Famille de polynômes définie par produit scalaire extrémal

Définissons une famille de polynômes \( (P_n)_{n \in \mathbb{N}} \), et sa famille miroir \( (Q_n)_{n \in \mathbb{N}} \) comme ceci :

\[ P_n(x) = a_0 + a_1 x + a_2 x^2 + \dots + a_n x^n = \sum_{k=0}^n a_k x^k \] \[ Q_n(x) = a_0 x^n + a_1 x^{n-1} + a_2 x^{n-2} + \dots + a_n = \sum_{k=0}^n a_{n-k} x^k \]

Définissons le produit scalaire de 2 polynômes comme ceci :

\[ \lt P, Q \gt = \int_{0}^{1} P(x) Q(x) dx \]

Posons \( a_0 = 1 \). Pour successivement chaque \( n \geq 1 \), nous souhaitons que \( a_n \) soit choisi tel que \( \lt P_n, Q_n \gt \) soit extrémal en la variable \( a_n \).

Motivation ? Pure curiosité.

1. Formule de récurrence satisfaite par les \( a_n \)

1.1 Première méthode

Partons de :

\[ \lt P_n, Q_n \gt = \int_{0}^{1} ( a_0 + a_1 x + a_2 x^2 + \dots + a_n x^n ) ( a_0 x^n + a_1 x^{n-1} + a_2 x^{n-2} + \dots + a_n ) dx \]

Adoptons la notation implicite sous le signe "somme" que

Alors

\[ \lt P_n, Q_n \gt = \int_{0}^{1} \sum_{k=0}^{2n} \left ( \sum_{i+j=k} a_i a_{n - j} \right ) x^k dx \] \[ \lt P_n, Q_n \gt = \sum_{k=0}^{2n} \frac{1}{k + 1} \left ( \sum_{i+j=k} a_i a_{n - j} \right ) \]

Isolons le coefficient \( a_n \), et regroupons les termes en fonction de leur "sorte" parmi 3 possibilités :

Comme une dérivée par rapport à \( a_n \) va être calculée, la somme des termes constants n'a pas d'importance. On se focalise sur les deux autres.

\[ \lt P_n, Q_n \gt = \sum_{k=0}^{2n} \frac{1}{k + 1} \left ( C_k^{\mbox{onstante}} + \sum_{\substack{i + j = k\\i = n\\j \neq 0\\}} a_i a_{n-j} + \sum_{\substack{i + j = k\\i \neq n\\j = 0\\}} a_i a_{n-j} + \sum_{\substack{i + j = k\\i = n\\j = 0\\}} a_i a_{n-j} \right ) \]

Réécriture avec la notation du crochet d'Iverson :

\[ \lt P_n, Q_n \gt = \sum_{k=0}^{2n} \frac{1}{k + 1} \left ( C + [ k \neq n ] a_{2n-k} a_n + [ k \neq n ] a_k a_n + [ k = n ] a_n^2 \right ) \]

Dérivons par rapport à \( a_n \) et réintégrons la contrainte \( k \neq n \) sous le signe somme :

\[ \frac{ \partial \lt P_n, Q_n \gt }{\partial a_n} = \left ( \sum_{\substack{0 \le k \le 2n \\ k \neq n \\}} \frac{a_{2n-k}+a_k}{k+1} \right ) + 2 \frac{a_n}{n + 1} \]

\( \lt P_n, Q_n \gt \) devant être extrémal, le membre de droite ci-dessus doit être égal à \( 0 \) ; on obtient l'égalité :

\[ a_n = - \frac{n + 1}{2} \sum_{\substack{0 \le k \le 2n \\ k \neq n \\}} \frac{a_{2n-k}+a_k}{k+1} \]

Dans chaque terme de la somme ci-dessus, (\(a_{2n-k}\) est nul ou \(a_k\) est nul (compte tenu de nos notations implicites), mais pas les deux. On peut réécrire plus proprement grâce à la symétrie \( k \leftrightarrow 2n -k \) :

\[ a_n = - \frac{n + 1}{2} \sum_{k = 0}^{n - 1} \left ( \frac{1}{k + 1} + \frac{1}{2n - k + 1} \right) a_k \]

La réduction au même dénominateur donne :

\[ \bbox[5px, border: 2px solid red]{ a_n = - (n + 1)^2 \sum_{k = 0}^{n - 1} \frac{a_k}{(k + 1)(2n - k + 1)} } (1) \]

1.2 Deuxième méthode

Définissons :

\[ P_n(x, h) = a_0 + a_1 x + a_2 x^2 + \dots + (a_n + h) x^n \]

et

\[ Q_n(x, h) = a_0 x^n + a_1 x^{n-1} + a_2 x^{n-2} + \dots + (a_n + h) \]

Considérons le produit scalaire :

\[ \lt P(\cdot, h), Q(\cdot, h) \gt = \int_{0}^{1} P(x,h) Q(x,h) dx \] \[ \lt P(\cdot, h), Q(\cdot, h) \gt = \int_{0}^{1} (P(x) + h x^n)(Q(x) + h) dx \] \[ \lt P(\cdot, h), Q(\cdot, h) \gt = \int_{0}^{1} P(x)Q(x) dx + h \int_{0}^{1} \left ( x^n Q_n(x) + P_n(x) \right) dx + h^2 \int_{0}^{1} x^n dx \]

Il est équivalent de dire :

Etant donné la fonction quadratique en \( h \) ci-dessus, pour que cette fonction atteigne son extrémum (et on peut même préciser qu'il s'agit d'un minimum) en \( h = 0 \), il faut et il suffit que le coefficient de \( h \) soit nul,

\[ \int_{0}^{1} \left ( x^n Q_n(x) + P_n(x) \right) dx = 0 \]

Quand on mène jusqu'au bout le calcul, on obtient le même résultat (1).

2. Définition équivalente des \( a_n \)

\( a_0 = 1\),

et pour successivement chaque \( n \geq 1 \), \( a_n \) est choisi tel que

\[ \int_{0}^{1} \left ( x^n Q_n(x) + P_n(x) \right) dx = 0 \]

3. Tableau de valeurs

Codage en PARI/GP :


		a(n)=if(n==0,1,-(n+1)^2*sum(k=0,n-1,a(k)/(k+1)/(2*n-k+1)))
		
\( n \) \( 0 \) \( 1 \) \( 2 \) \( 3 \) \( 4 \) \( 5 \) \( 6 \) \( 7 \) \( 8 \) \( 9 \) \( 10 \) \( 11 \) \( 12 \) \( 13 \) \( 14 \) \( 15 \)
\( a_n \) \( 1 \) \(- \frac{4}{3}\) \(- \frac{3}{10}\) \(- \frac{296}{1575}\) \(- \frac{107}{756}\) \(- \frac{4678}{40425}\) \(- \frac{3443113}{34749000}\) \(- \frac{33472184}{383107725}\) \(- \frac{99331241}{1263512250}\) \(- \frac{58688850841307}{817525757203155}\) \(- \frac{383915420742449}{5791209614190000}\) \(- \frac{4403037478864090498}{71295058742758475625}\) \(- \frac{12565834691585394604513}{216871975138918799700000}\) \(- \frac{38341377552565017110639}{701237827776988720968750}\) \(- \frac{2373290421401521376710506739}{45775109960044887340999080000}\) \(- \frac{414478490162450628472878954828596}{8396102854495623892647462893578125}\)

4. Linéarité par rapport à \( a_0 \)

Si \( a_0 \) n'est pas choisi égal à \( 1 \) mais à, disons, \( c \), alors les \( a_n \) deviennent les \( c a_n \). Démonstration par récurrence à l'aide de la formule de récurrence.

5. Intérêt ?

Probablement aucun !

LR, 06/07/2025