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Indéterminée

Introduction

P = 4X^2 + 2X + 1 \;

En mathématiques, une indéterminée est le concept permettant de formaliser des objets comme les polynômes formels, les fractions rationnelles ou encore les séries formelles. On la désigne en général par une lettre majuscule X. L'indéterminée permet de définir des structures algébriques parfois plus simples que leurs équivalents en analyse.

Sur l'anneau des entiers Z, l'anneau des fonctions polynômes est isomorphe à celui des polynômes formels, cette propriété n'est pas vraie sur un corps fini, qui n'admet qu'un nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) fini de fonctions polynômes et une infinité de polynômes formels. Sur tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) anneau intègre, le corps des fractions rationnelles, défini à l'aide de l'indéterminée, diffère de la structure équivalente des fonctions rationnelles. La fraction rationnelle X/X est exactement égale à 1, en revanche, la fonction rationnelle (En mathématiques, une fonction rationnelle est un rapport de fonctions polynômes à valeurs dans un corps K. En pratique, ce corps est généralement (corps des réels) ou ...) x/x n'est pas définie en 0. La série entière définie sur C, dont le nième coefficient (En mathématiques un coefficient est un facteur multiplicatif qui dépend d'un certain objet, comme une variable (par exemple, les coefficients d'un polynôme), un espace vectoriel, une fonction de base et...) vaut n! n'a pas grand sens (SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence) est un projet scientifique qui a pour but l'extension radicale de l'espérance de vie humaine. Par...), elle n'est définie qu'en zéro, elle ne diffère pas de la série entière dont le nième coefficient vaut 2.n!. Les séries formelles équivalentes, définies à l'aide de l'indéterminée, sont parfaitement définies et diffèrent. Comme ce ne sont pas des fonctions, la question de convergence (Le terme de convergence est utilisé dans de nombreux domaines :) ne peut se poser pour une série formelle.

L'indéterminée permet de définir de nouvelles structures algébriques, comme par exemple des extension finie de corps en théorie de Galois. Un exemple est donné dans l'article Corps fini. Les polynômes formels fournissent des ensembles utiles pour la résolution d'équations diophantiennes, un exemple est donné dans l'article démonstrations du dernier théorème de Fermat. Un exemple d'usage (L’usage est l'action de se servir de quelque chose.) de l'indéterminée pour définir un corps à l'aide de fractions rationnelles est donné dans l'article corps parfait (En mathématiques et plus particulièrement en algèbre dans le contexte de la théorie de Galois, un corps parfait est un corps dont toutes les extensions algébriques sont séparables.).

Cet article traite uniquement le cas d'une indéterminée, le cas général est abordé dans l'article Polynôme en plusieurs indéterminées.

Formalisme

Formellement, la puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :) d'ordre n de l'indéterminée désigne la suite partout nulle sauf pour le terme d'indice n qui vaut 1. Un polynôme est, dans ce formalisme une suite presque nulle, c'est-à-dire nulle à partir d'un certain rang ( Mathématiques En algèbre linéaire, le rang d'une famille de vecteurs est la dimension du sous-espace vectoriel engendré par cette famille. Le théorème du rang lie le...). L'addition (L'addition est une opération élémentaire, permettant notamment de décrire la réunion de quantités ou l'adjonction de grandeurs extensives de même nature, comme les longueurs,...) est celle des suites. La multiplication (La multiplication est l'une des quatre opérations de l'arithmétique élémentaire avec l'addition, la soustraction et la division .) est définie par :

\forall n,m \in \mathbb N \quad X^n\cdot X^m = X^{n+m}

Si les coefficients sont choisis dans un anneau, noté A, c'est spécifiquement l'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble),...) A[X] des polynômes à coefficients dans A qui est l'objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction précise, et qui...) d'étude.

L'ensemble A[X] est muni d'une addition et d'une multiplication qui suit les mêmes règles que celles des inconnues formalisées pour les équations :

\forall (a_i) \in \mathbb A^n\quad \forall (b_j) \in \mathbb A^m \quad \left(\sum_{i=0}^n a_iX^i\right)\left(\sum_{j=0}^m b_jX^j\right) = \sum_{k=0}^{n+m} \left(\prod_{i+j = k}a_ib_j\right)X^{i+j}

Polynôme formel

On peut se demander l'intérêt d'abandonner l'aspect fonctionnel du polynôme et de ne garder qu'une définition algébrique. L'usage fréquent du polynôme formel en théorie des équations, c'est-à-dire la théorie traitant de la résolution d'une équation polynomiale, s'explique par plusieurs raisons, exposées dans la suite de ce paragraphe.

Une question importante associé à un polynôme est celle de la détermination de ses racines, elle est souvent étudiée à l'aide du polynôme formel. Pour cette raison, on parle parfois d'inconnue à la place d'indéterminée. En dehors du contexte (Le contexte d'un évènement inclut les circonstances et conditions qui l'entourent; le contexte d'un mot, d'une phrase ou d'un texte inclut les mots qui l'entourent. Le concept de contexte issu traditionnellement de...) d'une équation, le terme inconnue est néanmoins un peu impropre et celui d'indéterminée plus précis.

La différence entre un polynôme formel et la fonction polynôme équivalente se matérialise graphiquement par l'usage d'une majuscule X pour l'indéterminée du polynôme formel et d'une minuscule x pour désigner la variable (En mathématiques et en logique, une variable est représentée par un symbole. Elle est utilisée pour marquer un rôle dans une formule, un prédicat ou un algorithme. En statistiques,...) de la fonction polynôme. Parfois, pour plus de clarté, on utilise des symboles différents pour distinguer la fonction polynôme du polynôme formel.

Équation polynomiale à coefficients entiers

Traiter une équation polynômiale à l'aide d'une fonction polynôme ou d'un polynôme formel ne se résume pas à une question de formalisme. Les outils utilisés dans les deux cas ne sont en général pas les mêmes. La modélisation à l'aide de l'indéterminée se justifie surtout par l'usage d'outils qui se définissent de manière plus naturelle avec ce formalisme. Rechercher les racines d'un polynôme P, revient à le factoriser en polynômes unitaires du premier degré. On écrit P de la manière suivante, et x1,... ,xn sont les racines de P :

P = (X- x_1)\cdots (X - x_n)

Pour illustrer l'usage de ces outils, recherchons les racines du polynôme : P = X2 - 2X + 3 de Q[X], c'est-à-dire de l'anneau des polynômes formels à coefficients dans Q. Le polynôme P est irréductible, c'est-à-dire que dans Q[X] l'anneau des polynômes formels, P(X) ne se factorise pas en produit de deux polynômes du premier degré. Il devient nécessaire de construire un corps K, contenant à la fois Q et x1 une racine de P. Il serait possible de choisir K égal à C, le corps des complexes, mais l'algébriste préfère l'usage d'un corps le plus petit possible. L'équation P(x) = 0, pour x élément d'un corps L admet alors des racines si et uniquement si le corps L contient une copie du corps K. Pour construire ce corps, on utilise la même idée que celle de la congruence sur les entiers, mais cette fois ci sur l'anneau Q[X] modulo ( En arithmétique modulaire, on parle de nombres congrus modulo n Le terme modulo peut aussi être associé à d'autres formes de congruence En informatique, le modulo (informatique) est une...) P. On obtient un anneau quotient composée de polynômes de degrés inférieurs ou égaux à 1, car la division (La division est une loi de composition qui à deux nombres associe le produit du premier par l'inverse du second. Si un nombre est non nul, la fonction...) euclidienne d'un polynôme par P donne un reste de degré strictement plus petit que celui de P. Si x1 désigne la classe modulo P de l'indéterminée X, alors toute congruence est de la forme a + b.x1. On note ce quotient Q[x1], cette structure est celle d'un corps commutatif (voir l'article Extension quadratique). Si P est maintenant considéré comme un polynôme à coefficients dans Q[x1], il admet une racine :

X^2 - 2X + 3 = \underbrace{(X^2 - 2X + 3)\cdot 1 + 0}_{\text{division euclidienne}} \quad \text{et}\quad  X^2 -2 X + 3 \equiv 0 \mod P\quad \text{ou encore}\quad x_0^2 - 2x_0 + 3 = 0

La logique (La logique (du grec logikê, dérivé de logos (λόγος), terme inventé par Xénocrate signifiant à la fois raison, langage, et raisonnement) est dans...) est bien différente de celle d'une modélisation à l'aide de la fonction polynôme. Avec une fonction polynôme, la solution s'exprime par le calcul de l'image par la fonction polynôme d'un élément d'une extension de Q. Une extension de Q est un corps contenant Q, souvent C. Avec l'indéterminée et les polynômes formels, on construit un corps contenant une racine, appelé corps de rupture et la racine s'obtient par un passage au quotient et non par calcul d'une valeur par une fonction. Le corps Q[x1] est un bon candidat pour être le corps K recherché. Il contient bien une racine de P et tout élément de Q[x1] s'écrit a + bx1, où a et b sont deux nombres rationnels. Le corps Q[x1] est bien le plus petit contenant à la fois Q et une racine de P.

Une division euclidienne de P par le polynôme formel X - x1 montre que la deuxième racine est aussi élément de Q[x1]. Le développement de la forme factorisée de P donne de plus des relations :

X^2 - 2X + 3 = (X - x_1)(X - x_2)\quad\text{avec}\quad x_1 \in \mathbb Q[x_1]\quad\text{et}\quad x_1 + x_2 = 2,\; x_1\cdot x_2 = 3

Le corps K choisi n'est pas toujours Q[x1], parfois on préfère exprimer les racines par radicaux. Un radical est une racine du polynôme Xn - q. On la construit de la même manière et on la note parfois : n√q. Ici q peut, sans ambiguïté désigner un nombre négatif. En effet, √q désigne la classe de X dans les congruences de Q[X] modulo Xn - q.

Le corps Q[x1] peut aussi être vu comme un espace vectoriel (En algèbre linéaire, un espace vectoriel est une structure algébrique permettant en pratique d'effectuer des combinaisons linéaires. Pour une introduction au concept de vecteur, voir l'article Vecteur.) sur Q, de dimension (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une pièce sont sa longueur, sa largeur et sa profondeur/son épaisseur, ou bien son diamètre si c'est une pièce de révolution.) 2 et de base (1, x1). L'objectif est de trouver un radical r dans Q[x1], ici un radical est irrationnel dont le carré est rationnel. La famille (1, r) est nécessairement libre car r est irrationnel et génératrice car Q[x1] est de dimension 2. Pour trouver ce radical, on considère les automorphismes du corps Q[x0], c'est-à-dire les applications qui respectent l'addition, la multiplication du corps et qui ont pour image de 1 la valeur 1. Ces automorphismes forment un groupe appelé groupe de Galois. Dans le cas considéré, il n'en existe que deux, l'un est l'identité; l'autre, noté σ est l'application linéaire qui à 1 associe 1 et à x1 associe x2. Comme la somme de x1 et x2 est égale à 2, on obtient la matrice S de σ, vu comme un endomorphisme d'espace vectoriel. La matrice est donnée dans la base (1, x1).

S = \begin{pmatrix} 1 & 2 \\ 0 & -1 \end{pmatrix}

L'endomorphisme σ est diagonalisable de vecteurs propres 1 et r = x1 - x2 de valeurs propres respectives 1 et -1. On remarque que (x1 - x2)2 est un vecteur propre (En mathématiques, le concept de vecteur propre est une notion algébrique s'appliquant à une application linéaire d'un espace dans lui-même. Il correspond à...) de valeur propre (En mathématiques, le concept de vecteur propre est une notion algébrique s'appliquant à une application linéaire d'un espace...) 1, c'est donc une combinaison (Une combinaison peut être :) linéaire de 1, c'est-à-dire un nombre rationnel (Un nombre rationnel est un nombre réel exprimable par le quotient de deux entiers relatifs (), dont le second est non nul. L'ensemble des nombres rationnels est...), r est bien le radical recherché. Un rapide calcul montre que r2 = -8. Il devient possible de définir K, ici égal à Q[√-2]. Si maintenant x1 et x2 désignent toujours les deux racines du polynôme P, mais cette fois dans K, on dispose des deux égalités :

x_0 + x_1 = 2\quad\text{et}\quad x_0 - x_1 = 2\sqrt {-2} \quad \text{donc}\quad x_0 = 1 + \sqrt {-2},\; x_1 = 1 - \sqrt {-2}

Il est possible de généraliser cette méthode pour venir à bout de toute équation polynomiale, résoluble par radicaux, elle entre dans une théorie dite de Galois. Il devient maintenant possible de résoudre l'équation polynomiale dans C. Le corps K est isomorphe, au sous-corps de C contenant les combinaisons linéaires à coefficients rationnels de 1 et de i.√2. Attention, dans C le symbole √-2 est ambiguë, il peut désigner à la fois i.√2 et -i.√2. Les deux racines dans C sont donc 1 + i.√2 et 1 - i.√2. La valeur √2 désigne dans C et dans R un être mathématique défini tout à fait différemment et à l'aide de la topologie (La topologie est une branche des mathématiques concernant l'étude des déformations spatiales par des transformations continues (sans arrachages ni recollement des structures).). La fonction qui à x associe x2 est continue et de dérivée strictement croissante sur R+- {0}, c'est une bijection (Une fonction f: X → Y est dite bijective ou est une bijection si pour tout y dans l’ensemble d'arrivée Y il existe un et un seul x dans l’ensemble de définition X tel...) de R+ dans R+ et 2 admet un antécédent, nommé √2.

L'usage d'outils différents (le x de la variable dans la fonction polynôme x2 et le X désignant l'indéterminée) permet des résolutions différentes d'une même question : l'extraction des racines d'un polynôme. Les deux expressions des solutions n'ont pas la même signification.

Équation polynomiale dans un corps de caractéristique 2

On cherche maintenant à trouver les racines du polynôme P = X2 + X + 1 dans F2[X]. Ici, F2 désigne le corps fini à deux éléments 0 et 1, largement utilisé en théorie des codes et en informatique (L´informatique - contraction d´information et automatique - est le domaine d'activité scientifique, technique et industriel en rapport avec le traitement automatique de l'information par...). La méthode usuelle, consistant à considérer les deux termes de plus haut degré comme le début d'une identité remarquable, ne fonctionne pas. En effet, il utilise le terme 2 = 1 + 1, or dans F2, 1 + 1 est égal à 0. L'usage des fonctions polynômes n'est pas très pratique non plus, un rapide calcul montre que si n est un entier strictement positif, les fonctions xn et x, sont confondues, ce qui montre que toute fonction polynôme est du premier degré au plus. La fonction polynôme associée à P est la fonction constante égale à 1.

En revanche, il est tout à fait possible de considérer les classes de polynômes formels modulo P, on obtient cette fois ci un corps de quatre éléments noté F4. Si la classe de X est noté j, j est comme précédemment une racine de P. Comme la somme des deux racines de P est égale à 1, l'autre racine est égal à j + 1. La division euclidienne de X3 par P donne X + 1 avec pour reste 1, ce qui indique que j est un radical, racine du polynôme formel X3 + 1.

Le passage au quotient donne directement les deux racines du polynôme, exprimées sous forme de radical. On en déduit la résolution de l'équation P(x) = 0 dans un corps L de caractéristique 2. Un tel corps est une structure telle que 1 + 1 est égal à 0. Le corps L contient nécessairement une copie de F2, en effet l'ensemble {0, 1} forme un sous-corps. Si K contient une racine cubique (En mathématiques, la racine cubique d'un nombre réel y est l'unique nombre x qui, élevé à la puissance 3 (c'est-à-dire multiplié...) j non triviale de 1, l'équation admet 2 solutions j et j + 1. Si K n'en contient aucune, l'équation est sans solution.

A la différence du paragraphe précédent, l'usage de l'indéterminée et des polynômes formels est ici indispensable. Dans l'exemple précédent, l'anneau des fonctions polynômes est isomorphe à l'anneau des polynômes formels. Dans F2[X], ce n'est plus le cas.

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