mathématiques (PTSI) · Chapitre 10 · Application directe du cours
Les racines de s'intercalent entre celles de
Polynômes · D. Dérivation, Taylor, multiplicités · niveau 3 (difficile)
Énoncé
Soit scindé sur à racines simples (), de coefficient dominant . Montrer que est lui aussi scindé sur , à racines simples, avec exactement une racine dans chaque intervalle .
Corrigé
Stratégie : faire travailler l'analyse pour le compte de l'algèbre. On cherche les racines d'un polynôme, ; l'outil qui les fabrique n'est pas algébrique mais analytique : le théorème de Rolle. Puis un argument de degré montre qu'il n'y en a pas d'autres.
1) Rolle fournit racines. Fixons entre et . La fonction polynomiale associée à est continue sur le segment , dérivable sur l'intervalle ouvert, et prend la même valeur — zéro — aux deux extrémités, puisque et sont racines de . Le théorème de Rolle du chapitre 6 donne donc un réel strictement compris entre et tel que
Les racines étant rangées en ordre strict, les intervalles ouverts sont deux à deux disjoints : les sont donc deux à deux distincts. On tient racines réelles distinctes de .
2) Le degré interdit d'en avoir davantage. Le polynôme est de degré , donc est de degré — et il n'est pas nul, puisque . Un polynôme non nul de degré a au plus racines comptées avec multiplicité. Or on vient d'en exhiber , distinctes : la liste est complète, il n'y en a pas d'autres, et chacune est simple — une racine double consommerait deux places et ferait dépasser le compte.
Le coefficient dominant de est , ce qui achève d'écrire la factorisation : est scindé sur , à racines simples, une par intervalle.
⚠️ L'argument de degré n'est pas un ornement, il porte la moitié du résultat. Rolle donne l'existence d'au moins une racine par intervalle ; c'est le degré, et lui seul, qui donne l'unicité dans chaque intervalle et la simplicité de chacune. Sans lui, rien n'interdirait à d'avoir trois racines entre et .
Contrôle numérique. Prenons , de racines simples . Sa dérivée a pour racines , soit environ et : une dans , une dans , toutes deux simples. ✔ Et l'on vérifie le coefficient dominant : . ✔
Ce que l'exercice installe. Les racines de s'intercalent entre celles de : c'est la propriété d'entrelacement, et c'est le premier théorème de localisation de racines — on ne les calcule pas, on dit où elles sont. Le procédé, Rolle pour l'existence et le degré pour le compte, resservira chaque fois qu'une équation polynomiale se refusera au calcul exact.