Chapitres de Maths expertes

Nombres complexes — point de vue géométrique

  1. 1

    Exercice 1

    Facile

    Le plan est muni d'un repère orthonormé direct (O ;u⃗,v⃗)(O\,;\vec{u},\vec{v}).

    1. Placer les points AA, BB, CC, DD d'affixes respectives zA=3+2i,zB=−1+2i,zC=−2−3i,zD=zA‾.z_A = 3+2i,\qquad z_B = -1+2i,\qquad z_C = -2-3i,\qquad z_D = \overline{z_A}.
    2. Déterminer l'affixe du vecteur AB→\overrightarrow{AB}, puis la longueur ABAB.
    3. Déterminer l'affixe du milieu II du segment [BC][BC].
    4. Déterminer l'affixe du point EE tel que ABECABEC soit un parallélogramme.
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    L'affixe d'un vecteur MN→\overrightarrow{MN} est zN−zMz_N - z_M ; la longueur MNMN vaut ∣zN−zM∣|z_N - z_M|. Pour un parallélogramme ABECABEC, traduire l'égalité vectorielle AB→=CE→\overrightarrow{AB} = \overrightarrow{CE}.

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    1. Le point DD a pour affixe zD=3+2i‾=3−2iz_D = \overline{3+2i} = 3-2i : c'est le symétrique de AA par rapport à l'axe des abscisses. Les points se placent sans difficulté.
    2. L'affixe de AB→\overrightarrow{AB} est zB−zA=(−1+2i)−(3+2i)=−4.z_B - z_A = (-1+2i)-(3+2i) = -4. Ce vecteur est réel : AB→\overrightarrow{AB} est horizontal. La longueur vaut AB=∣−4∣=4AB = |{-4}| = 4.
    3. Le milieu II de [BC][BC] a pour affixe zI=zB+zC2=(−1+2i)+(−2−3i)2=−3−i2=−32−12i.z_I = \frac{z_B + z_C}{2} = \frac{(-1+2i)+(-2-3i)}{2} = \frac{-3 - i}{2} = -\tfrac{3}{2} - \tfrac{1}{2}i.
    4. ABECABEC est un parallélogramme si et seulement si AB→=CE→\overrightarrow{AB} = \overrightarrow{CE}, c'est-à-dire zB−zA=zE−zCz_B - z_A = z_E - z_C, d'où zE=zC+(zB−zA)=(−2−3i)+(−4)=−6−3i.z_E = z_C + (z_B - z_A) = (-2-3i) + (-4) = -6 - 3i.
  2. 2

    Exercice 2

    Facile

    Calculer le module de chacun des nombres complexes suivants :

    z1=3−4i,z2=−3+i,z3=(1+i)(2−i),z4=1+i31−i.z_1 = 3-4i,\qquad z_2 = -\sqrt{3}+i,\qquad z_3 = (1+i)(2-i),\qquad z_4 = \frac{1+i\sqrt{3}}{1-i}.
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    Pour z3z_3 et z4z_4, utiliser la multiplicativité du module : ∣zz′∣=∣z∣ ∣z′∣|zz'| = |z|\,|z'| et ∣zz′∣=∣z∣∣z′∣\left|\dfrac{z}{z'}\right| = \dfrac{|z|}{|z'|}, plutôt que de développer.

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    • ∣z1∣=32+(−4)2=9+16=25=5.|z_1| = \sqrt{3^2 + (-4)^2} = \sqrt{9+16} = \sqrt{25} = 5.
    • ∣z2∣=(−3)2+12=3+1=2.|z_2| = \sqrt{(-\sqrt{3})^2 + 1^2} = \sqrt{3+1} = 2.
    • Par multiplicativité, ∣z3∣=∣1+i∣ ∣2−i∣=2×5=10.|z_3| = |1+i|\,|2-i| = \sqrt{2}\times\sqrt{5} = \sqrt{10}.
    • De même, ∣z4∣=∣1+i3∣∣1−i∣=1+31+1=22=2.|z_4| = \frac{|1+i\sqrt{3}|}{|1-i|} = \frac{\sqrt{1+3}}{\sqrt{1+1}} = \frac{2}{\sqrt{2}} = \sqrt{2}.
  3. 3

    Exercice 3

    Facile

    Déterminer le module et un argument, puis écrire sous forme trigonométrique, chacun des nombres complexes suivants :

    z1=−1+i,z2=−2i,z3=−3−i,z4=1+i3.z_1 = -1+i,\qquad z_2 = -2i,\qquad z_3 = -\sqrt{3}-i,\qquad z_4 = 1+i\sqrt{3}.
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    Écrire z=r(cos⁡θ+isin⁡θ)z = r(\cos\theta + i\sin\theta) avec r=∣z∣>0r = |z| > 0. Le réel θ\theta vérifie cos⁡θ=Re⁡(z)r\cos\theta = \dfrac{\operatorname{Re}(z)}{r} et sin⁡θ=Im⁡(z)r\sin\theta = \dfrac{\operatorname{Im}(z)}{r} ; un dessin permet de choisir le bon quadrant.

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    • ∣z1∣=1+1=2|z_1| = \sqrt{1+1} = \sqrt{2}. Alors cos⁡θ=−12\cos\theta = -\frac{1}{\sqrt{2}} et sin⁡θ=12\sin\theta = \frac{1}{\sqrt{2}} : θ=3π4\theta = \frac{3\pi}{4}. D'où z1=2(cos⁡3π4+isin⁡3π4).z_1 = \sqrt{2}\left(\cos\tfrac{3\pi}{4} + i\sin\tfrac{3\pi}{4}\right).
    • ∣z2∣=2|z_2| = 2. On a z2=2(cos⁡(−π2)+isin⁡(−π2))z_2 = 2(\cos(-\tfrac{\pi}{2}) + i\sin(-\tfrac{\pi}{2})), un argument est −π2-\frac{\pi}{2}.
    • ∣z3∣=3+1=2|z_3| = \sqrt{3+1} = 2. Alors cos⁡θ=−32\cos\theta = -\frac{\sqrt{3}}{2} et sin⁡θ=−12\sin\theta = -\frac{1}{2} : θ=−5π6\theta = -\frac{5\pi}{6} (soit 7π6\frac{7\pi}{6}). D'où z3=2(cos⁡(−5π6)+isin⁡(−5π6)).z_3 = 2\left(\cos\left(-\tfrac{5\pi}{6}\right) + i\sin\left(-\tfrac{5\pi}{6}\right)\right).
    • ∣z4∣=1+3=2|z_4| = \sqrt{1+3} = 2. Alors cos⁡θ=12\cos\theta = \frac{1}{2} et sin⁡θ=32\sin\theta = \frac{\sqrt{3}}{2} : θ=π3\theta = \frac{\pi}{3}. D'où z4=2(cos⁡π3+isin⁡π3).z_4 = 2\left(\cos\tfrac{\pi}{3} + i\sin\tfrac{\pi}{3}\right).
  4. 4

    Exercice 4

    Facile

    On note U\mathbb{U} l'ensemble des nombres complexes de module 11.

    1. Montrer que si z∈Uz \in \mathbb{U}, alors 1z=z‾\dfrac{1}{z} = \overline{z}.
    2. En déduire que U\mathbb{U} est stable par passage à l'inverse : si z∈Uz \in \mathbb{U}, alors 1z∈U\dfrac{1}{z} \in \mathbb{U}.
    3. Montrer que U\mathbb{U} est stable par produit : si zz et z′z' appartiennent à U\mathbb{U}, alors zz′∈Uzz' \in \mathbb{U}.
    4. Le nombre j=−12+32ij = -\dfrac{1}{2} + \dfrac{\sqrt{3}}{2}i appartient-il à U\mathbb{U} ? Calculer j2j^2 et j3j^3, et commenter.
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    Utiliser la relation fondamentale zz‾=∣z∣2z\overline{z} = |z|^2. Pour la question 4, calculer ∣j∣|j|, puis utiliser j2=j‾j^2 = \overline{j} si j∈Uj \in \mathbb{U}.

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    1. Pour tout z≠0z \neq 0, zz‾=∣z∣2z\overline{z} = |z|^2. Si z∈Uz \in \mathbb{U}, alors ∣z∣2=1|z|^2 = 1, donc zz‾=1z\overline{z} = 1, ce qui donne 1z=z‾\dfrac{1}{z} = \overline{z}.
    2. Comme ∣1z∣=1∣z∣=11=1\left|\dfrac{1}{z}\right| = \dfrac{1}{|z|} = \dfrac{1}{1} = 1, on a bien 1z∈U\dfrac{1}{z} \in \mathbb{U}.
    3. ∣zz′∣=∣z∣ ∣z′∣=1×1=1|zz'| = |z|\,|z'| = 1\times 1 = 1, donc zz′∈Uzz' \in \mathbb{U}.
    4. ∣j∣=(−12)2+(32)2=14+34=1|j| = \sqrt{\left(-\tfrac12\right)^2 + \left(\tfrac{\sqrt3}{2}\right)^2} = \sqrt{\tfrac14 + \tfrac34} = 1, donc j∈Uj \in \mathbb{U}. On calcule j2=(−12+32i)2=14−32i−34=−12−32i=j‾.j^2 = \left(-\tfrac12 + \tfrac{\sqrt3}{2}i\right)^2 = \tfrac14 - \tfrac{\sqrt3}{2}i - \tfrac34 = -\tfrac12 - \tfrac{\sqrt3}{2}i = \overline{j}. Puis j3=j⋅j2=j j‾=∣j∣2=1j^3 = j\cdot j^2 = j\,\overline{j} = |j|^2 = 1. Ainsi jj est une racine cubique de l'unité, de module 11 : la stabilité par produit garantissait déjà j2,j3∈Uj^2, j^3 \in \mathbb{U}.
  5. 5

    Forme trigonométrique et cosinus exacts

    Moyen

    On considère le nombre complexe z=1+3+i(1−3)z = 1 + \sqrt{3} + i(1 - \sqrt{3}).

    1. Vérifier que z=(1+i)(1−i3)z = (1+i)(1 - i\sqrt{3}).
    2. En déduire le module et un argument de zz.
    3. Écrire zz sous forme trigonométrique.
    4. En déduire les valeurs exactes de cos⁡(−π12)\cos\left(-\dfrac{\pi}{12}\right) et sin⁡(−π12)\sin\left(-\dfrac{\pi}{12}\right).
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    Écrire chaque facteur sous forme trigonométrique et utiliser que le module d'un produit est le produit des modules, tandis qu'un argument d'un produit est la somme des arguments. Pour la dernière question, identifier partie réelle et partie imaginaire.

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  6. 6

    Transformation homographique et cercle

    Moyen

    Le plan complexe est rapporté à un repère orthonormé direct. À tout point MM d'affixe z≠−1z \neq -1, on associe le point M′M' d'affixe

    z′=z−1z+1.z' = \frac{z - 1}{z + 1}.
    1. Déterminer l'ensemble (E)(E) des points MM tels que M′M' appartienne à U\mathbb{U} (module de z′z' égal à 11).
    2. Décrire géométriquement cet ensemble.
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    ∣z′∣=1|z'| = 1 équivaut à ∣z−1∣=∣z+1∣|z-1| = |z+1|. Interpréter chaque module comme une distance : ∣z−1∣=AM|z-1| = AM où AA a pour affixe 11, et ∣z+1∣=BM|z+1| = BM où BB a pour affixe −1-1.

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  7. 7

    Module et argument de 1+eiθ1+e^{i\theta}

    Moyen

    Soit θ∈]0 ;π[\theta \in \left]0\,;\pi\right[ et z=1+cos⁡θ+isin⁡θz = 1 + \cos\theta + i\sin\theta.

    1. À l'aide des formules de duplication, montrer que z=2cos⁡(θ2)(cos⁡θ2+isin⁡θ2).z = 2\cos\left(\tfrac{\theta}{2}\right)\left(\cos\tfrac{\theta}{2} + i\sin\tfrac{\theta}{2}\right).
    2. En déduire le module et un argument de zz (on justifiera le signe de cos⁡θ2\cos\frac{\theta}{2}).
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    Utiliser 1+cos⁡θ=2cos⁡2θ21 + \cos\theta = 2\cos^2\frac{\theta}{2} et sin⁡θ=2sin⁡θ2cos⁡θ2\sin\theta = 2\sin\frac{\theta}{2}\cos\frac{\theta}{2}, puis factoriser par 2cos⁡θ22\cos\frac{\theta}{2}. Étudier le signe de cos⁡θ2\cos\frac{\theta}{2} pour θ∈]0 ;π[\theta \in \left]0\,;\pi\right[.

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  8. 8

    Inégalité triangulaire et cas d'égalité

    Difficile

    Soient zz et z′z' deux nombres complexes.

    1. Montrer que ∣z+z′∣2=∣z∣2+2Re⁡(zz′‾)+∣z′∣2|z + z'|^2 = |z|^2 + 2\operatorname{Re}(z\overline{z'}) + |z'|^2.
    2. En déduire l'inégalité triangulaire ∣z+z′∣⩽∣z∣+∣z′∣|z + z'| \leqslant |z| + |z'|.
    3. On suppose désormais z≠0z \neq 0 et z′≠0z' \neq 0. Montrer que l'égalité ∣z+z′∣=∣z∣+∣z′∣|z+z'| = |z| + |z'| a lieu si et seulement si z′z\dfrac{z'}{z} est un réel strictement positif.
    4. Interpréter géométriquement ce cas d'égalité.
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  9. 9

    Étude d'une suite complexe

    Difficile

    On considère la suite (zn)(z_n) définie par z0=4z_0 = 4 et, pour tout n∈Nn \in \mathbb{N},

    zn+1=1+i2 zn+1.z_{n+1} = \frac{1+i}{2}\,z_n + 1.

    On note MnM_n le point d'affixe znz_n.

    1. Déterminer l'unique nombre complexe ℓ\ell vérifiant ℓ=1+i2 ℓ+1\ell = \dfrac{1+i}{2}\,\ell + 1.
    2. On pose un=zn−ℓu_n = z_n - \ell. Montrer que (un)(u_n) est géométrique ; préciser sa raison qq et son premier terme.
    3. Déterminer ∣q∣|q| et un argument de qq.
    4. Exprimer ∣un∣|u_n| en fonction de nn, puis déterminer lim⁡n→+∞∣un∣\displaystyle\lim_{n\to+\infty} |u_n|. Interpréter géométriquement le comportement de la suite de points (Mn)(M_n).
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