Exercices types : Encore des classiques - Exercice 2

45 min
65
Question 1
On considère le polynôme PP défini sur C\mathbb{C} par : P(z)=z3+(2−2i)z2+(4−4i)z−8iP\left(z\right)=z^{3}+(2-2i)z^{2}+(4-4i)z-8i.

Démontrer que 2i2i est une solution de l’équation P(z)=0P\left(z\right)=0.

Correction
Il nous faut calculer P(2i)P\left(2i\right) et vérifier que P(2i)=0P\left(2i\right)=0 .
P(2i)=(2i)3+(2−2i)×(2i)2+(4−4i)×2i−8iP\left(2i\right)=\left(2i\right)^{3} +\left(2-2i\right)\times \left(2i\right)^{2} +\left(4-4i\right)\times 2i-8i équivaut successivement à :
P(2i)=−8i+(2−2i)×(−4)+(4−4i)×2i−8iP\left(2i\right)=-8i+\left(2-2i\right)\times \left(-4\right)+\left(4-4i\right)\times 2i-8i
P(2i)=−8i−8+8i+8i−8i2−8iP\left(2i\right)=-8i-8+8i+8i-8i^{2} -8i
P(2i)=−8i−8+8i+8i+8−8iP\left(2i\right)=-8i-8+8i+8i+8-8i
P(2i)=0P\left(2i\right)=0

Ainsi 2i2i est bien une solution de l’équation P(z)=0P\left(z\right)=0.
Question 2

Démontrer que P(z)=(z−2i)(z2+2z+4)P\left(z\right)=\left(z−2i\right)\left(z^{2}+2z+4\right).

Correction
Nous allons développer l'expression P(z)=(z−2i)(z2+2z+4)P\left(z\right)=\left(z−2i\right)\left(z^{2}+2z+4\right). Ainsi :
P(z)=z3+2z2+4z−2iz2−4iz−8iP\left(z\right)=z^{3} +2z^{2} +4z-2iz^{2} -4iz-8i
P(z)=z3+2z2−2iz2+4z−4iz−8iP\left(z\right)=z^{3} +2{\color{blue}z^{2}} -2i{\color{blue}z^{2}} +4{\color{red}z}-4i{\color{red}z}-8i . Nous factorisons les expressions en z2{\color{blue}z^{2}} ensemble et les expressions en z{\color{red}z} ensemble.
P(z)=z3+(2−2i)z2+(4−4i)z−8iP\left(z\right)=z^{3}+(2-2i){\color{blue}z^{2}}+(4-4i){\color{red}z}-8i

Question 3

En déduire toutes les solutions dans C\mathbb{C} de l’équation P(z)=0P\left(z\right)=0.

Correction
Résoudre l'équation P(z)=0P\left(z\right)=0 revient donc à résoudre l'équation (z−2i)(z2+2z+4)=0\left(z−2i\right)\left(z^{2}+2z+4\right)=0
Il s'agit donc d'une équation produit nul.
  • D'une part : résolution de l'équation z−2i=0z-2i=0
  • z−2i=0⇔z-2i=0\Leftrightarrow
    z=2i z=2i
  • D'autre part : résolution de l'équation z2+2z+4=0z^{2}+2z+4=0
  • Δ=−12\Delta =-12, il existe donc deux racines complexes conjuguées notées z1z_{1} et z2z_{2} tels que z1=−b−i−Δ2az_{1} =\frac{-b-i\sqrt{-\Delta } }{2a} et z2=−b+i−Δ2az_{2} =\frac{-b+i\sqrt{-\Delta } }{2a}
    z1=−1−i3z_{1} =-1-i\sqrt{3}
    et
    z2=−1+i3z_{2} =-1+i\sqrt{3}

    Finalement les solutions de l'équation P(z)=0P\left(z\right)=0 sont : S={2i;−1−i3;−1+i3}S=\left\{2i;-1-i\sqrt{3};-1+i\sqrt{3} \right\}
    Question 4
    Le plan complexe est muni d’un repère orthonormé (O;u⃗;v⃗)\left(O;\vec{u} ;\vec{v} \right) .
    On considère les points AA, BB et CC d’affixes respectives zA=1+i3z_{A} =1+i\sqrt{3} ; zB=1−i3z_{B} =1-i\sqrt{3} et zC=−2z_{C} =-2

    Déterminer le module et un argument de chacun des trois nombres complexes zAz_{A}, zBz_{B} et zCz_{C} puis les écrire en notation exponentielle.

    Correction
  • Commençons, par le module de zAz_{A}.
  • ∣zA∣=12+(3)2=2\left|z_{A} \right|=\sqrt{1^{2} +\left(\sqrt{3} \right)^{2} } =2
  • Pour l'argument θ\theta on sait que :
  • {cos⁡(θ)=partie reelle de zAmodule de zAsin⁡(θ)=partie imaginaire de zAmodule de zA\left\{\begin{array}{ccc} {\cos \left(\theta \right)} & {=} & {\frac{\text{partie reelle de } z_{A}}{\text{module de } z_{A}} } \\ {\sin \left(\theta \right)} & {=} & {\frac{\text{partie imaginaire de } z_{A}}{\text{module de } z_{A} } } \end{array}\right.
    On a donc : {cos⁡(θ)=12sin⁡(θ)=32\left\{\begin{array}{ccc} {\cos \left(\theta \right)} & {=} & {\frac{1}{2 } } \\ {\sin \left(\theta \right)} & {=} & {\frac{\sqrt{3}}{2 } } \end{array}\right.
    Avec le cercle trigonométrique on en déduit que θ=π3[2π]\theta =\frac{\pi }{3} \left[2\pi \right]
    Il en résulte donc que :
  • Une forme exponentielle de zAz_{A} est alors :
    zA=2eiπ3z_{A}=2e^{i\frac{\pi }{3} }
  • En appliquant la même méthode, on obtient :
    zB=2e−iπ3z_{B}=2e^{-i\frac{\pi }{3} }
    et
    zC=2eiπz_{C}=2e^{i\pi }
    Question 5

    Placer les points AA, BB et CC .

    Correction
    Question 6
    On note Z=zA−zCzB−zCZ=\frac{z_{A} -z_{C} }{z_{B} -z_{C} }

    Déterminer la forme algébrique de ZZ.

    Correction
    Z=1+i3−(−2)1−i3−(−2)Z=\frac{1+i\sqrt{3} -\left(-2\right)}{1-i\sqrt{3} -\left(-2\right)}
    Z=1+i3+21−i3+2Z=\frac{1+i\sqrt{3} +2}{1-i\sqrt{3} +2}
    Z=3+i33−i3Z=\frac{3+i\sqrt{3} }{3-i\sqrt{3} }
    Z=(3+i3)(3+i3)(3−i3)(3+i3)Z=\frac{\left(3+i\sqrt{3} \right)\left(3+i\sqrt{3} \right)}{\left(3-i\sqrt{3} \right)\left(3+i\sqrt{3} \right)}
    Z=9+3i3+3i3+i2(3)232+(3)2Z=\frac{9+3i\sqrt{3} +3i\sqrt{3} +i^{2} \left(\sqrt{3} \right)^{2} }{3^{2} +\left(\sqrt{3} \right)^{2} }
    Z=9+3i3+3i3−312Z=\frac{9+3i\sqrt{3} +3i\sqrt{3} -3}{12}
    Z=6+6i312Z=\frac{6+6i\sqrt{3} }{12}
    Z=1+i32Z=\frac{1+i\sqrt{3} }{2}
    Z=12+i32Z=\frac{1}{2} +\frac{i\sqrt{3} }{2}

    Question 7

    Déterminer le module et un argument ZZ.

    Correction
  • Calculons le module de ZZ.
  • ∣Z∣=(12)2+(32)2=1\left|Z\right|=\sqrt{\left(\frac{1}{2} \right)^{2} +\left(\frac{\sqrt{3} }{2} \right)^{2} } =1
  • Pour l'argument θ\theta on sait que :
  • {cos⁡(θ)=partie reelle de Zmodule de Zsin⁡(θ)=partie imaginaire de Zmodule de Z\left\{\begin{array}{ccc} {\cos \left(\theta \right)} & {=} & {\frac{\text{partie reelle de } Z}{\text{module de } Z} } \\ {\sin \left(\theta \right)} & {=} & {\frac{\text{partie imaginaire de } Z}{\text{module de } Z } } \end{array}\right.
    On a donc : {cos⁡(θ)=12sin⁡(θ)=32\left\{\begin{array}{ccc} {\cos \left(\theta \right)} & {=} & {\frac{1}{2 } } \\ {\sin \left(\theta \right)} & {=} & {\frac{\sqrt{3}}{2 } } \end{array}\right.
    Avec le cercle trigonométrique on en déduit que θ=π3[2π]\theta =\frac{\pi }{3} \left[2\pi \right]
    Il en résulte donc que :
  • Une forme exponentielle de ZZ est alors :
    Z=eiπ3Z=e^{i\frac{\pi }{3} }
  • Question 8

    En déduire la nature du triangle ABCABC.

    Correction
    Nous savons que Z=zA−zCzB−zCZ=\frac{z_{A} -z_{C} }{z_{B} -z_{C} } et que Z=eiπ3Z=e^{i\frac{\pi }{3} }
    Nous en déduisons les informations suivantes :
    ∣Z∣=∣zA−zCzB−zC∣=1\left|Z \right|=\left|\frac{z_{A} -z_{C} }{z_{B} -z_{C} } \right| =1 et arg⁡(Z)=arg⁡(zA−zCzB−zC)=π3\arg \left(Z \right)=\arg \left(\frac{z_{A} -z_{C} }{z_{B} -z_{C} } \right)=\frac{\pi }{3} [2π]\left[2\pi \right]
    D'une part :
    ∣zA−zCzB−zC∣=1\left|\frac{z_{A} -z_{C} }{z_{B} -z_{C} } \right| =1 équivaut successivement à :
    ∣zA−zC∣∣zB−zC∣=1\frac{\left|z_{A}-z_{C}\right|}{\left|z_{B}-z_{C}\right|}=1 . Or : ∣zA−zC∣\left|z_{A}-z_{C}\right| correspond à la distance ACAC et ∣zB−zC∣\left|z_{B}-z_{C}\right| correspond à la distance BCBC.
    Ainsi :
    ACBC=1\frac{AC}{BC}=1 . Il vient alors que :
    AC=BCAC=BC
    .
    Le triangle BCABCA est isocèle en CC.
    D'autre part :
    arg⁡(zA−zCzB−zC)=π3\arg \left(\frac{z_{A} -z_{C} }{z_{B} -z_{C} } \right)=\frac{\pi }{3} [2π]\left[2\pi \right] équivaut successivement à :
    (CA→;CB→)=π3\left(\overrightarrow{CA} ;\overrightarrow{CB} \right)=\frac{\pi }{3} [2π]\left[2\pi \right]
    . Or nous savons également que AC=BCAC=BC.
    Cela signifie que nous avons un triangle isocèle en CC et l'angle C^=π3\widehat{C}=\frac{\pi }{3} . Il en résulte donc que les angles à la base B^\widehat{B} et A^\widehat{A} seront égaux car le triangle est isocèle en CC .
    Finalement , le triangle BCABCA est équilatéral .
    Question 9
    À tout point MM d’affixe zz (avec z≠zBz\ne z_{B}), on associe le point M′M' d’affixe z′z' défini par : z′=1+i3−z1−i3−zz'=\frac{1+i\sqrt{3} -z}{1-i\sqrt{3} -z} .
    On remarquera que : z′=zA−zzB−zz'=\frac{z_{A} -z}{z_{B} -z}

    Démontrer que si le point MM appartient à la médiatrice du segment [AB]\left[AB\right] alors le point M′M' appartient à un cercle dont on précisera le centre et le rayon.

    Correction
    Si le point MM appartient à la médiatrice du segment [AB]\left[AB\right], cela signifie donc que MA=MBMA=MB.
    Autrement dit , il faut que :
    ∣z′∣=1⇔∣zA−zzB−z∣=1⇔∣zA−z∣∣zB−z∣=1⇔MAMB=1⇔MA=MB\left|z'\right|=1\Leftrightarrow \left|\frac{z_{A} -z}{z_{B} -z} \right|=1\Leftrightarrow \frac{\left|z_{A} -z\right|}{\left|z_{B} -z\right|} =1\Leftrightarrow \frac{MA}{MB} =1 \Leftrightarrow MA=MB
    Comme on vient de voir, si le point MM appartient à la médiatrice du segment [AB]\left[AB\right] cela est équivalent à ∣z′∣=1\left|z'\right|=1
    Or ∣z′∣\left|z'\right| correspond à la distance OM′OM'. Comme ∣z′∣=1\left|z'\right|=1 alors OM′=1OM'=1 .
    M′M' appartient donc au cercle de centre OO de rayon 11 .
    Question 10

    Démontrer que si MM appartient au cercle de diamètre [AB]\left[AB\right] privé de BB alors M′M' appartient à l’axe (O;v→)\left(O ;\overrightarrow{v}\right) .

    Correction
    On sait que si MM appartient au cercle de diamètre [AB]\left[AB\right] privé de BB alors :
    (MB→;MA→)=+π2\left(\overrightarrow{MB} ;\overrightarrow{MA} \right)=+\frac{\pi }{2} [2π]\left[2\pi \right] ou (MB→;MA→)=−π2\left(\overrightarrow{MB} ;\overrightarrow{MA} \right)=-\frac{\pi }{2} [2π]\left[2\pi \right]
    Ainsi z′z' est un imaginaire pur ce qui signifie que M′M' appartient à l’axe (O;v→)\left(O ;\overrightarrow{v}\right) .

    Signaler une erreur

    Aide-nous à améliorer nos contenus en signalant les erreurs ou problèmes que tu penses avoir trouvés.

    Connecte-toi ou crée un compte pour signaler une erreur.