Chapitres de Maths expertes

Nombres complexes — point de vue algébrique

  1. 1

    Exercice 1

    Facile

    Mettre chacun des nombres complexes suivants sous forme algébrique a+iba+ib, avec aa et bb réels, puis préciser sa partie réelle et sa partie imaginaire.

    z1=(32i)+(4+5i),z2=(2+i)(34i),z3=(1+i)2,z4=i2026.z_1 = (3-2i) + (4+5i), \qquad z_2 = (2+i)(3-4i), \qquad z_3 = (1+i)^2, \qquad z_4 = i^{2026}.
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    Développer en utilisant i2=1i^2=-1. Pour z4z_4, remarquer que i4=1i^4=1 et effectuer une division euclidienne de 20262026 par 44.

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    z1z_1 : en regroupant les parties réelles et imaginaires,

    z1=(3+4)+(2+5)i=7+3i.z_1 = (3+4) + (-2+5)i = 7 + 3i.

    Donc Re(z1)=7\operatorname{Re}(z_1)=7 et Im(z1)=3\operatorname{Im}(z_1)=3.

    \medskip z2z_2 : on développe

    z2=(2+i)(34i)=68i+3i4i2=65i+4=105i.z_2 = (2+i)(3-4i) = 6 - 8i + 3i - 4i^2 = 6 - 5i + 4 = 10 - 5i.

    Donc Re(z2)=10\operatorname{Re}(z_2)=10 et Im(z2)=5\operatorname{Im}(z_2)=-5.

    \medskip z3z_3 : avec l'identité remarquable,

    z3=(1+i)2=1+2i+i2=1+2i1=2i.z_3 = (1+i)^2 = 1 + 2i + i^2 = 1 + 2i - 1 = 2i.

    Donc Re(z3)=0\operatorname{Re}(z_3)=0 et Im(z3)=2\operatorname{Im}(z_3)=2.

    \medskip z4z_4 : les puissances de ii sont périodiques de période 44 : i0=1i^0=1, i1=ii^1=i, i2=1i^2=-1, i3=ii^3=-i. Comme 2026=4×506+22026 = 4\times 506 + 2, on a

    z4=i2026=(i4)506i2=1506(1)=1.z_4 = i^{2026} = (i^4)^{506}\cdot i^2 = 1^{506}\cdot(-1) = -1.

    Donc Re(z4)=1\operatorname{Re}(z_4)=-1 et Im(z4)=0\operatorname{Im}(z_4)=0.

  2. 2

    Exercice 2

    Facile

    Écrire sous forme algébrique les nombres complexes

    Z1=12+3i,Z2=3i1+i,Z3=2+5i25i.Z_1 = \frac{1}{2+3i}, \qquad Z_2 = \frac{3-i}{1+i}, \qquad Z_3 = \frac{2+5i}{2-5i}.
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    Multiplier numérateur et dénominateur par le conjugué du dénominateur. Rappel : (a+ib)(aib)=a2+b2(a+ib)(a-ib)=a^2+b^2.

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    Z1Z_1 : on multiplie par le conjugué 23i2-3i du dénominateur :

    Z1=12+3i=23i(2+3i)(23i)=23i22+32=23i13=213313i.Z_1 = \frac{1}{2+3i} = \frac{2-3i}{(2+3i)(2-3i)} = \frac{2-3i}{2^2+3^2} = \frac{2-3i}{13} = \frac{2}{13} - \frac{3}{13}i.

    \medskip Z2Z_2 : on multiplie par 1i1-i :

    Z2=3i1+i=(3i)(1i)(1+i)(1i)=33ii+i212+12=34i12=24i2=12i.Z_2 = \frac{3-i}{1+i} = \frac{(3-i)(1-i)}{(1+i)(1-i)} = \frac{3 - 3i - i + i^2}{1^2+1^2} = \frac{3 - 4i - 1}{2} = \frac{2-4i}{2} = 1 - 2i.

    \medskip Z3Z_3 : on multiplie par 2+5i2+5i :

    Z3=2+5i25i=(2+5i)2(25i)(2+5i)=4+20i+25i222+52=4+20i2529=21+20i29=2129+2029i.Z_3 = \frac{2+5i}{2-5i} = \frac{(2+5i)^2}{(2-5i)(2+5i)} = \frac{4 + 20i + 25i^2}{2^2+5^2} = \frac{4 + 20i - 25}{29} = \frac{-21+20i}{29} = -\frac{21}{29} + \frac{20}{29}i.
  3. 3

    Exercice 3

    Facile

    Soit z=47iz = 4 - 7i.

    1. Calculer z+zz + \overline{z} et zzz - \overline{z}. Que retrouve-t-on ?
    2. Calculer zzz\,\overline{z}.
    3. En déduire, sans nouveau calcul de conjugué, la forme algébrique de 1z\dfrac{1}{z}.
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    Utiliser les relations z+z=2Re(z)z+\overline{z}=2\operatorname{Re}(z), zz=2iIm(z)z-\overline{z}=2i\operatorname{Im}(z) et zz=a2+b2z\,\overline{z} = a^2+b^2. Pour l'inverse, écrire 1z=zzz\dfrac{1}{z} = \dfrac{\overline{z}}{z\,\overline{z}}.

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    Ici z=4+7i\overline{z} = 4 + 7i.

    1.

    z+z=(47i)+(4+7i)=8=2×4=2Re(z),z + \overline{z} = (4-7i)+(4+7i) = 8 = 2\times 4 = 2\operatorname{Re}(z), zz=(47i)(4+7i)=14i=2i×(7)=2iIm(z).z - \overline{z} = (4-7i)-(4+7i) = -14i = 2i\times(-7) = 2i\operatorname{Im}(z).

    On retrouve les formules générales z+z=2Re(z)z+\overline{z}=2\operatorname{Re}(z) et zz=2iIm(z)z-\overline{z}=2i\operatorname{Im}(z).

    2.

    zz=(47i)(4+7i)=42+72=16+49=65.z\,\overline{z} = (4-7i)(4+7i) = 4^2 + 7^2 = 16 + 49 = 65.

    3. On a 1z=zzz=4+7i65=465+765i.\dfrac{1}{z} = \dfrac{\overline{z}}{z\,\overline{z}} = \dfrac{4+7i}{65} = \dfrac{4}{65} + \dfrac{7}{65}i.

  4. 4

    Exercice 4

    Facile

    Résoudre dans C\mathbb{C} les équations linéaires suivantes.

    (a)(2+i)z=55i,(b)(1i)z+3=2i.\text{(a)}\quad (2+i)\,z = 5-5i, \qquad\qquad \text{(b)}\quad (1-i)\,z + 3 = 2i.
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    Une équation az=baz=b avec a0a\neq 0 admet l'unique solution z=baz=\dfrac{b}{a}. Isoler zz puis multiplier par le conjugué du dénominateur.

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    (a) Comme 2+i02+i \neq 0,

    z=55i2+i=(55i)(2i)(2+i)(2i)=105i10i+5i222+12=1015i55=515i5=13i.z = \frac{5-5i}{2+i} = \frac{(5-5i)(2-i)}{(2+i)(2-i)} = \frac{10 - 5i - 10i + 5i^2}{2^2+1^2} = \frac{10 - 15i - 5}{5} = \frac{5 - 15i}{5} = 1 - 3i.

    Vérification : (2+i)(13i)=26i+i3i2=25i+3=55i(2+i)(1-3i) = 2 - 6i + i - 3i^2 = 2 - 5i + 3 = 5 - 5i. \checkmark

    \medskip (b) On isole zz : (1i)z=2i3(1-i)z = 2i - 3, d'où, comme 1i01-i\neq 0,

    z=2i31i=(2i3)(1+i)(1i)(1+i)=2i+2i233i12+12=2i233i2=5i2=5212i.z = \frac{2i-3}{1-i} = \frac{(2i-3)(1+i)}{(1-i)(1+i)} = \frac{2i + 2i^2 - 3 - 3i}{1^2+1^2} = \frac{2i - 2 - 3 - 3i}{2} = \frac{-5 - i}{2} = -\frac{5}{2} - \frac{1}{2}i.
  5. 5

    Puissances d'un quotient complexe

    Moyen

    On considère le nombre complexe z=1+i1iz = \dfrac{1+i}{1-i}.

    1. Écrire zz sous forme algébrique.
    2. En déduire la valeur de z2027z^{2027}.
    3. Déterminer tous les entiers naturels nn pour lesquels znz^{n} est un nombre réel.
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    Après simplification on trouve z=iz=i. Utiliser ensuite la périodicité des puissances de ii et discuter selon le reste de nn modulo 44.

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  6. 6

    Équation avec conjugué de zz

    Moyen

    Déterminer l'ensemble des nombres complexes z=x+iyz = x + iy (avec x,yx,y réels) vérifiant

    2z+z=6i.2z + \overline{z} = 6 - i.
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    Poser z=x+iyz = x+iy, écrire z=xiy\overline{z}=x-iy, développer, puis identifier séparément parties réelle et imaginaire.

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  7. 7

    Réels, imaginaires purs et lieu

    Moyen

    Soit zz un nombre complexe. On pose z=x+iyz = x + iy avec x,yx,y réels.

    1. Montrer que zz est un nombre réel si et seulement si z=zz = \overline{z}.
    2. Montrer que zz est un imaginaire pur si et seulement si z=zz = -\overline{z}.
    3. En déduire l'ensemble des points MM d'affixe zz tels que le nombre Z=z1z+iZ = \dfrac{z-1}{z+i} soit un imaginaire pur (on supposera ziz \neq -i).
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    Pour la question 3, écrire la condition Z=ZZ = -\overline{Z}, ou bien remplacer zz par x+iyx+iy et calculer la partie réelle de ZZ : elle doit être nulle. Cela conduit à l'équation d'un cercle.

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  8. 8

    Exercice 8

    Difficile

    Le but est de calculer une somme de coefficients binomiaux à l'aide des nombres complexes.

    1. À l'aide de la formule du binôme, développer (1+i)n(1+i)^n pour nNn\in\mathbb{N} et exprimer sa partie réelle et sa partie imaginaire à l'aide de coefficients binomiaux.
    2. Calculer directement (1+i)2(1+i)^2, puis en déduire une forme algébrique simple de (1+i)n(1+i)^n lorsque nn est pair, n=2mn = 2m.
    3. En déduire, pour tout entier m0m\geq 0, la valeur de la somme alternée S=(2m0)(2m2)+(2m4)=k=0m(1)k(2m2k).S = \binom{2m}{0} - \binom{2m}{2} + \binom{2m}{4} - \cdots = \sum_{k=0}^{m} (-1)^k \binom{2m}{2k}. Application : calculer k=03(1)k(62k)\displaystyle\sum_{k=0}^{3}(-1)^k\binom{6}{2k}.
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  9. 9

    Exercice 9

    Difficile

    On admet et l'on va redémontrer une propriété de la conjugaison. Soit nn un entier naturel non nul.

    1. Démontrer par récurrence sur nn que pour tout zCz\in\mathbb{C}, zn=(z)n\overline{z^{\,n}} = \big(\overline{z}\big)^{n}. On pourra utiliser (et rappeler brièvement pourquoi) la propriété zz=zz\overline{z\,z'} = \overline{z}\cdot\overline{z'}.
    2. Soit P(z)=anzn+an1zn1++a1z+a0P(z) = a_n z^n + a_{n-1}z^{n-1} + \cdots + a_1 z + a_0 un polynôme à coefficients réels a0,,ana_0,\dots,a_n. Montrer que pour tout zCz\in\mathbb{C}, P(z)=P(z)\overline{P(z)} = P(\overline{z}).
    3. En déduire que si un nombre complexe z0z_0 est racine de PP (c'est-à-dire P(z0)=0P(z_0)=0), alors son conjugué z0\overline{z_0} est aussi racine de PP.
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