Leibniz. Avec et , Or s'annule en pour et vaut la constante pour : en , seul le terme subsiste, et . Symétriquement, en , seul le terme subsiste, où : , ce que confirmait la parité. Donc vérifie et : c'est la normalisation des physiciens, et les sont les polynômes de Legendre.
5) L'équation différentielle. L'identité : , donc . Dérivons fois par Leibniz. À gauche, les dérivées de sont , puis , puis : seuls trois termes subsistent, avec les coefficients « parmi », « parmi » et « parmi », ce dernier valant : puisque , et . À droite, les dérivées de sont puis : En égalant, , soit, en changeant les signes, : c'est l'équation de Legendre, et la vérifie aussi, puisqu'elle est linéaire.
6) Le contrôle pour . . Avec et , les trois termes de l'équation valent , puis , puis ; leur somme a pour coefficient de le nombre , et pour coefficient de le nombre : vérifie l'équation de Legendre. Ses racines, puisque , sont et : trois racines simples dans , et .
Le théorème obtenu — les polynômes de Legendre. Pour tout , le polynôme de Legendre (formule de Rodrigues) est de degré , de la parité de , vérifie , et l'équation de Legendre ; et il possède racines réelles simples, toutes situées dans l'intervalle ouvert .
Ce que le problème installe. Le théorème de Rolle, itéré, fabrique des racines : chaque dérivation en crée une de plus entre les précédentes, pourvu que les bornes restent des racines — et c'est la multiplicité de qui les y maintient jusqu'à l'ordre ; le degré dit ensuite qu'on les a toutes. La formule de Leibniz sert deux fois : pour évaluer en , où presque tous ses termes s'annulent, et pour transformer une identité en équation différentielle. Au chapitre 16, les réapparaîtront orthogonaux pour le produit scalaire ; au TD 16, leurs racines seront les nœuds de la méthode de Gauss, qui intègre exactement, avec points, tous les polynômes de degré au plus . En physique, l'équation de Legendre est celle que l'on rencontre en deuxième année en résolvant l'équation de Laplace en coordonnées sphériques.
Les autres exercices de ce chapitre Le cours du chapitre
Un blocage sur cet exercice ? Le tuteur d'Adloun guide par questions, sans donner la réponse.