Exercice 6 - Exercice 1

1 min
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Le plan complexe est muni d'un repère orthonormal direct (O;u;⃗v⃗)\left(O;\vec{u;} \vec{v} \right).
On pose z0=2z_{0} =2 et, pour tout entier naturel nn, zn+1=1+i2znz_{n+1} =\frac{1+i}{2} z_{n} .
On note AnA_{n} le point du plan d'affixe znz_{n} .
Question 1

Calculer z1z_{1} , z2z_{2} , z3z_{3} , z4z_{4} et vérifier que z4z_{4} est un nombre réel.
Puis placer les points A0A_{0} , A1A_{1} , A2A_{2} , A3A_{3} et A4A_{4} sur une figure.

Correction
  • z0=2z_{0} =2
  • z1=1+i2z0z_{1} =\frac{1+i}{2} z_{0} donc z1=1+iz_{1} =1+i
  • z2=1+i2z1z_{2} =\frac{1+i}{2} z_{1} donc z2=iz_{2} =i
  • z3=1+i2z2z_{3} =\frac{1+i}{2} z_{2} donc z3=−12+i2z_{3} =-\frac{1}{2} +\frac{i}{2}
  • z4=1+i2z3z_{4} =\frac{1+i}{2} z_{3} donc z4=−12z_{4} =-\frac{1}{2} et z4z_{4} est un nombre réel.

Question 2

Pour tout entier naturel nn, on pose un=∣zn∣u_{n} =\left|z_{n} \right|.
Justifier que la suite unu_{n} est une suite géométrique puis établir que, pour tout entier naturel nn, un=2(12)nu_{n} =2\left(\frac{1}{\sqrt{2} } \right)^{n} .

Correction
On a :
un=∣zn∣u_{n} =\left|z_{n} \right| équivaut successivement à
un+1=∣zn+1∣u_{n+1} =\left|z_{n+1} \right|
un+1=∣1+i2zn∣u_{n+1} =\left|\frac{1+i}{2} z_{n} \right|
un+1=∣1+i2∣×∣zn∣u_{n+1} =\left|\frac{1+i}{2} \right|\times \left|z_{n} \right|
un+1=12unu_{n+1} =\frac{1}{\sqrt{2} } u_{n}

L'égalité un+1=12unu_{n+1} =\frac{1}{\sqrt{2} } u_{n} montre que la suite unu_{n} est une suite géométrique de raison 12\frac{1}{\sqrt{2} } .
On a u0=∣z0∣=∣2∣=2u_{0} =\left|z_{0} \right|=\left|2\right|=2.
On exprime maintenant unu_{n} en fonction denn .
Ainsi : un=u0qnu_{n} =u_{0} q^{n}
Finalement :
un=2(12)nu_{n} =2\left(\frac{1}{\sqrt{2} } \right)^{n}
Question 3

A partir de quel rang n0n_{0} tous les points An{\text A}_{n} appartiennent-ils au disque de centre OO et de rayon 0,10,1 ?

Correction
On a OAn=∣zn∣=unOA_{n} =\left|z_{n} \right|=u_{n} , donc AnA_{n} appartient au disque (fermé) de centre O et de rayon 0,1 si et seulement si :
un≤0,1u_{n} \le 0,1 équivaut successivement à
2(12)n≤0,12\left(\frac{1}{\sqrt{2} } \right)^{n} \le 0,1
(12)n≤0,12\left(\frac{1}{\sqrt{2} } \right)^{n} \le \frac{0,1}{2}
(12)n≤120\left(\frac{1}{\sqrt{2} } \right)^{n} \le \frac{1}{20}
(2)n≥20\left(\sqrt{2} \right)^{n} \ge 20
ln⁡(2)n≥ln⁡(20)\ln \left(\sqrt{2} \right)^{n} \ge \ln \left(20\right)
nln⁡2≥ln⁡(20)n\ln \sqrt{2} \ge \ln \left(20\right)
n≥ln⁡(20)ln⁡2n\ge \frac{\ln \left(20\right)}{\ln \sqrt{2} }
n≥8,6n\ge 8,6

La condition sera donc réalisée la première fois par u9u_{9} .
On a donc n0=9n_{0} =9.
La calculatrice nous donne u8=0,125u_{8} =0,125 et u9≈0084<0,1u_{9} \approx 0084<0,1.
Question 4

Etablir que, pour tout entier naturel nn, zn+1−znzn+1=i\frac{z_{n+1} -z_{n} }{z_{n+1} } =i.
En déduire la nature du triangle OAnAn+1OA_{n} A_{n+1} .

Correction
Pour tout naturel nn, un≠0u_{n} \ne 0donc zn≠0z_{n} \ne 0.
On peut donc écrire :
zn+1−znzn+1=1+i2zn−zn1+i2zn\frac{z_{n+1} -z_{n} }{z_{n+1} } =\frac{\frac{1+i}{2} z_{n} -z_{n} }{\frac{1+i}{2} z_{n} } équivaut successivement à
zn+1−znzn+1=zn(1+i2−1)1+i2zn\frac{z_{n+1} -z_{n} }{z_{n+1} } =\frac{z_{n} \left(\frac{1+i}{2} -1\right)}{\frac{1+i}{2} z_{n} }
zn+1−znzn+1=1+i2−11+i2\frac{z_{n+1} -z_{n} }{z_{n+1} } =\frac{\frac{1+i}{2} -1}{\frac{1+i}{2} }
zn+1−znzn+1=1+i−21+i\frac{z_{n+1} -z_{n} }{z_{n+1} } =\frac{1+i-2}{1+i}
zn+1−znzn+1=−1+i1+i\frac{z_{n+1} -z_{n} }{z_{n+1} } =\frac{-1+i}{1+i}
zn+1−znzn+1=(−1+i)(1−i)(1+i)(1−i)=i\frac{z_{n+1} -z_{n} }{z_{n+1} } =\frac{\left(-1+i\right)\left(1-i\right)}{\left(1+i\right)\left(1-i\right)} =i
zn+1−znzn+1=i\frac{z_{n+1} -z_{n} }{z_{n+1} } =i
Or i=eiπ2i=e^{i\frac{\pi }{2} } , ainsi :
zn+1−znzn+1=eiπ2\frac{z_{n+1} -z_{n} }{z_{n+1} } =e^{i\frac{\pi }{2} }
L'interprétation géométrique de cette égalité est :
Etude des modules
Comme zn+1−znzn+1=eiπ2\frac{z_{n+1} -z_{n} }{z_{n+1} } =e^{i\frac{\pi }{2} } alors :
∣zn+1−znzn+1∣=∣eiπ2∣\left|\frac{z_{n+1} -z_{n} }{z_{n+1} } \right|=\left|e^{i\frac{\pi }{2} } \right|
∣zn+1−znzn+1∣=1\left|\frac{z_{n+1} -z_{n} }{z_{n+1} } \right|=1
∣zn+1−zn∣∣zn+1∣=1\frac{\left|z_{n+1} -z_{n} \right|}{\left|z_{n+1} \right|} =1
∣zn+1−zn∣=∣zn+1∣\left|z_{n+1} -z_{n} \right|=\left|z_{n+1} \right|
Or ∣zn+1−zn∣\left|z_{n+1} -z_{n} \right| est une distance et en l'occurrence la distance AnAn+1A_{n} A_{n+1} et ∣zn+1∣\left|z_{n+1} \right| est la distance OAn+1OA_{n+1} .
Le triangle OAnAn+1OA_{n} A_{n+1} est isocèle en An+1A_{n+1} .
Etude de l'argument
Comme zn+1−znzn+1=eiπ2\frac{z_{n+1} -z_{n} }{z_{n+1} } =e^{i\frac{\pi }{2} } alors :
arg⁡(zn+1−znzn+1)=arg⁡(eiπ2)\arg \left(\frac{z_{n+1} -z_{n} }{z_{n+1} } \right)=\arg \left(e^{i\frac{\pi }{2} } \right)
arg⁡(zn+1−znzn+1)=π2+2kπ\arg \left(\frac{z_{n+1} -z_{n} }{z_{n+1} } \right)=\frac{\pi }{2} +2k\pi où k∈Zk\in Z
arg⁡(zA−zBzC−zB)=(BC⃗;BA⃗)\arg \left(\frac{z_{A} -z_{B} }{z_{C} -z_{B} } \right)=\left(\vec{BC} ;\vec{BA} \right)

(OAn+1⃗,AnAn+1⃗)=π2+2kπ\left(\vec{OA_{n+1} } ,\vec{A_{n} A_{n+1} } \right)=\frac{\pi }{2} +2k\pi
Ainsi pour tout naturel nn le triangle OAnAn+1OA_{n} A_{n+1} est rectangle en An+1A_{n+1} .
Finalement pour tout naturel nn, le triangle OAnAn+1OA_{n} A_{n+1} est rectangle isocèle en An+1A_{n+1} .
Question 5

Pour tout entier naturel nn_{} , on note lnl_{n} la longueur de la ligne brisée A0A1A2......+An−1AnA_{0} A_{1} A_{2} ......+A_{n-1} A_{n} .
On a ainsi : ln=A0A1+A1A2......+An−1Anl_{n} =A_{0} A_{1} +A_{1} A_{2} ......+A_{n-1} A_{n} .
Exprimer lnl_{n} en fonction de nn.
Quelle est la limite de la suite (ln)\left(l_{n} \right)?

Correction
Comme les triangles sont isocèles ;
ln=A0A1+A1A2+......+An−1Anl_{n} = A_{0} A_{1} + A_{1} A_{2} +......+ A_{n-1} A_{n}
ln=OA1+OA2+.......+OAnl_{n} = OA_{1} + OA_{2} +.......+ OA_{n}
En effet, dans le triangle isocèle OA0A1OA_{0} A_{1} on a : A0A1=OA1A_{0} A_{1} = OA_{1}
ln=u1+u2+...+unl_{n} =u_{1} +u_{2} +...+u_{n} .
En effet, OA1=∣z1∣=u1OA_{1} =\left|z_{1} \right|=u_{1}
Cette somme est la somme de nn premiers termes d'une suite géométrique de premier terme u1=2u_{1} =\sqrt{2} et de raison 12\frac{1}{\sqrt{2} } .
On a donc :
ln=21−12n1−12=2(2n−1)2n−1(2−1)l_{n} =\sqrt{2} \frac{1-\frac{1}{\sqrt{2} ^{n} } }{1-\frac{1}{\sqrt{2} } } =\frac{\sqrt{2} \left(\sqrt{2} ^{n} -1\right)}{\sqrt{2} ^{n-1} \left(\sqrt{2} -1\right)}
ln=22n2n−12n22−12l_{n} =\sqrt{2} \frac{\frac{\sqrt{2} ^{n} }{\sqrt{2} ^{n} } -\frac{1}{\sqrt{2} ^{n} } }{\frac{\sqrt{2} }{\sqrt{2} } -\frac{1}{\sqrt{2} } }
ln=2(2n−12n)(2−12)l_{n} =\sqrt{2} \frac{\left(\frac{\sqrt{2} ^{n} -1}{\sqrt{2} ^{n} } \right)}{\left(\frac{\sqrt{2} -1}{\sqrt{2} } \right)}
ln=2(2n−12n)×(22−1)l_{n} =\sqrt{2} \left(\frac{\sqrt{2} ^{n} -1}{\sqrt{2} ^{n} } \right)\times \left(\frac{\sqrt{2} }{\sqrt{2} -1} \right)
ln=2(2n−1)2n−1(2−1)l_{n} =\frac{\sqrt{2} \left(\sqrt{2} ^{n} -1\right)}{\sqrt{2} ^{n-1} \left(\sqrt{2} -1\right)}
ln=2n+1−22n−2n−1l_{n} =\frac{\sqrt{2} ^{n+1} -\sqrt{2} }{\sqrt{2} ^{n} -\sqrt{2} ^{n-1} }

Calcul de la limite de la suite (ln)\left(l_{n} \right)
lim⁡n→+∞ln=lim⁡n→+∞2n+1−22n−2n−1\lim\limits_{n\to +\infty } l_{n} =\lim\limits_{n\to +\infty } \frac{\sqrt{2} ^{n+1} -\sqrt{2} }{\sqrt{2} ^{n} -\sqrt{2} ^{n-1} }
lim⁡n→+∞ln=lim⁡n→+∞2n(2n+1−22n)2n(2n−2n−12n)\lim\limits_{n\to +\infty } l_{n} =\lim\limits_{n\to +\infty } \frac{\sqrt{2} ^{n} \left(\frac{\sqrt{2} ^{n+1} -\sqrt{2} }{\sqrt{2} ^{n} } \right)}{\sqrt{2} ^{n} \left(\frac{\sqrt{2} ^{n} -\sqrt{2} ^{n-1} }{\sqrt{2} ^{n} } \right)}
On factorise le numérateur et le dénominateur par 2n\sqrt{2} ^{n}
lim⁡n→+∞ln=lim⁡n→+∞(2n+1−22n)(2n−2n−12n)\lim\limits_{n\to +\infty } l_{n} =\lim\limits_{n\to +\infty } \frac{\left(\frac{\sqrt{2} ^{n+1} -\sqrt{2} }{\sqrt{2} ^{n} } \right)}{\left(\frac{\sqrt{2} ^{n} -\sqrt{2} ^{n-1} }{\sqrt{2} ^{n} } \right)}
lim⁡n→+∞ln=lim⁡n→+∞(2n+12n−22n)(2n2n−2n−12n)\lim\limits_{n\to +\infty } l_{n} =\lim\limits_{n\to +\infty } \frac{\left(\frac{\sqrt{2} ^{n+1} }{\sqrt{2} ^{n} } -\frac{\sqrt{2} }{\sqrt{2} ^{n} } \right)}{\left(\frac{\sqrt{2} ^{n} }{\sqrt{2} ^{n} } -\frac{\sqrt{2} ^{n-1} }{\sqrt{2} ^{n} } \right)}
lim⁡n→+∞ln=lim⁡n→+∞(2−12n−1)(1−12)\lim\limits_{n\to +\infty } l_{n} =\lim\limits_{n\to +\infty } \frac{\left(\sqrt{2} -\frac{1}{\sqrt{2} ^{n-1} } \right)}{\left(1-\frac{1}{\sqrt{2} } \right)}
Or lim⁡n→+∞2−12n−1=2\lim\limits_{n\to +\infty } \sqrt{2} -\frac{1}{\sqrt{2} ^{n-1} } =\sqrt{2} et lim⁡n→+∞1−12=1−12\lim\limits_{n\to +\infty } 1-\frac{1}{\sqrt{2} } =1-\frac{1}{\sqrt{2} } .
Par quotient lim⁡n→+∞ln=21−12\lim\limits_{n\to +\infty } l_{n} =\frac{\sqrt{2} }{1-\frac{1}{\sqrt{2} } } après simplification, on obtient lim⁡n→+∞ln=22−1\lim\limits_{n\to +\infty } l_{n} =\frac{2}{\sqrt{2} -1}

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