Abstrait
Traduction en anglais du titre
On a theorem of W.A. Markov
Auteur(s)
T. Popoviciu
Institutul de Calcul
Mots-clés
Pour citer ce travail
T. Popoviciu, Sur un théorème de W.A. Markov, Mathematica (Cluj), 2(25) (1960) no. 2, pp. 299-321 (in French).
Sur ce travail
Journal
Mathematica Cluj
Publié par
Publié par la Maison d’édition de l’Académie roumaine
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SUR UN THEORÈME DE W. A. MARKOV
MATHEMATICA
VOLUMUL, 2 (25)
FASCICOLA 2
1960
SOCIETA’TEA DE ŞTIIN’PE MATEMATICE ŞI FIZICE DIN R. P. R. FILIALAA CI,UJ
MATHEMATICA
Vol. 2 (25), fasc. 2
1960
à Cluj
W. A markov dans son travail [2] sur la généralisation de la célèbre inégalité de A. A. Markov a donné, comme lemme préliminaire, le théorème suivant:
Si les racines de deux polynomes de degré , ayant loutes leurs racines réelles, se séparent, il en esl de même pour les racines des dérivées de ces polynomes.
Dans la seconde partie de ce travail nous donnerons une démonstration de ce théorème. Notre démonstration diffère un peu de celle de w. a. markov et aussi de celle de p. monteil [3] donnée, il y a près de 30 ans, dans cette même revue.
Ira démonstration que nous donnons est basée sur la continuité et la monotonie des racines de 1a dérivée d’un polynome ayant toutes ses racines réelles, par rapport aux racines du polynome. Dans 1a première partie de ce travail nous analiserons un peu cette propriété de monotonie.
Enfin, dans la troisième partie de ce travail, nous donnerons un nou. veaux théorème sur les polynomes ayant toutes leurs racines réelles, analogue à celui de W. A. Markov, cité plus haut.
Nous considérons seulement des polynomes d’une variable ayant leurs racines toutes réelles et par le degré d’un polynome nous entendons toujours son degré effectif, même si ces propriétés ne sont pas spécifiées expressément. Les accents désignent des dérivées. Nous pouvons considérer comme égaux deux polynomes qui diffèrent seulement par une constante multiplicative non nulle.
-
1.
Si un polynome a toutes ses racines réelles, sa dérivée a également ses racines toutes réelles. Il existe une importante propriété, bien connue, de séparation des racines de la dérivée par celles du polynome. Dans la suite nous utiliserons cette propriété.
Les racines d’un polynome dont le plus haut coefficient est égal à 1 (donc de la forme polynome de degré ) sont des fonctions continues par rapport aux coefficients du polynome et les coefficients sont des fonctions continues (des polynomes) par rapport aux racines du polynomes. Si nous tenons compte des relations qui existent entre les racines et les coefficients d’un polynome, nous en déduisons la continuité des racines de la dérivée par rapport aux racines du polynome.
2. La propriété de monotonie des racines de la dérivée par rapport aux racines du polynome peut être énoncée de la manière suivante:
Les racines de la dérivée sont des fonctions non-décroissantes des racines du polynome.
Cette propriété est bien connne et a été beancoup utilisée, par exemple par Laguerre dans ses recherches sur les polynomes ayant toutes leurs racines réelles.
Pour mieux mettre en lumière la propriété de monotonie, nous introduisons la relation entre deux polynomes, qui a lieu si et seulement si:
I es polynomes sont du mêne đegré .
Les racines respectives
| (1) |
de ces polynomes vérifient les inégalités
| (2) |
Cette relation est (reflexive et) transitive. Il est intutile de considérer 1e cas lorsque la relation précédente n’a pas de sens. Si il suffit de mentenir seulement l’inégalité (2) de définition et on voit que clans ce cas l’une au moins des relations est toujours vraie. Pour tout on peut construire des polynomes tels qu’aucune des relations ne soit vraie.
propriété de monotonie des racines de la dérivée par rapport à celles du polynome, s’exprime alors par le
THSOREME 1. Si , sont deux polynomes de degré , de il résulte que .
Nous introduisons également la relation entre deux polynomes, qui a lieu si et seulement si :
Les polynomes sont du même degré et ont tous les deux leurs racines toutes simples.
Les racines respectives
(1’)
de ces polynomes vérificnt les inégalités
| () |
Cette relation, qui est aussi transitive, est un cas particulier de 1a relation précédente et s’obtient lorsque partout dans (1) et (2) le signe est remplacé par .
Ires deux relations considérées sont liées aussi par une sorte de transitivité mixte, analogue à la propriété correspondante des relations d’inégalité et . Si et si a toutes ses racines simples, nous avons . De il résulte que .
Si les racines de sont des fonctions continues d’un paramètre sur un intervalle qui contient le point et si la relation est vérifiée pour , nous avons , mais non pas en général , pour . Cette propriété est vraie aussi pour les couples de relations , que nous introduisons plus loin.
Nous avons 1e
THLOREME 2. Si , sont deux polynomes de degré , de il résulte que .
3. Nous allons d’abord démontrer que le théorème 1 résulte du théorème 2 . En effet, soient , (1) les racines des polynomes et
| (3) |
les racines respectives des polynomes . Considérons les polynomes de degré , ayant respectivement les racines , où est un nombre positif. Les polynomes
ont toutes leurs racines simples, nous avons et si
sont respectivement les racines des polynomes , nous avons
| (4) |
Si nous supposons que le théorème 2 soit vrai, il résulte que et de (4) on en déduit, en faisant . On a clonc démontré que le théorème 1 résuite du théorème 2.
4. Il reste à démontrer le théorème 2. Soient deux polynomes de degré tels que et soient les racines respectives de ces polynomes. Soit un polynome de degré ayant comme racines , pour . Le polynome est égal à et est égal à . Tes polynomes ont toutes leurs racines simples, mais nous avons, en général, seulement , . Si nous démontrons que
| (5) |
alors, par suite de la transitivité de la relation considérée, il résulte que et le théorème 2 est démontré.
Il reste à démontrer les relations (5). Ces relations résultent du
e m me 1. Les racines de la dérivée d’un polynome dont toutes les racines sont réelles et simples, sont des fonctions croissantes par rapport à chacune des racines du polynome.
Soit un polynome de degré ayant toutes ses racines réelles et simples. Ira propriété du lemme 1 revient aut fait que chacune des racines de la dérivée du polynome est une fonction croissante de . Ces racines sont des fonctions continues de et restent distinctes. Nous pouvons démontrer d’abord qu’elles sont des fonctions strictement monotones de . Fin effet, si, par exemple, ne serait pas une fonction strictement monotone de , nous pouvions trouver deux valeurs différentes de pour lesquelles les polynomes
| (6) |
aient une racine commune égale à . Ceci est impossible car toute racine commune des polynomes (6) devrait être une racine commune des polynomes ce qui contredit l’hypothèse que ait seulement des racines simples. La monotonie stricte des racines , fonctions de , est ainsi démontrée. Il reste seulement à préciser le sens de cette monotonie. Si nous remarquons que les racines de la dérivée sont séparées par celles du polynome et si nous tenons compte de
nous trouvons bien que les sont des fonctions croissantes de .
Le lemme 1 est donc démontré.
On peut donner d’autres démonstrations au lemme 1. On pent, en particulier, donner des démonstrations basées sur des considérations analogues à celles utilisées dans la seconde et la troisième parties de ce travail. Nous n’insistons pas sur ces démonstrations.
Remarque. Si
sont les racines du polynome , les racines , varient respectivement dans les intervalles , si . Si , la racine varie de à et si , les racines , varient respectivement dans les intervalles .
Ir
-
5.
Nous allons nous occuper cle la démonstration signalée du théorème de W. A. Markov.
Nous introduisons la relation entre deux polynomes, qui a lieu si et seulement si:
Les polynomes ont le même degré .
Ies racines respectives (1) de ces polynomes vérifient les inégalités
| (7) |
Si ou nous pouvons dire que les racines des polynomes se séparent. En général, de il réstulte que et, pour , les relations sont équivalentes. Compte tenant d’une remarque précédente, nous pouvons trouver, pour tout , deux polynomes de degré tels qu’aucune des relations , ne soit pas vérifiée.
10. Le théorème de W. A. Markov peut s’énoncer de la manière suivante :
THÉORÈME 3. Si sont deux polynômes de degré , de il résulte que .
Si le théorème 3 résulte du théorème 1. En effet, dans ce cas, de il résulte que d’où, en vertu du théorème 1, il résulte que . Mais cette relation est équivalente à et la propriété est démontrée.
Nous introduisons également la relation entre deux polynômes, qui a lieu si et seulement si :
Les polynômes ont le même degré et tous les deux ont leurs racines toutes simples.
Les racines respectives de ces polynomes vérifient les inégalités
| () |
De il résulte que et pour ces relations sont équivalentes.
Nous avons le cas particulier suivant du théorème de W. A. Markov :
THÉORÈME 4. Si sont deux polynômes de degré , de il résulte que .
On démontre, comme plus haut, que pour le théorème 4 résulte du théorème 2.
6. Il suffit de démontrer le théorème 4 car alors le théorème 3 en résulte. Pour le voir, nous procédons comme au nr. 3, où nous avons montré que le théorème 1 résulte du théorème 2.
Si nous avons et si nous prenons maintenant les polynômes ayant respectivement comme racines , , où est un nombre positif, nous avons . Si nous supposons que le théorème 4 soit vrai, il en résulte que . Si nous faisons , les racines de tendent vers les racines respectives de et nous déduisons que . Le théorème 3 est donc démontré.
7. Nous pouvons démontrer le théorème 4, en nous basant sur le théorème 2, sur le lemme 1 et sur la continuité des racines de la dérivée.
Si il résulte que donc aussi . Pour démontrer que nous avons de plus il suffit de montrer que les dérivées des polynômes (qui ont toutes leurs racines simples) ne peuvent avoir des racines communes. En effet, il est facile de voir qu’alors la relation se maintient pendant que les racines de croissent vers les racines respectives de .
Mais, si sont les racines des polynômes de degré , la relation est équivalente à l’égalité
| (1) |
où est une constante différente de zéro et des constantes différentes de zéro et du même signe. D’ailleurs, le produit est de signe contraire avec le plus haut coefficient de , donc avec pour très grand.
Par dérivation de (8) il résulte que
(9)
On voit que si avaient une racine commune, cette racine devait annuler aussi le polynôme , ce qui est impossible puisque, par hypothèse, n’a que des racines simples.
8. Les relations et peuvent être étendues au cas où le polynôme est de degré et le polynôme de degré . Si et si
| (10) |
sont respectivement les racines de et de , la relation a lieu si et seulement si
| (11) |
On peut encore dire que les racines des polynômes se séparent.
La relation a lieu si et seulement si, de plus, les racines des polynômes sont toutes simples et si au lieu de (11) nous avons les inégalités
| () |
Nous avons alors la
Conséquence 1. Si est un polynome de degré et un polynome de degré , de il résulte que .
Ia propriété résulte du théorème 3 par un passage à la limite. Pour le voir soient (10) les racines de et qui vérifient la relation . Considérons le polynome de degré . Si nons avons , d’où, compte tenant du théorème . Si nous faisons , l’une des racines de (la plus grande) tend vers et les autres vers les racines respectives de . Compte tenant de la contimuité des racines de la dérivée par rapport aux racines du polynome tinuite des racines de la derive par rapport anx rannes poryo on voit que si nous faisons , de il résulte que .
Nous avons aussi la
Conséquence 2. Si est un polynome de degré et un polynome de degré , de il résulte que .
Cette propriété résulte du théorème 4 de la même manière que la conséquence 1 du théorème 3 . Nous construisons, comme plus haut, le polynome . Si et si , nous avons , donc par suite du théorème . De là, si nous faisons il résulte que . Pour démontrer que nous avons même il suffit de démontrer que si , les polynomes ne peuvent pas avoir des racines communes.
Si nous avons la formule ( 8 ), où et sont constantes différentes de zéro et du même signe. La formule (9) nous montre que ne peuvent avoir des racines communes.
est démontrée.
9. Comme une application, considérons une suite de polynomes orthogonaux
On sait que les racines de sont toutes réelles, simples et que les racines de sont séparées au sens strict par les racines de . Nous avons donc pour . De la conséquence 2 il résulte donc la
Conséquence 3. Si sont deux termes consécutifs d’une suite de polynomes orthogonaux ( ), nous avons .
III
-
10.
Nous allons nous occuper d’un théorème analogue au théorème de W. A. Markov.
Nous introduisons la relation entre deux polynomes, qui a lieu si et seulement si :
Les polynomes sont du même degré .
Les racines (1) de ces polynomes vérifient les inégalités
(12)
et l’égalité
| (13) |
Si , nous avons seulement l’égalité (13). Si la relation signifie que ont la même racine, donc, d’après le sens adopté aut début de ce travail, qu’ils sont égaux. On voit facilement que pour tout nous pouvons trouver deux polynomes de degré tels qu’aucune des relations ne soit pas vérifiée.
D’après g. h. hardy, J. E. LITTLEWOOD et G: PÓLYA [1], la relation est équivalente au fait que les racines de se déduisent de celles de par une sorte de procédé de „médiation". Ceci signifie qu’il existe une matrice ( ) à lignes et colonnes, avec des éléments non-négatifs, la somme des éléments de chaque ligne et de chaque colonne étant égale à 1 ,
et telle que
Dans la suite nous n’utiliserons pas directement cette propriété.
La relation considérée est (réflexive et) transitive et nous -avons le théorème suivant, analogue au théorème de W. A. Markov:
THÉORÈME 5. Si sont deux polynômes de degré , de il résulte que .
Nous introduisons également la relation entre deux polynômes, qui a lieu si et seulement si :
Les polynômes sont du même degré et ont toutes leurs racines simples.
Les racines respectives de ces polynômes vérifient les inégalités
| (12’) |
et l’égalité (13).
Pour , nous gardons pour la définition seulement l’égalité (13) et alors la relation est équivalente à .
La relation est transitive. Nous avons aussi des propriétés de transitivité mixtes entre les deux relations considérées. Si , et si a toutes ses racines simples, nous avons . De , , il résulte que .
Enfin, nous avons le :
THÉORÈME 6. Si sont deux polynômes de degré , de il résulte que .
La démonstration des théorèmes 5 et 6 est immédiate pour , puisque la racine de la dérivée d’un polynôme de degré 2 est égale à la demi-somme des racines du polynôme. Dans ce cas, les théorèmes 5 et 6 résultent de l’égalité (13).
Il existe deux cas où la démonstration du théorème 5 ne présente pas de difficultés. Ces cas ont lieu si l’un des polynômes a toutes ses racines confondues.
Nous allons faire d’abord quelques remarques. Si
| (14) |
Si sont les racines du polynôme , nous avons
| (15) |
Si et sont les racines des polynômes et si , nous avons , , donc aussi
| (16) |
Si et , nous avons les inégalités plus précises
Démontrons maintenant le théorème 5 dans les deux cas particuliers signalés :
Cas 1. Le polynôme a toutes ses racines confondues. De et (16), il résulte que a également toutes ses racines confondues et notamment avec l’unique racine distincte de . Dans ce cas et ont également toutes leurs racines confondues avec l’unique racine distincte de , et le théorème 5 en résulte.
Cas 2. Le polynôme a toutes ses racines confondues. Soient les racines des polynômes et tenons compte des inégalités (15) correspondantes à ces racines. Alors si , nous avons
d’où il résulte que et le théorème 5 est démontré.
Pour aller plus loin, nous introduisons deux opérations sur les racines d’un polynôme. Nous appellerons ces opérations : dilatation et contraction de deux racines. Ces opérations ont déjà été utilisées par G.H. Hardy, J.F. Littlewood et G. Pólya.
Une dilatation de deux des racines d’un polynôme revient à la substitution de ces racines par , respectivement, où , et les autres racines du polynôme restent inchangées.
Une contraction de deux des racines d’un polynôme revient à la substitution de ces racines par , respectivement, où , et les autres racines du polynôme restent inchangées.
Le nombre peut être appelé le coefficient de la dilatation respectivement de la contraction correspondant au couple des racines considérées.
Dans la suite, à moins que le contraire ne soit expressément spécifié, nous considérons seulement des dilatations et des contractions qui ne dérangent pas l’ordre des racines du polynôme. Ceci signifie que le coefficient est soumis à la restriction que, dans le cas de la dilatation, les intervalles , et dans le cas de la contraction, les intervalles , ne contiennent aucune racine du polynôme initial ou du polynôme transformé. Si sont les racines du polynôme initial et si , avec la restriction précédente, l’opération de dilatation est applicable aux racines , , seulement dans les cas suivants :
De même, l’opération de la contraction est applicable seulement dans les cas suivants:
, si , pour .
Les opérations de dilatation et de contraction étant ainsi précisées, on voit qu’une telle opération est parfaitement caractérisée par le couple de racines considérées et le coefficient correspondant. En particulier, si nous pouvons appliquer une opération de dilatation ou de contraction de coefficient , nous pouvons aussi appliquer aux mêmes racines, toute dilatation resp. contraction de coefficient .
On en déduit que si nous appliquons aux racines du polynome, une dilatation ou une contraction, les racines du polynome deviennent des fonctions continues du coefficient . Il en est de même pour les sommes . Ces sommes se transforment en respectivement en pour , suivant qu’il s’agit d’une dilatation respectivement dune contraction de coefficient des racines . Les sommes , pour les autres valeurs de restent invariables. Il faut retenir, en particulier, le fait que la somme de toutes les racines reste invariable par une dilatation ou une contraction de deux racines.
Si est un polynome qui se déduit du polynome par l’application d’une dilatation ou d’une contraction de coefficient , les racines de tendent, pour , vers les racines correspondantes de . En même temps les racines de , qui sont également des fonctions continues de , tendent vers les racines correspondantes de .
Il est important d’étendre ces propriétés à la limite, au cas où se déduit de par l’application successive d’un nombre fini de dilatations ou de contractions relatives à divers comples de racines du polynome. Cette extension doit être faite avec certaines précautions car l’application successive de plusieurs opérations dépend de leur ordre. Les opérations
de dilatation et de contraction ne sont donc pas commutatives lorsqu’elles s’appliquent à des couples de racines différentes.
Exemple. Soient et . La première raciue est donc égale à 0 , la seconde et la troisième à 2 . Si nous appliquons d’abord aux racines (à la première et à la troisième) une dilatation de coefficient 3 , les racines deviennent . En appliquant ensuite une contraction de coefficient 1 aux racines (à la seconde et à la troisième) nous obtenons les racines . L’ordre des opérations ne peut être interverti car l’opération de contraction ne peut être appliquée aux racines , si nous tenons compte de le restriction imposée de ne pas déranger l’ordre des racines.
Toujours dans ce cas, supposons que nous appliquions d’abord aux racines (à la seconde et à la troisième) une contraction de coefficient 1 . Les racines deviennent . Nous appliquons ensuite aux racines 0 , 1 (à la première et à la seconde) une dilatation de coefficient 3 . Nous retrouvous les racines . Il est à remarquer que chaque fois nous avons dérangé l’ordre des racines.
De cet exemple on voit, d’une part, combien la restriction de ne pas déranger l’ordre des racines apporte des précisions sur les opérations de dilatation et de contraction. D’autre part, le même exemple nous montre comment il faut suivre les racines du polynome lorsqu’on applique successivement plusieurs dilatations ou contractions de deux racines.
Nous n’insisterons pas sur ce problème de permutabilité car les propriétés à la limite de plus haut seront appliquées dans la suite seulement dans des cas particuliers qui seront précisés lorsqu’ils interviendront effectivement.
13. Nous allons démontrer maintenat que le théorème 5 résulte du théorème 6 .
Si le polynome s’obtient du polynome par l’application d’une dilatation de deux racines, nous avons . Cette relation est vraie aussi lorsque le polynome s’obtient de par l’application successive d’un nombre quelconque de dilatations.
Soient (14) les racines du polynome et soit . Désignons par un polynome ayant comme racines les nombres
où est un nombre positif. Le polynôme s’obtient de en appliquant successivement les opérations de dilatation, de coefficient aux racines , pour (dans cet ordre). Nous avons . Remarquons que a toutes ses racines simples qui, pour , tendent vers les racines correspondantes de . En même temps les racines de tendent vers les racines correspondantes de .
Soient deux polynomes de degré , (1) les racines de ces polynomes et supposons que . Soient
les racines des polynomes , où est un nombre positif et qui s’obtiennent de de la même manière que plus haut le polynome de . Nous avons alors
Nous avons donc . En supposant donc que le théorème 6 soit vrai, il en résulte que . Mais, si , les racines de tendent vers les racines de respectivement. Fin faisant donc , nous déduisons que .
Nous avons ainsi démontré que le théorème 5 résulte du théorème 6 .
Remarque. La relation est vraie si s’obtient de par une dilatation de deux racines, sans la restriction de la conservation de l’ordre des racines. En effet, on le voit facilement, si nous appliquons une dilatation aux racines et si nous supposons que le coefficient croit, on peut remplacet out par une racine qu’il traverse. Convenons de dire qu’une dilatation des racines ne dérange pas au sens large l’ordre des racines lorsque les intervalles ( ), ( ) ne contiennent pas des racines du polynome. Alors la propriété précédente résulte du fait que toute dilatation, sans la restriction de l’ordre des racines, s’obtient par l’application successive d’un nombre fini de dilatations qui ne dérange pas au sens large l’odre des racines.
On voit aussi que la relation est vraie lorsqu’on obtient de par 1’application successive d’un nombre quelconqué (fini ou non) de dilatations, avec ou sans la restriction de la conservation de l’ordre des racines.
14. Nous nous proposons maintenant de démontrer le théorème 6. Nous le déduirons d’une série de lemmes préliminaires.
Lorque le polynome s’obtient de par une contraction de deux racines, nous avons . Cette relation reste vraie si s’obtient de
par une succession d’un nombre fini de contractions. Si le polynome . a toutes ses racines simples, il en est de même pour le polynome .
Lemme 2. Étant donnés un polynome de degré et un nombre positif a quelconque, on peut trouver un polynome de degré tel que: Ce polynome se déduise de par l’application successive d’un nombre fini de contractions de deux racines consecutives, Les racines de ce polynome soient toutes comprises dans un intervalle de longueur .
Il est clair que si a toutes ses racines confondues nous n’avons rien à démontrer. Ici nous considérons seulement le cas où a toutes ses racines simples, ce que nous supposerons plus loin. Il est d’ailleurs clair que le lemme reste vrai aussi sans cette restriction.
Dans l’énoncé on a précisé qu’il s’agit seulement de contractions appliquées à des racines consécutives; donc si (14) sont les racines du polynome seulement à des couples de racines de la forme .
Nous démontrerons le lemme par induction complète.
Pour la propriété est vraie puisque si sont les racines de , il suffit de leur appliquer une contraction de coefficient qui vérifie les inégalités
Supposons maintenant que et que la propriété soit vraie pour les polynomes de degré . Démontrons que la propriété sera vraie aussi pour les polynomes de degré .
Nous allons d’abord démontrer que si est un polynome de degré ayant les racines (14) , en appliquant un nombre fini de contractions de racines consécutives, on peut en déduire un polynoine dont les racines soient comprises dans un intervalle de longueur .
En effet, par hypothèse, par l’application d’un nombre fini de contractions de racines consécutives, nous pouvons déduire de un polynome dont: les racines vérifient les relations . Les contractions sont appliquées seulement à des couples de la forme , où . Ensuite nous appliquons au polynome une contraction des racines de coefficient , où max . Les racines du polynome ainsi obtenu sont alors comprises dans un intervalle de longueur , justement ce qu’il fallait démontrer.
I1 en résulte que si un polynome de degré a toutes ses racines comprises dans un intervalle de longueur , par l’application d’un nombre fini
de contractions de racines consécutives, on peut en déduire un polymome dont les racines soient comprises dans un intervalle de longueur . Ein répétant ce procédé, on voit que, pour tout nombre naturel on peut déduire, par l’application successive d’un nombre fini de contractions de deux racines consécutives, un polynome de degré dont les racines soient comprises dans un intervalle de longueur plus petite que
Il suffit de choisir le nombre de manière que et le lemme est, clémontré.
Remarque. On peut faire une remarque analogue à celle faite auno. 13. La relation est vraie aussi lorsque s’obtient de par the contraction de deux tacines , sans la restriction de la conservation de l’ordre des racines, mais avec la condition que le coefficient soit . La démonstration est analogue, en remplaçant ou avec toute racine qu’il traverse et, en particulier, en permutant ces racines lorsqu’elles se traversent, pendant que croit. Ici encore on peut convenir de dire que les racines ne dérangent pas au sens large 1’ordre des racines lorsque les intervalles ( ), ( ) ne contiennent aucune racine du polynome transformé et lorsque . Alors la propriété précédente résulte du fait que toute contraction de deux racines, avec la seule restriction que son coefficient vérifie les inégalités , peut être obtenue par un nombre fini de contractions successives qui ne dérangent pas au sens large l’ordre des racines.
On voit aussi que la relation est vraie lorsque s’obtient de par l’application successive d’un nombre quelconque (fini ou non) de contractions avec la conservation de l’ordre des racines out seulement avec la restriction imposée plus haut aux coefficients des contractions.
15. Du lemme précédent il résulte le
emme 3. Si sont deux polynomes de degré et si , on peut trowver un polynome de degré n, qui s’obtient de par l’application successive d’un nombre fini de contractions de deux racines consécutives, tel que l’on ait , sans que la relation soit vérifiée.
Soient ( ) les racines des polynomes et les racines de . Nous avons et, en vertu des hypothèses vérifiées par , 11ous avons les inégalités
(17) ,
dans l’une au moins la relation d’égalité étant vraie. Bien entendu, nous avons aussi .
Pour démontrer le lemme prenons un nombre positif a tel que
| (18) |
En vertu du lemme 2, nous pouvons trouver une suite finie de polynomes de degré ,
tels que:
Chaque terme s’obtient du précédent par une contraction de deux racines consécutives.
Le premier terme est égal à et le dermicr a toutes ses racines comprises dans un intervalle de longueur .
Par hypothèse . Il existe donc un plus grand indice tel que . Nous ne pouvons pas avoir , car autrement l’inégalité (18) serait en contradiction avec les inégalités . Nous avons donc , donc aussi et le polynome ne vérific pas la relation . Soit le coefficient de contraction par laquelle s’obtient de . Soit un polynome qui s’obtient de en appliquant au même couple de racines (consécutives) une contraction de coefficient . Lorsque , les racines de tendent vers les racines correspondantes de r et lorsque elles tendent vers les racines correspondantes de Pe homple hes des . Fin vertu de la continuité par rapport à des racines, il existe 111 nombre positif tel que l’on ait , sans que la relation soit vérifiée. Ein prenant le polynome égal au polynome correspondant à ce , le lemme est démontré.
16. Nous avons aussi le
e m me 4 . Si sont deux polynomes de degré et si , on peut trouver une suite finic de polynomes de degré ,
| (19) |
tels que:
Chaque terme s’obtient du lerme précédent par une contraction de deux racines consécutives.
Le premier terme est égal à ct le dernier terme est égal à .
Nous pouvons faire la dénonstration par induction complète.
de contractions de racines consécutives, on peut en déduire un polynome dont les racines soient comprises dans un intervalle de longueur . En répétant ce procédé, on voit que, pour tout nombre naturel on peut déduire, par l’application successive d’un nombre fini de contractions de deux racines consécutives, un polynome de degré dont les racines soient comprises dans un intervalle de longueur plus petite que
Il suffit de choisir le nombre de manière que et le lemme est . démontré.
Remarque. On peut faire une remarque analogue à celle faite au no. 13. La relation est vraie aussi lorsque s’obtient de par une contraction de deux racines , sans la restriction de la conservation de l’ordre des racines, mais avec la condition que le coefficient soit . La démonstration est analogue, en remplaçant ou avec toute racine qu’il traverse et, en particulier, en permutant ces racines lorsqu’elles se traversent, pendant que croît. Ici encore on peut convenir de dire que les racines ne dérangent pas au sens large l’ordre des racines lorsque les intervalles ne contiennent ancune racine du plyome tar p, ( , . Alors la propriete precedente resulte du fait que toute contraction de deux racines, avec la seule restriction que son coefficient vérifie les inégalités , peut être obtenue par un nombre fini de contractions successives qui ne dérangent pas au sens large l’ordre des racines.
On voit aussi que la relation est vraie lorsque s’obtient de par l’application successive d’un nombre quelconque (fini ou non) de contractions avec la conservation de l’ordre des racines out seulement avec la restriction imposée plus haut aux coefficients des contractions.
15. Du lemme précédent il résulte le
e mme 3 . Si sont deux polynomes de degré et si , on peut trouver un polynome de degrén, qui s’obtient de par l’application successive d’un nombre fini de contractions de deux racines conséutives, tel que l’on ait , sans que la relation soit vérifiée.
Soient ( ) les racines des polynomes et les racines de . Nous avons et, en vertu des hypothèses vériliées par , nous avons les inégalités
(17) ,
dans l’une an moins la relation d’égalité étant vraie. Bien entendu, nous avons aussi .
Pour démontrer le lemme prenons un nombre positif tel que
| (18) |
En vertu du lemme 2, nous pouvons trouver une suite finie de polynomes de degré ,
tels que:
Chaque terme s’obtient du précédent par une contraction de deux racines consécutives.
Le premier terme est égal à et le deruier a toutes ses racines comprises dans un intervalle de longueur .
Par hypothèse . Il existe donc un plus grand indice tel que . Nous ne pouvons pas avoir , car autrement l’inégalité (18) serait en contradiction avec les inégalités ( ). Nous avons donc , donc aussi et le polynome ne vérifie pas la relation . Soit le coefficient de contraction par laquelle s’obtient de . Soit un polynome qui s’obtient de en appliquant au même couple de racines (consécutives) une contraction de coefficient . Lorsque , les racines de tendent vers les racines correspondantes de et lorsque elles tendent vers les racines correspondantes de . En vertu de la continuité par rapport à des racines, il existe 111 nombre positif tel que on ait , sans que la relation soit vérifiée. En prenant le polynome égal au polynome correspondant à ce , le lemme est démontré.
16. Nous avons aussi le
I, e m me 4. Si sont deux polynomes de degré et si , on peul trouver une suite finie de polynomes de degré ,
| (19) |
tels que:
Chaque terme s’obtient du terme précédent par une conlruclion de deux racines conséculives.
Le prenier terme est égal à ot le dernicr terme est égal à .
Nous pouvons faire la démonstration par induction complète.
Pour il suffit de prendre , donc et 1 e lemme est démontré.
Prenons et supposons que la propriété soit vraie pour les polynomes de degré . Démontrons qu’elle sera vraie aussi pour les polynomes de degré .
Considérons donc deux polynomes de degré et supposons que . En vertu du lemme 3 nous pouvons construite une suite finie de polynomes de degré ,
| (20) |
où est égal à et dont les termes vérifient la condition 1 du lemme 4 . De plus le dernier terme , déterminé par le lemme 3 , vérifie la relation mais non pas la relation . Nous continuerons de désigner par les racines de .
Si est égal à , la suite (20) vérifie toutes les conditions imposées à la suite (19) et le lemme 4 est démontré.
Dans le cas contraire, seulement , où , des relations (17) se réduisent à des égalités. Soient les valeurs de pour lesquelles nous avons l’égalité dans (17), pour les autres valeurs de l’inégalité au sens stricte (donc avec < ) étant valable. Nous pouvons supposer . Considérons maintenant les couples d’indices consécutifs . Ces couples sont de deux catégories:
les couples sont de la première catégorie et nous avo11s .
. les couples sont de 1a seconde catégorie et dans ce cas nous avons
Mais, nous avons et, en vertu des hypothèses faites le lemme 4 est vraie pour les polynomes de degré . Il en résulte que nous pouvons appliquer succesivement à un nombre fini de contractions de deux racines consécutives , où de manière que les racines deviennent respectivement égales à , laissant les autres racines inchangées. Il en résulte done que nous pouvons prolonger la suite (20) tel que
où les termes vérifient les mêmes conditions que ceux de la suite (20), sauf que le dernier terme , a un nombre d’une unité moindre de couples d’indices consécutifs de la seconde catégorie.
Puisque évidemment, seulement un nombre fini de couples d’indices consécutifs de la seconde catégorie existent, on voit que, en répétant éventuellement un nombre fini de fois le procédé de plus haut, nous arrivons à construire une suite (19), en prolongeant convenablement la suite (20) et qui vérifie toutes les conditions du lemme 4.
Le lemme 4 est donc démontré.
17. Enfin, nous avons le
emme 5. Si est un polynome de degré , ayant toutes ses racines simples et si le polynome s’obtient de par une contraction de deux racines consécutives, on a .
Avant de démontrer ce lemme nous allons montrer qu’alors le théorème 6 en résulte. En effet, soient deux polynomes de degré et supposons que . Nous appliquons le lemme 4 , en construisant 1 a suite (19) qui vérifie les propriétés de ce lemme. En vertu du lemme 5, hous avons alors , d’où, compte tenant de la transitivité de la relation , nous déduisons , donc aussi et le théorème (i) est démontré.
18. Il reste à démontrer le lemme 5 .
De ce qui précède il résulte qu’il suffit de faire la démonstration pour . On voit alors facilement que le lemme 5 est équivalent au
Lemme 6. Si et si , où est un polynome de degré ayant toutes ses racines réelles, simples et situées en dehors de l’intervalle fermé , nous avons .
Le polynome résulte du polynome en appliquant une contraction aux racines et .
Désignons par
les racines de et (si ) et désignons par
les racines des polynomes . Soit l’indice déterminé tel que
si et posons si toutes les racines sont à droite de et si toutes les racines sont à gauche de . Le nombre naturel est bien déterminé et prend les valeurs . Alors est la racine de qui est comprise entre et et la racines de qui est comprise entre et . Les autres couples de racines , sont respectivement compris dans les intervalles ouverts:
Dans ce tableau nous supprimons les deux premières lignes si , 1a première ligne si , la dernière ligne si et les deux dernières lighes si . Enfin, pour et nous gardons l’une ou les deux de la seconde et la troisième lignes.
Les formules
nous montrent, puisque ne peuvent avoir des racines communes, que ne peuvent avoir que comme racine commune et ceci si et setulement si s’annule pour . Alors . Si , nous avons et pour un tel ne peuvent être des racines de . D’ailleurs nous avons la formule
| (22) |
qui résulte de (21).
Pour étudier encore les couples pour , nous allons distinguer deux cas:
Cas 1. Supposons que et examinons les racines pour . De la seconde formule (21) il résulte, pour un tel ,
| (23) |
et de la première formule (21) et de la formule (22) il résulte que
| (24) |
en utilisant ici la fonction sg qui, par définition, est égale à respectjvement 1 suivant que est , respectivement .
De (23) il résulte que est dans le voisinage droit de , plus exactement dans l’intervalle ( ). Nous avons alors.
et de (24) il résulte que
| (26) |
ce qui nous montre que a au moins une racine dans l’intervalle ( ). Mais, nous ne pouvons avoir qu’une racine qui n’est autre que vérifiant cette propriété. Il résulte donc que nous avons
| (27) |
Si , comme nous pouvons prendre le point impropre dans les considérations précédentes.
Cas 2. Supposons que et examinons les tacines pour . En procédant comme plus haut, nous voyons qu’au lieu de (23) nous avons, pour ces valeurs de ,
| () |
qui nous montre que est dans le voisinage gauche du point , plus exactement qu’il est dans l’intervalle . Au lieu de (24), (25) et (26) nous avons respectivement
| () |
| () |
| () |
et on déduit, comme plus haut, que est dans l’intervalle ( ).
Nous avons donc,
| () |
Si , comme nous pouvons prendre le point impropre dans nos considérations.
Les inégalités (27), (27’) et l’égalité
démontrent le lemme 6. En effet, en vertu de cette égalité, les inégalités
sont équivalentes avec les inégalités
Si on supprime les inégalités (27) et les premières inégalités (28) et si on supprime les inégalités (27’) et les dernières inégalités (28). Le raisonnement reste toujours valable.
Le théorème 6 est donc complètement démontré.
Remarque. La cas 2 peut être déduit du cas 1 si nous utilisons la propriété que lorsque les racines d’un polynome sont soumises à une transformation linéaire, les racines de la dérivée de ce polynome souffrent la même le 6 transformation des valeurs particulières quelconques de et de (par seulement pour des a exemple pour . ou bien pour ).
19. Des résultats précédents nous pouvons déduire des conséquences pour le cas où nous avons (12) ou (12’), majs l’égalité (13) se transforme dans une inégalité.
La relation signifie que les racines (1) des polynomes de degré vérifient les inégalités
et la relation signifie que les racines des polynomes đe degré vérifient les inégalités
La relation est (reflexive et) transitive et la relation est également transitive. De respectivement il résulte respectivement et de il résulte que , etc.
Nous avons alors la
Conséquence 4. Si sont deux polynomes dé degré , de il résulte que .
En effet, si est un polynome de degré ayant comme racines , nous avons . Nous avons donc . Il en résulte que , , d’où , ce qui démontre la conséquence 4.
Nous avons aussi la
Conséquence 5. Si sont deux polynomes de degré , de il résulte que .
Soit le polynome précédent. Nous avons, dans ce cas, , sans que l’égalité (13) soit vérifiée, et . On voit facilenent que la relation en résulte.
La conséquence 4 peut être déduite de la conséquence 5 . Désignons par (14) les racines du polynome de degré et soit un polynome de degré ayant comme racines , où est un nombre positif. Le polynome a toutes ses racines simples et si les racines de respectivement celles de tendent vers les racines de respectivement vers celles de . Un calcul. simple, analogue à celui du no. 13, nous montre que si nous avons aussi . En supposant donc la conséquence 5 démontrée, nous avons , d’où, en faisant , on déduit , ce qui démontre la conséquence 4 .
Enfin, la conséquence 5 peut être démontrée aussi en tenant compte du lemme 1 , du théorème 6 et en faisant croître la dermière racine du polynome . Nous prions le lecteur de faire cette démonstration.
BIBLIOGRAPHIF
[1] Hardy G. H., Littlewood J. E., Pó1y a G., Inequalities, 1934.
[2] Markov W. A., Über Polynome die in einen gegebenen Intervalle mőglichst wenig von Null abweichen. Mathematische Annalen, 77, 213-258 (1916).
[3] Montel P., Sur les fractions rationnelles à termes entrelacés, Mathematica, 5, 110-129 (1931). Reçu le 11. VI. 1960.
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