PCSI 10 Septembre 2016
Correction du devoir surveillé n2
Exercice 1: Questions de cours
1. zest racine 6-ème de l’unité lorsque z6= 1, c’est-à-dire lorsque
z0= 1 , z1=e2iπ
6=e
iπ
3, z2=e4iπ
6=e2iπ
3, z3=e6iπ
6=eiπ, z4=e8iπ
6=e4iπ
3, z5=e10iπ
6=e5iπ
3
2. Voir cours
3.
θR,cos(θ) = e+e
2et sin(θ) = ee
2i
nN,θR,cos(θ) + isin(θ)n= cos() + isin()
4. Soit zC.
(a) zRpeut s’écrire Im(z) = 0 ou z=zou arg(z) = 0[π].
(b) ziRpeut s’écrire Re(z)=0ou z=zou arg(z) = π
2[π].
5. zC, f(z) = 1
3(z2i) + 2 + i
6. Soit f:IRune fonction continue. On dit que Fest une primitive de fsur Ilorsque Fest
dérivable sur Iet xI, F 0(x) = f(x).
7. Soit fune fonction définie et continue sur un intervalle I. Soit Fune primitive de fsur I.
Soient a, b Iavec ab. Alors,
Zb
af(x)dx =hF(x)ib
a=F(b)F(a)
8. Soient uet vdeux fonctions de classe C1sur un intervalle de la forme [a, b]. Alors :
Zb
au(x)v0(x)dx =hu(x)v(x)ib
aZb
au0(x)v(x)dx
9. Soit fune fonction définie et continue sur un intervalle I.
Soit φune fonction de classe C1sur un intervalle Jtel que φ(J)I(φest le changement de
variable utilisé).
Soient a, b Javec ab. Alors,
Zb
af(φ(t))φ0(t)dt =Zφ(b)
φ(a)f(x)dx.
Exercice 2:
1. z22iz + 2 4i= 0 est une équation du second degré à coefficients complexes.
∆=(2i)24(2 4i) = 12 + 16i
On doit maintenant chercher les deux racines carrés du complexes 12 + 16i. On les cherche
sous la forme z=x+iyce qui donne le système suivant :
x2y2=12
2xy = 16
x2+y2=122+ 162= 20
2x2= 8
2xy = 16
2y2=32
x= 2 ou x=2
xy = 8
y= 4 ou y=4
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Puisque xet ydoivent être de même signe, on en déduit les solutions : δ= 2+4iet δ=24i.
On peut alors calculer les solutions de l’équation initiale :
z1=2i+ 2 + 4i
2= 1 + 3iou z2=2i24i
2=1i
2. On va modifier cette équation pour se ramener au racine n-ème de l’unité.
(z+ 1)n(z1)n= 0 (z+ 1)n= (z1)n z+ 1
z1!n
= 1 car z= 1 n’est pas solution.
z+ 1
z1=wk
1pour k[[1, n 1]] et w1=e2iπ
n
z+ 1 = wk
1(z1) pour k[[1, n 1]] et w1=e2iπ
n
z(1 wk
1) = 1wk
1pour k[[1, n 1]] et w1=e2iπ
n
z=(1 + wk
1)
1wk
1
pour k[[1, n 1]] et w1=e2iπ
n
On peut ensuite utiliser l’angle moitié pour simplifier encore cette expression de zet on obtient
k[[1, n 1]] , z =(1 + e2i
n)
1e2i
n
=2 cos
n
2isin
n=i
tan
n
Exercice 3:
1. On reconnait presque la forme u0
2usous l’intégrale avec u(t) = 1 + 2t2
Z1
0
t
1+2t2dt =1
4Z1
0
4t
1+2t2dt =1
4"1+2t2#1
0
=1
431=31
4
2. On reconnait la forme u0×usous l’intégrale avec u(x) = sin(x)dont une primitives est de la
forme u2
2donc
Zπ
4
0sin(t) cos(t)dt ="sin2(t)
2#
π
4
0
=2
22
2=1
4
3. On reconnait la forme u0
u3avec u(t) = t3+ 1 dont une primitive est de la forme 1
(n1)un1donc
Z1
0
t2
(t3+ 1)3dt ="1
2(t3+ 1)2#1
0
=1
2×41
2×1=3
8
4. On doit chercher les racines de l’équation x26x+ 8 = 0 dont le discriminant vaut ∆=4. On
a donc
(a, b)R2,x[2,3],1
x26x+ 8 =a
x5+b
x1
Par identification, on trouve a=1
4et b=1
4. Donc,
Z3
2
1
x26x+ 8dx =Z3
2
1
4(x5)dx Z3
2
1
4(x1)dx ="1
4ln(|x5|)1
4ln(|x1|)#3
2
=ln(3)
4
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5. On utilise une double intégration par parties pour faire disparaitre le polynôme devant la
fonction sin.
6. Voir TD 4
Exercice 4:
1. Nous devons d’abord diviser toute cette équation par la quantité 1 + x2qui ne s’annule pas sur
Rdonc cela ne modifie pas l’intervalle d’étude. L’équation devient
(E0) : y0+x
1 + x2y=1
1 + x2
Il s’agit d’une équation différentielle linéaire du premier ordre à coefficients non constants avec
second membre. On commence par résoudre l’équation sans second membre
(EH) : y0+x
1 + x2y= 0
donc les solutions sont de la forme xR, yh(x) = λe1
2ln(1+x2)=λ
1+x2, λ R.
Nous cherchons ensuite une solution particulière par variations de la constante donc sous la
forme
yp(x) = λ(x)
1+x2et donc xR, y0
p(x) = λ0(x)1+x2λ(x)2x
21+x2
1+x2=λ0(x)
1+x2(x)
1+x2(1+x2).
ypest solution de (E) y0
p+x
1 + x2yp=1
1 + x2
λ0(x)
1 + x2(x)
1 + x2(1 + x2)+x
1 + x2
λ(x)
1 + x2=1
1 + x2
λ0(x)
1 + x2=1
1 + x2
λ0(x)=1
Nous pouvons donc prendre λ(x) = x. Ainsi, la fonction yp(x) = x
1+x2est une solution
particulière de (E).
Pour avoir la forme générale des solutions, il reste à faire la somme de la solution de l’équation
homogène et de la solution particulière
SE(R) = (x7→ λ+x
1 + x2, λ R)
2. Voir correction TD 4
Exercice 5: Soit fla fonction qui associe à un complexe z, lorsque c’est possible, le complexe
f(z) = z2
z2i
1.
Df={zC, /z 2i6= 0}=C\{2i}.
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2. zCest un antécédent du complexe 1 + ipar fsi, et seulement si, f(z) = 1 + i.
f(z) = 1 + iz2
z2i= 1 + i
z2= (1 + i)(z2i)
z2(1 + i)z+ 2i(1 + i)=0
Il s’agit d’une équation du second degré à coefficients complexes.
∆ = (1 + i)28i(1 + i)=2i8i+ 8 = 8 6i
Le déterminant est complexe donc on cherche ses racines carrées : δ=x+iyCtel que
δ2= 8 6i.
δ2= 8 6i
x2y2= 8
2xy =6
x2+y2=64 + 36 = 10
2x2= 18
xy =3
2y2=2
x= 3 ou x=3
xy =3
y= 1 ou y=1
Les racines du complexes 86isont donc δ= 3 iet δ=3 + i. Nous pouvons alors en
déduire les antécédents de 1 + i.
f(z) = 1 + iz2(1 + i)z+ 2i(1 + i)=0
z=1 + i+ 3 i
2= 2 ou z=1 + i3 + i
2=1 + i
On peut vérifier que ces deux complexes sont bien des antécédents de 1 + i.
3. Soit aC.
f(z) = az2
z2i=a
z2=a(z2i)
z2az + 2ai= 0
Le nombre d’antécédents de adépend du discriminant ∆ = a28ai=a(a8i).
(Si a= 0 ou a= 8i, a a 1 seul antécédent
Si aC\{0,8i}, a a 2 antécédents distincts
4. Soit zDf.
g(z) = |x+iy2i|2(x+iy)2
x+iy2i+ (x+iy)3
= (x2+ (y2)2)x2y2+ 2ixy
x+i(y2) +x3+ 3ix2y3xy2iy3
= (x2+ (y2)2)(x2y2+ 2ixy)(xi(y2))
x2+ (y2)2+x3+ 3ix2y3xy2iy3
=x3ix2(y2) y2x+iy2(y2) + 2ix2y+ 2xy(y2) + x3+ 3ix2y3xy2iy3
=x3y2x+ 2xy(y2) + x33xy2+ix2(y2) + y2(y2) + 2x2y+ 3x2yy3
g(z) = 2x(x2y22y) + i2x2+ 4x2y2y2
5.
g(z)iRRe(g(z)) = 0
2x(x2y22y) = 0
x= 0 ou x2y22y= 0
Aest la réunion de la droite d’équation x= 0 de l’ensemble B={(x, y)R2, x2y22y= 0}
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Exercice 6: On cherche à résoudre l’équation suivante d’inconnue z:
(E) : (1 iz)3(1 + i3) = (1 + iz)3(1 i3)
1. Nous allons remplacer zpar idans chacun des 2 membres pour montrer que l’égalité n’a pas
lieu.
(1 + i2)3(1 + i3) = 0
(1 i2)3(1 i3) = 8(1 i3) 6= 0
Donc in’est pas solution de (E).
2. Soit zune solution de (E). On sait donc que a6=i.
(1 iz)3(1 + i3) = (1 + iz)3(1 i3) (1 + i3)
(1 i3) =(1 + iz)3
(1 iz)3
1 + i3
1i3= 1 + iz
1iz!3
1 + i3
1i3
=
1 + iz
1iz
3
1 =
1 + iz
1iz
3
car |1 + i3|=|1i3|
zsolution de (E)
1 + iz
1iz
= 1
3. On utilise la forme algébrique de z,z=x+iy.
1 + iz
1iz
= 1 ⇔ |1 + iz|=|1iz|
⇔ |1 + i(x+iy)|=|1i(x+iy)|
⇔ |1y+ix|2=|1 + y+ix|2
(1 y)2+x2= (1 + y)2+x2
⇒ −2y= 2y
y= 0
1 + iz
1iz
= 1 zR
4. Soit zun nombre réel.
(1 iz)3(1 + i3) = (1 iz)3(1 + i3) = (1 iz)3(1 i3)
puisque zest un nombre réel. On en déduit donc que
zRsolution de (E)(1 iz)3(1 + i3) R
5.
zsolution de (E)
1 + iz
1iz
= 1
zR
(1 iz)3(1 + i3) R
arg((1 iz)3(1 + i3)) = 0[π].
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