NOMBRES COMPLEXES Notations algébrique - MPSI Saint

MPSI du lyc´ee Rabelais http://mpsi.saintbrieuc.free.fr semaine du 15 septembre 2015
NOMBRES COMPLEXES
Notations alg´ebrique et exponentielle
Exercice 1 : Parmi les assertions suivantes, dites lesquelles sont vraies.
1. Re n
X
i=1
ai!=
n
X
i=1
Re (ai)
2. Re (i z) = Im (z)
3. si λR,Im (λz) = λIm z
4. Im n
Y
i=1
ai!=
n
Y
i=1
Im (ai)
5. si z6= 0, alors 1
z=¯z
|z|2
6. Im z
w=Im z
Im w
Exercice 2 : Mettez sous forme alg´ebrique les nombres complexes suivants :
z1=3 + 6i
34i, z2=1 + i
2i2
+17i
4 + 3i, z3=2 + 5i
1i+25i
1 + i.
Exercice 3 : Mettez sous forme exponentielle les nombres complexes :
z1=3
1i, z2=(1 + i)3
1i+(1 i)4
(1 i)2, z3=(6i2)(1 + i)
1i.
Exercice 4 : Soit θ, θdeux nombres r´eels.
1. Transformez e+een factorisant par eiθ+θ
2sous la forme ρeo`u ρet θsont
des r´eels.
2. En d´eduire la forme exponentielle des nombres complexes
z1= 1 + e/3, z2=e4/31
Exercice 5 : Soit nN. Simplifiez
1. z1= 1 + i3
1i!n
2. z2=31+i1 + 3n+31i1 + 3n.
Exercice 6 : D´eterminez l’ensemble des entiers naturels nNpour lesquels
(1 + i)nR.
Exercice 7 : D´eterminez l’ensemble des points M(z) tels que z+ ¯z=|z|
Exercice 8 :
1. D´eterminez le lieu des points Md’affixes zqui sont align´es avec Id’affixe iet
Md’affixe iz.
2. Quel lieu d´ecrivent les points Mcorrespondants ?
Exercice 9 : D´emontrez que pour tous uet vdans C,
|u+v|2+|uv|2= 2 (|u|2+|v|2).
Exercice 10 : Soit aC. R´esolvez dans Cl’´equation ez=a
Racines n`emes
Exercice 11 : R´esoudre dans Cles ´equations suivantes :
1. z5= 1. 2. z7= 1 + i3. 3. z6¯z= 1.
Exercice 12 : D´eterminez les racines carr´ees de 9 + 40iet les racines quatri`emes
de 724i.
Exercice 13 :
1. Pr´esentez sous forme exponentielle u=1 + i3
1i3,et v=1i
1 + i3.
2. R´esoudre dans Cles ´equations z6=uet z4=v.
Exercice 14 : Soit n2. On note ω=e2/n. Montrez que
n1
Y
k=0
ωk= (1)n1.
´
Equations polynomiales
Exercice 15 : R´esoudre dans Cles ´equations suivantes
1. z2(2 + 3i)z+ 3i1 = 0.
2. z6(1 + 2i)z3+ 3(1 + i) = 0.
1
Exercice 16 : R´esoudre dans Cl’´equation z3(3 + 4i)z23(1 4i)z+ 9 = 0.
Indication : vous v´erifierez que cette ´equation poss`ede une solution eelle.
Exercice 17 : R´esolvez dans Cles ´equations suivantes
1. z
z1n
= 1.
2. (z+i)n= (zi)n. Observez qu’elle admet n1 solutions, toutes r´eelles.
Applications `a la trigonom´etrie
Exercice 18 : Soit ω=e2iπ/5. On pose S=ω+ω4et T=ω2+ω3. Calculez Set
T. D´eduisez-en cos( π
5).
Exercice 19 :
1. Pr´esentez sous forme trigonom´etrique les nombres complexes
u=1
2(6i2) et v= 1 i.
2. En d´eduire une pr´esentation trigonom´etrique de u/v, puis les valeurs exactes de
cos π/12 et sin π/12.
Exercice 20 :
1. Lin´earisez cos2(x) sin2(x), et cos5(x) sin(x).
2. Exprimez cos(5x) en fonction de cos(x).
Exercice 21 : Soit xRtel que x6≡ 0[2π] et nN.
On note C(x) =
n
X
k=0
cos(kx) et S(x) =
n
X
k=0
sin(kx). Montrez que
C(x) = sin n+1
2xcos nx
2
sin x
2et S(x) = sin n+1
2xsin n
2x
sin x
2
Exercice 22 : Soit (a, x)R2et nN.
1. Calculez S1=
n1
X
k=0
cos(a+kx).
2. En d´eduire S2=
n1
X
k=0
cos3kx.
2
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CORRECTION DES EXERCICES
Exercice 1 .—
1. VRAI
2. VRAI
3. VRAI
1. TROPA
2. VRAI
3. TROPA N
Exercice 2 .—
z1=3
5+i6
5
z2=1i
z3=3
N
Exercice 3 .—
z1= 32
2e/4
z2= 22e5/4
z3= 22e/6
Exercice 4 .—
e+e= 2 cos θθ
2ei1
2(θ+θ)
1 + e/3=3e/6
e4/31 = 3ei7π/6
N
Exercice 5 .—
1. 1 + i3 = 2epi/3, 1 i=2eiπ/4. D’o`u 1 + i3
1i=2e7/12. Par la formule
de Moivre, il s’ensuit que
z1= (2)ne7inπ/12
2. On remarque que 31+i1 + 3et 31i1 + 3sont conjugu´es.
Par les propri´et´es de la conjugaison, il en r´esulte que leurs puissances ni`eme sont
aussi conjugu´ees. Ainsi,
z2=31+i1 + 3n+31i1 + 3n
= 2Re 31+i1 + 3n
Or
31+i1 + 3=3 + i1 + i3 = 2(e/6+e/3
= 4 cos(π/4) ei5π/12 = 22ei5π/12
D’apr`es les formules de Moivre, il s’ensuit que
z2= 2Re 22nei5/12= 222ncos 5
12
N
Exercice 6 .— Pour caract´eriser les nombres r´eels parmi les nombres complexes,
nous diposons de plusieurs strat´egies.
Montrer que la partie imaginaire de zest nulle ;
Montrer que zest ”autoconjugu´e” z= ¯z;
Montrer qu’un argument de zest congru `a 0 modulo π(pour z6= 0).
Ici, (1 + i)n=2eiπ/4n
= (n)neinπ/4. En particulier, comme son module est
strictement positif, nous pouvons utiliser la troisi`eme caract´erisation, il vient :
(1 + i)nRarg (1 + i)n0 [π]nπ
40 [π]
n0 [4]
Ainsi, (1 + i)nest r´eel si et seulement si il existe un entier kZtel que n= 4k.
En conclusion, (1 + i)nest r´eel si et seulement si nest multiple de 4. N
Exercice 7 .— Soit zC.
z+ ¯z=|z| ⇐z=x+iy, (x, y)R2
2x=px2+y2
z=x+iy, (x, y)R2
x0
4x2=x2+y2
z=x+iy, (x, y)R2
x0
y2= 3x2
z=x+iy, (x, y)R2
x0
y=3xou y=3x
3
Ainsi, le lieu d´ecrit par les points M(z) est la r´eunion des deux demi-droites
y=3x
x0et y=3x
x0.N
Exercice 8 .—
1. Il est clair que si zest 1 ou i, les points I, M et Msont align´es vu que deux
d’entre eux sont confondus. Supposons d´esormais que zest un nombre complexe
diff´erent de 1 et de i. En ce cas, les points I, M et Msont align´es si et seulement
si les vecteurs
IM et
IMsont colin´eaires, ce qui se traduit en affixes par
I, M et Msont align´es les vecteurs
IM et
IMsont colin´eaires
iz i
ziR
i(z1)(¯z+i)R
Re (z1)(¯z+i) = 0
Ecrivons z=x+iy en notation alg´ebrique. Il vient
(z1)(¯z+i) = (x1)+iyxi(y1)=x(x1)+y(y1)+iy(x1)+x(y1)
Par cons´equent, les points Il,Met Msont align´es si et seulement si les parties
r´eelles et imaginaires xet yde zerifient
x2+y2xy= 0
On reconnait ici l’´equation du cercle de centre Ω(1
2,1
2) et de rayon 2
2.
Conclusion : le lieu des points Md’affixes zqui sont align´es avec Id’affixe iet
Md’affixe iz est le cercle de centre Ω(1
2,1
2) et de rayon 2
2.
2. Comme la multiplication par i=e/2s’interpr`ete g´eom´etriquement comme la
rotation de centre Oet d’angle π/2, le lieu des points Mest le cercle de centre
(1
2,1
2) et de rayon 2
2.N
Exercice 9 .— Il s’agit d’un simple calcul. Soit (u, v)C2. Alors
|u+v|2+|uv|2= (u+v)(u+v) + (uv) (uv)
= (u+v) (¯u+ ¯v) + (uv) (¯u¯v)
=u¯u+u¯v+v¯u+v¯v+u¯uu¯vv¯u+v¯v
= 2(|u|2+|v|2) + u¯v+ ¯uv u¯vv¯u
= 2|u|2+|v|2N
Exercice 10 .— Soit a=ρeun nombre complexe non nul en notation trigo-
nom´etrique (ρ > 0) et z=x+iy un nombre complexe pr´esent´e sous forme alg´ebrique
(x, y eels) fix´es. Alors
ez=ae(x+iy)=ρe|e(x+iy)|=ex=ρ
yα[2π]x= ln ρ
il existe kZ;y=α+ 2
il existe kZ;z= ln ρ+i(α+ 2kπ).
Ainsi, S={ln |a|+i(arg a+ 2) ; kZ}.N
Exercice 11 .—
1. Les racines 5i`emes de 1 sont U5={1, e2iπ/5, e4/5, e6/5, e8/5}.
2. il s’agit de d´eterminer les racines 7i`emes de a= 1 + i3.
a= 2eiπ/3
Une racine 7i`eme particuli`ere est ζ0=7
2e/21
Les racines septi`emes de 1 sont
U7={1, e6/21, e12/21, e18/21, e24/21, e30/21, e36/21}
les racines septi`emes de asont
S={{ 7
2e
21 , e 7
2
7
21 ,7
2e13
21 ,7
2e19
21 ,7
2e25
21 ,7
2e31
21 ,7
2e37
21 }
Raisonnons par ´equivalences
z6¯z= 1 |z|7= 1
z6¯z= 1 |z|= 1
z6¯z= 1
|z|= 1
z5= 1 z5= 1
Ainsi, les solutions de l’´equation propos´ee sont simplement les racines cin-
qui`emes de 1. N
Exercice 12 .— Nous allons chercher ces racines en notation alg´ebrique.
1.
(x+iy)2= 9 + 40i
x2y2= 9
x2+y2= 41
xy > 0
x2= 25
y2= 16
xy > 0
x=±5
y=±4
xy > 0
Les racines carr´ees de 9 + 40isont ±(5 + 4i).
4
2. Nous allons chercher une racine quatri`eme particuli`ere ζ0. On obtiendra toutes
les racines quatri`emes de 724ien multipliant ζ0par U4.
une racine carr´ee de 724iest 3 4i.
une racine car´ee de 3 4iest ζ0= 2 i.
les racines quatri`emes de 724isont donc
S={2i, 1 + 2i, 2 + i, 12i}
N
Exercice 13 .—
1.
u=e2/3v=2
2e7/12
2. D´eterminons les racines sixi`emes de u:
u=e2/3
une racine sixi`eme particuli`ere de uest u0=e/9.
les racines sixi`emes de 1 sont U6={1, e3iπ/9, e6/9, e9/9, e12/9, e15/9}.
Les racines sixi`emes de usont
S={e/9, e4/9, e5/9, e10/9, e13/9, e16/9}
3. D´eterminons les racines quatri`emes de v:
v=1
2e7/12.
une racine quatri`eme particuli`ere de vest donc v0=1
8
2e7/48.
Les racines quatri`emes de l’unit´e sont U4={1, e24iπ/48, e48/48, e72/48}.
les racines quatri`emes de vsont donc
S={1
8
2e7/48,1
8
2e17/48,1
8
2e41/48,1
8
2e65/48}
N
Exercice 14 .—
n1
Y
k=0
ωk=
n1
Y
k=0
e2ikπ/n = exp 2π
n
n1
X
k=0
k= exp 2π
n
n(n1)
2= (1)n
N
Exercice 15 .—
1. (E1)z2(2 + 3i)z+ 3i1 = 0
Le discriminant est ∆ = 1.
les solutions de (E1) sont z1= 1 + 2iet z2= 1 + i.
2. (E2)z6(1 + 2i)z3+ 3(1 + i) = 0.
Soit zC.
(E2)z3=w
w2(1 + 2i)w+ 3(1 + i) = 0 z3=w
w= 1 iou w= 3i
z3= 1 iou z3= 3i
Les solutions de (E2) sont donc les racines cubiques de 1 iet celles de
3i.
Par cons´equent,
S2={6
2e/12,6
2e7π/12,6
2e15/12,3
3e/6,3
3e5/6,3
3e9/6}
N
Exercice 16 .— on note (E) l’´equation z3(3 + 4i)z23(1 4i)z+ 9 = 0
soit xR. En identifiant parties r´eelles et imaginaires dans (E), il vient :
x3(3 + 4i)x23(1 4i)x+ 9 = 0 x33x23x+ 9 = 0
4x2+ 12x= 0
x33x23x+ 9 = 0
x= 0 ou x= 3
x= 3
Ainsi, 3 est racine de (E).
Factorisons le polynˆome z3(3+4i)z23(14i)z+9 par z3. En proedant
par identification des coefficients, il vient :
z3(3 + 4i)z23(1 4i)z+ 9 = (z3) (z24iz 3)
R´esolvons (z24iz 3) = 0. Le discriminant est ∆ = 4 = (2i)2. Par
cons´equent, il y a deux solutions distinctes iet 3i.
Finalement
S={i, 3i, 3}
Exercice 17 .— Ces ´equations se ram`enent `a des calculs de racines ni`emes au moyen
d’un changement d’inconnue.
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