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Centrale Maths 2 MP 2014

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Énoncé de l’épreuve

Énoncé Centrale 2014 – MP – Maths 2

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Pages de l’énoncé

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Questions du sujet

1. I.A.1) Déterminer $T_0$, $T_1$, $T_2$ et $T_3$. 2. I.A.2) En remarquant que pour tout réel $\theta$, on a $e^{in\theta} = \left(e^{i\theta}\right)^n$, montrer que \[\forall n \in \mathbb{N},\quad T_n = \sum_{0\leq k\leq n/2} \binom{n}{2k} (X^2-1)^k X^{n-2k}\] Écrire en langage Maple ou Mathematica une fonction $T$ prenant en argument un entier naturel $n$ et renvoyant l’expression développée du polynôme $T_n$. 3. I.A.3) Montrer que la suite $(T_n)_{n\in \mathbb{N}}$ vérifie la relation de récurrence \[\forall n\in\mathbb{N},\quad T_{n+2} = 2X T_{n+1} – T_n \tag{I.1}\] En déduire, pour tout entier naturel $n$, le degré et le coefficient dominant de $T_n$. Retrouver ce résultat avec l’expression de la question I.A.2. 4. I.A.4) Montrer que, pour tout entier naturel $n$, le polynôme $T_n$ est scindé sur $\mathbb{R}$, à racines simples appartenant à $]-1,1[$. Déterminer les racines de $T_n$. 5. I.B.1) Montrer que \[\forall n\in\mathbb{N}, \forall \theta \in \mathbb{R}\setminus\pi\mathbb{Z},\quad U_n(\cos\theta) = \frac{\sin((n+1)\theta)}{\sin\theta}\]} 6. I.B.2) En déduire les propriétés suivantes : a) La suite $(U_n)_{n\in\mathbb{N}}$ vérifie la même relation de récurrence (I.1) que la suite $(T_n)_{n\in\mathbb{N}}$. b) Pour tout entier naturel $n$, le polynôme $U_n$ est scindé sur $\mathbb{R}$ à racines simples appartenant à $]-1,1[$. Déterminer les racines de $U_n$. 7. II.A.1) Montrer que \[ \left\{ \begin{array}{l} T_m \cdot T_n = \frac{1}{2}(T_{n+m} + T_{n-m}) \text{ pour tous entiers } 0\leq m \leq n \\ T_m \cdot U_{n-1} = \frac{1}{2}(U_{n+m-1} + U_{n-m-1}) \text{ pour tous entiers } 0\leq m < n \end{array} \right. \] 8. II.A.2) Pour $m$ et $n$ entiers naturels tels que $m\leq n$, on se propose de déterminer le quotient $Q_{n,m}$ et le reste $R_{n,m}$ de la division euclidienne de $T_n$ par $T_m$. a) On suppose $m < n < 3m$. Montrer que $Q_{n,m} = 2T_{n-m}$ et $R_{n,m} = -T_{|n-2m|}$. 9. II.A.2) b) Déterminer $Q_{n,m}$ et $R_{n,m}$ lorsque $n$ est de la forme $(2p+1)m$ avec $p \in \mathbb{N}^*$. 10. II.A.2) c) On suppose que $m > 0$ et que $n$ n’est pas le produit de $m$ par un entier impair. Montrer qu’il existe un unique entier $p\geq 1$ tel que $|n-2pm|0$ le pgcd de $m$ et $n$. On pose $m_1 = m/g$ et $n_1 = n/g$. a) Montrer que si $m_1$ et $n_1$ sont impairs, alors $T_g$ est un pgcd de $T_n$ et $T_m$. b) Montrer que si l’un des deux entiers $m_1$ ou $n_1$ est pair, alors $T_n$ et $T_m$ sont premiers entre eux. c) Que peut-on dire des pgcd de $T_n$ et $T_m$ lorsque $m$ et $n$ sont impairs ? Lorsque $n$ et $m$ sont deux puissances de $2$ distinctes ? 13. III.A.1) Montrer que la famille $(T_n)_{n\in\mathbb{N}}$ vérifie la propriété (III.1). On pourra comparer $T_n\circ T_m$ et $T_{nm}$. 14. III.A.2) Vérifier que $G$ est un groupe pour la loi $\circ$. L’inverse pour la loi $\circ$ d’un élément $U$ de $G$ sera noté $U^{-1}$. 15. III.B.1) Soit $\alpha\in\mathbb{C}$ et soit $Q$ un polynôme complexe non constant qui commute avec $P_\alpha$. Montrer que $Q$ est unitaire.} 16. III.B.2) En déduire que, pour tout entier $n\geq 1$, il existe au plus un polynôme de degré $n$ qui commute avec $P_\alpha$. Déterminer $\mathcal{C}(X^2)$. 17. III.B.3) Soit $P$ un polynôme complexe de degré 2. Justifier l’existence et l’unicité de $U \in G$ et $\alpha\in\mathbb{C}$ tels que $U\circ P \circ U^{-1} = P_\alpha$. Déterminer ces deux éléments lorsque $P=T_2$. 18. III.B.4) Justifier que $\mathcal{C}(T_2) = \{-1/2\} \cup \{T_n,\ n\in\mathbb{N}\}$. 19. III.C.1) Montrer que les seuls complexes $\alpha$ tels que $\mathcal{C}(P_\alpha)$ contienne un polynôme de degré trois sont $0$ et $-2$. 20. III.C.2) En déduire le théorème de Block et Thielmann : si $(F_n)_{n\in\mathbb{N}}$ vérifie (III.1), alors il existe $U\in G$ tel que \[ \forall n \in \mathbb{N}^*,\quad F_n = U^{-1}\circ X^n \circ U \quad\text{ou}\quad\forall n \in \mathbb{N}^*,\; F_n = U^{-1}\circ T_n \circ U \] } 21. IV.A – Justifier qu’un élément $M$ de $\mathcal{M}_2(\mathbb{Z})$ appartient à $GL_2(\mathbb{Z})$ si et seulement si $|\det M| = 1$. 22. IV.B – On introduit les polynômes de Dickson de première et deuxième espèce, $(D_n)_{n\in\mathbb{N}}$ et $(E_n)_{n\in\mathbb{N}}$, définis sous la forme de fonctions polynomiales de deux variables par \[ D_0(x,a)=2,\ D_1(x,a)=x,\ E_0(x,a)=1,\ E_1(x,a)=x \] puis, pour tout entier $n\in\mathbb{N}$, \[ D_{n+2}(x,a) = x D_{n+1}(x,a) – a D_n(x,a) \quad\text{et}\quad E_{n+2}(x,a) = x E_{n+1}(x,a) – a E_n(x,a) \] Justifier la relation suivante avec les polynômes de Tchebychev \[ \forall (x,a)\in \mathbb{C}^2, \; D_n(2xa,a^2)=2 a^n T_n(x) \;\text{et}\; E_n(2xa,a^2) = a^n U_n(x) \] ainsi que les deux relations suivantes, valables pour tout entier naturel $n$ et tout $(x,a)\in \mathbb{C}^*\times\mathbb{C}$ \[ D_n\left(\frac{x+a}{x}, a\right) = x^n + \frac{a}{x^n} \] et \[ \left(\frac{x-a}{x}\right) E_n\left(\frac{x+a}{x}, a\right) = x^{n+1} – \frac{a}{x^{n+1}} \tag{IV.1} \] 23. IV.C.1) Soit $B\in GL_2(\mathbb{Z})$. On note, dans cette question uniquement, $\sigma = \text{Tr} B$ et $\nu = \det B$. Montrer pour tout $n\geq 2$, l’égalité \[ B^n = E_{n-1}(\sigma,\nu)\cdot B – \nu E_{n-2}(\sigma,\nu)\cdot I_2 \] où $I_2$ est la matrice identité d’ordre 2. Établir que $\text{Tr}(B^n) = D_n(\sigma,\nu)$. 24. IV.C.2) En déduire que si $A$ est une puissance $n$-ième ($n\geq 2$) dans $GL_2(\mathbb{Z})$, alors il existe $\sigma\in\mathbb{Z}$ et $\nu\in\{-1,1\}$ tels que \begin{itemize} \item[i.] $E_{n-1}(\sigma, \nu)$ divise $b$, $c$ et $a-d$. On justifiera brièvement que $E_{n-1}(\sigma, \nu)$ est bien un entier. \item[ii.] $\tau = D_n(\sigma, \nu)$ et $\delta = \nu^n$. \end{itemize} 25. IV.C.3) On va maintenant établir la réciproque.\\ Soit $A$ un élément de $GL_2(\mathbb{Z})$ pour lequel il existe $\sigma \in \mathbb{Z}$ et $\nu \in \{-1,1\}$ vérifiant les deux conditions précédentes i et ii. Pour simplifier, on note $p = E_{n-1}(\sigma, \nu)$. On définit alors une matrice $B = \begin{pmatrix} r & s \\ t & u \end{pmatrix}$ avec \[ r = \frac{1}{2}\left(\sigma + \frac{a-d}{p}\right) ,\quad s = \frac{b}{p} ,\quad t = \frac{c}{p} ,\quad u = \frac{1}{2}\left(\sigma – \frac{a-d}{p}\right) \] \begin{enumerate} \item[a)] En introduisant une racine complexe du polynôme $X^2-\sigma X + \nu$ et à l’aide de (IV.1), montrer que \[ \frac{\tau^2}{4} – \delta = p^2\left(\frac{\sigma^2}{4} – \nu\right) \] puis $ru-st = \nu$. En déduire que $B$ appartient à $GL_2(\mathbb{Z})$. \item[b)] Montrer que $A=B^n$. \end{enumerate}} 26. IV.C.4) Montrer que la matrice $A=\begin{pmatrix} 7 & 10 \\ 5 & 7\end{pmatrix}$ est un cube dans $GL_2(\mathbb{Z})$ et déterminer une matrice $B\in GL_2(\mathbb{Z})$ telle que $B^3=A$.}

FAQ

I.A.1 — Quels sont T_0, T_1, T_2 et T_3 ?

T_n désigne les polynômes de Tchebychev de première espèce caractérisés par T_n(cos θ)=cos(nθ). On en déduit immédiatement : T_0=1, T_1=X, T_2=2X^2-1 et T_3=4X^3-3X.

I.A.2 — Comment obtenir l’expression binomiale de T_n et comment la programmer en Maple/Mathematica ?

En partant de cos(nθ)=Re((e^{iθ})^n) et en écrivant cosθ = X = (e^{iθ}+e^{-iθ})/2 on développe ((e^{iθ})+(e^{-iθ}))^n puis on regroupe les termes en puissances de X ; on obtient bien T_n = sum_{0≤k≤n/2} binom(n,2k) (X^2-1)^k X^{n-2k}. Pour produire T_n développé : en Mathematica par exemple T[n_Integer]:=Expand[Sum[Binomial[n,2 k] (X^2-1)^k X^(n-2 k),{k,0,Floor[n/2]}]] (ou l’équivalent Expand[ChebyshevT[n,X]] si tu utilises la bibliothèque). En Maple la même somme avec binomial et expand fait l’affaire. Pour un corrigé détaillé pas à pas, débloque les corrigés sur Prépa Booster : tu y trouveras le développement et le code prêt à l’emploi.

I.A.3 — Quelle relation de récurrence vérifie (T_n) et que donne-t-elle sur le degré et le coefficient dominant ?

En utilisant l’identité trigonométrique pour cos((n+2)θ) on montre T_{n+2}=2X T_{n+1}-T_n (relation I.1). On en déduit par récurrence que deg(T_n)=n et, pour n≥1, le coefficient dominant vaut 2^{\,n-1} (pour T_0=1). Tu retrouves la même chose en lisant l’expression binomiale : le terme en X^n provient du choix k=0 et porte le coefficient 2^{n-1} pour n≥1.

I.A.4 — Les T_n sont-ils scindés sur R ? Quelles sont leurs racines ?

Oui. Écrire T_n(cos θ)=cos(nθ) montre que les racines réelles de T_n correspondent aux θ tels que cos(nθ)=0, soit nθ=(2ℓ+1)π/2. En prenant θ=(2k+1)π/(2n) pour k=0,…,n-1 on obtient les racines x_k=cos((2k+1)π/(2n)), toutes simples et situées dans ]-1,1[. Donc T_n est scindé sur R avec ces racines simples.

I.B.1 — Quelle formule relie U_n(cosθ) et sin((n+1)θ) ?

Par la même méthode trigonométrique on obtient pour θ∉πZ : U_n(cos θ)=sin((n+1)θ)/sin θ. C’est la définition usuelle des polynômes de Tchebychev de seconde espèce.

I.B.2 — Quelles propriétés déduire pour (U_n) ?

a) U_n satisfait la même récurrence I.1 : U_{n+2}=2X U_{n+1}-U_n (tu le montres en utilisant la formule en sinus). b) Les racines de U_n sont données par cos(kπ/(n+1)) pour k=1,…,n ; elles sont simples et appartiennent à ]-1,1[. Ainsi U_n est aussi scindé sur R.

II.A.1 — Quelles identités multiplicatives reliant T_m, T_n et U_n peut-on utiliser ?

Les identités classiques issues des produits trigonométriques sont : pour 0≤m≤n, T_m T_n = 1/2 (T_{n+m}+T_{n-m}) ; et pour 0≤m

II.A.2 a) — Si m

En utilisant l’identité T_n = 2 T_m T_{n-m} – T_{n-2m} (dérivée de la formule du produit), tu obtiens directement le premier pas de l’algorithme d’Euclide : Q_{n,m}=2 T_{n-m} et R_{n,m} = -T_{|n-2m|}. Cette écriture tient compte des degrés et permet d’itérer si nécessaire.

II.A.2 b) — Si n=(2p+1)m (p≥1), que valent Q_{n,m} et R_{n,m} ?

En itérant la relation de la question précédente on obtient une somme alternée. Si n=(2p+1)m alors la division s’annule au bout d’une étape supplémentaire : Q_{n,m} = 2∑_{j=1}^p (-1)^{j-1} T_{n-(2j-1)m} + (-1)^p, et R_{n,m}=0. L’idée est de poursuivre l’identité T_{k}=2T_m T_{k-m}-T_{k-2m} jusqu’à obtenir un reste de degré

II.A.2 c) — Formule générale du quotient et du reste quand n n’est pas un multiple impair de m ?

Si m>0 et n n’est pas le produit de m par un entier impair, il existe un unique p≥1 tel que |n-2pm|

II.B.1 — Comment trouver un pgcd de U_n et U_m dans R[X] ?

Les racines de U_n sont cos(kπ/(n+1)). En examinant les racines communes de U_n et U_m on voit que l’ensemble des racines communes correspond aux indices k tels que k/(n+1)=ℓ/(m+1) modulo 1, donc le plus grand commun diviseur des indices est h=gcd(m+1,n+1). On en déduit que U_{h-1} est un pgcd (unitaire à une constante près) de U_n et U_m dans R[X]. C’est une conclusion standard en utilisant l’interprétation trigonométrique.

II.B.2 — Quels pgcd pour T_n et T_m selon le pgcd g=gcd(m,n) et la parité des quotients m_1,n_1 ?

Soit g=gcd(m,n) et m_1=m/g, n_1=n/g. a) Si m_1 et n_1 sont impairs alors T_g est un pgcd de T_n et T_m (les racines se recoupent selon la même analyse trigonométrique et la propriété de composition T_{ab}=T_a∘T_b). b) Si l’un des deux quotients est pair alors T_n et T_m sont premiers entre eux (pgcd constant). c) En conséquence : si m et n sont impairs alors le pgcd vaut T_{gcd(m,n)} ; si n et m sont deux puissances de 2 distinctes alors les quotients m_1,n_1 ne sont pas tous deux impairs et les polynômes sont premiers entre eux.

III.A.1 — Pourquoi la famille (T_n) vérifie la propriété (III.1) ?

La propriété (III.1) est la compatibilité multiplicative F_{mn}=F_m∘F_n (ou l’inverse selon l’énoncé). Pour les Tchebychev on a l’identité de composition T_n∘T_m = T_{nm}, conséquence directe de T_n(cos θ)=cos(nθ) : T_n(T_m(cos θ))=cos(n(mθ))=T_{nm}(cos θ). Donc la famille (T_n) satisfait (III.1).

III.A.2 — Comment vérifier que G est un groupe pour la loi composition ?

Pour vérifier que G est un groupe pour la composition il faut : (i) la composition est associative (c’est vrai pour toutes les fonctions), (ii) l’élément neutre est la fonction identité Id(X)=X (qui appartient à G), (iii) tout élément de G possède un inverse pour la composition qui appartient encore à G (par construction de G on a des polynômes bijectifs sur C qui sont fermés par composition). Ces trois points suffisent à établir la structure de groupe.

III.B.1 — Si Q commute avec P_α, pourquoi Q est-il unitaire ?

Si Q∘P_α=P_α∘Q alors en comparant les degrés et les coefficients dominants on obtient des contraintes sur le coefficient dominant de Q : l’égalité des coefficients dominants force ce coefficient à être 1 (ou une racine de l’unité qui se réduit à 1 via l’analyse du coefficient). Ainsi Q est unitaire. Ce type d’argument sur les degrés et les coefficients dominants est standard en théorie des polynômes qui commutent.

III.B.2 — Pourquoi il existe au plus un polynôme de degré n qui commute avec P_α ? Quel est C(X^2) ?

L’unicité suit de l’argument précédent et d’une récurrence sur les coefficients : une fois fixé le degré il n’y a pas de liberté pour les coefficients si l’on impose la commutation. Pour P_α=X^2 (cas particulier α=0), la famille des polynômes qui commutent contient les puissances X^{2^k} (et les constantes) ; compte tenu de la contrainte d’unicité en degré donné on conclut que, à constantes multiplicatives près, les seuls polynômes unitaires qui commutent avec X^2 sont X^{2^k} (k∈N).

III.B.3 — Existence et unicité d’une conjugaison vers P_α ; cas P=T_2 : que trouve-t-on ?

Théoriquement, tout polynôme quadratique P est conjugué par un élément U∈G à un polynôme normalisé P_α (existence et unicité de α et de U à conjugaison compatible près). Pour P=T_2 on retrouve le paramètre particulier α=-1/2 et la conjugaison s’explique via la relation entre Tchebychev et la double-angle : T_2 est conjugué à la forme quadratique standard par un changement de variable adapté (le lecteur trouvera la construction explicite détaillée dans le corrigé complet).

III.B.4 — Quelle est la centrale C(T_2) ?

On obtient la description complète : C(T_2) = { -1/2 } ∪ { T_n, n∈N }. Autrement dit, les polynômes qui commutent avec T_2 sont ceux de la famille T_n plus le paramètre isolé -1/2 correspondant à la normalisation mentionnée précédemment.

III.C.1 — Quels α permettent que C(P_α) contienne un polynôme de degré 3 ?

L’analyse montre que les seuls paramètres α∈C pour lesquels la centrale C(P_α) contient un polynôme de degré 3 sont α=0 et α=-2. Cette classification s’obtient en étudiant les contraintes algébriques imposées par la commutation et en utilisant des arguments de degré et de coefficients.

III.C.2 — Qu’énonce le théorème de Block et Thielmann pour une suite (F_n) vérifiant (III.1) ?

Le théorème affirme la classification suivante : si (F_n) vérifie la propriété multiplicative (III.1), alors il existe U∈G tel que l’une des deux situations tient pour tout n≥1 : soit F_n = U^{-1}∘X^n∘U (cas ‘exponentiel’), soit F_n = U^{-1}∘T_n∘U (cas ‘Tchebychev’). Autrement dit toute suite multiplicative de polynômes est, à conjugaison par un élément de G près, issue des puissances X^n ou des polynômes de Tchebychev.

IV.A — Quand une matrice entière 2×2 appartient-elle à GL_2(Z) ?

Une matrice M à coefficients entiers appartient à GL_2(Z) (c’est‑à‑dire est inversible dans M_2(Z)) si et seulement si son déterminant est ±1. En effet l’inverse d’une matrice entière existe et est entière exactement quand det(M) divise 1 dans Z, donc |det M|=1.

IV.B — Quels liens entre polynômes de Dickson D_n,E_n et Tchebychev T_n,U_n ? Quelles identités utiles ?

Les polynômes de Dickson vérifient la même récurrence que les Tchebychev mais à deux variables (x,a). On a les relations standard : D_n(2 a x,a^2)=2 a^n T_n(x) et E_n(2 a x,a^2)=a^n U_n(x). Les deux identités algébriques utiles (IV.1) sont D_n((x+a)/x,a)=x^n + a/x^n, ((x-a)/x) E_n((x+a)/x,a)=x^{n+1}-a/x^{n+1}, que l’on obtient en traitant les récurrences et en travaillant avec les racines de X^2-σX+ν comme le montre l’énoncé. Ces relations sont pratiques pour manipuler puissances de matrices 2×2.

IV.C.1 — Formule pour B^n en fonction des polynômes E_n et D_n et trace de B^n ?

Soit B∈GL_2(Z) de trace σ et déterminant ν. L’application de la relation de récurrence (ou du théorème de Cayley–Hamilton) donne pour n≥2 : B^n = E_{n-1}(σ,ν) B – ν E_{n-2}(σ,ν) I_2, et par prise de trace Tr(B^n)=D_n(σ,ν). Ces identités sont obtenues en résolvant la récurrence matricielle imposée par Cayley–Hamilton.

IV.C.2 — Si A est une n-ième puissance dans GL_2(Z), quelles conditions arithmétiques satisfont ses coefficients ?

Si A=B^n avec n≥2 et si σ=Tr(B)∈Z, ν=det(B)=±1, alors en posant p=E_{n-1}(σ,ν) on obtient : i) p divise b,c et a-d (les relations matricielles montrent ces divisibilités) ; on vérifie que p∈Z par récurrence sur la définition des E_n. ii) la trace τ=Tr(A) vaut D_n(σ,ν) et le déterminant δ=det(A)=ν^n. Ces conditions sont nécessaires et seront utilisées pour la réciproque.

IV.C.3 — Réciproque : construction de B à partir de A, σ, ν et p=E_{n-1}(σ,ν) ; que montre-t-on ?

En posant p=E_{n-1}(σ,ν) et en définissant B= [[r,s],[t,u]] avec r=(σ+(a-d)/p)/2, s=b/p, t=c/p, u=(σ-(a-d)/p)/2, on vérifie via l’utilisation d’une racine du polynôme X^2-σX+ν et des identités de Dickson (IV.1) que ru-st=ν (donc det B=ν=±1) et finalement que B^n=A. On conclut que les conditions i) et ii) de la question précédente sont aussi suffisantes pour qu’A soit une puissance n-ième dans GL_2(Z).

IV.C.4 — L’exemple A=[[7,10],[5,7]] : est-ce un cube dans GL_2(Z) ? Quel B tel que B^3=A ?

Oui. Calcul rapide : Tr(A)=14 et det(A)=-1. On cherche σ et ν tels que D_3(σ,ν)=14 et ν^3=-1, on trouve σ=2 et ν=-1. Alors p=E_2(2,-1)=5 divise bien b=10,c=5 et a-d=0. En appliquant la formule de la question précédente on obtient B = [[r,s],[t,u]] = [[1,2],[1,1]]. Vérification : B∈GL_2(Z) (det(B)=-1) et un calcul direct donne B^3 = [[7,10],[5,7]] = A.

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