Les nombres complexes

Exercices types : Encore des classiques - Exercice 1

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Question 1
On munit le plan complexe d’un repère orthonormé direct. On considère l’équation (E)\left(E\right) : z4+2z3z2=0z^{4} +2z^{3} -z-2=0 ayant pour inconnue le nombre complexe zz.

Donner une solution entière de (E)\left(E\right) .

Correction
Il faut chercher par tâtonnement. Il faut tester des valeurs entières le plus souvent. Avec 00, cela ne marche pas. Mais avec 11 oui cela fonctionne.
z=1z=1 est une solution évidente. En effet :
14+2×1312=1+212=01^{4} +2\times1^{3} -1-2=1+2-1-2=0
Question 2

Démontrer que, pour tout nombre complexe zz, on a : z4+2z3z2=(z2+z2)(z2+z+1)z^{4} +2z^{3} -z-2=\left(z^{2} +z-2\right)\left(z^{2} +z+1\right)

Correction
Nous allons développer l'expression (z2+z2)(z2+z+1)\left(z^{2} +z-2\right)\left(z^{2} +z+1\right) .
(z2+z2)(z2+z+1)=z2×z2+z2×z+z2×1+z×z2+z×z+z×12×z22×z2×1\left(z^{2} +z-2\right)\left(z^{2} +z+1\right)=z^{2} \times z^{2} +z^{2} \times z+z^{2} \times 1+z\times z^{2} +z\times z+z\times 1-2\times z^{2} -2\times z-2\times 1 équivaut successivement à :
(z2+z2)(z2+z+1)=z4+z3+z2+z3+z2+z2z22z2\left(z^{2} +z-2\right)\left(z^{2} +z+1\right)=z^{4} +z^{3} +z^{2} +z^{3} +z^{2} +z-2z^{2} -2z-2
(z2+z2)(z2+z+1)=z4+2z3z2\left(z^{2} +z-2\right)\left(z^{2} +z+1\right)=z^{4} +2z^{3} -z-2

Question 3

Résoudre l’équation (E)\left(E\right) dans l’ensemble des nombres complexes.

Correction
z4+2z3z2=0(z2+z2)(z2+z+1)=0z^{4} +2z^{3} -z-2=0\Leftrightarrow \left(z^{2} +z-2\right)\left(z^{2} +z+1\right)=0
Il s'agit donc d'une équation produit nul. z2+z2=0z^{2} +z-2=0 ou z2+z+1=0z^{2} +z+1=0
  • Résolution de l'équation z2+z2=0z^{2} +z-2=0 .
  • Δ=9\Delta =9, il existe donc deux racines réelles distinctes notées z1z_{1} et z2z_{2} tels que z1=bΔ2az_{1} =\frac{-b-\sqrt{-\Delta } }{2a} et z2=b+Δ2az_{2} =\frac{-b+\sqrt{-\Delta } }{2a}
    z1=2z_{1} =-2
    et
    z2=1z_{2} =1
  • Résolution de l'équation z2+z+1=0z^{2} +z+1=0 .
  • Δ=3\Delta =-3, il existe donc deux racines complexes conjuguées notées z3z_{3} et z4z_{4} tels que z3=biΔ2az_{3} =\frac{-b-i\sqrt{-\Delta } }{2a} et z4=b+iΔ2az_{4} =\frac{-b+i\sqrt{-\Delta } }{2a}
    z3=1i32z_{3} =\frac{-1-i\sqrt{3} }{2}
    et
    z4=1+i32z_{4} =\frac{-1+i\sqrt{3} }{2}

    Finalement les solutions de l'équation (E)\left(E\right) sont : S={2;1;1i32;1+i32}S=\left\{-2;1;\frac{-1-i\sqrt{3} }{2} ;\frac{-1+i\sqrt{3} }{2} \right\}
    Question 4
    Les solutions de l’équation (E)\left(E\right) sont les affixes de quatre points AA, BB, CC, DD du plan complexe tels que ABCDABCD est un quadrilatère non croisé.

    Le quadrilatère ABCDABCD est-il un losange? Justifier.

    Correction
    Les solutions de l’équation (E)\left(E\right) sont les affixes de quatre points AA, BB, CC, DD du plan complexe tels que ABCDABCD est un quadrilatère non croisé. Nous choisissons ainsi : zA=2z_{A}=-2 ; zB=1i32z_{B}=\frac{-1-i\sqrt{3} }{2} ; zC=1z_{C}=1 et zD=1+i32z_{D}=\frac{-1+i\sqrt{3} }{2}.
    Nous représentons ce quadrilatère ci-dessous :
    On remarque que : zA+zC2=12\frac{z_{A} +z_{C} }{2} =-\frac{1}{2} et zB+zD2=12\frac{z_{B} +z_{D} }{2} =-\frac{1}{2}. Cela signifie que les diagonales [AC]\left[AC\right] et [BD]\left[BD\right] ont le même milieu. De ce fait le quadrilatère ABCDABCD est un parallélogramme.
    Vérifions maintenant si deux cotés consécutifs sont égaux.
    AB=zBzAAB=12i32(2)AB=12i32+2AB=32i32AB=\left|z_{B} -z_{A} \right|\Leftrightarrow AB=\left|-\frac{1}{2} -i\frac{\sqrt{3} }{2} -\left(-2\right)\right|\Leftrightarrow AB=\left|-\frac{1}{2} -i\frac{\sqrt{3} }{2} +2\right|\Leftrightarrow AB=\left|\frac{3}{2} -i\frac{\sqrt{3} }{2} \right|
    D'où : AB=(32)2+(32)2AB=\sqrt{\left(\frac{3}{2} \right)^{2} +\left(-\frac{\sqrt{3} }{2} \right)^{2} } \Leftrightarrow
    AB=3AB=\sqrt{3}

    AD=zDzAAD=12+i32(2)AD=12+i32+2AD=32+i32AD=\left|z_{D} -z_{A} \right|\Leftrightarrow AD=\left|-\frac{1}{2} +i\frac{\sqrt{3} }{2} -\left(-2\right)\right|\Leftrightarrow AD=\left|-\frac{1}{2} +i\frac{\sqrt{3} }{2} +2\right|\Leftrightarrow AD=\left|\frac{3}{2} +i\frac{\sqrt{3} }{2} \right|
    D'où : AD=(32)2+(32)2AD=\sqrt{\left(\frac{3}{2} \right)^{2} +\left(\frac{\sqrt{3} }{2} \right)^{2} } \Leftrightarrow
    AD=3AD=\sqrt{3}

    Finalement, le parallélogramme ABCDABCD a deux cotés consécutifs égaux. C'est bien un losange.