DEVOIR EN TEMPS LIBRE N° VII : Nombres complexes

DEVOIR EN TEMPS LIBRE N° VII : Nombres complexes
TS4 Le corrigé
Exercice VII1
Le plan complexe est muni d’un repère orthonormal direct ¡O;
u,
v¢(unité graphique : 2 cm).
Partie A - Restitution organisée de connaissances
Prérequis : On sait que si zet zsont deux nombres complexes non nuls, alors :
arg(zz)=arg(z)+arg(z)
Soient zet zdeux nombres complexes non nuls.
arg³z
z´+arg(z)=arg³z
z×z´(2π)=arg(z) (2π)
On en déduit :
arg³z
z´=arg(z)arg(z) (2π)
Partie B
On considère l’application fqui, à tout point M d’affixe zdistincte de 2i, associe le point Md’affixe ztelle que :
z=i(z1)
z2i
1. Soit A le point d’affixe zA=1+2i. Déterminer l’affixe du point Aimage du point A par f.
On calcule f(1 +2i)=i(1 +2i1)
1+2i2i=2
Le point A d’affixe 1 +2ia pour image le point Ad’affixe 2
2. Montrer qu’il existe un unique point, noté B, dont l’image par l’application fest le point d’affixe 2i.
On cherche zBtel que f(zB)=2ii(zB1)
zB2i=2ii(zB1) =2i(zB2i)(zB1) =2(zB2i)zB=1+4i
Le point B d’affixe 1+4iest le seul qui a pour image Bd’affixe 2i.
3. On pose z=x+i y.Calculer la partie réelle et la partie imaginaire de zen fonction de xet y.
z=i(z1)
z2i=i(x+i y 1)
x+i y 2i=i x y1)
x+i(y2) z=i x y1)
x+i(y2) =(i x y1)(x+i(y2))
(x+i(y2))(xi(y2))
z=2xy+2+i(x2x+y22y)
x2+(y2)2
z=X+iY=2xy+2
x2+(y2)2+ix2x+y22y
x2+(y2)2
X=Re(z)=2xy+2
x2+(y2)2et Y =Im(z)=x2x+y22y
x2+(y2)2
4. Déterminer et construire l’ensemble E des points M(z) tels que zsoit un imaginaire pur .
MEzest un imaginaire pur .
MERe(z)=0
ME2xy+2
x2+(y2)2=0
ME2xy+2=0 et x2+(y2)26=0x2+(y2)20x=0 et y=2 ;
le point D(0,2) vérifie 2xDyD+2=0
L’ensemble E est la droite d’équation y=2x+2 privé du point D(2i).
5. Déterminer et construire l’ensemble F des points M(z) tels que zsoit un réel .
MFzest un réel .
MEIm(z)=0
MEx2x+y22y
x2+(y2)2=0
MEx2x+y22y=0 et x2+(y2)26=0x2+(y2)20x=0 et y=2 ;
le point D(0,2) vérifie x2x+y22y=0
Par ailleurs en mettant les trinômes sous forme canonique :
x2x+y22y=0µx1
22
1
4+(y1)21=0µx1
22
+(y1)2=5
4
L’ensemble F est le cercle de centre d’affixe 1
2+ide rayon p5
2privé du point D(2i).
1 1 2 3
1
2
0
E
F
M
M
C
D
6. On note C et D les points d’affixes respectives 1 et 2i. Pour tout point M du plan distinct de C et D, démontrer que :
arg¡z¢=³
MD ,
MC ´+
π
2(2π)
arg¡z¢=argµi(z1)
z2i=arg(i(z1) arg(z2i)
car arg³z
z´=arg(z)arg(z) (2π)
arg¡z¢=arg(i)+arg(z1) arg(z2i)
arg¡z¢=
π
2+arg(z
CM )arg(z
DM )
arg¡z¢=
π
2+³
u;
CM ´³
u;
DM ´
arg¡z¢=
π
2+³
u;
DM ´+³
CM ;
u´
arg¡z¢=
π
2+³
DM ;
u´+³
u;
CM ´
arg¡z¢=
π
2+³
DM ;
CM ´
7. Etude de deux ensembles de points.
a) Déterminer l’ensemble des points M d’affixe ztels que zsoit un nombre complexe imaginaire pur.
zest un imaginaire pur arg(z)=
π
2(π)
zest un imaginaire pur
π
2+³
DM ;
CM ´=
π
2(π)
zest un imaginaire pur ³
DM ;
CM ´=0 (π)
L’ensemble cherché est la droite (CD) privée du point D.
b) Soit M d’affixe zun point du cercle de diamètre [CD] privé des points C et D. A quel ensemble appartient le point M?
M d’affixe zun point du cercle de diamètre [CD] privé des points C et D ³
DM ;
CM ´=
π
2(π)
Or arg(z)=
π
2+³
DM ;
CM ´
³
DM ;
CM ´=
π
2(π)arg(z)
π
2=
π
2(π)arg(z)=π(π)
arg(z)=π(π)
³
u;
OM´=0 (π)
Si M d’affixe zun point du cercle de diamètre [CD] privé des points C et D alors Mest sur l’axe des imaginaires.
Exercice VII2
1. Résoudre dans Cl’équation suivante :z2+2z+4=0.
On calcule =b24ac =416 =12.Comme <0 ; l’équation a deux racines complexes conjuguées :
z=b+ip
2a=2+i2p3
2=1+ip3 et z"=z=bip
2a=1ip3
S={1+ip3;1ip3}
2. Résoudre dans Cl’équation suivante :
z3+2(1 +i)z2+4(1 +i)z+8i=0
sachant qu’il y a une racine imaginaire pure.
z=i y est une solution de z3+2(1 +i)z2+4(1 +i)z+8i=0(1)
(1) (i y)3+2(1 +i)(i y)2+4(1 +i)(i y)+8i=0
(1) ⇔ −i y3+(2 +2i)(y2)+(4 +4i)(i y)+8i=0
(1) ⇔ −i y32y22i y2+4i y 4y+8i=0
(1) (2y24y)+i(y32y2+4y+8)
Un nombre complexe est nul si et seulement si sa partie réelle et sa partie imaginaire sont nulles : on est ainsi ramené à
résoudre le système : (1) (2y24y=0 (L1)
y32y2+4y+8=0 (L2)
(L1) 2y(y+2) =0y=0 ou y=2.
En reportant y=0 dans (L2) , on débouche sur une contradiction, alors que l’égalité 82×48+8=0 est vraie. Donc z=2i
est la seule racine imaginaire de cette équation.
Notons P le polynôme de la variable zdéfini par P(z)=z3+2(1 +i)z2+4(1 +i)z+8i=0.Comme P(2i)=0 ; le polynôme
P(z) se factorise par (z+2i) ; ainsi il existe des nombres complexes a,bet ctels que :
P(z)=(z+2i)(az2+bz +c)
La division euclidienne
z3+(2 +2i)z2+(4 +4i)z+8i z +2i
z32i z2z2+2z+4
2z2+(4 +4i)z+8i
2z24i z
4z+8i
4z8i
0
Ainsi , P(z)=(z2i)(z2+2z+4).
(z2i)=0 ou (z2+2z+4) =0
P(z)=0(z2i)=0 ou (z2+2z+4) =0
P(z)=0z=2iou z=1+ip3 ou z=1ip3
S={2i;1+ip3;1ip3}
3. Résoudre dans Cl’équation suivante :
z3+2(1 +i)z2+4(1 +i)z+8i=0
sachant qu’il y a une racine imaginaire pure.
Exercice VII3
Soient les nombres complexes : z1=1+iet z2=1ip3.
1. Calculer z1×z2et z1
z2
.
z1×z2=(1+i)(1+ip3) =1p3+i(1 p3) ; z1×z2=1p3+i(1 p3)
z1
z2=1+i
1ip3=(1+i)(1+ip3)
(1 ip3)(1 ip3) =1p3+i(1 p3)
12+p32=1p3
4+i1p3
4;z1
z2=1p3
4+i1p3
4
2. Ecrire z1,z2et z2sous forme trigonométrique.
Forme trigonométrique de z1=1+i:
Module : |z1|=pa2+b2=p22=p2
Argument :
cos(θ)=a
r=1
p2=p2
2
sin(θ)=b
r=1
p2=p2
2
Ainsi θ=3π
4convient ; on a donc :
z1=p2[cos( 3π
4)+isin( 3π
4)] =p2ei3π
4
Forme trigonométrique de z2=1ip3 :
Module : |z2|=pa2+b2=q12+p32=p4=2
Argument :
cos(θ)=a
r=1
2
sin(θ)=b
r=p3
2
Ainsi θ=
π
3convient ; on a donc :
z2=2[cos(
π
3)+isin(
π
3)]
On déduit alors
z2=2[cos( π
3)+isin( π
3)] =2[cos( π
3)+isin( π
3)]
z1
z2=p2ei3π
4
2eiπ
3=p2
2×ei13π
12 .
3. En déduire la valeur exacte de cos µ13π
12
On a z1
z2=1p3
4+i1p3
4=p2
2×ei13π
12 ; donc cos( 13π
12 )=1p3
4×2
p2
cos( 13π
12 )=p2p6
4
4. ABCD est un parallélogramme ssi
AB =
DC .
(1)
AB =
DC
(1) z
AB =z
DC
(1) zBzA=zCzD
(1) zC=zBzA+zD=1ip3+1i+1+ip3=3i
zC=3i
1 / 5 100%

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