ℂ
Fiche de révision Maths expertes

Approfondissements

Chapitre 31 — démontrer le théorème de d'Alembert–Gauss : tout polynôme complexe non constant admet une racine dans $\mathbb{C}$.

Jean le Rond d'Alembert (1717–1783), Carl Friedrich Gauss (1777–1855), Jean Robert Argand (1768–1822).

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Chapitre 31 Vue d'ensemble

Au programme

L'argument global
  • Continuité de $z\longmapsto|P(z)|$, comportement à l'infini
  • Existence d'un minimum de $|P|$ sur $\mathbb{C}$
L'argument local
  • Lemme de d'Alembert–Argand
  • Théorème de d'Alembert–Gauss, factorisation totale
L'idée forte

$|P|$ atteint un minimum sur $\mathbb{C}$, et un minimum de $|P|$ ne peut être qu'une racine de $P$.

Partie 1 Le plan de la preuve

L'idée directrice

Deux étapes

Soit $P$ un polynôme à cœfficients complexes non constant. On montre :

  • que $z\longmapsto|P(z)|$ admet un minimum sur $\mathbb{C}$, atteint en un point $z_0$ ;
  • que si $P(z_0)\neq 0$, il existe $z_1$ tel que $|P(z_1)|\lt|P(z_0)|$.
Conclusion

Les deux résultats sont incompatibles si $P$ ne s'annule pas : le minimum $z_0$ est donc une racine de $P$.

Partie 1 L'outil de base

Continuité de $z\longmapsto|P(z)|$

Définition (admise)

La fonction $\varphi : z\longmapsto |P(z)|$ est continue sur $\mathbb{C}$ : pour tout $z_0\in\mathbb{C}$ et tout $\varepsilon>0$, il existe $\eta>0$ tel que

$$|z-z_0|\lt\eta\Longrightarrow\bigl||P(z)|-|P(z_0)|\bigr|\lt\varepsilon.$$
Pourquoi c'est vrai

$|P(z)-P(z_0)|$ devient aussi petit qu'on veut quand $|z-z_0|$ est petit, puis l'inégalité triangulaire renversée donne $\bigl||P(z)|-|P(z_0)|\bigr|\leqslant|P(z)-P(z_0)|$.

Partie 1 ★ Lemme 1

$|P(z)|$ pour $|z|$ grand

Lemme

Soit $P(z)=a_nz^n+\cdots+a_1z+a_0$, de degré $n\geqslant 1$ ($a_n\neq 0$). Pour tout réel $A>0$, il existe un réel $R>0$ tel que

$$|z|>R\Longrightarrow|P(z)|>A.$$
En condensé

$\displaystyle\lim_{|z|\to+\infty}|P(z)|=+\infty$ : c'est l'analogue complexe du comportement à l'infini d'un polynôme réel non constant.

Partie 1 La démonstration

Lemme 1 : factoriser par $a_nz^n$

Méthode
  • Écrire $P(z)=a_nz^n\bigl(1+\psi(z)\bigr)$ avec $\psi(z)=\dfrac{a_{n-1}}{a_nz}+\cdots+\dfrac{a_0}{a_nz^n}$.
  • Avec $M=\displaystyle\sum_{k=1}^{n}\frac{|a_{n-k}|}{|a_n|}$ : pour $|z|\geqslant 1$, $|\psi(z)|\leqslant\dfrac{M}{|z|}$ (car $|z|^k\geqslant|z|$).
  • Pour $|z|\geqslant R_1=\max(1,2M)$ : $|\psi(z)|\leqslant\frac12$, donc $|1+\psi(z)|\geqslant\frac12$.
$$|z|\geqslant R_1\Longrightarrow|P(z)|\geqslant\frac{|a_n|}{2}\,|z|^n$$
Pour finir

On choisit $R\geqslant R_1$ assez grand pour que $\dfrac{|a_n|}{2}R^n\geqslant A$ : alors $|z|>R$ donne $|P(z)|>A$.

Partie 1 Exemple résolu

Le lemme 1 sur un exemple

$P(z)=z^2-2z+5$

Ici $a_2=1$, donc $M=|-2|+|5|=7$ et $R_1=\max(1,14)=14$.

$$|z|\geqslant 14\Longrightarrow|P(z)|\geqslant\frac{|z|^2}{2}\geqslant 98$$

Hors du disque de rayon $14$, $|P|$ dépasse $98$ : le minimum de $|P|$, s'il existe, est à chercher dans ce disque.

Contrôle

Les racines $1\pm 2i$ sont de module $\sqrt5\lt 14$ : elles sont bien dans le disque.

Partie 1 Le résultat admis

Minimum sur un disque fermé

Théorème (admis)

Soit $f:\mathbb{C}\to\mathbb{R}$ continue et $R>0$. Sur le disque fermé $\overline{D}(0,R)=\{z\in\mathbb{C}\mid|z|\leqslant R\}$, $f$ admet un minimum :

$$\exists\, z_0\in\overline{D}(0,R),\ \forall z\in\overline{D}(0,R),\quad f(z_0)\leqslant f(z).$$
Analogie

C'est le pendant, dans le plan complexe, du théorème des bornes pour une fonction continue sur un segment $[a,b]$.

Partie 1 ★ Propriété

Minimum global de $|P|$ sur $\mathbb{C}$

Propriété

Si $P$ est non constant, il existe $z_0\in\mathbb{C}$ tel que

$$\forall z\in\mathbb{C},\quad|P(z_0)|\leqslant|P(z)|.$$
Méthode en trois étapes
  • Poser $m_0=|P(0)|$ ; le lemme 1 avec $A=m_0+1$ donne $R\geqslant 1$ tel que $|z|>R\Rightarrow|P(z)|>m_0$.
  • Sur $\overline{D}(0,R)$, le théorème admis donne $z_0$ ; comme $0$ est dans le disque, $|P(z_0)|\leqslant m_0$.
  • Hors du disque, $|P(z)|>m_0\geqslant|P(z_0)|$ : $z_0$ est un minimum sur tout $\mathbb{C}$.
Partie 2 ★ Le cœur de la preuve

Le lemme de d'Alembert–Argand

Lemme

Soit $P$ de degré $n\geqslant 1$ et $z_0\in\mathbb{C}$. Si $P(z_0)\neq 0$, alors il existe $z_1\in\mathbb{C}$ tel que

$$|P(z_1)|\lt|P(z_0)|.$$
En clair

Là où $P$ ne s'annule pas, on peut toujours faire strictement diminuer $|P|$ en se déplaçant un peu : un point où $P\neq 0$ n'est jamais un minimum.

Partie 2 Étapes 1 et 2

Développer $P$ au voisinage de $z_0$

Étape 1

$Q(h)=P(z_0+h)$ est un polynôme en $h$ de degré $n$ :

$$P(z_0+h)=c_0+c_1h+\cdots+c_nh^n,\qquad c_0=P(z_0)\neq 0,\ c_n\neq 0.$$
Étape 2

Soit $k\geqslant 1$ le plus petit indice tel que $c_k\neq 0$. On factorise :

$$P(z_0+h)=c_0+c_kh^k\bigl(1+r(h)\bigr),$$

où $r$ est un polynôme en $h$ sans terme constant : $r(0)=0$ (et $r=0$ si $k=n$).

Partie 2 Étape 3

Choisir la direction de $h$

Opposer $c_kh^k$ à $c_0$

On pose $u=-\dfrac{c_0}{c_k}=|u|e^{i\theta}$ et, pour $t>0$, $h=t\,e^{i\theta/k}$. Avec $\lambda=\dfrac{t^k}{|u|}>0$ :

$$c_kh^k=-\lambda c_0\quad\text{donc}\quad P(z_0+h)=c_0\bigl[(1-\lambda)-\lambda r(h)\bigr].$$
0 c₀ (1−λ) c₀ −λ c₀

La correction $c_kh^k$ pointe vers l'origine : le point se rapproche de $0$.

Partie 2 Étapes 4 et 5

La majoration pour $t$ petit

Choix de $t$

Par continuité, il existe $\eta>0$ tel que $|h|\lt\eta\Rightarrow|r(h)|\lt\frac12$. On prend

$$t=\min\!\left(\frac{\eta}{2},\ \frac{|u|^{1/k}}{2}\right),\quad\text{d'où}\quad 0\lt\lambda\lt 1.$$
Conclusion

Par inégalité triangulaire, $|(1-\lambda)-\lambda r(h)|\lt 1-\frac{\lambda}{2}$, donc avec $z_1=z_0+h$ :

$$|P(z_1)|\lt|P(z_0)|\left(1-\frac{\lambda}{2}\right)\lt|P(z_0)|.$$
Partie 2 Exemple résolu

Argand sur $P(z)=z^2+1$ en $z_0=0$

Exemple

$P(0+h)=1+h^2$ : $c_0=1$, $c_1=0$, $c_2=1$, donc $k=2$ et $r=0$. Puis $u=-1=e^{i\pi}$, $\theta=\pi$ et $h=t\,e^{i\pi/2}=it$ :

$$P(it)=1-t^2,\qquad |P(it)|=1-t^2\lt 1=|P(0)|\quad\text{pour } 0\lt t\lt 1.$$
La direction compte

Sur l'axe réel, $P(t)=1+t^2>1$ : $|P|$ augmente. Il faut tourner de $\theta/k=\pi/2$ pour que $c_2h^2$ s'oppose à $c_0$.

Partie 3 ★ Le théorème

Le théorème de d'Alembert–Gauss

Théorème

Tout polynôme à cœfficients complexes, non constant, admet au moins une racine dans $\mathbb{C}$ :

$$\deg P=n\geqslant 1\Longrightarrow\exists\, z^*\in\mathbb{C},\quad P(z^*)=0.$$
Preuve par l'absurde

Soit $z_0$ un minimum de $|P|$ sur $\mathbb{C}$. Si $P(z_0)\neq 0$, Argand fournit $z_1$ avec $|P(z_1)|\lt|P(z_0)|$ : contradiction. Donc $P(z_0)=0$.

Partie 3 Prendre du recul

Un argument global, un argument local

Global

Le lemme 1 et le théorème admis assurent l'existence d'un point où $|P|$ est minimal : le lemme 1 confine la recherche dans un disque fermé.

Local

Le lemme de d'Alembert–Argand montre qu'un tel point ne peut être qu'une racine de $P$.

À retenir

On l'appelle aussi théorème fondamental de l'algèbre. C'est un théorème d'existence : il ne donne aucun procédé de calcul d'une racine.

Partie 3 ★ Corollaire

Factorisation totale dans $\mathbb{C}$

Corollaire

Tout polynôme $P$ de degré $n\geqslant 1$, de cœfficient dominant $a_n$, s'écrit

$$\forall z\in\mathbb{C},\quad P(z)=a_n\prod_{j=1}^{n}(z-z_j),$$

où $z_1,\dots,z_n$ sont les racines de $P$, comptées avec leur multiplicité.

Preuve par récurrence sur $n$

D'Alembert–Gauss donne une racine $z_{n+1}$, d'où $P(z)=(z-z_{n+1})Q(z)$ avec $\deg Q=n$ et même cœfficient dominant ; on applique l'hypothèse de récurrence à $Q$.

Partie 3 Exemples résolus

Exactement $n$ racines

Racines distinctes
$$z^2-2z+5=(z-1-2i)(z-1+2i)\qquad z^4-1=(z-1)(z+1)(z-i)(z+i)$$

Sans racine réelle, $z^2-2z+5$ a bien ses $2$ racines dans $\mathbb{C}$ ; $z^4-1$ en a $4$.

Avec multiplicité
$$z^3-3z+2=(z-1)^2(z+2)$$

Deux racines distinctes, mais trois comptées avec multiplicité : $1$ (double) et $-2$.

Synthèse À revoir 5 min avant

Mémo express

Lemme 1$\displaystyle\lim_{|z|\to+\infty}|P(z)|=+\infty$
Minoration clé$|z|\geqslant R_1\Rightarrow|P(z)|\geqslant\frac{|a_n|}{2}|z|^n$
Minimum$\exists\, z_0,\ \forall z,\ |P(z_0)|\leqslant|P(z)|$
Argand$P(z_0)\neq 0\Rightarrow\exists\, z_1,\ |P(z_1)|\lt|P(z_0)|$
Direction$h=t\,e^{i\theta/k}$, $\ \theta=\arg\left(-\frac{c_0}{c_k}\right)$
Factorisation$P(z)=a_n\prod_{j=1}^{n}(z-z_j)$
Vigilance Le jour J

Les pièges à éviter

Piège
  • L'hypothèse non constant est indispensable : $P(z)=3$ n'a aucune racine.
  • Le théorème admis vaut sur un disque fermé, pas sur $\mathbb{C}$ : $z\longmapsto\frac{1}{1+|z|}$ est continue mais n'a pas de minimum sur $\mathbb{C}$. D'où le lemme 1.
  • Dans Argand, la direction de $h$ compte : avec $h$ réel, $|1+h^2|$ augmente.
  • « Exactement $n$ racines » : comptées avec multiplicité ; distinctes, il y en a au plus $n$.
  • Théorème d'existence : il ne dit pas comment calculer les racines.
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Quiz éclair

Q1Quelles sont les deux étapes de la preuve de d'Alembert–Gauss ?
$|P|$ admet un minimum en $z_0$ ; si $P(z_0)\neq 0$, Argand fait mieux : contradiction.
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Q2À quoi sert le lemme sur $|P(z)|$ pour $|z|$ grand ?
À ramener la recherche du minimum à un disque fermé $\overline{D}(0,R)$.
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Q3Pour $P(z)=z^2+1$ en $z_0=0$, dans quelle direction faut-il partir ?
$h=it$ : $|P(it)|=1-t^2\lt 1$ pour $0\lt t\lt 1$.
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Q4Combien de racines a $z^3-3z+2$ dans $\mathbb{C}$ ?
Trois comptées avec multiplicité : $(z-1)^2(z+2)$, soit $1$ double et $-2$.
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