Les nombres complexes (racines carrées et racines nièmes)

Racines carrées d'un nombre complexe - Exercice 1

25 min
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Déterminer les racines carrées des nombres complexes ZZ qui vous sont proposés.
Question 1

Z=3+i4Z = 3+i4

Correction
On pose z=x+iyz = x + iy, avec xx et yy deux nombres réels, tel que zz soit racine carrée de Z=3+i4Z = 3+i4. On a alors :
Z=z23+i4=(x+iy)23+i4=x2y2+i2xy{3=x2y24=2xyZ=z^2 \,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\, 3+i4 = (x+iy)^2 \,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\, 3+i4 = x^2-y^2+i2xy \,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\, \left\lbrace \begin{array}{rcl} 3 & = & x^2 - y^2 \\ & & \\ 4 & = & 2xy\end{array} \right.
De plus, l'égalité initiale Z=z2Z=z^2 nous donne, en module, Z=z2=z2|Z|=|z^2| = |z|^2. Ainsi on a :
32+42=x2+y22=x2+y2\sqrt{3^2 + 4^2} = \sqrt{x^2 + y^2}^2 = x^2 + y^2
Soit encore :
25=5=x2+y2\sqrt{25} = 5 = x^2 + y^2
On a alors les trois équations de déterminations suivantes :
{3=x2y25=x2+y24=2xy{3=x2y25=x2+y22=xy\left\lbrace \begin{array}{rcl} 3 & = & x^2 - y^2 \\ & & \\ 5 & = & x^2 + y^2\\ \\ 4 & = & 2xy\end{array} \right. \,\,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\,\, \left\lbrace \begin{array}{rcl} 3 & = & x^2 - y^2 \\ & & \\ 5 & = & x^2 + y^2\\ \\ 2 & = & xy \end{array} \right.
La somme, membres à membres, des deux premières nous conduit à :
8=2x24=x2x=±28 = 2x^2 \,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\, 4 = x^2 \,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\, x = \pm 2
Puis, la soustraction, membres à membres, de la deuxième moins la première nous conduit à :
2=2y21=y2y=±12 = 2y^2 \,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\, 1 = y^2 \,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\, y = \pm 1
La troisième équation, à savoir 2=xy2 = xy nous permet de savoir que xx et yy sont deux nombres réels de même signe car 2>02>0. On a alors :
z=2+iouz=2i\color{red}{\boxed{z= 2+i \hspace{0.7cm} \text{ou} \hspace{0.7cm} z= -2-i}}
Question 2

Z=8i6Z = 8-i6

Correction
On pose z=x+iyz = x + iy, avec xx et yy deux nombres réels, tel que zz soit racine carrée de Z=8i6Z = 8-i6. On a alors :
Z=z28+i(6)=(x+iy)28+i(6)=x2y2+i2xy{8=x2y26=2xyZ=z^2 \,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\, 8+i(-6) = (x+iy)^2 \,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\, 8+i(-6) = x^2-y^2+i2xy \,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\, \left\lbrace \begin{array}{rcl} 8 & = & x^2 - y^2 \\ & & \\ -6 & = & 2xy\end{array} \right.
De plus, l'égalité initiale Z=z2Z=z^2 nous donne, en module, Z=z2=z2|Z|=|z^2| = |z|^2. Ainsi on a :
82+(6)2=x2+y22=x2+y2\sqrt{8^2 + (-6)^2} = \sqrt{x^2 + y^2}^2 = x^2 + y^2
Soit encore :
64+36=100=10=x2+y2\sqrt{64+36} = \sqrt{100} = 10 = x^2 + y^2
On a alors les trois équations de déterminations suivantes :
{8=x2y210=x2+y26=2xy{8=x2y210=x2+y23=xy\left\lbrace \begin{array}{rcl} 8 & = & x^2 - y^2 \\ & & \\ 10 & = & x^2 + y^2\\ \\ -6 & = & 2xy\end{array} \right. \,\,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\,\, \left\lbrace \begin{array}{rcl} 8 & = & x^2 - y^2 \\ & & \\ 10 & = & x^2 + y^2\\ \\ -3 & = & xy \end{array} \right.
La somme, membres à membres, des deux premières nous conduit à :
18=2x29=x2x=±318 = 2x^2 \,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\, 9 = x^2 \,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\, x = \pm 3
Puis, la soustraction, membres à membres, de la deuxième moins la première nous conduit à :
2=2y21=y2y=±12 = 2y^2 \,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\, 1 = y^2 \,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\, y = \pm 1
La troisième équation, à savoir 3=xy-3 = xy nous permet de savoir que xx et yy sont deux nombres réels de signes opposés car 3<0-3<0. On a alors :
z=3iouz=3+i\color{red}{\boxed{z= 3-i \hspace{0.7cm} \text{ou} \hspace{0.7cm} z= -3+i}}
Question 3

Z=9+i4Z = 9+i4

Correction
On pose z=x+iyz = x + iy, avec xx et yy deux nombres réels, tel que zz soit racine carrée de Z=9+i4Z = 9+i4. On a alors :
Z=z29+i4=(x+iy)29+i4=x2y2+i2xy{9=x2y24=2xyZ=z^2 \,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\, 9+i4 = (x+iy)^2 \,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\, 9+i4 = x^2-y^2+i2xy \,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\, \left\lbrace \begin{array}{rcl} 9 & = & x^2 - y^2 \\ & & \\ 4 & = & 2xy\end{array} \right.
De plus, l'égalité initiale Z=z2Z=z^2 nous donne, en module, Z=z2=z2|Z|=|z^2| = |z|^2. Ainsi on a :
92+42=x2+y22=x2+y2\sqrt{9^2 + 4^2} = \sqrt{x^2 + y^2}^2 = x^2 + y^2
Soit encore :
97=x2+y2\sqrt{97} = x^2 + y^2
On a alors les trois équations de déterminations suivantes :
{9=x2y297=x2+y24=2xy{3=x2y297=x2+y22=xy\left\lbrace \begin{array}{rcl} 9 & = & x^2 - y^2 \\ & & \\ \sqrt{97} & = & x^2 + y^2\\ \\ 4 & = & 2xy\end{array} \right. \,\,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\,\, \left\lbrace \begin{array}{rcl} 3 & = & x^2 - y^2 \\ & & \\ \sqrt{97} & = & x^2 + y^2\\ \\ 2 & = & xy \end{array} \right.
La somme, membres à membres, des deux premières nous conduit à :
9+97=2x29+972=x2x=±9+9729+\sqrt{97} = 2x^2 \,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\, \dfrac{9+\sqrt{97}}{2} = x^2 \,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\, x = \pm \sqrt{\dfrac{9+\sqrt{97}}{2}}
Puis, la soustraction, membres à membres, de la deuxième moins la première nous conduit à :
979=2y29792=y2y=±9792\sqrt{97}-9 = 2y^2 \,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\, \dfrac{\sqrt{97}-9}{2} = y^2 \,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\, y = \pm \sqrt{\dfrac{\sqrt{97}-9}{2}}
La troisième équation, à savoir 2=xy2 = xy nous permet de savoir que xx et yy sont deux nombres réels de même signe car 2>02>0. On a alors :
z=97+92+i9792ouz=97+92i9792\color{red}{\boxed{z= \sqrt{\dfrac{\sqrt{97}+9}{2}}+i\,\sqrt{\dfrac{\sqrt{97}-9}{2}} \hspace{0.7cm} \text{ou} \hspace{0.7cm} z= -\sqrt{\dfrac{\sqrt{97}+9}{2}}-i \,\sqrt{\dfrac{\sqrt{97}-9}{2}}}}
Question 4

Z=iZ = i

Correction
On pose z=x+iyz = x + iy, avec xx et yy deux nombres réels, tel que zz soit racine carrée de Z=iZ = i. On a alors :
Z=z2i=(x+iy)20+i1=x2y2+i2xy{0=x2y21=2xyZ=z^2 \,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\, i = (x+iy)^2 \,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\, 0+i\,1 = x^2-y^2+i2xy \,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\, \left\lbrace \begin{array}{rcl} 0 & = & x^2 - y^2 \\ & & \\ 1 & = & 2xy\end{array} \right.
De plus, l'égalité initiale Z=z2Z=z^2 nous donne, en module, Z=z2=z2|Z|=|z^2| = |z|^2. Ainsi on a :
02+12=x2+y22=x2+y2\sqrt{0^2 + 1^2} = \sqrt{x^2 + y^2}^2 = x^2 + y^2
Soit encore :
1=1=x2+y2\sqrt{1} = 1 = x^2 + y^2
On a alors les trois équations de déterminations suivantes :
{0=x2y21=x2+y21=2xy{0=x2y21=x2+y212=xy\left\lbrace \begin{array}{rcl} 0 & = & x^2 - y^2 \\ & & \\ 1 & = & x^2 + y^2\\ \\ 1 & = & 2xy\end{array} \right. \,\,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\,\, \left\lbrace \begin{array}{rcl} 0 & = & x^2 - y^2 \\ & & \\ 1 & = & x^2 + y^2\\ \\ \dfrac{1}{2} & = & xy \end{array} \right.
La somme, membres à membres, des deux premières nous conduit à :
1=2x212=x2x=±121 = 2x^2 \,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\, \dfrac{1}{2} = x^2 \,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\, x = \pm \dfrac{1}{\sqrt{2}}
Puis, la soustraction, membres à membres, de la deuxième moins la première nous conduit à :
1=2y212=y2y=±121 = 2y^2 \,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\, \dfrac{1}{2} = y^2 \,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\, y = \pm \dfrac{1}{\sqrt{2}}
La troisième équation, à savoir 12=xy\dfrac{1}{2} = xy nous permet de savoir que xx et yy sont deux nombres réels de même signe car 12>0\dfrac{1}{2}>0. On a alors :
z=12+i12=12(1+i)ouz=12i12=12(1+i)\color{red}{\boxed{z= \dfrac{1}{\sqrt{2}}+i\dfrac{1}{\sqrt{2}} = \dfrac{1}{\sqrt{2}}(1+i) \hspace{0.7cm} \text{ou} \hspace{0.7cm} z= -\dfrac{1}{\sqrt{2}} - i \dfrac{1}{\sqrt{2}} = -\dfrac{1}{\sqrt{2}}(1+i) }}
Question 5

Z=iZ = -i

Correction
On pose z=x+iyz = x + iy, avec xx et yy deux nombres réels, tel que zz soit racine carrée de Z=iZ = -i. On a alors :
Z=z2i=(x+iy)20+i(1)=x2y2+i2xy{0=x2y21=2xyZ=z^2 \,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\, -i = (x+iy)^2 \,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\, 0+i\,(-1) = x^2-y^2+i2xy \,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\, \left\lbrace \begin{array}{rcl} 0 & = & x^2 - y^2 \\ & & \\ -1 & = & 2xy\end{array} \right.
De plus, l'égalité initiale Z=z2Z=z^2 nous donne, en module, Z=z2=z2|Z|=|z^2| = |z|^2. Ainsi on a :
02+(1)2=x2+y22=x2+y2\sqrt{0^2 + (-1)^2} = \sqrt{x^2 + y^2}^2 = x^2 + y^2
Soit encore :
1=1=x2+y2\sqrt{1} = 1 = x^2 + y^2
On a alors les trois équations de déterminations suivantes :
{0=x2y21=x2+y21=2xy{0=x2y21=x2+y212=xy\left\lbrace \begin{array}{rcl} 0 & = & x^2 - y^2 \\ & & \\ 1 & = & x^2 + y^2\\ \\ -1 & = & 2xy\end{array} \right. \,\,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\,\, \left\lbrace \begin{array}{rcl} 0 & = & x^2 - y^2 \\ & & \\ 1 & = & x^2 + y^2\\ \\ -\dfrac{1}{2} & = & xy \end{array} \right.
La somme, membres à membres, des deux premières nous conduit à :
1=2x212=x2x=±121 = 2x^2 \,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\, \dfrac{1}{2} = x^2 \,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\, x = \pm \dfrac{1}{\sqrt{2}}
Puis, la soustraction, membres à membres, de la deuxième moins la première nous conduit à :
1=2y212=y2y=±121 = 2y^2 \,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\, \dfrac{1}{2} = y^2 \,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\, y = \pm \dfrac{1}{\sqrt{2}}
La troisième équation, à savoir 12=xy-\dfrac{1}{2} = xy nous permet de savoir que xx et yy sont deux nombres réels de signe opposé car 12<0-\dfrac{1}{2}<0. On a alors :
z=12i12=12(1i)ouz=12+i12=12(1i)\color{red}{\boxed{z= \dfrac{1}{\sqrt{2}}-i\dfrac{1}{\sqrt{2}} = \dfrac{1}{\sqrt{2}}(1-i) \hspace{0.7cm} \text{ou} \hspace{0.7cm} z= -\dfrac{1}{\sqrt{2}} + i \dfrac{1}{\sqrt{2}} = -\dfrac{1}{\sqrt{2}}(1-i) }}
Question 6

Z=2+iZ = 2+i

Correction
On pose z=x+iyz = x + iy, avec xx et yy deux nombres réels, tel que zz soit racine carrée de Z=2+iZ = 2+i. On a alors :
Z=z22+i=(x+iy)22+i1=x2y2+i2xy{2=x2y21=2xyZ=z^2 \,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\, 2+i = (x+iy)^2 \,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\, 2+i1 = x^2-y^2+i2xy \,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\, \left\lbrace \begin{array}{rcl} 2 & = & x^2 - y^2 \\ & & \\ 1 & = & 2xy\end{array} \right.
De plus, l'égalité initiale Z=z2Z=z^2 nous donne, en module, Z=z2=z2|Z|=|z^2| = |z|^2. Ainsi on a :
22+12=x2+y22=x2+y2\sqrt{2^2 + 1^2} = \sqrt{x^2 + y^2}^2 = x^2 + y^2
Soit encore :
5=x2+y2\sqrt{5} = x^2 + y^2
On a alors les trois équations de déterminations suivantes :
{2=x2y25=x2+y21=2xy{2=x2y25=x2+y212=xy\left\lbrace \begin{array}{rcl} 2 & = & x^2 - y^2 \\ & & \\ \sqrt{5} & = & x^2 + y^2\\ \\ 1 & = & 2xy\end{array} \right. \,\,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\,\, \left\lbrace \begin{array}{rcl} 2 & = & x^2 - y^2 \\ & & \\ \sqrt{5} & = & x^2 + y^2\\ \\ \dfrac{1}{2} & = & xy \end{array} \right.
La somme, membres à membres, des deux premières nous conduit à :
5+2=2x25+22=x2x=±5+22\sqrt{5}+2 = 2x^2 \,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\, \dfrac{\sqrt{5}+2}{2} = x^2 \,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\, x = \pm \sqrt{\dfrac{\sqrt{5}+2}{2}}
Puis, la soustraction, membres à membres, de la deuxième moins la première nous conduit à :
52=2y2522=y2y=±522\sqrt{5}-2 = 2y^2 \,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\, \dfrac{\sqrt{5}-2}{2} = y^2 \,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\, y = \pm \sqrt{\dfrac{\sqrt{5}-2}{2}}
La troisième équation, à savoir 12=xy\dfrac{1}{2} = xy nous permet de savoir que xx et yy sont deux nombres réels de même signe car 12>0\dfrac{1}{2}>0. On a alors :
z=5+22+i522ouz=5+22i522\color{red}{\boxed{z= \sqrt{\dfrac{\sqrt{5}+2}{2}} + i \,\sqrt{\dfrac{\sqrt{5}-2}{2}} \hspace{0.7cm} \text{ou} \hspace{0.7cm} z= -\sqrt{\dfrac{\sqrt{5}+2}{2}} - i \,\sqrt{\dfrac{\sqrt{5}-2}{2}}}}