Sur un théorème de W.A. Markov

Abstrait

Traduction en anglais du titre

On a theorem of W.A. Markov

Auteur(s)

T. Popoviciu
Institutul de Calcul

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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).

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Mathematica Cluj

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Publié par la Maison d’édition de l’Académie roumaine

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SUR UN THEORÈME DE W. A. MARKOV

par
TIBERIU POPOVICIU

MATHEMATICA

VOLUMUL, 2 (25)
FASCICOLA 2

1960
LUCUJ{}^{\mathrm{C}}\mathrm{L}^{\mathrm{U}}\mathrm{U}\mathrm{J}

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 nn, 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. 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 xn+x^{n}+ polynome de degré <n<n ) 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 P𝑐QP\xrightarrow{c}Q entre deux polynomes, qui a lieu si et seulement si:
101^{0} I es polynomes P,QP,Q sont du mêne đegré n1n\geqq 1.
22^{\circ} Les racines respectives

x1x2xn,y1y2ynx_{1}\leqq x_{2}\leqq\ldots\leq x_{n},y_{1}\leq y_{2}\leq\ldots\leq y_{n} (1)

de ces polynomes vérifient les inégalités

xiyi,i=1,2,,n.x_{i}\leqq y_{i},i=1,2,\ldots,n. (2)

Cette relation est (reflexive et) transitive. Il est intutile de considérer 1e cas n=0n=0 lorsque la relation précédente n’a pas de sens. Si n=1n=1 il suffit de mentenir seulement l’inégalité (2) de définition et on voit que clans ce cas l’une au moins des relations PcQ,QcPP\stackrel{{\scriptstyle\mathrm{c}}}Q,Q\stackrel{{\scriptstyle\mathrm{c}}}P est toujours vraie. Pour tout n>1n>1 on peut construire des polynomes P,QP,Q tels qu’aucune des relations PcQ,QcPP\xrightarrow{\mathrm{c}}Q,Q\xrightarrow{\mathrm{c}}P ne soit vraie.
I1aI_{1}a propriété de monotonie des racines de la dérivée par rapport à celles du polynome, s’exprime alors par le

THSOREME 1. Si PP, QQ sont deux polynomes de degré n>1n>1, de PcQP\xrightarrow{\mathrm{c}}Q il résulte que PcQP^{\prime}\xrightarrow{\mathrm{c}}Q^{\prime}.

Nous introduisons également la relation PccQP\xrightarrow{cc}Q entre deux polynomes, qui a lieu si et seulement si :
11^{\circ} Les polynomes P,QP,Q sont du même degré n1n\geqq 1 et ont tous les deux leurs racines toutes simples.
22^{\circ} Les racines respectives
(1’)

x1<x2<<xn,y1<y2<<ynx_{1}<x_{2}<\ldots<x_{n},y_{1}<y_{2}<\ldots<y_{n}

de ces polynomes vérificnt les inégalités

xi<yi,i=1,2,,n.x_{i}<y_{i},\quad i=1,2,\ldots,n. (\prime)

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 \lesssim 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 \leqq. Si PccR,RcQP\xrightarrow{\mathrm{cc}}R,R\xrightarrow{\mathrm{c}}Q et si QQ a toutes ses racines simples, nous avons PccQP\xrightarrow{\mathrm{cc}}Q. De PccR,RcS,SccQP\xrightarrow{\mathrm{cc}}R,R\xrightarrow{\mathrm{c}}S,S\xrightarrow{\mathrm{cc}}Q il résulte que PccQP\xrightarrow{\mathrm{cc}}Q.

Si les racines de P,QP,Q sont des fonctions continues d’un paramètre λ\lambda sur un intervalle qui contient le point λ0\lambda_{0} et si la relation PccQP\xrightarrow{cc}Q est vérifiée pour λλ0\lambda\neq\lambda_{0}, nous avons PcQP\stackrel{{\scriptstyle c}}Q, mais non pas en général PccQP\xrightarrow{cc}Q, pour λ=λ0\lambda=\lambda_{0}. Cette propriété est vraie aussi pour les couples de relations 𝑠,ss;𝑚;mn,mc\xrightarrow[\rightarrow]{s},\xrightarrow{ss};\xrightarrow{m};\xrightarrow{mn},\xrightarrow{mc}, que nous introduisons plus loin.

Nous avons 1e
THLOREME 2. Si PP, QQ sont deux polynomes de degré n>1n>1, de PQP\rightarrow Q il résulte que PcQP^{\prime}\xrightarrow{\mathrm{c}}Q^{\prime}.
3. Nous allons d’abord démontrer que le théorème 1 résulte du théorème 2 . En effet, soient P𝑐QP\xrightarrow{c}Q, (1) les racines des polynomes P,Q,n>1P,Q,n>1 et

ξ1ξ2ξn1,η˙1η2ηn1\xi_{1}\leqq\xi_{2}\leqq\cdots\leqq\xi_{n-1},\dot{\eta}_{1}\leqq\eta_{2}\leqq\cdots\leqq\eta_{n-1} (3)

les racines respectives des polynomes P,QP^{\prime},Q^{\prime}. Considérons les polynomes Pε,QεP_{\varepsilon},Q_{\varepsilon} de degré nn, ayant respectivement les racines xi+iε,i=1,2,nx_{i}+i\varepsilon,i=1,2,\ldots n, yi+(i+1)ε,i=1,2,,ny_{i}+(i+1)\varepsilon,i=1,2,\ldots,nε\varepsilon est un nombre positif. Les polynomes
Pε,QεP_{\varepsilon},Q_{\varepsilon} ont toutes leurs racines simples, nous avons PεccQeP_{\varepsilon}\xrightarrow{\mathrm{cc}}Q_{e} et si

ξ1(e)<ξ2(e)<<ξn1(e),η1(e)<η2(e)<<ηn1(e)\xi_{1}^{(\mathrm{e})}<\xi_{2}^{(\mathrm{e})}<\ldots<\xi_{n-1}^{(\mathrm{e})},\quad\eta_{1}^{(\mathrm{e})}<\eta_{2}^{(\mathrm{e})}<\ldots<\eta_{n-1}^{(\mathrm{e})}

sont respectivement les racines des polynomes Pe,QeP_{e}^{\prime},Q_{e}^{\prime}, nous avons

limε0ξi(ε)=ξi,limε0ηi(ε)=ηi,i=1,2,,n1.\lim_{\varepsilon\rightarrow 0}\xi_{i}^{(\varepsilon)}=\xi_{i},\lim_{\varepsilon\rightarrow 0}\eta_{i}^{(\varepsilon)}=\eta_{i},\quad i=1,2,\ldots,n-1. (4)

Si nous supposons que le théorème 2 soit vrai, il résulte que PεccQεP_{\varepsilon}^{\prime}\xrightarrow{cc}Q_{\varepsilon}^{\prime} et de (4) on en déduit, en faisant ε0,PcQ\varepsilon\rightarrow 0,P^{\prime}\xrightarrow{\mathrm{c}}Q^{\prime}. On a clonc démontré que le théorème 1 résuite du théorème 2.
4. Il reste à démontrer le théorème 2. Soient P,QP,Q deux polynomes de degré n>1n>1 tels que PccQP\xrightarrow{cc}Q et soient (1)\left(1^{\prime}\right) les racines respectives de ces polynomes. Soit PiP_{i} un polynome de degré nn ayant comme racines x1,x2,,xni,yni+1,yni+2,,ynx_{1},x_{2},\ldots,x_{n-i},y_{n-i+1},y_{n-i+2},\ldots,y_{n}, pour i=1,2,,ni=1,2,\ldots,n. Le polynome P0P_{0} est égal à PP et PnP_{n} est égal à QQ. Tes polynomes PiP_{i} ont toutes leurs racines simples, mais nous avons, en général, seulement Pi+cPi+1,i=0,1P_{i\rightarrow+}^{\mathrm{c}}P_{i+1},i=0,1, .n1\ldots.n-1. Si nous démontrons que

PiccPi+1,i=0,1,,n1,P_{i}^{\prime}\xrightarrow{\mathrm{cc}}P_{i+1}^{\prime},\quad i=0,1,\ldots,n-1, (5)

alors, par suite de la transitivité de la relation considérée, il résulte que PccQP^{\prime cc}\rightarrow Q^{\prime} et le théorème 2 est démontré.

Il reste à démontrer les relations (5). Ces relations résultent du
I1I_{1} 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 gg un polynome de degré n(1)n(\geqq 1) ayant toutes ses racines α1<α2<<<αn\alpha_{1}<\alpha_{2}<<\ldots<\alpha_{n} réelles et simples. Ira propriété du lemme 1 revient aut fait que chacune des racines de la dérivée du polynome fa=(xα)gf_{a}=(x-\alpha)g est une fonction croissante de α\alpha. Ces racines β1<β2<<βn\beta_{1}<\beta_{2}<\ldots<\beta_{n} sont des fonctions continues de α\alpha et restent distinctes. Nous pouvons démontrer d’abord qu’elles sont des fonctions strictement monotones de α\alpha. Fin effet, si, par exemple, βk\beta_{k} ne serait pas une fonction strictement monotone de α\alpha, nous pouvions trouver deux valeurs différentes α,α′′\alpha^{\prime},\alpha^{\prime\prime} de α\alpha pour lesquelles les polynomes

fa=(xα)g+g,fa′′=(xα′′)g+gf_{a^{\prime}}^{\prime}=\left(x-\alpha^{\prime}\right)g^{\prime}+g,\quad f_{a^{\prime\prime}}^{\prime}=\left(x-\alpha^{\prime\prime}\right)g^{\prime}+g (6)

aient une racine commune égale à βk\beta_{k}. Ceci est impossible car toute racine commune des polynomes (6) devrait être une racine commune des polynomes g,gg,g^{\prime} ce qui contredit l’hypothèse que gg ait seulement des racines simples. La monotonie stricte des racines βi\beta_{i}, fonctions de α\alpha, 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

limaatβi=αi,i=1,2,,n\lim_{a\rightarrow a_{t}}\beta_{i}=\alpha_{i},\quad i=1,2,\ldots,n

nous trouvons bien que les βi\beta_{i} sont des fonctions croissantes de α\alpha.
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

α1<α2<<αn1\alpha_{1}^{\prime}<\alpha_{2}^{\prime}<\ldots<\alpha_{n-1}^{\prime}

sont les racines du polynome gg^{\prime}, les racines βi,i=1,2,,n\beta_{i},i=1,2,\ldots,n, varient respectivement dans les intervalles (,α1],[αi1,αi],i=2,3,,n1,[αn1,)\left(-\infty,\alpha_{1}^{\prime}\right],\left[\alpha_{i-1}^{\prime},\alpha_{i}^{\prime}\right],i=2,3,\ldots,n-1,\left[\alpha_{n-1}^{\prime},\infty\right), si n>2n>2. Si n=1n=1, la racine β1\beta_{1} varie de -\infty à \infty et si n=2n=2, les racines β1\beta_{1}, β2\beta_{2} varient respectivement dans les intervalles (,α1+α22],[α1+α22,)\left(-\infty,\frac{\alpha_{1}+\alpha_{2}}{2}\right],\left[\frac{\alpha_{1}+\alpha_{2}}{2},\infty\right).

Ir

  1. 5.

    Nous allons nous occuper cle la démonstration signalée du théorème de W. A. Markov.

Nous introduisons la relation P𝑠QP\xrightarrow{s}Q entre deux polynomes, qui a lieu si et seulement si:
11^{\circ} Les polynomes P,QP,Q ont le même degré n1n\geqq 1.
22^{\circ} Ies racines respectives (1) de ces polynomes vérifient les inégalités

x1y1x2y2xnynx_{1}\leqq y_{1}\leqq x_{2}\leqq y_{2}\leqq\cdots\leqq x_{n}\leqq y_{n} (7)

Si P𝑠QP\xrightarrow{s}Q ou Q𝑠PQ\xrightarrow{s}P nous pouvons dire que les racines des polynomes P,QP,Q se séparent. En général, de P𝑠QP\xrightarrow{s}Q il réstulte que P𝑐QP\xrightarrow{c}Q et, pour n=1n=1, les relations P𝑠Q,PcQP\xrightarrow{s}Q,P\xrightarrow{\mathrm{c}}Q sont équivalentes. Compte tenant d’une remarque précédente, nous pouvons trouver, pour tout n>1n>1, deux polynomes P,QP,Q de degré nn tels qu’aucune des relations P𝑆QP\xrightarrow{S}Q, Q𝑠PQ\xrightarrow{s}P ne soit pas vérifiée.

10. Le théorème de W. A. Markov peut s’énoncer de la manière suivante :
THÉORÈME 3. Si P,QP,Q sont deux polynômes de degré n>1n>1, de PsQP\xrightarrow{\mathrm{s}}Q il résulte que PsQP^{\prime}\xrightarrow{\mathrm{s}}Q^{\prime}.

Si n=2n=2 le théorème 3 résulte du théorème 1. En effet, dans ce cas, de PsQP\xrightarrow{\mathrm{s}}Q il résulte que PcQP\xrightarrow{\mathrm{c}}Q d’où, en vertu du théorème 1, il résulte que PcQP^{\prime}\xrightarrow{\mathrm{c}}Q^{\prime}. Mais cette relation est équivalente à PsQP^{\prime}\xrightarrow{\mathrm{s}}Q^{\prime} et la propriété est démontrée.

Nous introduisons également la relation PssQP\xrightarrow{ss}Q entre deux polynômes, qui a lieu si et seulement si :
11^{\circ} Les polynômes P,QP,Q ont le même degré n1n\geq 1 et tous les deux ont leurs racines toutes simples.

22^{\circ} Les racines respectives (1)\left(1^{\prime}\right) de ces polynomes vérifient les inégalités

x1<y1<x2<y2<<xn<ynx_{1}<y_{1}<x_{2}<y_{2}<\ldots<x_{n}<y_{n} (\prime)

De PssQP\xrightarrow{\mathrm{ss}}Q il résulte que PccQP\xrightarrow{\mathrm{cc}}Q et pour u=1u=1 ces relations sont équivalentes.

Nous avons le cas particulier suivant du théorème de W. A. Markov :
THÉORÈME 4. Si P,QP,Q sont deux polynômes de degré n>1n>1, de PssQP\xrightarrow{\mathrm{ss}}Q il résulte que PssQP^{\prime}\xrightarrow{\mathrm{ss}}Q^{\prime}.

On démontre, comme plus haut, que pour n=2n=2 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 PsQP\xrightarrow{\mathrm{s}}Q et si nous prenons maintenant les polynômes Pε,QεP_{\varepsilon},Q_{\varepsilon} ayant respectivement comme racines xi+(2i1)ε,i=1,2,,nx_{i}+(2i-1)\varepsilon,i=1,2,\ldots,n, yi+2iε,i=1,2,,ny_{i}+2i\varepsilon,i=1,2,\ldots,n, où ε\varepsilon est un nombre positif, nous avons PεssQεP_{\varepsilon}\xrightarrow{\mathrm{ss}}Q_{\varepsilon}. Si nous supposons que le théorème 4 soit vrai, il en résulte que PεssQεP_{\varepsilon}^{\prime}\xrightarrow{\mathrm{ss}}Q_{\varepsilon}^{\prime}. Si nous faisons ε0\varepsilon\rightarrow 0, les racines de Pε,QεP_{\varepsilon}^{\prime},Q_{\varepsilon}^{\prime} tendent vers les racines respectives de P,QP^{\prime},Q^{\prime} et nous déduisons que PsQP^{\prime}\xrightarrow{\mathrm{s}}Q^{\prime}. 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 PssQP\xrightarrow{\mathrm{ss}}Q il résulte que PccQP\xrightarrow{\mathrm{cc}}Q donc aussi PccQP^{\prime}\xrightarrow{\mathrm{cc}}Q^{\prime}. Pour démontrer que nous avons de plus PssQP^{\prime}\xrightarrow{\mathrm{ss}}Q^{\prime} il suffit de montrer que les dérivées des polynômes P,QP,Q (qui ont toutes leurs racines simples) ne peuvent avoir des racines communes. En effet, il est facile de voir qu’alors la relation PssQP^{\prime}\xrightarrow{\mathrm{ss}}Q^{\prime} se maintient pendant que les racines de PP croissent vers les racines respectives de QQ.

Mais, si (xi)(x_{i}^{\prime}) sont les racines des polynômes P,QP,Q de degré nn, la relation PssQP\xrightarrow{\mathrm{ss}}Q est équivalente à l’égalité

Q=P(a+i=1naixxi)Q=P\left(a+\sum_{i=1}^{n}\frac{a_{i}}{x-x_{i}}\right) (1)

aa est une constante différente de zéro et a1,a2,,ana_{1},a_{2},\ldots,a_{n} des constantes différentes de zéro et du même signe. D’ailleurs, le produit aaiaa_{i} est de signe contraire avec le plus haut coefficient de PP, donc avec PP pour xx très grand.

Par dérivation de (8) il résulte que
(9)

Q=P(a+i=1naixxi)Pi=1nai(xxi)2Q^{\prime}=P^{\prime}\left(a+\sum_{i=1}^{n}\frac{a_{i}}{x-x_{i}}\right)-P\sum_{i=1}^{n}\frac{a_{i}}{(x-x_{i})^{2}}

On voit que si P,QP^{\prime},Q^{\prime} avaient une racine commune, cette racine devait annuler aussi le polynôme PP, ce qui est impossible puisque, par hypothèse, PP n’a que des racines simples.

8. Les relations PsQP\xrightarrow{\mathrm{s}}Q et PssQP\xrightarrow{\mathrm{ss}}Q peuvent être étendues au cas où le polynôme PP est de degré nn et le polynôme QQ de degré n1n-1. Si n>1n>1 et si

x1x2xn,y1y2yn1x_{1}\leq x_{2}\leq\ldots\leq x_{n},\quad y_{1}\leq y_{2}\leq\ldots\leq y_{n-1} (10)

sont respectivement les racines de PP et de QQ, la relation PsQP\xrightarrow{\mathrm{s}}Q a lieu si et seulement si

xiyixi+1,i=1,2,,n1x_{i}\leq y_{i}\leq x_{i+1},\quad i=1,2,\ldots,n-1 (11)

On peut encore dire que les racines des polynômes P,QP,Q se séparent.
La relation PssQP\xrightarrow{\mathrm{ss}}Q a lieu si et seulement si, de plus, les racines des polynômes P,QP,Q sont toutes simples et si au lieu de (11) nous avons les inégalités

xi<yi<xi+1,i=1,2,,n1.x_{i}<y_{i}<x_{i+1},i=1,2,\ldots,n-1. (\prime)

Nous avons alors la
Conséquence 1. Si PP est un polynome de degré nn et QQ un polynome de degré n1,n>1n-1,n>1, de P𝑠QP\xrightarrow{s}Q il résulte que P𝑠QP^{\prime}\xrightarrow{s}Q^{\prime}.

Ia propriété résulte du théorème 3 par un passage à la limite. Pour le voir soient (10) les racines de PP et QQ qui vérifient la relation P𝑠QP\xrightarrow{s}Q. Considérons le polynome R=(xyn)QR=\left(x-y_{n}\right)Q de degré nn. Si xnynx_{n}\leqq y_{n} nons avons PsRP\xrightarrow{\mathrm{~s}}R, d’où, compte tenant du théorème 3,PsR3,P^{\prime}\xrightarrow{\mathrm{s}}R^{\prime}. Si nous faisons y11y_{11}\rightarrow\infty, l’une des racines de RR^{\prime} (la plus grande) tend vers \infty et les autres vers les racines respectives de QQ^{\prime}. 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 yny_{n}\rightarrow\infty, de PRP^{\prime}\rightarrow R^{\prime} il résulte que PQP^{\prime}\rightarrow Q^{\prime}.

Nous avons aussi la
Conséquence 2. Si PP est un polynome de degré nn et QQ un polynome de degré n1,n>1n-1,n>1, de PssQP\xrightarrow{\mathrm{ss}}Q il résulte que PssQP^{\prime}\xrightarrow{\mathrm{ss}}Q^{\prime}.

Cette propriété résulte du théorème 4 de la même manière que la conséquence 1 du théorème 3 . Nous construisons, comme plus haut, le polynome RR. Si PssQP\xrightarrow{ss}Q et si xn<ynx_{n}<y_{n}, nous avons PssRP\xrightarrow{ss}R, donc par suite du théorème 4,P𝑠R4,P^{\prime}\xrightarrow{s}R^{\prime}. De là, si nous faisons jnj^{\prime}n\rightarrow\infty il résulte que PQP^{\prime}\rightarrow Q^{\prime}. Pour démontrer que nous avons même PQP^{\prime}\rightarrow Q^{\prime} il suffit de démontrer que si PssQP\xrightarrow{ss}Q, les polynomes P,QP^{\prime},Q^{\prime} ne peuvent pas avoir des racines communes.

Si PssQP\xrightarrow{\mathrm{ss}}Q nous avons la formule ( 8 ), où a=0a=0 et ai,i=1,2,,na_{i},i=1,2,\ldots,n sont uu constantes différentes de zéro et du même signe. La formule (9) nous montre que P,QP^{\prime},Q^{\prime} ne peuvent avoir des racines communes.
La conséquence 2L_{\text{a conséquence }}2 est démontrée.
9. Comme une application, considérons une suite de polynomes orthogonaux

Π0,Π1,,Πn1,Πn,\Pi_{0},\Pi_{1},\ldots,\Pi_{n-1},\Pi_{n},\ldots

On sait que les racines de Πn\Pi_{n} sont toutes réelles, simples et que les racines de Πn1\Pi_{n-1} sont séparées au sens strict par les racines de Πn\Pi_{n}. Nous avons donc ΠnssΠn1\Pi_{n}\xrightarrow{\mathrm{ss}}\Pi_{n-1} pour n>1n>1. De la conséquence 2 il résulte donc la

Conséquence 3. Si Πn1,Πn\Pi_{n-1},\Pi_{n} sont deux termes consécutifs d’une suite de polynomes orthogonaux ( n>1n>1 ), nous avons ΠnssΠn1\Pi_{n}^{\prime}\xrightarrow{ss}\Pi_{n-1}^{\prime}.

III

  1. 10.

    Nous allons nous occuper d’un théorème analogue au théorème de W. A. Markov.

Nous introduisons la relation P𝑚QP\xrightarrow{m}Q entre deux polynomes, qui a lieu si et seulement si :
1010^{\circ} Les polynomes P,QP,Q sont du même degré n1n\geqq 1.
22^{\circ} Les racines (1) de ces polynomes vérifient les inégalités
(12) x1+x2++xiy1+y2++yi,i=1,2,,n1\quad x_{1}+x_{2}+\ldots+x_{i}\leqq y_{1}+y_{2}+\ldots+y_{i},\quad i=1,2,\ldots,n-1
et l’égalité

x1+x2++xn=y1+y2++ynx_{1}+x_{2}+\cdots+x_{n}=y_{1}+y_{2}+\cdots+y_{n} (13)

Si n=1n=1, nous avons seulement l’égalité (13). Si n=1n=1 la relation P𝑚QP\xrightarrow{m}Q signifie que P,QP,Q 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 n>1n>1 nous pouvons trouver deux polynomes P,QP,Q de degré nn tels qu’aucune des relations PmQ,QmPP\xrightarrow{\mathrm{~m}}Q,Q\xrightarrow{\mathrm{~m}}P ne soit pas vérifiée.

D’après g. h. hardy, J. E. LITTLEWOOD et G: PÓLYA [1], la relation P ml QP\xrightarrow{\text{ ml }}Q est équivalente au fait que les racines de QQ se déduisent de celles de PP par une sorte de procédé de „médiation". Ceci signifie qu’il existe une matrice ( al,ja_{l,j} ) à nn lignes et nn colonnes, avec des éléments non-négatifs, la somme des éléments de chaque ligne et de chaque colonne étant égale à 1 ,

v=1nai,v=v=1nav,j=1,i,j=1,2,,n\sum_{v=1}^{n}a_{i,v}=\sum_{v=1}^{n}a_{v,j}=1,\quad i,j=1,2,\ldots,n

et telle que

yi=j=1nai,jxj,i=1,2,,ny_{i}=\sum_{j=1}^{n}a_{i,j}x_{j},i=1,2,\ldots,n

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 P,QP,Q sont deux polynômes de degré n>1n>1, de PmQP\xrightarrow{\mathrm{m}}Q il résulte que PmQP^{\prime}\xrightarrow{\mathrm{m}}Q^{\prime}.

Nous introduisons également la relation PmmQP\xrightarrow{\mathrm{mm}}Q entre deux polynômes, qui a lieu si et seulement si :
11^{\circ} Les polynômes P,QP,Q sont du même degré n1n\geq 1 et ont toutes leurs racines simples.
22^{\circ} Les racines respectives de ces polynômes vérifient les inégalités

x1+x2++xi<y1+y2++yi,i=1,2,,n1x_{1}+x_{2}+\ldots+x_{i}<y_{1}+y_{2}+\ldots+y_{i},\quad i=1,2,\ldots,n-1 (12’)

et l’égalité (13).
Pour n=1n=1, nous gardons pour la définition seulement l’égalité (13) et alors la relation PmmQP\xrightarrow{\mathrm{mm}}Q est équivalente à P111QP\xrightarrow{111}Q.

La relation mm\xrightarrow{\mathrm{mm}} est transitive. Nous avons aussi des propriétés de transitivité mixtes entre les deux relations considérées. Si PmmRP\xrightarrow{\mathrm{mm}}R, RmQR\xrightarrow{\mathrm{m}}Q et si QQ a toutes ses racines simples, nous avons P1mnQP\xrightarrow{1mn}Q. De P1mnRP\xrightarrow{1mn}R, RmSR\xrightarrow{\mathrm{m}}S, SmmQS\xrightarrow{\mathrm{mm}}Q il résulte que PmmQP\xrightarrow{\mathrm{mm}}Q.

Enfin, nous avons le :
THÉORÈME 6. Si P,QP,Q sont deux polynômes de degré n>1n>1, de Pm111QP\xrightarrow{\mathrm{m}111}Q il résulte que Pm111QP^{\prime}\xrightarrow{\mathrm{m}111}Q^{\prime}.

La démonstration des théorèmes 5 et 6 est immédiate pour n=2n=2, 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 P,QP,Q a toutes ses racines confondues.

Nous allons faire d’abord quelques remarques. Si

x1x2xnx_{1}\leq x_{2}\leq\ldots\leq x_{n} (14)

Si x1,x2,,xnx_{1},x_{2},\ldots,x_{n} sont les racines du polynôme PP, nous avons

x1x1+x22x1+x2+x33x1+x2++xnn.x_{1}\leq\frac{x_{1}+x_{2}}{2}\leq\frac{x_{1}+x_{2}+x_{3}}{3}\leq\ldots\leq\frac{x_{1}+x_{2}+\ldots+x_{n}}{n}. (15)

Si xix_{i} et yiy_{i} sont les racines des polynômes P,QP,Q et si PmQP\xrightarrow{\mathrm{m}}Q, nous avons x1y1x_{1}\leq y_{1}, ynxny_{n}\leq x_{n}, donc aussi

xnx1yny10.x_{n}-x_{1}\geq y_{n}-y_{1}\geq 0. (16)

Si n>1n>1 et P11111QP\xrightarrow{11111}Q, nous avons les inégalités plus précises

xnx1>yny1>0.x_{n}-x_{1}>y_{n}-y_{1}>0.

Démontrons maintenant le théorème 5 dans les deux cas particuliers signalés :

Cas 1. Le polynôme PP a toutes ses racines confondues. De P11QP\xrightarrow{11}Q et (16), il résulte que QQ a également toutes ses racines confondues et notamment avec l’unique racine distincte de PP. Dans ce cas PP^{\prime} et QQ^{\prime} ont également toutes leurs racines confondues avec l’unique racine distincte de PP, et le théorème 5 en résulte.

Cas 2. Le polynôme QQ a toutes ses racines confondues. Soient ξi,ηi\xi_{i},\eta_{i} les racines des polynômes P,QP^{\prime},Q^{\prime} et tenons compte des inégalités (15) correspondantes à ces racines. Alors si P111QP\xrightarrow{111}Q, nous avons

ξ1ξ1+ξ22ξ1+ξ2++ξn1n1=η1=η2==ηn1,\xi_{1}\leq\frac{\xi_{1}+\xi_{2}}{2}\leq\ldots\leq\frac{\xi_{1}+\xi_{2}+\ldots+\xi_{n-1}}{n-1}=\eta_{1}=\eta_{2}=\ldots=\eta_{n-1},

d’où il résulte que PQP^{\prime}\xrightarrow{}Q^{\prime} 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 xx′′x^{\prime}\leq x^{\prime\prime} d’un polynôme revient à la substitution de ces racines par xρx^{\prime}-\rho, x′′+ρx^{\prime\prime}+\rho respectivement, où ρ>0\rho>0, et les autres racines du polynôme restent inchangées.

Une contraction de deux des racines x<x′′x^{\prime}<x^{\prime\prime} d’un polynôme revient à la substitution de ces racines par x+ρx^{\prime}+\rho, x′′ρx^{\prime\prime}-\rho respectivement, où ρ>0\rho>0, et les autres racines du polynôme restent inchangées.

Le nombre ρ\rho 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 [xρ,x)[x^{\prime}-\rho,x^{\prime}), (x′′,x′′+ρ](x^{\prime\prime},x^{\prime\prime}+\rho] et dans le cas de la contraction, les intervalles [x,x+ρ][x^{\prime},x^{\prime}+\rho], [x′′ρ,x′′][x^{\prime\prime}-\rho,x^{\prime\prime}] ne contiennent aucune racine du polynôme initial ou du polynôme transformé. Si xix_{i} sont les racines du polynôme initial et si n>1n>1, avec la restriction précédente, l’opération de dilatation est applicable aux racines xr,xsx_{r},x_{s}, r<sr<s, seulement dans les cas suivants :

r=\displaystyle r= 1,s=n, pour 0<ρ quelconque ,\displaystyle 1,s=n,\text{ pour }0<\rho\text{ quelconque },
r=\displaystyle r= 1,s<n, si x1xs<xs+1, pour 0<ρ<xs+1xs,\displaystyle 1,s<n,\text{ si }x_{1}\leqq x_{s}<x_{s+1},\text{ pour }0<\rho<x_{s+1}-x_{s},
r>\displaystyle r> 1,s=n, si xr1<xrxn, pour 0<ρ<xrxr1,\displaystyle 1,s=n,\text{ si }x_{r-1}<x_{r}\leqq x_{n},\text{ pour }0<\rho<x_{r}-x_{r-1},
r>\displaystyle r> 1,s<n, si xr1<xrxs<xs+1, pour\displaystyle 1,s<n,\text{ si }x_{r-1}<x_{r}\leqq x_{s}<x_{s+1},\text{ pour }
0<ρ<min(xrxr1,xs+1xs).\displaystyle 0<\rho<\min\left(x_{r}-x_{r-1},x_{s+1}-x_{s}\right).

De même, l’opération de la contraction est applicable seulement dans les cas suivants:

sγ=1, si xr<xr+1, pour 0<ρ<xr+1xr2,s-\gamma=1,\text{ si }x_{r}<x_{r+1},\text{ pour }0<\rho<\frac{x_{r+1}-x_{r}}{2},

sr>1s-r>1, si xr<xr+1xs1<xsx_{r}<x_{r+1}\leqq x_{s-1}<x_{s}, pour 0<ρ<min(xr+1xr,xsxs1)0<\rho<\min\left(x_{r+1}-x_{r},x_{s}-x_{s-1}\right).
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 ρ\rho correspondant. En particulier, si nous pouvons appliquer une opération de dilatation ou de contraction de coefficient ρ\rho, nous pouvons aussi appliquer aux mêmes racines, toute dilatation resp. contraction de coefficient <ρ<\rho.

On en déduit que si nous appliquons aux racines xr,xs,r<sx_{r},x_{s},r<s du polynome, une dilatation ou une contraction, les racines du polynome deviennent des fonctions continues du coefficient ρ\rho. Il en est de même pour les sommes x1+x2++xi,i=1,2,,nx_{1}+x_{2}+\ldots+x_{i},i=1,2,\ldots,n. Ces sommes se transforment en x1+x2++xiρx_{1}+x_{2}+\ldots+x_{i}-\rho respectivement en x1+x2++xi+ρx_{1}+x_{2}+\ldots+x_{i}+\rho pour ı=r,r+1,,s1\imath=r,r+1,\ldots,s-1, suivant qu’il s’agit d’une dilatation respectivement dune contraction de coefficient ρ\rho des racines xr,xs,r<sx_{r},x_{s},r<s. Les sommes x1+x2++xlx_{1}+x_{2}+\ldots+x_{l}, pour les autres valeurs de ii 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 PP^{*} est un polynome qui se déduit du polynome PP par l’application d’une dilatation ou d’une contraction de coefficient ρ\rho, les racines de PP^{*} tendent, pour ρ0\rho\rightarrow 0, vers les racines correspondantes de PP. En même temps les racines de PP^{*\prime}, qui sont également des fonctions continues de PP, tendent vers les racines correspondantes de PP^{\prime}.

Il est important d’étendre ces propriétés à la limite, au cas où PP^{*} se déduit de PP 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 n=3n=3 et x1=0,x2=x3=2x_{1}=0,x_{2}=x_{3}=2. La première raciue est donc égale à 0 , la seconde et la troisième à 2 . Si nous appliquons d’abord aux racines x1,x3x_{1},x_{3} (à la première et à la troisième) une dilatation de coefficient 3 , les racines deviennent 3,2,5-3,2,5. En appliquant ensuite une contraction de coefficient 1 aux racines x2,x3x_{2},x_{3} (à la seconde et à la troisième) nous obtenons les racines 3,3,4-3,3,4. L’ordre des opérations ne peut être interverti car l’opération de contraction ne peut être appliquée aux racines x2=2,x3=2x_{2}=2,x_{3}=2, 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 x2,x3x_{2},x_{3} (à la seconde et à la troisième) une contraction de coefficient 1 . Les racines deviennent 0,1,30,1,3. Nous appliquons ensuite aux racines 0 , 1 (à la première et à la seconde) une dilatation de coefficient 3 . Nous retrouvous les racines 3,3,4-3,3,4. 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 PP^{*} s’obtient du polynome PP par l’application d’une dilatation de deux racines, nous avons P𝑚PP^{*}\xrightarrow{m}P. Cette relation est vraie aussi lorsque le polynome PP^{*} s’obtient de PP par l’application successive d’un nombre quelconque de dilatations.

Soient (14) les racines du polynome PP et soit n>1n>1. Désignons par PeP_{e} un polynome ayant comme racines les nombres

xi=xi(ni)p,i=1,2,,n1,xn=xn+n(n1)2ρ,x_{i}^{\prime}=x_{i}-(n-i)p,i=1,2,\ldots,n-1,x_{n}^{\prime}=x_{n}+\frac{n(n-1)}{2}\rho,

ρ\rho est un nombre positif. Le polynôme PρP_{\rho} s’obtient de PP en appliquant successivement les opérations de dilatation, de coefficient (ni)ρ(n-i)\rho aux racines xi,xnx_{i},x_{n}, pour i=1,2,,n1i=1,2,\ldots,n-1 (dans cet ordre). Nous avons Pe11PP_{\mathrm{e}}\xrightarrow{11}P. Remarquons que PeP_{\mathrm{e}} a toutes ses racines simples qui, pour ρ0\rho\rightarrow 0, tendent vers les racines correspondantes de PP. En même temps les racines de PeP_{e}^{\prime} tendent vers les racines correspondantes de PP^{\prime}.

Soient P,QP,Q deux polynomes de degré n>1n>1, (1) les racines de ces polynomes et supposons que P𝑚QP\xrightarrow{m}Q. Soient

x1<x2<<xn,y1<y2<<ynx_{1}^{\prime}<x_{2}^{\prime}<\ldots<x_{n}^{\prime},\quad y_{1}^{\prime}<y_{2}^{\prime}<\ldots<y_{n}^{\prime}

les racines des polynomes P2ϱ,QeP_{2\varrho},Q_{e}, où ρ\rho est un nombre positif et qui s’obtiennent de P,QP,Q de la même manière que plus haut le polynome PQP_{Q} de PP. Nous avons alors

y1+y2++yi(x1+x2++xi)==y1+y2++yi(x1+x2++xi)+i(2ni1)2ρ>0,i=1,2,,n1,x1+x2++xn=y1+y2++yn.\begin{gathered}y_{1}^{\prime}+y_{2}^{\prime}+\ldots+y_{i}^{\prime}-\left(x_{1}^{\prime}+x_{2}^{\prime}+\ldots+x_{i}^{\prime}\right)=\\ =y_{1}+y_{2}+\ldots+y_{i}-\left(x_{1}+x_{2}+\ldots+x_{i}\right)+\frac{i(2n-i-1)}{2}\rho>0,\\ i=1,2,\ldots,n-1,\\ x_{1}^{\prime}+x_{2}^{\prime}+\ldots+x_{n}^{\prime}=y_{1}^{\prime}+y_{2}^{\prime}+\ldots+y_{n}^{\prime}.\end{gathered}

Nous avons donc P2ϱmmQeP_{2\varrho}\xrightarrow{mm}Q_{e}. En supposant donc que le théorème 6 soit vrai, il en résulte que P2ρmmQϱP_{2_{\rho}}^{\prime}\xrightarrow{mm}Q_{\varrho}^{\prime}. Mais, si ρ0\rho\rightarrow 0, les racines de P2ρ,QϱP_{2_{\rho}}^{\prime},Q_{\varrho}^{\prime} tendent vers les racines de P,QP^{\prime},Q^{\prime} respectivement. Fin faisant donc p0p\rightarrow 0, nous déduisons que P1mQP^{\prime}\xrightarrow{1m}Q^{\prime}.

Nous avons ainsi démontré que le théorème 5 résulte du théorème 6 .
Remarque. La relation P111PP^{*}\xrightarrow{111}P est vraie si PP^{*} s’obtient de PP 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 xx′′x^{\prime}\leq x^{\prime\prime} et si nous supposons que le coefficient ρ\rho croit, on peut remplacet xρx^{\prime}-\rho out x′′ρx^{\prime\prime}-\rho par une racine qu’il traverse. Convenons de dire qu’une dilatation des racines xx′′x^{\prime}\leq x^{\prime\prime} ne dérange pas au sens large l’ordre des racines lorsque les intervalles ( xρ,xx^{\prime}-\rho,x^{\prime} ), ( x′′,x′′+ρx^{\prime\prime},x^{\prime\prime}+\rho ) 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 P11PP^{*}\xrightarrow{11}P est vraie lorsqu’on obtient PP^{*} de PP 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 PP^{*} s’obtient de PP par une contraction de deux racines, nous avons PPP\rightarrow P^{*}. Cette relation reste vraie si PP^{*} s’obtient de
PP par une succession d’un nombre fini de contractions. Si le polynome PP. a toutes ses racines simples, il en est de même pour le polynome PP^{*}.

Lemme 2. Étant donnés un polynome PP de degré n>1n>1 et un nombre positif a quelconque, on peut trouver un polynome de degré nn tel que: 11^{\circ} Ce polynome se déduise de PP par l’application successive d’un nombre fini de contractions de deux racines consecutives, 22^{\circ} Les racines de ce polynome soient toutes comprises dans un intervalle de longueur <ε<\varepsilon.

Il est clair que si PP a toutes ses racines confondues nous n’avons rien à démontrer. Ici nous considérons seulement le cas où PP 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 xi,xi+1x_{i},x_{i+1}.

Nous démontrerons le lemme par induction complète.
Pour n=2n=2 la propriété est vraie puisque si x1<x2x_{1}<x_{2} sont les racines de PP, il suffit de leur appliquer une contraction de coefficient ρ\rho qui vérifie les inégalités max(0,x2x1ε2)<ρ<x2x12\max\left(0,\frac{x_{2}-x_{1}-\varepsilon}{2}\right)<\rho<\frac{x_{2}-x_{1}}{2}

Supposons maintenant que n>2n>2 et que la propriété soit vraie pour les polynomes de degré n1n-1. Démontrons que la propriété sera vraie aussi pour les polynomes de degré nn.

Nous allons d’abord démontrer que si PP est un polynome de degré nn ayant les racines (14) (x1<xn)\left(x_{1}<x_{n}\right), 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 <xnx12+ε4<\frac{x_{n}-x_{1}}{2}+\frac{\varepsilon}{4}.
En effet, par hypothèse, par l’application d’un nombre fini de contractions de racines consécutives, nous pouvons déduire de PP un polynome P1P_{1} dont: les racines x1<x2<<xnx_{1}^{\prime}<x_{2}^{\prime}<\ldots<x_{n}^{\prime} vérifient les relations x1=x1,xnx2<84x_{1}^{\prime}=x_{1},x_{n}^{\prime}-x_{2}^{\prime}<\frac{8}{4}. Les contractions sont appliquées seulement à des couples de la forme xi,xi+1x_{i},x_{i+1}, où i>1i>1. Ensuite nous appliquons au polynome P1P_{1} une contraction des racines x1,x2x_{1}^{\prime},x_{2}^{\prime} de coefficient ρ\rho, où max (0,x2x12ε8)<ρ<x2x12\left(0,\frac{x_{2}^{\prime}-x_{1}^{\prime}}{2}-\frac{\varepsilon}{8}\right)<\rho<\frac{x_{2}^{\prime}-x_{1}^{\prime}}{2}. Les racines du polynome ainsi obtenu sont alors comprises dans un intervalle de longueur <xn(x1+ρ)<xnx1x2x12+ε3=xnx12++x2x12+ε8<xnx12+ε4<x_{n}^{\prime}-\left(x_{1}+\rho\right)<x_{n}^{\prime}-x_{1}^{\prime}-\frac{x_{2}^{\prime}-x_{1}^{\prime}}{2}+\frac{\varepsilon}{3}=\frac{x_{n}^{\prime}-x_{1}^{\prime}}{2}++\frac{x_{2}^{\prime}-x_{1}^{\prime}}{2}+\frac{\varepsilon}{8}<\frac{x_{n}-x_{1}}{2}+\frac{\varepsilon}{4}, justement ce qu’il fallait démontrer.

I1 en résulte que si un polynome de degré nn a toutes ses racines comprises dans un intervalle de longueur <l<l, 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 <l2+ε4<\frac{l}{2}+\frac{\varepsilon}{4}. Ein répétant ce procédé, on voit que, pour tout nombre naturel kk on peut déduire, par l’application successive d’un nombre fini de contractions de deux racines consécutives, un polynome de degré nn dont les racines soient comprises dans un intervalle de longueur plus petite que

l2k+ε(122+123++12k+1)<l2k+ε2\frac{l}{2^{k}}+\varepsilon\left(\frac{1}{2^{2}}+\frac{1}{2^{3}}+\ldots+\frac{1}{2^{k+1}}\right)<\frac{l}{2^{k}}+\frac{\varepsilon}{2}

Il suffit de choisir le nombre kk de manière que l2k<ε2\frac{l}{2^{k}}<\frac{\varepsilon}{2} et le lemme est, clémontré.

Remarque. On peut faire une remarque analogue à celle faite auno. 13. La relation P𝑚PP\xrightarrow{m}P^{*} est vraie aussi lorsque PP^{*} s’obtient de PP par the contraction de deux tacines x<x′′x^{\prime}<x^{\prime\prime}, sans la restriction de la conservation de l’ordre des racines, mais avec la condition que le coefficient ρ\rho soit <x′′x<x^{\prime\prime}-x^{\prime}. La démonstration est analogue, en remplaçant x+ρx^{\prime}+\rho ou x′′ρx^{\prime\prime}-\rho avec toute racine qu’il traverse et, en particulier, en permutant ces racines lorsqu’elles se traversent, pendant que pp croit. Ici encore on peut convenir de dire que les racines x<x′′x^{\prime}<x^{\prime\prime} ne dérangent pas au sens large 1’ordre des racines lorsque les intervalles ( x,x+ρx^{\prime},x^{\prime}+\rho ), ( x′′ρ,x′′x^{\prime\prime}-\rho,x^{\prime\prime} ) ne contiennent aucune racine du polynome transformé et lorsque 0<ρ<x′′x0<\rho<x^{\prime\prime}-x^{\prime}. Alors la propriété précédente résulte du fait que toute contraction de deux racines, avec la seule restriction que son coefficient ρ\rho vérifie les inégalités 0<ρ<x′′x0<\rho<x^{\prime\prime}-x^{\prime}, 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 P𝑚PP\xrightarrow{m}P^{*} est vraie lorsque PP^{*} s’obtient de PP 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
I1\mathrm{I}_{1} emme 3. Si P,QP,Q sont deux polynomes de degré n>2n>2 et si P1111QP\xrightarrow{1111}Q, on peut trowver un polynome RR de degré n, qui s’obtient de PP par l’application successive d’un nombre fini de contractions de deux racines consécutives, tel que l’on ait RmQR\xrightarrow{\mathrm{~m}}Q, sans que la relation RmmQR\xrightarrow{\mathrm{~mm}}Q soit vérifiée.

Soient ( 11^{\prime} ) les racines des polynomes P,QP,Q et z1<z2<<znz_{1}<z_{2}<\ldots<z_{n} les racines de RR. Nous avons P11RP\xrightarrow{11}R et, en vertu des hypothèses vérifiées par RR, 11ous avons les inégalités
(17) z1+z2++ziy1+y2++yi,i=1,2,,n1z_{1}+z_{2}+\cdots+z_{i}\leqq y_{1}+y_{2}+\cdots+y_{i},\quad i=1,2,\ldots,n-1,
dans l’une au moins la relation d’égalité étant vraie. Bien entendu, nous avons aussi z1+z2++zn=y1+y2++ynz_{1}+z_{2}+\ldots+z_{n}=y_{1}+y_{2}+\ldots+y_{n}.

Pour démontrer le lemme prenons un nombre positif a tel que

ε<yny1\varepsilon<y_{n}-y_{1} (18)

En vertu du lemme 2, nous pouvons trouver une suite finie de polynomes de degré nn,

P0,P1,,PkP_{0},P_{1},\ldots,P_{k}

tels que:
11{}^{\circ} Chaque terme PiP_{i} s’obtient du précédent Pi1P_{i-1} par une contraction de deux racines consécutives.
22^{\circ} Le premier terme P0P_{0} est égal à PP et le dermicr PkP_{k} a toutes ses racines comprises dans un intervalle de longueur <ε<\varepsilon.

Par hypothèse P0111mQP_{0}\xrightarrow{111m}Q. Il existe donc un plus grand indice γ\gamma tel que Pr mml QP_{r}\xrightarrow{\text{ mml }}Q. Nous ne pouvons pas avoir r=kr=k, car autrement l’inégalité (18) serait en contradiction avec les inégalités (16)\left(16^{\prime}\right). Nous avons donc γ<k\gamma<k, donc aussi r+1kr+1\leqq k et le polynome Pr+1P_{r+1} ne vérific pas la relation Pr+1mmQP_{r+1}\xrightarrow{mm}Q. Soit ρ1\rho_{1} le coefficient de contraction par laquelle Pr+1P_{r+1} s’obtient de PrP_{r}. Soit PP^{*} un polynome qui s’obtient de PP en appliquant au même couple de racines (consécutives) une contraction de coefficient pp1p\leqq p_{1}. Lorsque ρ0\rho\rightarrow 0, les racines de PP^{*} tendent vers les racines correspondantes de PP r et lorsque ρρ1\rho\rightarrow\rho_{1} elles tendent vers les racines correspondantes de Pe rrr_{r} homple ρρ1\rho\rightarrow\rho_{1} hes des Pr+1P_{r+1}. Fin vertu de la continuité par rapport à ρ\rho des racines, il existe 111 nombre positif ρρ1\rho\leqq\rho_{1} tel que l’on ait P111QP^{**}\xrightarrow{111}Q, sans que la relation PmmQP^{*}\xrightarrow{mm}Q soit vérifiée. Ein prenant le polynome RR égal au polynome PP^{*} correspondant à ce ρ\rho, le lemme est démontré.
16. Nous avons aussi le
I1\mathrm{I}_{1} e m me 4 . Si P,QP,Q sont deux polynomes de degré n>1n>1 et si l11111Ql\xrightarrow{11111}Q, on peut trouver une suite finic de polynomes de degré nn,

P0,P1,,PkP_{0},P_{1},\ldots,P_{k} (19)

tels que:
11^{\circ} Chaque terme PiP_{i} s’obtient du lerme précédent Pi1P_{i-1} par une contraction de deux racines consécutives.
22^{\circ} Le premier terme est égal à PP ct le dernier terme est égal à QQ.
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 <l2+ε4<\frac{l}{2}+\frac{\varepsilon}{4}. En répétant ce procédé, on voit que, pour tout nombre naturel kk on peut déduire, par l’application successive d’un nombre fini de contractions de deux racines consécutives, un polynome de degré nn dont les racines soient comprises dans un intervalle de longueur plus petite que

l2k+ε(122+123++12k+1)<l2k+ε2\frac{l}{2^{k}}+\varepsilon\left(\frac{1}{2^{2}}+\frac{1}{2^{3}}+\cdots+\frac{1}{2^{k+1}}\right)<\frac{l}{2^{k}}+\frac{\varepsilon}{2}

Il suffit de choisir le nombre kk de manière que l2k<ε2\frac{l}{2^{k}}<\frac{\varepsilon}{2} et le lemme est . démontré.

Remarque. On peut faire une remarque analogue à celle faite au no. 13. La relation P𝒎PP\xrightarrow{\boldsymbol{m}}P^{*} est vraie aussi lorsque PP^{*} s’obtient de PP par une contraction de deux racines x<x′′x^{\prime}<x^{\prime\prime}, sans la restriction de la conservation de l’ordre des racines, mais avec la condition que le coefficient ρ\rho soit <x′′x<x^{\prime\prime}-x^{\prime}. La démonstration est analogue, en remplaçant x+ρx^{\prime}+\rho ou x′′ρx^{\prime\prime}-\rho avec toute racine qu’il traverse et, en particulier, en permutant ces racines lorsqu’elles se traversent, pendant que ρ\rho croît. Ici encore on peut convenir de dire que les racines x<x′′x^{\prime}<x^{\prime\prime} ne dérangent pas au sens large l’ordre des racines lorsque les intervalles (x,x+ρ),(x′′ρ,x′′)\left(x^{\prime},x^{\prime}+\rho\right),\left(x^{\prime\prime}-\rho,x^{\prime\prime}\right) ne contiennent ancune racine du plyome tar p, ( ρ\rho, . Alors la propriete precedente resulte du fait que toute contraction de deux racines, avec la seule restriction que son coefficient ρ\rho vérifie les inégalités 0<ρ<x′′x0<\rho<x^{\prime\prime}-x^{\prime}, 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 PmPkP^{m}P^{*k} est vraie lorsque PP^{*} s’obtient de PP 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
I1\mathrm{I}_{1} e mme 3 . Si P,QP,Q sont deux polynomes de degré n>2n>2 et si P mm QP\xrightarrow{\text{ mm }}Q, on peut trouver un polynome RR de degrén, qui s’obtient de PP par l’application successive d’un nombre fini de contractions de deux racines conséutives, tel que l’on ait R𝑚QR\xrightarrow{m}Q, sans que la relation RmmQR\xrightarrow{mm}Q soit vérifiée.

Soient ( 11^{\prime} ) les racines des polynomes P,QP,Q et z1<z2<<znz_{1}<z_{2}<\ldots<z_{n} les racines de RR. Nous avons P1nRP\xrightarrow{1n}R et, en vertu des hypothèses vériliées par RR, nous avons les inégalités
(17) z1+z2++ziy1+y2++yi,i=1,2,,n1z_{1}+z_{2}+\ldots+z_{i}\leqq y_{1}+y_{2}+\ldots+y_{i},\quad i=1,2,\ldots,n-1,
dans l’une an moins la relation d’égalité étant vraie. Bien entendu, nous avons aussi z1+z2++zn=y1+y2++ynz_{1}+z_{2}+\ldots+z_{n}=y_{1}+y_{2}+\ldots+y_{n}.

Pour démontrer le lemme prenons un nombre positif ε\varepsilon tel que

ε<yny1.\varepsilon<y_{n}-y_{1}. (18)

En vertu du lemme 2, nous pouvons trouver une suite finie de polynomes de degré nn,

P0,P1,,PkP_{0},P_{1},\ldots,P_{k}

tels que:
11^{\circ} Chaque terme PiP_{i} s’obtient du précédent Pi1P_{i-1} par une contraction de deux racines consécutives.
22^{\circ} Le premier terme P0P_{0} est égal à PP et le deruier PkP_{k} a toutes ses racines comprises dans un intervalle de longueur <ε<\varepsilon.

Par hypothèse P0QP_{0}\rightarrow Q. Il existe donc un plus grand indice rr tel que Pr mmll QP_{r}\xrightarrow{\text{ mmll }}Q. Nous ne pouvons pas avoir r=kr=k, car autrement l’inégalité (18) serait en contradiction avec les inégalités ( 1616^{\prime} ). Nous avons donc γ<k\gamma<k, donc aussi r+1kr+1\leqq k et le polynome Pr+1P_{r+1} ne vérifie pas la relation Pr+1mm0P_{r+1}\xrightarrow{mm}0. Soit ρ1\rho_{1} le coefficient de contraction par laquelle Pr+1P_{r+1} s’obtient de PrP_{r}. Soit PP^{*} un polynome qui s’obtient de PP en appliquant au même couple de racines (consécutives) une contraction de coefficient ρρ1\rho\leqq\rho_{1}. Lorsque p0p\rightarrow 0, les racines de PP^{*} tendent vers les racines correspondantes de PrP_{r} et lorsque ρρ1\rho\rightarrow\rho_{1} elles tendent vers les racines correspondantes de Pr+1P_{r+1}. En vertu de la continuité par rapport à ρ\rho des racines, il existe 111 nombre positif ρρ1\rho\leqq\rho_{1} tel que ll^{\prime} on ait P𝑚QP^{*}\xrightarrow{m}Q, sans que la relation PmmQP^{*}\xrightarrow{mm}Q soit vérifiée. En prenant le polynome RR égal au polynome PP^{*} correspondant à ce ρ\rho, le lemme est démontré.
16. Nous avons aussi le

I, e m me 4. Si P,QP,Q sont deux polynomes de degré n>1n>1 et si P silll QP\xrightarrow{\text{ silll }}Q, on peul trouver une suite finie de polynomes de degré nn,

P0,P1,,PkP_{0},P_{1},\ldots,P_{k} (19)

tels que:
11^{\circ} Chaque terme PiP_{i} s’obtient du terme précédent Pi1P_{i-1} par une conlruclion de deux racines conséculives.
22^{\circ} Le prenier terme est égal à PP ot le dernicr terme est égal à QQ.
Nous pouvons faire la démonstration par induction complète.

Pour n=2n=2 il suffit de prendre k=1k=1, donc P0=P,P1=QP_{0}=P,P_{1}=Q et 1 e lemme est démontré.

Prenons n>2n>2 et supposons que la propriété soit vraie pour les polynomes de degré 2,3,,n12,3,\ldots,n-1. Démontrons qu’elle sera vraie aussi pour les polynomes de degré nn.

Considérons donc deux polynomes P,QP,Q de degré nn et supposons que PmmQP\xrightarrow{mm}Q. En vertu du lemme 3 nous pouvons construite une suite finie de polynomes de degré nn,

P0,P1,,Pr,RP_{0},P_{1},\ldots,P_{r},R (20)

P0P_{0} est égal à PP et dont les termes vérifient la condition 1 du lemme 4 . De plus le dernier terme RR, déterminé par le lemme 3 , vérifie la relation RmQR\xrightarrow{\mathrm{~m}}Q mais non pas la relation Rmn1QR\xrightarrow{\mathrm{~m}n1}Q. Nous continuerons de désigner par z1<z2<<znz_{1}<z_{2}<\ldots<z_{n} les racines de RR.

Si RR est égal à QQ, la suite (20) vérifie toutes les conditions imposées à la suite (19) et le lemme 4 est démontré.

Dans le cas contraire, seulement jj, où 1j<n11\leqq j<n-1, des relations (17) se réduisent à des égalités. Soient i1,i2,,iji_{1},i_{2},\ldots,i_{j} les valeurs de ii pour lesquelles nous avons l’égalité dans (17), pour les autres valeurs de ii l’inégalité au sens stricte (donc avec < ) étant valable. Nous pouvons supposer 0=i0<i1<i2<<ij<ij+1=n0=i_{0}<i_{1}<i_{2}<\ldots<i_{j}<i_{j+1}=n. Considérons maintenant les couples d’indices consécutifs is,is+1i_{s},i_{s+1}. Ces couples sont de deux catégories:
1Siis+1is=11^{\circ}\mathrm{Si}i_{s+1}-i_{s}=1 les couples sont de la première catégorie et nous avo11s zis+1=yis+1z_{i_{s}+1}=y_{i_{s}+1}.
2Siis+1is>12^{\circ}\mathrm{Si}i_{s+1}-i_{s}>1. les couples sont de 1a seconde catégorie et dans ce cas nous avons

zis+1+zis+2++zis+v<yis+1+yis+2++yis+vv=1,2,,is+1is1zis+1+zis+2++zis+1=yis+1+yis+2++yis+1\begin{gathered}z_{i_{s}+1}+z_{i_{s}+2}+\ldots+z_{i_{s}+v}<y_{i_{s}+1}+y_{i_{s}+2}+\ldots+y_{i_{s}+v}\\ v=1,2,\ldots,i_{s+1}-i_{s}-1\\ z_{i_{s}+1}+z_{i_{s}+2}+\therefore+z_{i_{s+1}}=y_{i_{s}+1}+y_{i_{s}+2}+\ldots+y_{i_{s+1}}\end{gathered}

Mais, nous avons is+1is<ni_{s+1}-i_{s}<n et, en vertu des hypothèses faites le lemme 4 est vraie pour les polynomes de degré <n<n. Il en résulte que nous pouvons appliquer succesivement à RR un nombre fini de contractions de deux racines consécutives zi,zi+1z_{i},z_{i+1}, où is+1iis+11i_{s}+1\leqq i\leqq i_{s+1}-1 de manière que les racines zis+1,zis+2,,zis1z_{i_{s}+1},z_{i_{s}+2},\ldots,z_{i_{s-1}} deviennent respectivement égales à yis+1,yis+2,,yis+1y_{i_{s}+1},y_{i_{s}+2},\ldots,y_{i_{s+1}}, laissant les autres racines inchangées. Il en résulte done que nous pouvons prolonger la suite (20) tel que

P0,P1,,Pr,R,R1,,RrP_{0},P_{1},\ldots,P_{r},R,R_{1},\ldots,R_{r^{\prime}}

où les termes vérifient les mêmes conditions que ceux de la suite (20), sauf que le dernier terme RrR_{r^{\prime}}, 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 is,is+1i_{s},i_{s+1} 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
I1\mathrm{I}_{1} emme 5. Si PP est un polynome de degré n>1n>1, ayant toutes ses racines simples et si le polynome QQ s’obtient de PP par une contraction de deux racines consécutives, on a PmmQP^{\prime}\xrightarrow{mm}Q^{\prime}.

Avant de démontrer ce lemme nous allons montrer qu’alors le théorème 6 en résulte. En effet, soient P,QP,Q deux polynomes de degré n>1n>1 et supposons que PmmQP\xrightarrow{mm}Q. Nous appliquons le lemme 4 , en construisant 1 a suite (19) qui vérifie les propriétés 1,21^{\circ},2^{\circ} de ce lemme. En vertu du lemme 5, hous avons alors Pi1111mPi,i=1,2,,kP_{i-1}^{\prime}\xrightarrow{111m}P_{i}^{\prime},i=1,2,\ldots,k, d’où, compte tenant de la transitivité de la relation mm\xrightarrow{mm}, nous déduisons P0mmPkP_{0}^{\prime}\xrightarrow{mm}P_{k}^{\prime}, donc aussi PmmQP^{\prime}\xrightarrow{mm}Q^{\prime} 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 n>2n>2. On voit alors facilement que le lemme 5 est équivalent au

Lemme 6. Si a<b,0<ρ<ba2a<b,0<\rho<\frac{b-a}{2} et si f=(xa)(xb)h,g==(xaρ)(xb+ρ)hf=(x-a)(x-b)h,g==(x-a-\rho)(x-b+\rho)h, où hh est un polynome de degré n>0n>0 ayant toutes ses racines réelles, simples et situées en dehors de l’intervalle fermé [a,b][a,b], nous avons f′′mmgf^{\prime\prime}\xrightarrow{mm}g^{\prime}.

Le polynome gg résulte du polynome ff en appliquant une contraction aux racines aa et bb.

Désignons par

x1<x2<<xn,y1<y2<<yn1x_{1}<x_{2}<\ldots<x_{n},\quad y_{1}<y_{2}<\ldots<y_{n-1}

les racines de hh et hh^{\prime} (si n>1n>1 ) et désignons par

z1<z2<<zn+1,z1<z2<<zn+1z_{1}<z_{2}<\ldots<z_{n+1},z_{1}^{\prime}<z_{2}^{\prime}<\ldots<z_{n+1}^{\prime}

les racines des polynomes f,gf^{\prime},g^{\prime}. Soit kk l’indice déterminé tel que

x1<x2<<xk1<a<b<xk<xk+1<<xnx_{1}<x_{2}<\ldots<x_{k-1}<a<b<x_{k}<x_{k+1}<\ldots<x_{n}

si 1<k<n+11<k<n+1 et posons k=1k=1 si toutes les racines xix_{i} sont à droite de bb et k=n+1k=n+1 si toutes les racines xix_{i} sont à gauche de aa. Le nombre naturel kk est bien déterminé et prend les valeurs 1,2,,n+11,2,\ldots,n+1. Alors zkz_{k} est la racine de tt^{\prime} qui est comprise entre aa et bb et zkz_{k}^{\prime} la racines de gg^{\prime} qui est comprise entre a+ρa+\rho et bρb-\rho. Les autres couples de racines ziz_{i}, ziz_{i}^{\prime} sont respectivement compris dans les intervalles ouverts:

(xi,xi+1), pour i=1,2,,k2,\displaystyle\left(x_{i},x_{i+1}\right),\quad\text{ pour }i=1,2,\ldots,k-2,
(xk1,a+b2), pour i=k1,\displaystyle\left(x_{k-1},\frac{a+b}{2}\right),\text{ pour }i=k-1,
(a+b2,xk), pour i=k+1,\displaystyle\left(\frac{a+b}{2},x_{k}\right),\text{ pour }i=k+1,
(xi2,xi1), pour i=k+2,k+3,,n+1.\displaystyle\left(x_{i-2},x_{i-1}\right),\text{ pour }i=k+2,k+3,\ldots,n+1.

Dans ce tableau nous supprimons les deux premières lignes si k=1k=1, 1a première ligne si k=2k=2, la dernière ligne si k=nk=n et les deux dernières lighes si k=n+1k=n+1. Enfin, pour n=1n=1 et n=2n=2 nous gardons l’une ou les deux de la seconde et la troisième lignes.

Les formules

{f=(xa)(xb)h+(2xab)hg=(xaρ)(xb+ρ)h+(2xab)h\left\{\begin{array}[]{l}f^{\prime}=(x-a)(x-b)h^{\prime}+(2x-a-b)h\\ g^{\prime}=(x-a-\rho)(x-b+\rho)h^{\prime}+(2x-a-b)h\end{array}\right.

nous montrent, puisque h,hh,h^{\prime} ne peuvent avoir des racines communes, que f,gf^{\prime},g^{\prime} ne peuvent avoir que a+b2\frac{a+b}{2} comme racine commune et ceci si et setulement si hh^{\prime} s’annule pour x=a+b2x=\frac{a+b}{2}. Alors zk=zk=a+b2z_{k}=z_{k}^{\prime}=\frac{a+b}{2}. Si iki\neq k, nous avons ziziz_{i}\neq z_{i}^{\prime} et pour un tel i,zi,zii,z_{i},z_{i}^{\prime} ne peuvent être des racines de hh^{\prime}. D’ailleurs nous avons la formule

f=gρ(baρ)h,f^{\prime}=g^{\prime}-\rho(b-a-\rho)h^{\prime}, (22)

qui résulte de (21).
Pour étudier encore les couples zi,ziz_{i},z_{i}^{\prime} pour iki\neq k, nous allons distinguer deux cas:

Cas 1. Supposons que k>1k>1 et examinons les racines zi,ziz_{i},z_{i}^{\prime} pour i<ki<k. De la seconde formule (21) il résulte, pour un tel ii,

h(zi)h(zi)>0h\left(z_{i}^{\prime}\right)h^{\prime}\left(z_{i}^{\prime}\right)>0 (23)

et de la première formule (21) et de la formule (22) il résulte que

sgf(xi)=sgh(xi),sgf(zi)=sgh(zl),\operatorname{sg}f^{\prime}\left(x_{i}\right)=\operatorname{sg}h^{\prime}\left(x_{i}\right),\operatorname{sg}f^{\prime}\left(z_{i}^{\prime}\right)=-\operatorname{sg}h^{\prime}\left(z_{l}^{\prime}\right), (24)

en utilisant ici la fonction sg xx qui, par définition, est égale à 1,0-1,0 respectjvement 1 suivant que xx est <<, == respectivement >0>0.

De (23) il résulte que zlz_{l}^{\prime} est dans le voisinage droit de ziz_{i}, plus exactement dans l’intervalle ( xi,yix_{i},y_{i} ). Nous avons alors.

h(xi)h(zi)>0h^{\prime}\left(x_{i}\right)h^{\prime}\left(z_{i}^{\prime}\right)>0

et de (24) il résulte que

sgf(xi)f(zi)=1\operatorname{sg}f^{\prime}\left(x_{i}\right)f^{\prime}\left(z_{i}^{\prime}\right)=-1 (26)

ce qui nous montre que ff^{\prime} a au moins une racine dans l’intervalle ( xi,zix_{i},z_{i}^{\prime} ). Mais, nous ne pouvons avoir qu’une racine qui n’est autre que ziz_{i} vérifiant cette propriété. Il résulte donc que nous avons

zi<zi,i=1,2,,k1z_{i}<z_{i}^{\prime},i=1,2,\ldots,k-1 (27)

Si k=u+1k=u+1, comme yny_{n} nous pouvons prendre le point impropre \infty dans les considérations précédentes.

Cas 2. Supposons que k<n+1k<n+1 et examinons les tacines zi,ziz_{i},z_{i}^{\prime} pour i>ki>k. En procédant comme plus haut, nous voyons qu’au lieu de (23) nous avons, pour ces valeurs de ii,

h(zi)h(zi)<0h\left(z_{i}\right)\cdot h^{\prime}\left(z_{i}^{\prime}\right)<0 (\prime)

qui nous montre que zlz_{l}^{\prime} est dans le voisinage gauche du point xl1x_{l-1}, plus exactement qu’il est dans l’intervalle (yi2,xi1)\left(y_{i-2},x_{i-1}\right). Au lieu de (24), (25) et (26) nous avons respectivement

sgf(xi1)=sgh(xi1),sgf(zi)=sgh(zi),\operatorname{sg}f^{\prime}\left(x_{i-1}\right)=\operatorname{sg}h^{\prime}\left(x_{i-1}\right),\operatorname{sg}f^{\prime}\left(z_{i}^{\prime}\right)=-\operatorname{sg}h^{\prime}\left(z_{i}^{\prime}\right), (\prime)
h(xi1)h(zi)>0h^{\prime}\left(x_{i-1}\right)h^{\prime}\left(z_{i}^{\prime}\right)>0 (\prime)
sgf(xi1)f(zi)=1\operatorname{sg}f^{\prime}\left(x_{i-1}\right)f^{\prime}\left(z_{i}^{\prime}\right)=-1 (\prime)

et on déduit, comme plus haut, que ziz_{i} est dans l’intervalle ( zl,xi1z_{l}^{\prime},x_{i-1} ).

Nous avons donc,

zi<zi,i=k+1,k+2,,n+1z_{i}^{\prime}<z_{i},i=k+1,k+2,\ldots,n+1 (\prime)

Si k=1k=1, comme y0y_{0} nous pouvons prendre le point impropre -\infty dans nos considérations.

Les inégalités (27), (27’) et l’égalité

z1+z2++zn+1=z1+z2++zn+1z_{1}+z_{2}+\ldots+z_{n+1}=z_{1}^{\prime}+z_{2}^{\prime}+\ldots+z_{n+1}^{\prime}

démontrent le lemme 6. En effet, en vertu de cette égalité, les inégalités

z1+z2++zi<z1+z2++zi,i=1,2,,n,z_{1}+z_{2}+\ldots+z_{i}<z_{1}^{\prime}+z_{2}^{\prime}+\ldots+z_{i}^{\prime},i=1,2,\ldots,n,

sont équivalentes avec les inégalités

{z1+z2++zi<z1+z2++zi,i=1,2,,k1,zi+1+zi+2++zn+1<zi+1+zi+2++zn+1,i=k,k+1,,n\left\{\begin{array}[]{l}z_{1}+z_{2}+\ldots+z_{i}<z_{1}^{\prime}+z_{2}^{\prime}+\ldots+z_{i}^{\prime},i=1,2,\ldots,k-1,\\ z_{i+1}^{\prime}+z_{i+2}^{\prime}+\ldots+z_{n+1}^{\prime}<z_{i+1}+z_{i+2}+\ldots+z_{n+1},i=k,k+1,\ldots,n\end{array}\right.

Si k=1k=1 on supprime les inégalités (27) et les premières inégalités (28) et si k=n+1k=n+1 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 aa et de bb (par seulement pour des a exemple pour a=0,b=1a=0,b=1. ou bien pour a=1,b=1a=-1,b=1 ).
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 PmcQP\xrightarrow{mc}Q signifie que les racines (1) des polynomes P,QP,Q de degré n1n\geqq 1 vérifient les inégalités

x1+x2++xiy1+y2++yi,i=1,2,,nx_{1}+x_{2}+\ldots+x_{i}\leqq y_{1}+y_{2}+\ldots+y_{i},i=1,2,\ldots,n

et la relation P memc QP\xrightarrow{\text{ memc }}Q signifie que les racines (1)\left(1^{\prime}\right) des polynomes P,QP,Q đe degré n1n\geqq 1 vérifient les inégalités

x1+x2++xi<y1+y2++yi,i=1,2,,n.x_{1}+x_{2}+\ldots+x_{i}<y_{1}+y_{2}+\ldots+y_{i},i=1,2,\ldots,n.

La relation mc\xrightarrow{mc} est (reflexive et) transitive et la relation memc\xrightarrow{memc} est également transitive. De PcQP\xrightarrow{\mathrm{c}}Q respectivement PccQP\xrightarrow{\mathrm{cc}}Q il résulte PmcQP\xrightarrow{\mathrm{mc}}Q respectivement PmcmcQP\xrightarrow{mcmc}Q et de P𝑚QP\xrightarrow{m}Q il résulte que PmcQP\xrightarrow{mc}Q, etc.

Nous avons alors la
Conséquence 4. Si P,QP,Q sont deux polynomes dé degré n>1n>1, de PmcQP\xrightarrow{\mathrm{mc}}Q il résulte que PmcQP^{\prime}\xrightarrow{\mathrm{mc}}Q^{\prime}.

En effet, si RR est un polynome de degré nn ayant comme racines x1,x2,,xn1,y1+y2++yn(x1+x2++xn1)x_{1},x_{2},\ldots,x_{n-1},y_{1}+y_{2}+\ldots+y_{n}-\left(x_{1}+x_{2}+\ldots+x_{n-1}\right), nous avons PcR,RmQP\xrightarrow{\mathrm{c}}R,R\xrightarrow{\mathrm{~m}}Q. Nous avons donc PcR,RQP^{\prime}\xrightarrow{\mathrm{c}}R^{\prime},R^{\prime}\rightarrow Q^{\prime}. Il en résulte que PmcRP^{\prime}\xrightarrow{\mathrm{mc}}R^{\prime}, RmcQR^{\prime}\xrightarrow{mc}Q^{\prime}, d’où PmcQP^{\prime}\xrightarrow{mc}Q^{\prime}, ce qui démontre la conséquence 4.

Nous avons aussi la
Conséquence 5. Si P,QP,Q sont deux polynomes de degré n>1n>1, de P mcmc QP\xrightarrow{\text{ mcmc }}Q il résulte que P mcmc QP^{\prime}\xrightarrow{\text{ mcmc }}Q^{\prime}.

Soit RR le polynome précédent. Nous avons, dans ce cas, PRP^{\prime}\rightarrow R^{\prime}, sans que l’égalité (13) soit vérifiée, et RmnQR^{\prime}\xrightarrow{mn}Q^{\prime}. On voit facilenent que la relation P memc QP^{\prime}\xrightarrow{\text{ memc }}Q^{\prime} en résulte.

La conséquence 4 peut être déduite de la conséquence 5 . Désignons par (14) les racines du polynome PP de degré nn et soit PQP_{Q} un polynome de degré nn ayant comme racines xi(ni)px_{i}-(n-i)p, où pp est un nombre positif. Le polynome PQP_{Q} a toutes ses racines simples et si ρ0\rho\rightarrow 0 les racines de PQP_{Q} respectivement celles de PP_{\circ}^{\prime} tendent vers les racines de PP respectivement vers celles de PP^{\prime}. Un calcul. simple, analogue à celui du no. 13, nous montre que si PmcQP\xrightarrow{mc}Q nous avons aussi P2ϱmcmcQQP_{2\varrho}\xrightarrow{mcmc}Q_{Q}. En supposant donc la conséquence 5 démontrée, nous avons P2ϱ mcmc QϱP_{2\varrho}^{\prime}\xrightarrow{\text{ mcmc }}Q_{\varrho}, d’où, en faisant ρ0\rho\rightarrow 0, on déduit PmcQP^{\prime}\xrightarrow{\mathrm{mc}}Q^{\prime}, 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 xnx_{n} du polynome PP. Nous prions le lecteur de faire cette démonstration.

BIBLIOGRAPHIF

[1] Hardy G. H., Littlewood J. E., Pó1y a G., Inequalities, 1934.
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[3] Montel P., Sur les fractions rationnelles à termes entrelacés, Mathematica, 5, 110-129 (1931). Reçu le 11. VI. 1960.

9 - Mathematica

1960

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