Chapitres de Maths expertes

Nombres complexes et trigonométrie

  1. 1

    Exercice 1

    Facile

    Passer d'une forme à l'autre.

    1. Écrire sous forme exponentielle les nombres complexes z1=−1+i3,z2=3−3i,z3=−2 i.z_1 = -1 + i\sqrt{3}, \qquad z_2 = 3 - 3i, \qquad z_3 = -\sqrt{2}\,i.
    2. Écrire sous forme algébrique le nombre z4=4 e−iπ/6z_4 = 4\,e^{-i\pi/6}.
    3. En écrivant 1+i1+i et 3+i\sqrt{3}+i sous forme exponentielle, calculer le produit (1+i)(3+i)(1+i)(\sqrt{3}+i) de deux façons et en déduire les valeurs exactes de cos⁡5π12\cos\dfrac{5\pi}{12} et sin⁡5π12\sin\dfrac{5\pi}{12}.
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    Le module est ∣z∣=a2+b2|z|=\sqrt{a^2+b^2} ; l'argument θ\theta vérifie cos⁡θ=a/∣z∣\cos\theta = a/|z| et sin⁡θ=b/∣z∣\sin\theta = b/|z|. Pour la question 3, comparer partie réelle et partie imaginaire du produit sous ses deux formes ; l'argument du produit est la somme des arguments.

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    1. ∣z1∣=1+3=2|z_1| = \sqrt{1+3} = 2, et cos⁡θ=−12\cos\theta = -\tfrac12, sin⁡θ=32\sin\theta = \tfrac{\sqrt3}{2} donnent θ=2π3\theta = \tfrac{2\pi}{3}, d'où

    z1=2 ei 2π/3.z_1 = 2\,e^{i\,2\pi/3}.

    ∣z2∣=9+9=32|z_2| = \sqrt{9+9} = 3\sqrt2, et cos⁡θ=12\cos\theta = \tfrac{1}{\sqrt2}, sin⁡θ=−12\sin\theta = -\tfrac{1}{\sqrt2} donnent θ=−π4\theta = -\tfrac{\pi}{4}, d'où z2=32 e−iπ/4z_2 = 3\sqrt2\,e^{-i\pi/4}. Enfin z3=−2 i=2 e−iπ/2z_3 = -\sqrt2\,i = \sqrt2\,e^{-i\pi/2}.

    \smallskip 2. z4=4(cos⁡π6−isin⁡π6)=4(32−12i)=23−2i.z_4 = 4\big(\cos\tfrac{\pi}{6} - i\sin\tfrac{\pi}{6}\big) = 4\big(\tfrac{\sqrt3}{2} - \tfrac12 i\big) = 2\sqrt3 - 2i.

    \smallskip 3. On a 1+i=2 eiπ/41+i = \sqrt2\,e^{i\pi/4} et 3+i=2 eiπ/6\sqrt3+i = 2\,e^{i\pi/6}, donc

    (1+i)(3+i)=22 ei(π/4+π/6)=22 ei 5π/12.(1+i)(\sqrt3+i) = 2\sqrt2\,e^{i(\pi/4+\pi/6)} = 2\sqrt2\,e^{i\,5\pi/12}.

    Par ailleurs, en développant, (1+i)(3+i)=3+i+i3+i2=(3−1)+i(3+1)(1+i)(\sqrt3+i) = \sqrt3 + i + i\sqrt3 + i^2 = (\sqrt3-1) + i(\sqrt3+1). En identifiant,

    cos⁡5π12=3−122=6−24,sin⁡5π12=3+122=6+24.\cos\frac{5\pi}{12} = \frac{\sqrt3-1}{2\sqrt2} = \frac{\sqrt6-\sqrt2}{4}, \qquad \sin\frac{5\pi}{12} = \frac{\sqrt3+1}{2\sqrt2} = \frac{\sqrt6+\sqrt2}{4}.
  2. 2

    Exercice 2

    Facile

    Valeurs exactes par les formules d'addition.

    1. En remarquant que π12=π3−π4\dfrac{\pi}{12} = \dfrac{\pi}{3} - \dfrac{\pi}{4}, calculer les valeurs exactes de cos⁡π12\cos\dfrac{\pi}{12} et sin⁡π12\sin\dfrac{\pi}{12}.
    2. Retrouver cos⁡π6\cos\dfrac{\pi}{6} à partir de cos⁡π12\cos\dfrac{\pi}{12} grâce à une formule de duplication.
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    cos⁡(a−b)=cos⁡acos⁡b+sin⁡asin⁡b\cos(a-b) = \cos a\cos b + \sin a\sin b, sin⁡(a−b)=sin⁡acos⁡b−cos⁡asin⁡b\sin(a-b) = \sin a\cos b - \cos a\sin b. Pour la question 2, cos⁡(2x)=2cos⁡2x−1\cos(2x) = 2\cos^2 x - 1.

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    1.

    cos⁡π12=cos⁡π3cos⁡π4+sin⁡π3sin⁡π4=12⋅22+32⋅22=2+64.\cos\frac{\pi}{12} = \cos\frac{\pi}{3}\cos\frac{\pi}{4} + \sin\frac{\pi}{3}\sin\frac{\pi}{4} = \frac12\cdot\frac{\sqrt2}{2} + \frac{\sqrt3}{2}\cdot\frac{\sqrt2}{2} = \frac{\sqrt2+\sqrt6}{4}. sin⁡π12=sin⁡π3cos⁡π4−cos⁡π3sin⁡π4=32⋅22−12⋅22=6−24.\sin\frac{\pi}{12} = \sin\frac{\pi}{3}\cos\frac{\pi}{4} - \cos\frac{\pi}{3}\sin\frac{\pi}{4} = \frac{\sqrt3}{2}\cdot\frac{\sqrt2}{2} - \frac12\cdot\frac{\sqrt2}{2} = \frac{\sqrt6-\sqrt2}{4}.

    2. cos⁡2π12=(2+6)216=2+212+616=8+4316=2+34\cos^2\dfrac{\pi}{12} = \dfrac{(\sqrt2+\sqrt6)^2}{16} = \dfrac{2 + 2\sqrt{12} + 6}{16} = \dfrac{8 + 4\sqrt3}{16} = \dfrac{2+\sqrt3}{4}, donc

    cos⁡π6=2cos⁡2π12−1=2+32−1=32,\cos\frac{\pi}{6} = 2\cos^2\frac{\pi}{12} - 1 = \frac{2+\sqrt3}{2} - 1 = \frac{\sqrt3}{2},

    ce qui est bien la valeur attendue.

  3. 3

    Exercice 3

    Facile

    Linéarisation par les formules d'Euler. Linéariser (c'est-à-dire écrire comme combinaison linéaire de cos⁡(kθ)\cos(k\theta) et sin⁡(kθ)\sin(k\theta)) :

    cos⁡2θ,sin⁡2θ,cos⁡3θ.\cos^2\theta, \qquad \sin^2\theta, \qquad \cos^3\theta.
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    Utiliser cos⁡θ=eiθ+e−iθ2\cos\theta = \dfrac{e^{i\theta}+e^{-i\theta}}{2} et sin⁡θ=eiθ−e−iθ2i\sin\theta = \dfrac{e^{i\theta}-e^{-i\theta}}{2i}, développer par le binôme de Newton, puis regrouper les termes conjugués.

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    cos⁡2θ=(eiθ+e−iθ2)2=e2iθ+2+e−2iθ4=2cos⁡2θ+24=1+cos⁡2θ2.\cos^2\theta = \left(\frac{e^{i\theta}+e^{-i\theta}}{2}\right)^2 = \frac{e^{2i\theta} + 2 + e^{-2i\theta}}{4} = \frac{2\cos 2\theta + 2}{4} = \frac{1+\cos 2\theta}{2}.

    De même

    sin⁡2θ=(eiθ−e−iθ2i)2=e2iθ−2+e−2iθ−4=2cos⁡2θ−2−4=1−cos⁡2θ2.\sin^2\theta = \left(\frac{e^{i\theta}-e^{-i\theta}}{2i}\right)^2 = \frac{e^{2i\theta} - 2 + e^{-2i\theta}}{-4} = \frac{2\cos 2\theta - 2}{-4} = \frac{1-\cos 2\theta}{2}.

    Enfin

    cos⁡3θ=(eiθ+e−iθ2)3=e3iθ+3eiθ+3e−iθ+e−3iθ8=2cos⁡3θ+6cos⁡θ8=cos⁡3θ+3cos⁡θ4.\cos^3\theta = \left(\frac{e^{i\theta}+e^{-i\theta}}{2}\right)^3 = \frac{e^{3i\theta} + 3e^{i\theta} + 3e^{-i\theta} + e^{-3i\theta}}{8} = \frac{2\cos 3\theta + 6\cos\theta}{8} = \frac{\cos 3\theta + 3\cos\theta}{4}.
  4. 4

    Exercice 4

    Facile

    Formule de Moivre.

    1. À l'aide de la formule de Moivre, exprimer cos⁡3θ\cos 3\theta et sin⁡3θ\sin 3\theta en fonction de cos⁡θ\cos\theta et sin⁡θ\sin\theta, puis montrer que cos⁡3θ=4cos⁡3θ−3cos⁡θ\cos 3\theta = 4\cos^3\theta - 3\cos\theta.
    2. Calculer (1+i)10(1+i)^{10} en passant par la forme exponentielle.
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    Formule de Moivre : (cos⁡θ+isin⁡θ)n=cos⁡(nθ)+isin⁡(nθ)(\cos\theta + i\sin\theta)^n = \cos(n\theta) + i\sin(n\theta). Développer (cos⁡θ+isin⁡θ)3(\cos\theta+i\sin\theta)^3 par le binôme et identifier parties réelle et imaginaire ; utiliser sin⁡2θ=1−cos⁡2θ\sin^2\theta = 1-\cos^2\theta.

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    1. D'après Moivre, cos⁡3θ+isin⁡3θ=(cos⁡θ+isin⁡θ)3\cos 3\theta + i\sin 3\theta = (\cos\theta + i\sin\theta)^3. Le binôme donne

    (cos⁡θ+isin⁡θ)3=cos⁡3θ+3icos⁡2θsin⁡θ−3cos⁡θsin⁡2θ−isin⁡3θ.(\cos\theta + i\sin\theta)^3 = \cos^3\theta + 3i\cos^2\theta\sin\theta - 3\cos\theta\sin^2\theta - i\sin^3\theta.

    En identifiant :

    cos⁡3θ=cos⁡3θ−3cos⁡θsin⁡2θ,sin⁡3θ=3cos⁡2θsin⁡θ−sin⁡3θ.\cos 3\theta = \cos^3\theta - 3\cos\theta\sin^2\theta, \qquad \sin 3\theta = 3\cos^2\theta\sin\theta - \sin^3\theta.

    Avec sin⁡2θ=1−cos⁡2θ\sin^2\theta = 1-\cos^2\theta :

    cos⁡3θ=cos⁡3θ−3cos⁡θ(1−cos⁡2θ)=4cos⁡3θ−3cos⁡θ.\cos 3\theta = \cos^3\theta - 3\cos\theta(1-\cos^2\theta) = 4\cos^3\theta - 3\cos\theta.

    2. 1+i=2 eiπ/41+i = \sqrt2\,e^{i\pi/4}, donc

    (1+i)10=(2)10 ei 10π/4=25 ei 5π/2=32 eiπ/2=32i.(1+i)^{10} = (\sqrt2)^{10}\,e^{i\,10\pi/4} = 2^5\,e^{i\,5\pi/2} = 32\,e^{i\pi/2} = 32i.
  5. 5

    Linéarisation de cos⁡4θ\cos^4\theta et intégrale

    Moyen

    Linéarisation et calcul d'intégrale.

    1. Linéariser cos⁡4θ\cos^4\theta.
    2. En déduire la valeur de l'intégrale I=∫0π/2cos⁡4θ  dθ.I = \int_0^{\pi/2} \cos^4\theta \; d\theta.
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    Développer (eiθ+e−iθ2)4\left(\dfrac{e^{i\theta}+e^{-i\theta}}{2}\right)^4 avec le binôme, puis intégrer terme à terme la forme linéarisée.

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  6. 6

    Noyau de Dirichlet

    Moyen

    Somme trigonométrique (noyau de Dirichlet). Soit θ∈  ]0,2π[\theta \in\; ]0, 2\pi[ et n∈Nn\in\mathbb{N}. On pose Sn=∑k=0ncos⁡(kθ)S_n = \displaystyle\sum_{k=0}^{n} \cos(k\theta).

    1. Calculer ∑k=0neikθ\displaystyle\sum_{k=0}^{n} e^{ik\theta} (somme géométrique).
    2. En déduire que Sn=sin⁡ ⁣((n+1)θ2)sin⁡ ⁣(θ2) cos⁡ ⁣(nθ2).S_n = \frac{\sin\!\big(\tfrac{(n+1)\theta}{2}\big)}{\sin\!\big(\tfrac{\theta}{2}\big)}\,\cos\!\Big(\frac{n\theta}{2}\Big).
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    Sn=Re(∑k=0neikθ)S_n = \mathrm{Re}\left(\sum_{k=0}^n e^{ik\theta}\right). Comme θ∈  ]0,2π[\theta\in\;]0,2\pi[, on a eiθ≠1e^{i\theta}\neq 1 et la raison est eiθe^{i\theta}. Pour simplifier, factoriser numérateur et dénominateur par la « demi-exponentielle » (technique de l'angle moitié) : eix−1=eix/2 (2isin⁡(x/2))e^{ix}-1 = e^{ix/2}\,(2i\sin(x/2)).

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  7. 7

    Polynômes de Tchebychev

    Moyen

    Polynômes de Tchebychev. Le but est d'exprimer cos⁡5θ\cos 5\theta comme un polynôme en cos⁡θ\cos\theta.

    1. À l'aide de la formule de Moivre, écrire cos⁡5θ\cos 5\theta comme partie réelle de (cos⁡θ+isin⁡θ)5(\cos\theta + i\sin\theta)^5.
    2. En déduire que cos⁡5θ=16cos⁡5θ−20cos⁡3θ+5cos⁡θ\cos 5\theta = 16\cos^5\theta - 20\cos^3\theta + 5\cos\theta.
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    Développer (cos⁡θ+isin⁡θ)5(\cos\theta+i\sin\theta)^5 par le binôme de Newton et ne conserver que la partie réelle (termes en i0,i2,i4i^0, i^2, i^4). Remplacer ensuite sin⁡2θ\sin^2\theta par 1−cos⁡2θ1-\cos^2\theta.

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  8. 8

    Exercice 8

    Difficile

    Intégrales de Wallis. Pour n∈Nn\in\mathbb{N}, on pose Wn=∫0π/2cos⁡nθ  dθ\displaystyle W_n = \int_0^{\pi/2} \cos^n\theta \; d\theta.

    1. Calculer W0W_0 et W1W_1.
    2. À l'aide d'une intégration par parties, établir la relation de récurrence Wn=n−1n Wn−2(n≥2).W_n = \frac{n-1}{n}\,W_{n-2} \qquad (n\geq 2).
    3. En déduire les valeurs de W4W_4, W5W_5 et W6W_6.
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  9. 9

    Exercice 9

    Difficile

    Une somme binomiale trigonométrique. Soit θ∈R\theta\in\mathbb{R} et n∈Nn\in\mathbb{N}. On considère

    Tn=∑k=0n(nk)cos⁡(kθ).T_n = \sum_{k=0}^{n} \binom{n}{k}\cos(k\theta).
    1. Calculer ∑k=0n(nk)eikθ\displaystyle\sum_{k=0}^{n}\binom{n}{k} e^{ik\theta} à l'aide de la formule du binôme.
    2. En factorisant 1+eiθ1 + e^{i\theta} par l'angle moitié, en déduire que Tn=2ncos⁡n ⁣(θ2)cos⁡ ⁣(nθ2).T_n = 2^n\cos^n\!\Big(\frac{\theta}{2}\Big)\cos\!\Big(\frac{n\theta}{2}\Big).
    3. Application : calculer ∑k=0n(nk)cos⁡ ⁣(kπ3)\displaystyle\sum_{k=0}^{n}\binom{n}{k}\cos\!\Big(\frac{k\pi}{3}\Big).
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