Ivan Shishkin, Rye (1878)

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Somme des zéros de P(k)P^{(k)}

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Solution by Uettechat · FR

  1. Soit P∈C[X]P \in \mathbb{C}[X], on note aka_{k} ses coefficients.
    Comme tout polynôme de C[X]\mathbb{C}[X] est scindé sur C\mathbb{C}, et comme ∀k=1,...,n,P(k)∈C[X]\forall k=1,...,n, P^{(k)}\in\mathbb{C}[X], toutes les dérivées de PP sont scindées sur C\mathbb{C}.

Par récurrence immédiate, on établit que le jj-ième coefficient de P(k)P^{(k)} est (j+k)!j!aj+k\frac{(j+k)!}{j!} a_{j+k}
On peut alors utiliser les formules de Viète:
si x1,...,xn−k sont les racines compteˊes avec leur ordre de multipliciteˊ de P(k),αk=∑i=1nxi=−an−1an\text{si } x_{1},...,x_{n-k} \text{ sont les racines comptées avec leur ordre de multiplicité de } P^{(k)}, \alpha_{k}=\sum_{i=1}^{n}x_{i}=-\frac{a_{n-1}}{a_{n}}Donc αk=−(n−1)!(n−k−1)!an−1n!(n−k)!an=−n−knan−1an\alpha_{k}=-\frac{\frac{(n-1)!}{(n-k-1)!} a_{n-1}}{\frac{n!}{(n-k)!} a_{n}}=-\frac{n-k}{n}\frac{a_{n-1}}{a_{n}}
Donc ak+1−ak=1n×an−1an=ra_{k+1}-a_{k}=\frac{1}{n} \times \frac{a_{n-1}}{a_{n}}=r.
Donc (α1,...,αn−1)(\alpha_{1},...,\alpha_{n-1}) est bien une suite arithmétique de raison r=1n×an−1anr=\frac{1}{n} \times \frac{a_{n-1}}{a_{n}}.

  1. Dans le cas où P∈R[X]P\in\mathbb{R}[X], montrons P scindeˊ sur R  ⟹  (α1,...,αn−1) suite arithmeˊtiqueP \text{ scindé sur } \mathbb{R} \implies (\alpha_{1},...,\alpha_{n-1}) \text{ suite arithmétique}.
    Pour cela, il faut montrer que si PP scindé sur R\mathbb{R}, alors ses dérivées le sont également.

Comme PP scindé de degré nn, on note
P=∏i=1r(X−xi)λiP=\prod_{i=1}^{r}(X-x_{i})^{\lambda_{i}}, où les xix_{i} sont les racines et les λi≥1\lambda_{i}\geq 1 est le degré de multiplicité de la racine xix_{i}.
Il vient que l’on connait certaines racines de P′P', qui sont celles avec un degré de multplicité supérieur à 2. De plus, chaque racine perd un degré de multiplicité en dérivant.
Il vient que l’on connait ∑i=1r(λi−1)=∑i=1rλi−r=n−r\sum_{i=1}^{r} (\lambda_{i}-1)=\sum_{i=1}^{r} \lambda_{i} - r=n-r racines de P′P' en comptant leur degré de multiplicité.
Pour trouver les r−1r-1 racines restantes, comme PP est dérivable sur R\mathbb{R}, on utilise r−1r-1 fois le théorème de Rolle entre les racines xix_{i} de PP.
Il vient que l’on trouve l’existence de (x1′,...,xr−1′)(x'_{1},...,x'_{r-1}) vérifiant:
∀i=1,...,r−1,xi<xi′<xi+1 et P′(xi′)=0\forall i=1,...,r-1, x_{i}<x'_{i}<x_{i+1} \text{ et } P'(x'_{i})=0On a trouvé n−1n-1 racines de P′P' en comptant le degré de multplicité et P′P' de degré n−1n-1, donc P′P' est scindé sur R\mathbb{R}.
Le reste de la démonstration est analogue au cas où P∈C[X]P\in \mathbb{C}[X], il vient donc que (α1,...,αn−1)(\alpha_{1},...,\alpha_{n-1}) est une suite arithmétique.

La réciproque cependant, est fausse: en considérant le polynôme Q=X3+XQ=X^{3}+X, où 0,i,−i0,i,-i sont racines, donc non scindé sur R\mathbb{R},
α1=03=0\alpha_{1}=\frac{0}{3}=0α2=06=0\alpha_{2}=\frac{0}{6}=0La suite (α1,α2)(\alpha_{1}, \alpha_{2}) est bien arithmétique de raison 00, mais QQ n’est pas scindé sur R\mathbb{R}

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