Les nombres complexes (racines carrées et racines nièmes)
Pour être au top ! - Exercice 2
45 min
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Question 1
Soit a un nombre réel tel que ]−π;π]. On pose z=1+sin(2a)+i1−sin(2a)1+cos(a)+isin(a). Déterminer, suivant la valeur de a, le module et les arguments de z.
Correction
On a les expressions suivantes : 1+cos(a)+isin(a)=2(21+cos(a))+isin(2×2a)=2cos2(2a)+2icos(2a)sin(2a) En factorisant, on obtient : 1+cos(a)+isin(a)=2cos(2a)(cos(2a)+isin(2a)) Avec la notation exponentielle, on trouve finalement que : 1+cos(a)+isin(a)=2cos(2a)×ei2a De plus : 1+sin(2a)=1+cos(2π−2a)=221+cos(2π−2a)=2cos2(4π−a) Soit : 1+sin(2a)=2∣∣cos(4π−a)∣∣ Puis : 1−sin(2a)=1−cos(2π−2a)=221−cos(2π−2a)=2sin2(4π−a) Soit : 1−sin(2a)=2∣∣sin(4π−a)∣∣ Ainsi, on a : z=1+sin(2a)+i1−sin(2a)1+cos(a)+isin(a)=2(∣∣cos(4π−a)∣∣+i∣∣sin(4π−a)∣∣)2cos(2a)×ei2a Soit encore : z=1+sin(2a)+i1−sin(2a)1+cos(a)+isin(a)=∣∣cos(4π−a)∣∣+i∣∣sin(4π−a)∣∣2cos(2a)×ei2a A ce stade, on constate que, puisque a∈]−π;π] alors 2a∈]−2π;2π]. Dans ce cas cos(2a)⩾0. De plus, en remarquant que : ∣∣∣∣cos(4π−a)∣∣+i∣∣sin(4π−a)∣∣∣∣=1 On peut donc affirmer que : ∣z∣=2cos(2a) On constate que si a=π alors ∣z∣=0. Dans ce cas, l'argument de z n'existera pas. En ce qui concerne l'étude de l'argument de z, il nous faut conduire une étude de l'expression du dénominateur en fonction des valeurs de a. On sait que : a∈]−π;π]⟺−π<a⩽π⟺−π⩽−a<π⟺−π+4π⩽4π−a<π+4π Ce qui nous donne : −43π⩽4π−a<45π Puis, on a : ⎩⎨⎧cos(4π−a)sin(4π−a)⩾⩾00⟺⎩⎨⎧−2π0⩽⩽4π−a4π−a⩽⩽2ππ⟺⎩⎨⎧−4π−43π⩽⩽aa⩽⩽43π4π Donc, on en déduit que : ⎩⎨⎧a∈]−π;−4π[⋃]43π;π]a∈]−π;−43π[⋃]4π;π]⟹⟹cos(4π−a)<0sin(4π−a)<0 Nous allons donc balayer les valeur de a en partant de −π pour aboutir à π tout en indiquant les expressions associées de ∣∣cos(4π−a)∣∣=±cos(4π−a) et ∣∣sin(4π−a)∣∣=±sin(4π−a). On a alors pouir le dénominateur de z les expressions suivantes : ∙∣∣cos(4π−a)∣∣+i∣∣sin(4π−a)∣∣=−cos(4π−a)−isin(4π−a) pour −π<a⩽−43π ∙∙∣∣cos(4π−a)∣∣+i∣∣sin(4π−a)∣∣=−cos(4π−a)+isin(4π−a) pour −43π⩽a⩽−4π ∙∙∙∣∣cos(4π−a)∣∣+i∣∣sin(4π−a)∣∣=cos(4π−a)+isin(4π−a) pour −4π⩽a⩽4π ∙∙∙∙∣∣cos(4π−a)∣∣+i∣∣sin(4π−a)∣∣=cos(4π−a)−isin(4π−a) pour 4π⩽a⩽43π ∙∙∙∙∙∣∣cos(4π−a)∣∣+i∣∣sin(4π−a)∣∣=−cos(4π−a)−isin(4π−a) pour 43π⩽a⩽π Nous allons maintenant pouvoir utiliser l'exponentielle complexe afin de faire aparaitre l'argument du dénominateur. Nous devons faire attention aux signes présents devant les termes cos(4π−a) et sin(4π−a). Par exemple, dans le premier cas ∙ les deux termes sont précédés du signe −, ce qui signifie que ces deux termes cos(4π−a) et sin(4π−a) sont neˊgatifs ! Donc sur un cercle trigonométrique ils se trouve danslequartgaucheinfeˊrieur, donc un angle de +π est à introduire. En effet, pour un argument X réel (pour nous X=4π−a), on a : −cos(X)−isin(X)=−(cos(X)+isin(X))=−1×(cos(X)+isin(X))=eiπ×eiX=eiπ+iX=ei(X+π) Un autre exemple, à l'aide des parités des fonctions cosinus et sinus : cos(X)−isin(X)=cos(−X)+isin(−X)=ei(−X)=e−iX De même : −cos(X)+isin(X)=−(cos(X)−isin(X))=−(cos(−X)+isin(−X))=eiπei(−X)=eiπe−iX=ei(π−X) On en déduit alors les écritures suivantes : ∙∣∣cos(4π−a)∣∣+i∣∣sin(4π−a)∣∣=ei(4π−a+π)=ei(45π−a) pour −π<a⩽−43π ∙∙∣∣cos(4π−a)∣∣+i∣∣sin(4π−a)∣∣=ei(π−(4π−a))=ei(π−4π+a)=ei(43π+a) pour −43π⩽a⩽−4π ∙∙∙∣∣cos(4π−a)∣∣+i∣∣sin(4π−a)∣∣=ei(4π−a) pour −4π⩽a⩽4π ∙∙∙∙∣∣cos(4π−a)∣∣+i∣∣sin(4π−a)∣∣=e−i(4π−a)=ei(−4π+a) pour 4π⩽a⩽43π ∙∙∙∙∙∣∣cos(4π−a)∣∣+i∣∣sin(4π−a)∣∣=ei(4π−a+π)=ei(45π−a) pour 43π⩽a⩽π Ce qui nous donne pour le complexe z : ∙z=∣z∣ei(45π−a)ei2a=∣z∣ei(−45π+a+2a)=∣z∣ei(−45π+23a) pour −π<a⩽−43π ∙∙z=∣z∣ei(43π+a)ei2a=∣z∣ei(−43π−a+2a)=∣z∣ei(−43π−2a) pour −43π⩽a⩽−4π ∙∙∙z=∣z∣ei(4π−a)ei2a=∣z∣ei(−4π+a+2a)=∣z∣ei(−4π+23a) pour −4π⩽a⩽4π ∙∙∙∙z=∣z∣ei(−4π+a)ei2a=∣z∣ei(4π−a+2a)=∣z∣ei(4π−2a) pour 4π⩽a⩽43π ∙∙∙∙∙z=∣z∣ei(45π−a)ei2a=∣z∣ei(−45π+a+2a)=∣z∣ei(−45π+23a) pour 43π⩽a⩽π Finalement ∙arg(z)=−45π+23asia∈]−π;−43π]⋃[43π;π[∙∙arg(z)=−43π−2asia∈[−43π;−4π]∙∙∙arg(z)=−4π+23asia∈[−4π;4π]∙∙∙∙arg(z)=4π−2asia∈[4π;43π]∙∙∙∙∙arg(z)=ϕsia=π On se souvient que lorsque a=π, alors on a ∣z∣=0 et de fait arg(z) n'existe pas.