QCM : Polynômes et fractions rationnelles — 25 questions

Questions et réponses du QCM

1. Quels mathématiciens de la Renaissance italienne ont résolu les équations générales de degrés 3 et 4 ?

Abel, Galois, Al-Khayyam et Al-Khwarizmi
Babylone, Cardan, Abel et Ferrari
Cardan, Del Ferro, Ferrari et Tartaglia
Tartaglia, Galois, Newton et Al-Khwarizmi

Cardan, Del Ferro, Ferrari et Tartaglia

Explication

L’école italienne de la Renaissance, représentée par Cardan, Del Ferro, Ferrari et Tartaglia, a résolu les équations générales du troisième et du quatrième degré. Abel et Galois appartiennent à une période ultérieure et ont travaillé sur le degré cinq.

2. Quelle avancée Abel et Galois ont-ils établie au début du XIXe siècle concernant les équations de degré 5 ?

Les équations de degré 5 se résolvent par les méthodes du troisième degré
Toute équation de degré 5 possède une solution entière calculable
Toute équation de degré 5 admet une factorisation en facteurs linéaires réels
L’équation générale de degré 5 n’est pas résoluble par radicaux

L’équation générale de degré 5 n’est pas résoluble par radicaux

Explication

Abel et Galois ont montré que l’équation générale de degré 5 n’est pas résoluble par radicaux, résultat qui a contribué à fonder la théorie des corps. La résolution par radicaux caractérise les degrés étudiés par l’école italienne, mais ne s’étend pas au cas général du degré cinq.

3. Laquelle des expressions respecte la définition d’un polynôme en l’indéterminée X à coefficients dans K ?

P(X)=∑k=0nakXkP(X)=\sum_{k=0}^{n}a_kX^k avec des coefficients nécessairement entiers
P(X)=∑k=0nakXkP(X)=\sum_{k=0}^{n}a_kX^k avec ak∈Ka_k\in K et K=RK=\mathbb R ou C\mathbb C
P(X)=1X+∑k=0nakXkP(X)=\frac{1}{X}+\sum_{k=0}^{n}a_kX^k avec un exposant négatif autorisé
P(x)=∑k=0nakxkP(x)=\sum_{k=0}^{n}a_kx^k après avoir attribué une valeur numérique à x

$$P(X)=\sum_{k=0}^{n}a_kX^k$$ avec $$a_k\in K$$ et $$K=\mathbb R$$ ou $$\mathbb C$$

Explication

Un polynôme est une expression formelle en X de la forme ∑k=0nakXk\sum_{k=0}^{n}a_kX^k, avec des coefficients dans R\mathbb R ou C\mathbb C. Une expression évaluée en x n’est plus une indéterminée formelle, et les puissances négatives ne font pas partie de cette définition.

4. Comment additionne-t-on les polynômes P(X)=2X2+3X−1P(X)=2X^2+3X-1 et Q(X)=5X2−X+4Q(X)=5X^2-X+4 ?

En regroupant les coefficients selon leurs valeurs numériques croissantes
En additionnant les coefficients associés aux mêmes puissances de X
En multipliant chaque coefficient de P par celui de Q de même degré
En additionnant chaque terme de P avec tous les termes de Q

En additionnant les coefficients associés aux mêmes puissances de X

Explication

L’addition polynomiale consiste à regrouper les termes portant la même puissance de X, ce qui donne ici 7X2+2X+37X^2+2X+3. La multiplication, et non l’addition, utilise la distributivité entre tous les termes.

5. Dans le produit de deux polynômes, comment calcule-t-on le coefficient ctc_t de XtX^t ?

ct=atbtc_t=a_tb_t pour chaque puissance t
ct=∑k=0takbkc_t=\sum_{k=0}^{t}a_kb_k
ct=∑k=0n+pakbt+kc_t=\sum_{k=0}^{n+p}a_kb_{t+k}
ct=∑k=0takbt−kc_t=\sum_{k=0}^{t}a_kb_{t-k}

$$c_t=\sum_{k=0}^{t}a_kb_{t-k}$$

Explication

Le coefficient de XtX^t est obtenu en additionnant tous les produits de coefficients dont les indices ont pour somme t, soit ct=∑k=0takbt−kc_t=\sum_{k=0}^{t}a_kb_{t-k}. Le produit terme à terme ne tient pas compte des contributions croisées nécessaires à la distributivité.

6. Quel est le degré du polynôme P(X)=4X5−2X3+7P(X)=4X^5-2X^3+7 ?

5
3
7
−∞-\infty

5

Explication

Le degré est l’exposant du terme de plus haut degré dont le coefficient est non nul ; ici, le terme dominant est 4X54X^5. La valeur −∞-\infty est réservée par convention au polynôme nul, qui n’est pas celui donné.

7. Si deg⁡(P)=3\deg(P)=3 et deg⁡(Q)=5\deg(Q)=5, quelles informations sont nécessairement vraies pour le produit et la somme ?

deg⁡(PQ)=8\deg(PQ)=8 et deg⁡(P+Q)=5\deg(P+Q)=5
deg⁡(PQ)≤8\deg(PQ)\leq8 et deg⁡(P+Q)=15\deg(P+Q)=15
deg⁡(PQ)=5\deg(PQ)=5 et deg⁡(P+Q)=3\deg(P+Q)=3
deg⁡(PQ)=15\deg(PQ)=15 et deg⁡(P+Q)=8\deg(P+Q)=8

$$\deg(PQ)=8$$ et $$\deg(P+Q)=5$$

Explication

Le degré du produit est la somme des degrés, donc deg⁡(PQ)=3+5=8\deg(PQ)=3+5=8. Comme les degrés de P et Q sont différents, le terme de degré 5 ne peut pas être annulé dans la somme, d’où deg⁡(P+Q)=5\deg(P+Q)=5.

8. Que peut-on conclure lorsque deg⁡(P)=4\deg(P)=4 et deg⁡(Q)=2\deg(Q)=2 ?

deg⁡(P+Q)\deg(P+Q) peut être inférieur à 2, car tout terme dominant s’annule
deg⁡(P+Q)=2\deg(P+Q)=2, car le plus petit degré domine la somme
deg⁡(P+Q)=6\deg(P+Q)=6, car les degrés s’additionnent dans une somme
deg⁡(P+Q)=4\deg(P+Q)=4, car les degrés sont différents

$$\deg(P+Q)=4$$, car les degrés sont différents

Explication

Lorsque les degrés sont différents, le terme de plus haut degré ne possède aucun terme de même degré dans l’autre polynôme pour s’annuler ; ainsi deg⁡(P+Q)=max⁡(4,2)=4\deg(P+Q)=\max(4,2)=4. L’annulation du terme dominant peut se produire lorsque les deux polynômes ont le même degré.

9. Quelle propriété caractérise la division euclidienne de A(X)A(X) par un polynôme non nul B(X)B(X) ?

Il existe une factorisation de A par B dès que B(X)≠0B(X)\neq0, sans condition sur le reste
Il existe un couple de quotients tel que A(X)=B(X)+Q(X)+R(X)A(X)=B(X)+Q(X)+R(X) et deg⁡(R)=deg⁡(B)\deg(R)=\deg(B)
Il existe un unique couple (Q(X),R(X))\bigl(Q(X),R(X)\bigr) tel que A(X)=B(X)Q(X)+R(X)A(X)=B(X)Q(X)+R(X) et deg⁡(R)<deg⁡(B)\deg(R)<\deg(B)
Il existe un unique reste tel que A(X)=B(X)R(X)+Q(X)A(X)=B(X)R(X)+Q(X) et deg⁡(Q)<deg⁡(B)\deg(Q)<\deg(B)

Il existe un unique couple $$\bigl(Q(X),R(X)\bigr)$$ tel que $$A(X)=B(X)Q(X)+R(X)$$ et $$\deg(R)<\deg(B)$$

Explication

La division euclidienne fournit un quotient et un reste uniques vérifiant A(X)=B(X)Q(X)+R(X)A(X)=B(X)Q(X)+R(X), avec deg⁡(R)<deg⁡(B)\deg(R)<\deg(B). Le fait que B soit non nul garantit cette décomposition, mais n’implique pas que B divise A ni que le reste soit nul.

10. Pour un polynôme P(X)P(X) à coefficients dans un corps KK, quelle condition caractérise le fait que a∈Ka\in K soit une racine de PP ?

Le degré de PP vaut aa.
Le coefficient dominant de PP vaut aa.
On a P(a)=0P(a)=0.
On a P(a)=1P(a)=1.

On a $$P(a)=0$$.

Explication

Un élément aa est une racine lorsque l’évaluation du polynôme en ce point donne zéro. Les autres conditions concernent une valeur différente ou des caractéristiques sans lien avec la définition d’une racine.

11. Quelle propriété est équivalente à l’égalité P(a)=0P(a)=0 pour un polynôme P(X)P(X) ?

Le polynôme X+aX+a divise P(X)P(X).
Le polynôme X−aX-a divise P(X)P(X).
Le polynôme X2−aX^2-a divise P(X)P(X).
Le polynôme constant aa divise P(X)P(X).

Le polynôme $$X-a$$ divise $$P(X)$$.

Explication

Le théorème du facteur affirme que P(a)=0P(a)=0 équivaut à la divisibilité de P(X)P(X) par X−aX-a. Une factorisation par les autres polynômes proposés ne traduit pas cette racine précise.

12. Un nombre aa est-il une racine de multiplicité exactement mm lorsque quelle condition est satisfaite ?

P(X)P(X) est divisible par (X−a)m(X-a)^m mais pas par (X−a)m+1(X-a)^{m+1}.
P(X)P(X) possède exactement mm racines distinctes.
P(X)P(X) est divisible par X−aX-a et par X+aX+a.
P(X)P(X) est divisible par (X−a)m+1(X-a)^{m+1} mais pas par (X−a)m(X-a)^m.

$$P(X)$$ est divisible par $$(X-a)^m$$ mais pas par $$(X-a)^{m+1}$$.

Explication

La multiplicité mesure la plus grande puissance de X−aX-a qui divise le polynôme, d’où la divisibilité par (X−a)m(X-a)^m et l’absence de divisibilité par la puissance suivante. Elle ne correspond ni au nombre total de racines ni à la présence de X+aX+a.

13. Si un polynôme à coefficients réels possède une racine complexe non réelle aa, quelle autre propriété doit-elle vérifier ?

Son opposé −a-a est aussi racine, avec une multiplicité différente.
Sa partie réelle est nécessairement racine, avec une multiplicité différente.
Son conjugué a‾\overline a est aussi racine, avec la même multiplicité.
Son carré a2a^2 est nécessairement racine, avec la même multiplicité.

Son conjugué $$\overline a$$ est aussi racine, avec la même multiplicité.

Explication

Les coefficients réels imposent que les racines complexes non réelles apparaissent par paires conjuguées et avec des multiplicités égales. Cette propriété ne s’étend pas automatiquement à l’opposé, au carré ou à la partie réelle.

14. Quelle condition définit un polynôme irréductible sur un corps KK ?

Il a un degré nul et se factorise en deux polynômes non constants.
Il possède un degré positif et admet plusieurs factorisations distinctes.
Il est constant et ne possède aucune racine dans KK.
Il a un degré positif et ne se factorise pas en polynômes de degrés strictement inférieurs.

Il a un degré positif et ne se factorise pas en polynômes de degrés strictement inférieurs.

Explication

L’irréductibilité exige un degré strictement positif et l’impossibilité d’une factorisation en facteurs de degrés plus petits. Un polynôme constant est exclu par la condition sur le degré, quelle que soit sa valeur.

15. Pourquoi le polynôme X2+X+1X^2+X+1 est-il irréductible dans R[X]\mathbb{R}[X] mais réductible dans C[X]\mathbb{C}[X] ?

Son discriminant est positif dans R\mathbb{R}, tandis qu’il devient constant dans C\mathbb{C}.
Il est de degré un dans R[X]\mathbb{R}[X], tandis qu’il est de degré deux dans C[X]\mathbb{C}[X].
Son discriminant est négatif dans R\mathbb{R}, tandis qu’il possède deux racines complexes conjuguées dans C\mathbb{C}.
Il n’a aucune racine dans C\mathbb{C}, tandis qu’il possède deux racines réelles dans R\mathbb{R}.

Son discriminant est négatif dans $$\mathbb{R}$$, tandis qu’il possède deux racines complexes conjuguées dans $$\mathbb{C}$$.

Explication

Un discriminant négatif empêche une factorisation en facteurs linéaires réels, alors que les racines complexes conjuguées permettent une factorisation dans C[X]\mathbb{C}[X]. Les autres propositions inversent les propriétés des corps ou les degrés.

16. Comment s’exprime l’unicité de la factorisation d’un polynôme non constant dans K[X]K[X] ?

Elle autorise plusieurs coefficients dominants pour un même polynôme.
Elle dépend du choix d’un ordre fixe pour les racines du polynôme.
Elle impose un ordre croissant des degrés des facteurs irréductibles.
Elle est unique à l’ordre près des facteurs irréductibles unitaires.

Elle est unique à l’ordre près des facteurs irréductibles unitaires.

Explication

La factorisation est déterminée par le coefficient dominant et les puissances de facteurs irréductibles unitaires, avec une liberté de permutation des facteurs. Changer leur ordre ne produit donc pas une nouvelle factorisation essentielle.

17. Quelle affirmation décrit les polynômes irréductibles de C[X]\mathbb{C}[X] ?

Ce sont les polynômes de degré strictement supérieur à deux, donc les facteurs linéaires sont réductibles.
Ce sont les polynômes de degré deux à discriminant négatif, donc certains polynômes complexes n’ont pas de racine.
Ce sont les polynômes de degré un, donc tout polynôme complexe non constant possède une racine complexe.
Ce sont les polynômes constants non nuls, donc les polynômes non constants sont exclus.

Ce sont les polynômes de degré un, donc tout polynôme complexe non constant possède une racine complexe.

Explication

Dans C[X]\mathbb{C}[X], les seuls irréductibles sont les facteurs linéaires, ce qui garantit une racine complexe pour tout polynôme non constant. Les quadratiques à discriminant négatif caractérisent plutôt une partie des irréductibles de R[X]\mathbb{R}[X].

18. Quels sont les polynômes irréductibles unitaires de R[X]\mathbb{R}[X] ?

Les facteurs X−aX-a avec a∈Ca\in\mathbb{C} et les cubiques unitaires à discriminant négatif.
Les facteurs X−aX-a avec a∈Ra\in\mathbb{R} et les quadratiques unitaires à discriminant négatif.
Les constantes unitaires et les quadratiques à discriminant positif.
Les polynômes de degré quatre et les facteurs linéaires sans racine réelle.

Les facteurs $$X-a$$ avec $$a\in\mathbb{R}$$ et les quadratiques unitaires à discriminant négatif.

Explication

Les irréductibles unitaires réels sont les facteurs linéaires associés aux racines réelles et les quadratiques unitaires sans racine réelle, donc à discriminant négatif. Une racine complexe non réelle n’engendre pas un facteur linéaire dans R[X]\mathbb{R}[X].

19. Quelle forme prend la factorisation d’un polynôme non constant dans C[X]\mathbb{C}[X] lorsque ses racines distinctes sont aia_i et leurs multiplicités kik_i ?

P(X)=α∏i=1r(X−ai)P(X)=\alpha\prod_{i=1}^{r}(X-a_i), indépendamment des multiplicités.
P(X)=α∑i=1r(X−ai)kiP(X)=\alpha\sum_{i=1}^{r}(X-a_i)^{k_i}, où α\alpha est le coefficient dominant.
P(X)=α∏i=1r(X−ai)kiP(X)=\alpha\prod_{i=1}^{r}(X-a_i)^{k_i}, où α\alpha est le coefficient dominant.
P(X)=∏i=1r(X+ai)kiP(X)=\prod_{i=1}^{r}(X+a_i)^{k_i}, où α\alpha est le terme constant.

$$P(X)=\alpha\prod_{i=1}^{r}(X-a_i)^{k_i}$$, où $$\alpha$$ est le coefficient dominant.

Explication

Dans C[X]\mathbb{C}[X], chaque racine fournit un facteur X−aiX-a_i élevé à sa multiplicité, et le coefficient dominant complète le produit. Une somme ou l’absence des exposants ne conserve pas la structure de la factorisation.

20. Lorsqu’on applique la méthode de Ruffini-Horner à la division de P(X)P(X) par X−aX-a, que représentent respectivement le dernier résultat calculé et les résultats intermédiaires ?

Le dernier résultat est P(a)P(a) et les précédents fournissent les coefficients du quotient
Le dernier résultat est le degré du quotient et les précédents donnent le reste
Le dernier résultat est le quotient et les précédents fournissent la valeur P(a)P(a)
Le dernier résultat est le coefficient dominant et les précédents donnent les racines

Le dernier résultat est $$P(a)$$ et les précédents fournissent les coefficients du quotient

Explication

La méthode fournit le quotient de degré inférieur grâce aux coefficients intermédiaires, tandis que le dernier résultat est le reste, égal à P(a)P(a). Confondre ces deux rôles revient à attribuer la valeur du reste aux coefficients intermédiaires.

21. Pour un polynôme P(X)P(X), que peut-on conclure si la division par X−aX-a donne un reste nul ?

Le quotient possède le même degré que P(X)P(X) et le reste vaut aa
P(a)P(a) est égal au coefficient constant et X−aX-a est irréductible
aa est le coefficient dominant et X−aX-a est le quotient de P(X)P(X)
aa est une racine de P(X)P(X) et X−aX-a divise P(X)P(X)

$$a$$ est une racine de $$P(X)$$ et $$X-a$$ divise $$P(X)$$

Explication

Un reste nul signifie que P(a)=0P(a)=0, donc que aa est une racine et que P(X)P(X) est divisible par X−aX-a. Le quotient obtenu a au contraire un degré inférieur à celui du polynôme initial.

22. Quelle condition sur une fraction rationnelle permet d’aborder directement sa décomposition en éléments simples sans quotient polynomial préalable ?

Le numérateur et le dénominateur ont le même coefficient dominant
Le degré du numérateur est égal à celui du dénominateur
Le dénominateur possède au moins un facteur quadratique irréductible
Le degré du numérateur est inférieur à celui du dénominateur

Le degré du numérateur est inférieur à celui du dénominateur

Explication

Lorsque le degré du numérateur est inférieur à celui du dénominateur, la fraction est propre et se décompose directement en éléments simples, avec un polynôme éventuellement nul. Dans le cas contraire, une division euclidienne fournit d’abord une partie polynomiale.

23. Si deg⁡(P1)≥deg⁡(P2)\deg(P_1)\geq\deg(P_2), quelle forme prend la division euclidienne de la fraction rationnelle P1(X)P2(X)\frac{P_1(X)}{P_2(X)} ?

Q(X)P2(X)+R(X)P1(X)Q(X)P_2(X)+\frac{R(X)}{P_1(X)} avec deg⁡(R)<deg⁡(P1)\deg(R)<\deg(P_1)
Q(X)+R(X)P2(X)Q(X)+\frac{R(X)}{P_2(X)} avec deg⁡(R)<deg⁡(P2)\deg(R)<\deg(P_2)
Q(X)+R(X)P2(X)\frac{Q(X)+R(X)}{P_2(X)} avec deg⁡(Q)<deg⁡(P2)\deg(Q)<\deg(P_2)
R(X)+Q(X)P2(X)R(X)+\frac{Q(X)}{P_2(X)} avec deg⁡(Q)<deg⁡(P2)\deg(Q)<\deg(P_2)

$$Q(X)+\frac{R(X)}{P_2(X)}$$ avec $$\deg(R)<\deg(P_2)$$

Explication

La division euclidienne s’écrit P1(X)=Q(X)P2(X)+R(X)P_1(X)=Q(X)P_2(X)+R(X), ce qui donne la forme proposée après division par P2(X)P_2(X), avec un reste de degré inférieur à celui du dénominateur. La partie polynomiale est donc Q(X)Q(X), et la fraction propre restante est R(X)/P2(X)R(X)/P_2(X).

24. Pour un dénominateur scindé P2(X)=∏j=1n(X−aj)mjP_2(X)=\prod_{j=1}^{n}(X-a_j)^{m_j}, quels termes sont associés à un facteur X−ajX-a_j de multiplicité mjm_j ?

A1(j)X−aj+A2(j)(X−aj)mj+1\frac{A^{(j)}_1}{X-a_j}+\frac{A^{(j)}_2}{(X-a_j)^{m_j+1}}
A1(j)X+A2(j)(X−aj)mj\frac{A^{(j)}_1X+A^{(j)}_2}{(X-a_j)^{m_j}}
A1(j)X−aj+⋯+Amj(j)(X−aj)mj\frac{A^{(j)}_1}{X-a_j}+\cdots+\frac{A^{(j)}_{m_j}}{(X-a_j)^{m_j}}
Amj(j)X−aj+A1(j)(X−aj)mj+1\frac{A^{(j)}_{m_j}}{X-a_j}+\frac{A^{(j)}_1}{(X-a_j)^{m_j+1}}

$$\frac{A^{(j)}_1}{X-a_j}+\cdots+\frac{A^{(j)}_{m_j}}{(X-a_j)^{m_j}}$$

Explication

Un facteur linéaire de multiplicité mjm_j produit une famille de fractions dont les dénominateurs portent toutes les puissances de 11 à mjm_j. La présence d’un seul terme ou d’une puissance supérieure à mjm_j ne respecte pas cette structure.

25. Quelle forme prend l’élément simple associé à un facteur réel quadratique X2+bX+cX^2+bX+c de discriminant négatif, lorsqu’il apparaît à la puissance mm ?

A(X2+bX+c)m\frac{A}{(X^2+bX+c)^m}
AX+B(X2+bX+c)m\frac{AX+B}{(X^2+bX+c)^m}
AX2+B(X2+bX+c)m\frac{AX^2+B}{(X^2+bX+c)^m}
AX2+bX+c+B(X2+bX+c)m\frac{A}{X^2+bX+c}+\frac{B}{(X^2+bX+c)^m}

$$\frac{AX+B}{(X^2+bX+c)^m}$$

Explication

Un facteur quadratique réel irréductible donne un élément simple de deuxième espèce dont le numérateur est affine, soit AX+BAX+B, et dont le dénominateur contient la puissance considérée du facteur. Un numérateur constant ou de degré deux ne correspond pas à la forme générale attendue.

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Que recherchaient les premiers travaux sur les polynômes ?

La recherche de leurs racines.

Quelle civilisation savait résoudre l’équation du second degré deux millénaires avant notre ère ?

La civilisation babylonienne.

Quelle civilisation a posé les premiers jalons d’une théorie des équations polynomiales ?

La civilisation arabo-islamique médiévale.

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