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[Actualit�] Initiation au calcul formel avec Python

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par , 29/08/2023 � 16h50 (9579 Affichages)
I. Introduction

Citation Envoy� par Wikipedia
Le calcul formel, ou parfois calcul symbolique, est le domaine des math�matiques et de l�informatique qui s�int�resse aux algorithmes op�rant sur des objets de nature math�matique par le biais de repr�sentations finies et exactes. Ainsi, un nombre entier est repr�sent� de mani�re finie et exacte par la suite des chiffres de son �criture en base 2.

�tant donn� les repr�sentations de deux nombres entiers, le calcul formel se pose par exemple la question de calculer celle de leur produit.
On souhaite dans notre cas utiliser le calcul symbolique pour d�velopper et r�duire des expressions math�matiques, et obtenir ainsi des polyn�mes � une ou plusieurs variables. Ce processus va nous permettre ensuite de v�rifier si deux expressions sont �gales.

Pour cela, on va cr�er une classe Polynome dans laquelle on red�finira les op�rateurs d'addition, de multiplication et de puissance pour ces nouveaux objets.


II. Principe du calcul formel

Comment v�rifier par exemple que l'identit� (a + b)2 = a2 + b2 + 2(a∗b) est correcte ?

Une v�rification na�ve pourrait consister � examiner toutes les valeurs possibles de a, � les croiser avec toutes les valeurs possibles de b et, pour chaque couple, � calculer (a + b)2, puis a2 + b2 + 2(a∗b) et � s'assurer que l'on obtient le m�me r�sultat. Si les domaines de a et de b sont grands, cette v�rification peut �tre tr�s longue, et si les domaines sont infinis (par exemple les r�els), elle ne peut pas �tre exhaustive.

En v�rification formelle, on utilise des variables symboliques et on applique les r�gles qui r�gissent le � + � et le � �. Ici, les r�gles pourraient �tre :

x, x2 = x∗x (R1)
x,y,z, x∗(y + z) = x∗y + x∗z (R2)
x,y, x∗y = y∗x (R3)
x, x + x = 2x (R4)
x,y, x + y = y + x (R5)

En se servant de ces r�gles, on peut ainsi d�velopper et r�duire progressivement l'expression (a + b)2 pour aboutir finalement � l'�galit� recherch�e :

(a + b)2 = (a + b)∗(a + b) (R1)
(a + b)2 = (a + b)∗a + (a + b)∗b (R2)
(a + b)2 = a∗(a + b) + b∗(a + b) (R3)
(a + b)2 = a∗a + a∗b + b∗a + b∗b (R2)
(a + b)2 = a2 + a∗b + b∗a + b2 (R1)
(a + b)2 = a2 + a∗b + a∗b + b2 (R3)
(a + b)2 = a2 + 2(a∗b) + b2 (R4)
(a + b)2 = a2 + b2 + 2(a∗b) (R5)

On obtient ainsi un polyn�me2 variables a et b.

Dans notre cas, on va donc d�terminer � l'aide des r�gles pr�c�dentes l'expression polynomiale de chacun des membres de l'identit� � v�rifier :

(a + b)2 = a2 + 2(a∗b) + b2

Et :

a2 + b2 + 2(a∗b) = a2 + 2(a∗b) + b2


Puis, on va comparer les polyn�mes obtenus pour v�rifier si l'identit� de d�part est vraie, un peu comme si on �valuait deux expressions num�riques pour savoir si elles sont �gales.

On remarquera �galement pour finir que ces expressions math�matiques peuvent �tre vues comme des combinaisons d'op�rations entre polyn�mes.



III. Impl�mentation en Python

Pour repr�senter ces polyn�mes en Python et pouvoir r�aliser des op�rations entre eux, il nous faut cr�er une classe Polynome :

Nom : classe_polynome.png
Affichages : 21804
Taille : 10,2 Ko

Notre classe comportera en plus un constructeur, c'est � dire une m�thode particuli�re __init__() dont le code est ex�cut� quand la classe est instanci�e.

Elle va nous permettre de d�finir la liste de termes du polyn�me au moment de la cr�ation de l'objet :

Code Python : S�lectionner tout - Visualiser dans une fen�tre � part
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class Polynome:
 
    def __init__(self, termes): # méthode constructeur de la classe
 
        # on s'assure que l'argument termes est une liste
        if not isinstance(termes, list): termes = [termes]
 
        # parcours des indices et des termes de la liste
        for indice, terme in enumerate(termes):
 
            # si le terme est de type string : 'a'
            if isinstance(terme, str):                
                # on met à jout l'élément de la liste avec un tuple de la forme (1,('a',)) : (coef, var)
                termes[indice] = (1,(terme,))
            elif len(terme)==1: # ou si le terme est un tuple à un seul élément : ('a',) : (coef, var)
                termes[indice] = (1,terme)
 
        # regroupement des termes identiques en utilisant les règles R4 et R5
        termes = regrouper_termes(termes)
 
        # on définit la liste de termes correspondant au polynôme. Ex. : [(1,('a','a')), (2,('a','b')), (1,('b','b'))] -> a^2 + 2ab + b^2
        self.liste_termes = termes 
 
 
    def __str__(self): # permet d'afficher l'expression sous sa forme développée et réduite
 
        # initialise la chaîne à renvoyer
        chaine_expression = ''
 
	...

La m�thode __str__ permet d'afficher une expression sous la forme a^2 + 2*a*b + b^2. Le code de la fonction est disponible dans le module complet propos� � la fin du billet.

Pour tester ces m�thodes, nous ajoutons simplement deux lignes au module :

Code Python : S�lectionner tout - Visualiser dans une fen�tre � part
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p = Polynome(['a','b']) # création de l'objet Polynome représentant l'expression (a+b)
print(p) # affiche l'expression

Le code affiche :

a+b


III-A. Surcharge de l'op�rateur d'addition

Pour surcharger l'op�rateur+ � et pouvoir ainsi r�aliser l'addition entre 2 objets Polynome, nous devons ajouter une m�thode __add __ () � la classe :

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class Polynome:
 
    ...
 
    def __add__(self, other): # méthode permettant de redéfinir l'opérateur « + » pour 2 objets Polynome : self + other
        # concaténation des 2 listes de termes
        # [(1,('a', 'a')), (1,('b',))] + [(1,('a', 'a')), (1,('b',))] = [(1,('a', 'a')), (1,('b',)), (1,('a', 'a')), (1,('b',))]
 
        # tri et regroupement des termes identiques en utilisant les règles R4 et R5 :
        # R5 : a*a + b + a*a + b -> a*a + a*a + b + b   (tri)
        # R4 : a*a + a*a + b + b -> 2*a*a + 2*b   (regroupement)
        # [(1,('a', 'a')), (1,('b',)), (1,('a', 'a')), (1,('b',))] -> [(2,('a','a')), (2,('b',))]
 
        # concaténation des 2 listes de termes de self et other
        liste_termes = self.liste_termes + other.liste_termes
 
        # renvoie l'objet Polynome résultat de l'addition de self et other avec regroupement des termes identiques
        return Polynome(liste_termes)

Cette m�thode permet donc de red�finir l'op�ration � + � pour des polyn�mes en utilisant les relations R4 et R5 :

(a + b) + (a + b) = (a + b + a + b)
(a + b) + (a + b) = (a + a + b + b) (R5)
(a + b) + (a + b) = 2a + 2b (R4)

Pour tester l'op�rateur d'addition portant sur 2 objets de la classe Polynome, nous ajoutons simplement ces lignes de code :

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a = Polynome('a') # création du 1er objet de la classe Polynome représentant la variable a
b = Polynome('b') # création du 2e objet de la classe Polynome représentant la variable b
 
print((a+b)+(a+b)) # affiche l'expression (a+b)+(a+b) sous sa forme réduite

Le code affiche :

2*a + 2*b


III-B. Surcharge de l'op�rateur de multiplication

Pour surcharger l'op�rateur � * � et l'appliquer � 2 objets Polynome, nous devons �galement ajouter une m�thode __mul __ () � la classe :

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class Polynome:
 
    ... 
 
    def __mul__(self, other): # méthode permettant de redéfinir l'opérateur « * » pour 2 objets Polynome : self * other
        # règles R2, R3, R4 et R5
        # R2 : (a+b)*(a+b) = (a+b)*a + (a+b)*b
        # R3 :             = a*(a+b) + b*(a+b)
        # R2 :             = a*a + a*b + b*a + b*b
        # R3               = a*a + a*b + a*b + b*b
        # R4 :             = a*a + 2*a*b + b*b
 
        # initialisation de la liste de termes
        liste_termes = []
 
        # si le 2e membre est un numérique 
        if isinstance(other, (int,float)):
            # on multiplie les coefficients des termes de self.liste_termes par other
            liste_termes = [(other*terme[0],terme[1]) for terme in self.liste_termes]
 
            return Polynome(liste_termes)
 
        # parcours des termes de la liste de other
        for terme_droite in other.liste_termes:
 
            # parcours des termes de la liste de self
            for terme_gauche in self.liste_termes:
 
                coef = terme_droite[0]*terme_gauche[0]
                var = terme_droite[1] + terme_gauche[1] 
 
                # tri des variables
                var = tuple(sorted(var))
 
                # ajout du tuple (coef,var) à la liste
                liste_termes.append((coef,var))
 
        # renvoie l'objet Polynome résultat de la multiplication de self et other avec regroupement des termes identiques
        return Polynome(liste_termes)

Cette m�thode permet donc de red�finir l'op�ration de multiplication pour 2 polyn�mes en utilisant les r�gles R2, R3, R4 et R5 :

(a+b)∗(a+b) = (a+b)∗a + (a+b)∗b (R2)
(a+b)∗(a+b) = a∗(a+b) + b∗(a+b) (R3)
(a+b)∗(a+b) = a∗a + a∗b + b∗a + b∗b (R2)
(a+b)∗(a+b) = a∗a + a∗b + a∗b + b∗b (R3)
(a+b)∗(a+b) = a∗a + 2∗a∗b + b∗b (R4)

Pour tester l'op�rateur de multiplication portant sur 2 objets de la classe Polynome, nous ajoutons maintenant ces lignes :

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a = Polynome('a') # création du 1er objet de la classe Polynome représentant la variable a
b = Polynome('b') # création du 2e objet de la classe Polynome représentant la variable b
 
print((a+b)*(a+b)) # affiche l'expression (a+b)*(a+b) sous sa forme développée et réduite

Le code affiche :

a^2 + 2*a*b + b^2


III-C. Surcharge de l'op�rateur de puissance

Maintenant que nous avons red�fini l'op�rateur de multiplication dans notre classe Polynome, nous pouvons ajouter une m�thode __pow__() qui va permettre d'obtenir le r�sultat d'un polyn�me �lev� � la puissance n.

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class Polynome:
 
    ... 
 
    def __mul__(self, other): # méthode permettant de redéfinir l'opérateur « * » pour 2 objets Polynome : self * other
        # règles R2, R3, R4 et R5
        # R2 : (a+b)*(a+b) = (a+b)*a + (a+b)*b
        # R3 :             = a*(a+b) + b*(a+b)
        # R2 :             = a*a + a*b + b*a + b*b
        # R3               = a*a + a*b + a*b + b*b
        # R4 :             = a*a + 2*a*b + b*b
 
        # initialisation de la liste de termes
        liste_termes = []
 
        # si le 2e membre est un numérique 
        if isinstance(other, (int,float)):
            # on multiplie les coefficients des termes de self.liste_termes par other
            liste_termes = [(other*terme[0],terme[1]) for terme in self.liste_termes]
 
            return Polynome(liste_termes)
 
        # parcours des termes de la liste de other
        for terme_droite in other.liste_termes:
 
            # parcours des termes de la liste de self
            for terme_gauche in self.liste_termes:
 
                coef = terme_droite[0]*terme_gauche[0]
                var = terme_droite[1] + terme_gauche[1] 
 
                # tri des variables
                var = tuple(sorted(var))
 
                # ajout du tuple (coef,var) à la liste
                liste_termes.append((coef,var))
 
        # renvoie l'objet Polynome résultat de la multiplication de self et other avec regroupement des termes identiques
        return Polynome(liste_termes)
 
 
    def __pow__(self, n): # méthode permettant de redéfinir l'opérateur de puissance : self ** n
 
        # on utilise pour cela la règles R1 :
        # R1 : ∀x, x^2 = x∗x
 
        # a^2 = a*a
        # a^3 = a*a*a
        #...
 
        # on initialise la variable objet p avec un polynôme égal à 1
        p = Polynome((1,())) 
 
        # on multiplie n fois p par self à l'aide de l'opérateur *
        for i in range(n): 
            p = p*self # équivalent à : p = p.__mul__(self)
 
        # renvoie l'objet Polynome résultat de l'opération (self ** n)
        return p

Nous testons maintenant l'op�rateur pour (a + b) ** 2 :

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a = Polynome('a') # création du 1er objet de la classe Polynome représentant la variable a
b = Polynome('b') # création du 2e objet de la classe Polynome représentant la variable b
 
print((a+b)**2) # affiche l'expression (a+b)^2 sous sa forme développée et réduite

Le code renvoie :

a^2 + 2*a*b + b^2


Tableau de quelques op�rateurs et de leur m�thode correspondante en Python :

Op�rateur Expression Interpr�tation Python
Addition p1 + p2 p1.__add__(p2)
Soustraction p1 - p2 p1.__sub__(p2)
Multiplication p1 * p2 p1.__mul__(p2)
Puissance p1 ** n p1.__pow__(n)
Division p1 / p2 p1.__truediv__(e2)
... ... ...


III-D. Surcharge de l'op�rateur de comparaison � == �

Pour surcharger l'op�rateur � == � et pouvoir ainsi tester si 2 polyn�mes sont �gaux, nous ajoutons finalement une m�thode __eq__ () � notre classe :

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class Polynome:
    ...
 
    def __eq__(self, other): # méthode permettant de redéfinir l'opérateur « == » pour 2 polynômes
 
        # renvoie True si les listes de termes des 2 polynômes sont égales
        return (self.liste_termes==other.liste_termes)

V�rifions pour terminer notre identit� de d�part :

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a = Polynome('a') # création d'un 1er objet représentant la variable a
b = Polynome('b') # création d'un 2e objet représentant la variable b
 
# création d'un objet Polynome à partir de l'expression (a+b)^2
p1 = (a+b)**2
 
# affiche l'expression de p1
print(p1) 
 
# création d'un objet Polynôme à partir de l'expression a^2 + b^2 + 2*a*b
p2 = a**2 + b**2 + a*b*2
 
# affiche l'expression de p2
print(p2) 
 
# affiche le résultat de la comparaison p1=p2
print("p1=p2 ? : " + str(p1==p2))

Le code affiche :

p1=p2 ? : True


Tableau de quelques op�rateurs de comparaison et de leur m�thode correspondante en Python :

Op�rateur Expression Interpr�tation Python
Inf�rieur � p1 < p2 p1.__lt__(p2)
Inf�rieur ou �gal p1 <= p2 p1.__le__(p2)
Egal p1 == p2 p1.__eq__(p2)
... ... ...

Si vous souhaitez avoir une liste plus compl�te des op�rateurs, je vous invite � consulter cette page.


IV. Module complet

On donne pour finir le code complet du module contenant la classe Polynome :

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def regrouper_termes(liste_termes):
    # permet de regrouper les termes identiques dans une liste triée en utilisant les règles R4 et R5 :
    # R5 : a*a + b + a*a + b + c = a*a + a*a + b + b + c   (tri)
    # R4 : a*a + a*a + b + b + c = 2*a*a + 2*b + c   (regroupement)
    # [(1,('a', 'a')), (1,('b',)), (1,('a', 'a')), (1,('b',)), (1,('c',))] -> [(2,('a','a')), (2,('b',)), (1,('c',))]
 
    # créer une liste triée de variables ou de tuples uniques : [(1,('a', 'a')), (1,('b',)), (1,('a', 'a')), (1,('b',)), (1,('c',)] -> [('a','a'), ('b',), ('c',)]
    liste_vars = [t[1] for t in liste_termes]
    liste_vars_uniques = sorted(set(liste_vars)) # règle R5
 
    # initialisation de la liste de termes à renvoyer
    liste_termes_groupes = []
 
    # parcours les variables uniques de la liste
    for var in liste_vars_uniques:
 
        # compte le nombre de fois que la variable est présente dans la liste
        coef = sum([t[0] for t in liste_termes if t[1]==var]) # Règle R4
        if coef!=0: # si le coef. n'est pas égal à 0
            # ajout du tuple (coef,var) à la liste : liste_termes_groupes.append((2,('a',)))
            liste_termes_groupes.append((coef,var))
 
    # renvoie de la liste des termes groupés
    return liste_termes_groupes
 
 
class Polynome:
 
    def __init__(self, termes): # méthode constructeur de la classe
 
        # on s'assure que l'argument termes est une liste
        if not isinstance(termes, list): termes = [termes]
 
        # parcours des indices et des termes de la liste
        for indice, terme in enumerate(termes):
 
            # si le terme est de type string : 'a'
            if isinstance(terme, str):                
                # on met à jout l'élément de la liste avec un tuple de la forme (1,('a',)) : (coef, var)
                termes[indice] = (1,(terme,))
            elif len(terme)==1: # ou si le terme est un tuple à un seul élément : ('a',) : (coef, var)
                termes[indice] = (1,terme)
 
        # regroupement des termes identiques en utilisant les règles R4 et R5
        termes = regrouper_termes(termes)
 
        # on définit la liste de termes correspondant au polynôme. Ex. : [(1,('a','a')), (2,('a','b')), (1,('b','b'))] -> a^2 + 2ab + b^2
        self.liste_termes = termes 
 
 
    def __str__(self): # permet d'afficher l'expression sous sa forme développée et réduite
 
        # initialise la chaîne à renvoyer
        chaine_expression = ''
 
        # si le polynôme est égal à un nombre : p=1 
        if (len(self.liste_termes)==1) and self.liste_termes[0][1]==():
            return str(self.liste_termes[0][0]) # renvoie le nombre
 
        # parcours de la liste de termes du polynôme
        for terme in self.liste_termes:
 
            # création de la liste de variables uniques : ['a', 'b', 'c']
            liste_vars = sorted(set(terme[1]))
 
            if liste_vars==[]: # si c'est un nombre
                chaine_terme=str(terme[0])
            else: # sinon
                # si le coefficient du terme vaut 1 : (1,'a')
                if terme[0]==1:
                    chaine_terme='' # on part d'une chaîne vide
                else: # sinon
                    chaine_terme=str(terme[0]) + '*' # on part d'une chaîne contenant le coef. : '2*'
 
                # parcours des variables du terme : ('a','a','b') -> a*a*b = (a^2)*b
                for var in liste_vars:
 
                    # évalue l'exposant de la variable : ('a','a','a') -> a^3 (R1)
                    exp = len([v for v in terme[1] if v==var])
 
                    # si l'exposant vaut 1
                    if exp==1:
                        chaine_terme += var + '*'
                    else: # sinon
                        chaine_terme += var + '^' + str(exp) + '*'
 
                chaine_terme = chaine_terme[:-1]
 
            chaine_expression += chaine_terme + " + "
 
        # renvoie la chaîne représentant l'expression du polynôme
        return chaine_expression[:-3]
 
 
    def __add__(self, other): # méthode permettant de redéfinir l'opérateur « + » pour 2 objets Polynome : self + other
        # concaténation des 2 listes de termes
        # [(1,('a', 'a')), (1,('b',))] + [(1,('a', 'a')), (1,('b',))] = [(1,('a', 'a')), (1,('b',)), (1,('a', 'a')), (1,('b',))]
 
        # tri et regroupement des termes identiques en utilisant les règles R4 et R5 :
        # R5 : a*a + b + a*a + b -> a*a + a*a + b + b   (tri)
        # R4 : a*a + a*a + b + b -> 2*a*a + 2*b   (regroupement)
        # [(1,('a', 'a')), (1,('b',)), (1,('a', 'a')), (1,('b',))] -> [(2,('a','a')), (2,('b',))]
 
        # concaténation des 2 listes de termes de self et other
        liste_termes = self.liste_termes + other.liste_termes
 
        # renvoie l'objet Polynome résultat de l'addition de self et other avec regroupement des termes identiques
        return Polynome(liste_termes)
 
 
    def __mul__(self, other): # méthode permettant de redéfinir l'opérateur « * » pour 2 objets Polynome : self * other
        # règles R2, R3, R4 et R5
        # R2 : (a+b)*(a+b) = (a+b)*a + (a+b)*b
        # R3 :             = a*(a+b) + b*(a+b)
        # R2 :             = a*a + a*b + b*a + b*b
        # R3               = a*a + a*b + a*b + b*b
        # R4 :             = a*a + 2*a*b + b*b
 
        # initialisation de la liste de termes
        liste_termes = []
 
        # si le 2e membre est un numérique 
        if isinstance(other, (int,float)):
            # on multiplie les coefficients des termes de self.liste_termes par other
            liste_termes = [(other*terme[0],terme[1]) for terme in self.liste_termes]
 
            return Polynome(liste_termes)
 
        # parcours des termes de la liste de other
        for terme_droite in other.liste_termes:
 
            # parcours des termes de la liste de self
            for terme_gauche in self.liste_termes:
 
                coef = terme_droite[0]*terme_gauche[0]
                var = terme_droite[1] + terme_gauche[1] 
 
                # tri des variables
                var = tuple(sorted(var))
 
                # ajout du tuple (coef,var) à la liste
                liste_termes.append((coef,var))
 
        # renvoie l'objet Polynome résultat de la multiplication de self et other avec regroupement des termes identiques
        return Polynome(liste_termes)
 
 
    def __pow__(self, n): # méthode permettant de redéfinir l'opérateur de puissance : self ** n
 
        # on utilise pour cela la règles R1 :
        # R1 : ∀x, x^2 = x∗x
 
        # a^2 = a*a
        # a^3 = a*a*a
        #...
 
        # on initialise la variable objet p avec un polynôme égal à 1
        p = Polynome((1,())) 
 
        # on multiplie n fois p par self à l'aide de l'opérateur *
        for i in range(n): 
            p = p*self # équivalent à : p = p.__mul__(self)
 
        # renvoie l'objet Polynome résultat de l'opération (self ** n)
        return p 
 
 
    def __eq__(self, other): # méthode permettant de redéfinir l'opérateur « == » pour 2 polynômes
 
        # renvoie True si les listes de termes des 2 polynômes sont égales
        return (self.liste_termes==other.liste_termes)
 
 
a = Polynome('a') # création d'un 1er objet représentant la variable a
b = Polynome('b') # création d'un 2e objet représentant la variable b
 
# création d'un objet Polynome à partir de l'expression (a+b)^2
p1 = (a+b)**2
 
# affiche l'expression de p1
print(p1) 
 
# création d'un objet Polynôme à partir de l'expression a^2 + b^2 + 2*a*b
p2 = a**2 + b**2 + a*b*2
 
# affiche l'expression de p2
print(p2) 
 
# affiche le résultat de la comparaison p1=p2
print("p1=p2 ? : " + str(p1==p2))

A noter qu'il existe des biblioth�ques en Python sp�cialis�es dans le calcul formel, comme par exemple la librairie Sympy.


V. Conclusion

Ce billet nous aura donc permis de mieux comprendre l'int�r�t du calcul symbolique et comment le mettre en �uvre en Python.

Chacun pourra ensuite librement ajouter de nouvelles m�thodes � cette classe Polynome en utilisant de nouvelles r�gles math�matiques, pour par exemple red�finir les op�rateurs de soustraction ou de division entre deux polyn�mes.


Sources :

https://fr.wikipedia.org/wiki/Calcul_formel
https://en.wikipedia.org/wiki/Computer_algebra
https://fr.wikipedia.org/wiki/M%C3%A...(informatique)
https://fr.wikipedia.org/wiki/Polyn%C3%B4me
https://www.sympy.org/en/index.html
https://docs.python.org/fr/3/library/operator.html

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Mis � jour 17/09/2023 � 08h38 par User

Cat�gories
Programmation , Python , Algorithmique

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