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Cours
Plan du chapitre.Partie 1 : I. Forme algébrique — II. Module, argument, formes trigonométrique et exponentielle — III. Nombres complexes et géométrie. Partie 2 : IV. Équations du second degré dans C — V. Transformations du plan — VI. Formules d’Euler et linéarisation — VII. Ensembles de points — Résumé.
Dans tout le chapitre, le plan est rapporté à un repère orthonormé direct (O;u,v).
I. Forme algébrique d’un nombre complexe
1. Définition
Définition 1 — l’ensemble C
Il existe un ensemble, noté C, contenant R, muni d’une addition et d’une multiplication qui prolongent celles de R et ont les mêmes règles de calcul, et contenant un nombre i tel que i2=−1.
Tout nombre complexe z s’écrit de façon uniquez=a+ib avec a∈R et b∈R : c’est la forme algébrique de z. Le réel a est la partie réelle de z, notée ℜ(z) ; le réel b est la partie imaginaire, notée ℑ(z).
Propriété 1
z est réel ⟺ℑ(z)=0 ; z est imaginaire pur⟺ℜ(z)=0 (on note iR l’ensemble des imaginaires purs).
Pour tous réels a,b,a′,b′ : a+ib=a′+ib′⟺a=a′ et b=b′. En particulier a+ib=0⟺a=b=0.
2. Exemples
Exemple 1
Calculer (2+3i)+(1−5i) et (2+3i)(1−5i).
Calculer i2, i3, i4, en déduire i4k+r pour k∈N, puis calculer i2026.
Puissances de i : i2=−1, i3=−i, i4=1, donc i4k+r=ir pour k∈N. Par exemple i2026=i4×506+2=−1.
3. Représentation géométrique
Définition 2 — affixe
À tout nombre complexe z=a+ib (a,b réels) on associe le point M(a;b) et le vecteur w=au+bv. On dit que z est l’affixe de M (et de w), et que M est l’image de z. On note M(z).
Propriété 2
Pour des points A(zA), B(zB) :
le vecteur AB a pour affixe zB−zA ;
le milieu I de [AB] a pour affixe zI=2zA+zB ;
AB=DC⟺zB−zA=zC−zD (caractérisation d’un parallélogramme ABCD).
4. Conjugué et inverse
Définition 3 — conjugué
Le conjugué de z=a+ib (a,b réels) est le nombre complexe z=a−ib. Les points M(z) et M′(z) sont symétriques par rapport à l’axe des abscisses.
Propriété 3
Pour tous z,z′∈C et n∈N :
z+z′=z+z′, zz′=zz′, zn=(z)n et, si z′=0, (z′z)=z′z ;
z+z=2ℜ(z), z−z=2iℑ(z), zz=a2+b2 ;
z∈R⟺z=z ; z∈iR⟺z=−z.
Méthode — forme algébrique d’un quotient
On multiplie le numérateur et le dénominateur par le conjugué du dénominateur : a+ib1=a2+b2a−ib.
Application 1
Écrire sous forme algébrique z1=1+2i3−i et z2=(1+i)4.
II. Module, argument, formes trigonométrique et exponentielle
1. Module
Définition 4 — module
Le module de z=a+ib (a,b réels) est le réel positif ∣z∣=zz=a2+b2. Si M est l’image de z, alors ∣z∣=OM ; et pour A(zA), B(zB) : AB=∣zB−zA∣.
Propriété 4
Pour tous z,z′∈C et n∈N : ∣z∣=0⟺z=0 ; ∣z∣=∣−z∣=∣z∣ ; ∣zz′∣=∣z∣∣z′∣ ; ∣zn∣=∣z∣n ; si z′=0, z′z=∣z′∣∣z∣ ; et l’inégalité triangulaire∣z+z′∣≤∣z∣+∣z′∣.
Tout nombre complexe non nul z, de module r et d’argument θ, s’écrit z=r(cosθ+isinθ) : c’est une forme trigonométrique de z. Réciproquement, si z=r(cosθ+isinθ) avec r>0, alors ∣z∣=r et argz≡θ[2π].
Passage de la forme algébrique z=a+ib à la forme trigonométrique : r=a2+b2, cosθ=ra et sinθ=rb.
Attention
L’écriture −2(cos3π+isin3π) n’est pas une forme trigonométrique (le facteur doit être strictement positif) ; on écrit −2(cos3π+isin3π)=2(cos34π+isin34π).
Application 2
Donner une forme trigonométrique de z1=1−i3 et de z2=−3+3i, puis de z1z2.
Voir la solution
∣z1∣=1+3=2 et z1=2(21−23i)=2(cos(−3π)+isin(−3π)).
∣z2∣=18=32 et z2=32(−22+22i)=32(cos43π+isin43π).
Donc ∣z1z2∣=62 et arg(z1z2)≡−3π+43π=125π[2π] : z1z2=62(cos125π+isin125π).
4. Notation exponentielle et formule de Moivre
Définition 6
Pour tout réel θ, on note eiθ=cosθ+isinθ. Tout complexe non nul de module r et d’argument θ s’écrit z=reiθ : c’est sa forme exponentielle.
Propriété 7
Pour tous réels θ,θ′ et tout n∈Z : eiθeiθ′=ei(θ+θ′) ; eiθ′eiθ=ei(θ−θ′) ; eiθ=e−iθ ; (eiθ)n=einθ.
Formule de Moivre : (cosθ+isinθ)n=cos(nθ)+isin(nθ).
Valeurs à connaître : ei0=1, ei2π=i, eiπ=−1, e−i2π=−i.
Application 3
On pose z=1+i. Calculer z8 et montrer que (1+i)2026 est imaginaire pur.
Voir la solution
z=2ei4π, donc z8=(2)8ei2π=16.
(1+i)2026=(2)2026ei42026π=21013ei21013π. Or 21013π=506π+2π et 506π≡0[2π], donc (1+i)2026=21013ei2π=21013i∈iR.
III. Nombres complexes et géométrie
1. Distances et angles
Propriété 8
Pour des points distincts A(a), B(b), C(c), D(d) :
AB=∣b−a∣ et (u,AB)≡arg(b−a)[2π] ;
(AB,CD)≡arg(b−ad−c)[2π] ; en particulier (AB,AC)≡arg(b−ac−a)[2π].
2. Configurations remarquables
À retenir — caractérisations (A, B, C distincts)
Situation
Condition
A, B, C alignés
b−ac−a∈R
(AB)⊥(AC)
b−ac−a∈iR
ABC isocèle en A
b−ac−a=1
ABC rectangle isocèle en A
b−ac−a=i ou −i
ABC équilatéral
b−ac−a=ei3π ou e−i3π
A,B,C,D cocycliques ou alignés
b−ac−a×c−db−d∈R
Application 4
On considère les points A(1+i), B(3+2i) et C(3i). Déterminer la nature du triangle ABC.
Donc b−ac−a=1, soit AC=AB, et (AB,AC)≡argi≡2π[2π] : le triangle ABC est rectangle et isocèle en A.
IV. Équations du second degré dans C
Théorème 1
On considère l’équation (E) : az2+bz+c=0 avec a,b,c réels et a=0, de discriminant Δ=b2−4ac.
Si Δ>0 : deux solutions réelles z1=2a−b−Δ et z2=2a−b+Δ.
Si Δ=0 : une solution réelle double z0=−2ab.
Si Δ<0 : deux solutions complexes conjuguées z1=2a−b−i−Δ et z2=z1=2a−b+i−Δ.
Dans tous les cas, az2+bz+c=a(z−z1)(z−z2), z1+z2=−ab et z1z2=ac.
Application 5
Résoudre dans C l’équation z2−6z+13=0, puis écrire les solutions sous forme trigonométrique lorsque c’est simple.
Voir la solution
Δ=36−52=−16=(4i)2. Les solutions sont z1=26−4i=3−2i et z2=3+2i : S={3−2i;3+2i}. Leur module vaut 13 ; leurs arguments ne sont pas des angles remarquables, on garde la forme algébrique.
V. Transformations du plan
Propriété 9 — écritures complexes
Soit M(z) un point et M′(z′) son image.
Transformation
Écriture complexe
translation de vecteur w(b)
z′=z+b
homothétie de centre Ω(ω) et de rapport k∈R∗
z′−ω=k(z−ω)
rotation de centre Ω(ω) et d’angle θ
z′−ω=eiθ(z−ω)
Réciproquement, la transformation d’écriture z′=az+b est : une translation si a=1 ; une homothétie de rapport a si a∈R∖{0;1} ; une rotation d’angle arga si ∣a∣=1 et a=1. Dans les deux derniers cas, le centre est l’unique point invariant, d’affixe ω=1−ab.
Application 6
Déterminer l’écriture complexe de la rotation R de centre Ω(1+i) et d’angle 2π, puis l’image de A(3+i).
Déterminer la nature et les éléments caractéristiques de la transformation f d’écriture z′=−2z+3i.
Voir la solution
z′−(1+i)=i(z−(1+i)), soit z′=iz+2. Image de A : i(3+i)+2=1+3i.
a=−2∈R∖{0;1} : f est une homothétie de rapport −2. Son centre est le point invariant : ω=−2ω+3i⟺ω=i. f est l’homothétie de centre Ω(i) et de rapport −2.
VI. Formules d’Euler et linéarisation
Propriété 10 — formules d’Euler
Pour tout réel θ et tout entier n : cosθ=2eiθ+e−iθ, sinθ=2ieiθ−e−iθ, et einθ+e−inθ=2cos(nθ), einθ−e−inθ=2isin(nθ).
Méthode — linéariser
Pour écrire une puissance ou un produit de cos et sin comme combinaison de cos(kx) et sin(kx) : on remplace chaque facteur par sa formule d’Euler, on développe (binôme), puis on regroupe les termes conjugués eikx et e−ikx.
À retenir — ensembles classiques (A(a), B(b) distincts, r>0)
Condition sur M(z)
Ensemble
∣z−a∣=r
cercle de centre A et de rayon r
∣z−a∣=∣z−b∣
médiatrice de [AB]
z−bz−a∈R
droite (AB) privée de B
z−bz−a∈iR
cercle de diamètre [AB] privé de B
arg(z−a)≡θ[2π]
demi-droite d’origine A (privée de A) dirigée par eiθ
Application 8
Déterminer l’ensemble (Γ) des points M(z) tels que ∣iz+1−2i∣=3, puis l’ensemble (Δ) des points M(z) tels que ∣z−1∣=∣z+i∣.
Voir la solution
iz+1−2i=i(z+i1−2i)=i(z−2−i), donc ∣iz+1−2i∣=∣z−(2+i)∣. (Γ) est le cercle de centre Ω(2+i) et de rayon 3.
∣z−1∣=∣z−(−i)∣ : (Δ) est la médiatrice du segment [AB] avec A(1) et B(−i), c’est-à-dire la droite d’équation y=−x.
Résumé
À retenir
Notion
À retenir
Forme algébrique
z=a+ib, z=a−ib, zz=a2+b2
Module, argument
∣z∣=a2+b2 ; ∣zz′∣=∣z∣∣z′∣ ; arg(zz′)≡argz+argz′
Formes
z=r(cosθ+isinθ)=reiθ ; Moivre (eiθ)n=einθ
Géométrie
AB=∣b−a∣ ; (AB,AC)≡argb−ac−a
Second degré
Δ<0 : z=2a−b±i−Δ
Transformations
z′=z+b ; z′−ω=k(z−ω) ; z′−ω=eiθ(z−ω)
Euler
cosθ=2eiθ+e−iθ, sinθ=2ieiθ−e−iθ
Série d’exercices
Dans toute la série, le plan complexe est rapporté à un repère orthonormé direct (O;u,v).
Exercice 1 — Forme algébrique Facile★☆☆☆☆
Écrire sous forme algébrique les nombres complexes suivants :
z1=3+4i1;z2=1+3i2−i;z3=(1+2i)2;z4=i2027;z5=(1−i1+i)3;z6=2+i1+2−i1+5i;z7=(1−2i)3+(1−i)2(2−i)3−(1+i)3.
Voir la solution
z1=(3+4i)(3−4i)3−4i=253−4i=253−254i.
z2=1+9(2−i)(1−3i)=102−6i−i+3i2=−101−107i.
z3=1+4i+4i2=−3+4i.
2027=4×506+3, donc z4=i3=−i.
1−i1+i=2(1+i)2=22i=i, donc z5=i3=−i.
2+i1+2−i1=5(2−i)+(2+i)=54, donc z6=54+51i.
(2−i)3=8−12i+6i2−i3=2−11i et (1+i)3=1+3i+3i2+i3=−2+2i : le numérateur vaut 4−13i. (1−2i)3=1−6i+12i2−8i3=−11+2i et (1−i)2=−2i : le dénominateur vaut −11. Donc z7=−114+1113i.
On considère les points A, B et C d’affixes respectives zA=−21+23i, zB=−21−23i et zC=27−3. On note A′ l’image de A par la rotation de centre O et d’angle 2π. Déterminer l’affixe de A′, puis montrer que le triangle AA′C est isocèle en A′.
On note B′ l’image de B par la rotation de centre O et d’angle 4π.
a. Exprimer zB′ en fonction de zB.
b. En déduire une forme trigonométrique de zB′.
c. Déterminer la forme algébrique de zB′.
d. En déduire les valeurs exactes de cos125π et de sin125π.
Voir la solution
1.Δ=1−4=−3=(i3)2 : S={−21−23i;−21+23i}.
2.zA′=ei2πzA=izA=−23−21i.
zA−zA′=23−1+23+1i, donc A′A2=4(3−1)2+(3+1)2=48=2.
zC−zA′=27−3+23+21i=27+21i, donc A′C2=47+41=2.
Ainsi A′A=A′C=2 : le triangle AA′C est isocèle en A′.
3. a.zB′=ei4πzB.
3. b.zB=−21−23i=cos(−32π)+isin(−32π)=e−i32π, donc zB′=ei(4π−32π)=e−i125π=cos(−125π)+isin(−125π).
3. d. Par identification des parties réelles et imaginaires (et parité de cos, imparité de sin) : cos125π=46−2 et sin125π=46+2.
Exercice 3 — Équation et rotation Facile★★☆☆☆
Résoudre dans C l’équation z2−2z+5=0.
On considère les points A, B et Ω d’affixes respectives a=3, b=3+4i et ω=1+2i.
a. On pose u=b−ω. Vérifier que u=2+2i, puis montrer que arg(u)≡4π[2π].
b. Déterminer un argument du nombre u.
c. Vérifier que a−ω=u, puis en déduire que ΩA=ΩB et que arg(a−ωb−ω)≡2π[2π].
d. On note R la rotation de centre Ω et d’angle 2π. Déterminer l’image du point A par R.
Voir la solution
1.Δ=4−20=−16=(4i)2 : S={1−2i;1+2i}.
2. a.u=3+4i−(1+2i)=2+2i. ∣u∣=22 et u=22(22+22i)=22(cos4π+isin4π), donc arg(u)≡4π[2π].
2. b.arg(u)≡−arg(u)≡−4π[2π].
2. c.a−ω=3−1−2i=2−2i=u. Donc ΩA=∣a−ω∣=∣u∣=∣u∣=∣b−ω∣=ΩB, et arg(a−ωb−ω)≡argu−argu≡4π+4π=2π[2π].
2. d. On a ΩA=ΩB et (ΩA,ΩB)≡2π[2π] : l’image de A par R est B. (Vérification : ω+i(a−ω)=1+2i+i(2−2i)=3+4i=b.)
On considère les points A, B, C et D d’affixes respectives a=−1+i3, b=2+2i, c=−3−i et d=2−23.
a. Vérifier que a−d=−3(c−d).
b. En déduire que les points A, C et D sont alignés.
On considère un point M d’affixe z et son image M′, d’affixe z′, par la rotation R de centre O et d’angle 32π. Vérifier que z′=21az.
On note H l’image de B par R, d’affixe h, et P le point d’affixe p=a−c.
a. Vérifier que h=ip.
b. Montrer que le triangle OHP est rectangle et isocèle en O.
Voir la solution
1.Δ=4−16=−12=(2i3)2 : S={−1−i3;−1+i3}.
2. a.a−d=−3+23+i3 et c−d=(3−2)−i, donc −3(c−d)=−3+23+i3=a−d.
2. b.c−da−d=−3∈R : les points A, C et D sont alignés.
3.z′=ei32πz et ei32π=−21+23i=21a, donc z′=21az.
4. a.h=21ab=(−1+i3)(1+i)=(−1−3)+(3−1)i. Et p=a−c=(3−1)+(3+1)i, donc ip=−(3+1)+(3−1)i=h.
4. b.p−0h−0=i : donc OH=OP et (OP,OH)≡2π[2π]. Le triangle OHP est rectangle et isocèle en O.
Exercice 5 — Construction géométrique Moyen★★★☆☆
On considère les points A, B, C et D d’affixes respectives a=1, b=1+2i, c=1+3−i et d=1−3−i. Le but de l’exercice est de construire les points C et D à la règle et au compas.
a. Montrer que le point D est l’image du point B par la rotation de centre A et d’angle 32π.
b. En déduire que B et D appartiennent à un même cercle (Γ) de centre A, dont on précisera le rayon.
On note F l’image du point A par l’homothétie de centre B et de rapport 23.
a. Montrer que F a pour affixe zF=1−i.
b. Montrer que F est le milieu du segment [CD].
c. Montrer que a−zFc−zF=−i3.
d. En déduire une forme exponentielle du nombre a−zFc−zF.
Déduire des questions précédentes que la droite (AF) est la médiatrice du segment [CD].
Voir la solution
1. a. L’écriture complexe de la rotation de centre A et d’angle 32π est z′−1=ei32π(z−1). L’image de B a pour affixe 1+(−21+23i)(2i)=1−i−3=d.
1. b. Une rotation conserve les distances au centre : AD=AB=∣2i∣=2. B et D appartiennent au cercle (Γ) de centre A et de rayon 2.
2. a.zF−b=23(a−b), donc zF=1+2i+23(−2i)=1−i.
2. b.2c+d=22−2i=1−i=zF : F est le milieu de [CD].
2. c.c−zF=3 et a−zF=i, donc a−zFc−zF=i3=−i3.
2. d.−i3=3e−i2π.
3. D’après 2.d, (FA,FC)≡−2π[2π] : (AF)⊥(FC), c’est-à-dire (AF)⊥(CD) (car F∈[CD]). Comme F est le milieu de [CD], la droite (AF) est la médiatrice de [CD].
Construction : on place F (image de A par l’homothétie), on trace la perpendiculaire à (AF) en F ; comme AC=∣3−i∣=2 et AD=2, les points C et D sont les intersections de cette perpendiculaire avec le cercle (Γ).
Exercice 6 — Ensembles de points Facile★★☆☆☆
Dans chacun des cas suivants, déterminer l’ensemble des points M d’affixe z vérifiant la condition indiquée :
∣z−2+i∣=3 ;
∣z−1+2i∣=∣z+3−i∣ ;
z−4+iz+2i∈R ;
z−4+iz+2i∈iR ;
1−z1+iz∈iR ;
izz−2∈iR ;
∣z+1−3i∣=2 ;
∣iz+3−i∣=4 ;
∣z−2−i∣=∣z+1−2i∣ ;
zz+(z+z)−i(z−z)=−2 ;
arg(z)≡3π[2π].
Voir la solution
On pose z=x+iy avec x,y réels.
∣z−(2−i)∣=3 : cercle de centre Ω1(2−i) et de rayon 3.
∣z−(1−2i)∣=∣z−(−3+i)∣ : médiatrice du segment [AB] avec A(1−2i), B(−3+i), c’est-à-dire la droite d’équation 8x−6y+5=0.
Avec A(−2i) et B(4−i) : z−zBz−zA∈R (z=zB) ⟺M=A ou (BM,AM)≡0[π] : droite (AB) privée de B.
z−zBz−zA∈iR⟺M=A ou (AM)⊥(BM) : cercle de diamètre [AB] privé de B.
1+iz=i(z−i) et 1−z=−(z−1), donc 1−z1+iz=−iz−1z−i, qui est imaginaire pur si et seulement si z−1z−i∈R : droite passant par C(i) et D(1), privée de D.
Pour z=0 : izz−2=−izz−2∈iR⟺zz−2∈R : droite (OE) avec E(2), privée de O, c’est-à-dire l’axe des abscisses privé de O.
∣z−(−1+3i)∣=2 : cercle de centre Ω2(−1+3i) et de rayon 2.
iz+3−i=i(z−1−3i) et ∣i∣=1 : ∣z−(1+3i)∣=4, cercle de centre Ω3(1+3i) et de rayon 4.
∣z−(2+i)∣=∣z−(−1+2i)∣ : médiatrice du segment joignant les points d’affixes 2+i et −1+2i, c’est-à-dire la droite d’équation y=3x.
zz=x2+y2, z+z=2x, z−z=2iy : la condition s’écrit x2+y2+2x+2y=−2, soit (x+1)2+(y+1)2=0, d’où x=y=−1. L’ensemble est réduit au point d’affixe −1−i.
Demi-droite d’origine O (privée de O) dirigée par le vecteur d’affixe ei3π.
Exercice 7 — Forme trigonométrique et alignement Difficile★★★★☆
On considère les nombres complexes a=2−3+i, b=1−(2−3)i et c=−3+i.
Montrer que a=ib.
On considère dans C l’équation (E) : z2−2(2−3)z+4(2−3)=0.
a. Montrer que a est une solution de l’équation (E).
b. En déduire que a2=2(2−3)c.
c. Déterminer le module et un argument du nombre complexe c.
d. En déduire une forme trigonométrique du nombre complexe a.
e. Montrer que arg(ba)≡2π[2π].
On considère les points A, B et C d’affixes respectives a2, b2 et c.
a. Montrer que A est l’image de B par la rotation de centre O et d’angle π.
b. Montrer que les points A, B, C et O sont alignés.
Voir la solution
1.ib=i+(2−3)=a.
2. a.a2=(2−3)2−1+2(2−3)i=(6−43)+2(2−3)i et 2(2−3)a=(14−83)+2(2−3)i. Donc a2−2(2−3)a+4(2−3)=6−43−14+83+8−43=0.
2. b. De 2.a : a2=2(2−3)a−4(2−3)=2(2−3)(a−2)=2(2−3)(−3+i)=2(2−3)c.
2. c.∣c∣=3+1=2 et c=2(−23+21i) : argc≡65π[2π].
2. d.2(2−3)>0, donc a2=4(2−3) et arg(a2)≡65π[2π]. Ainsi ∣a∣=22−3 et 2arga≡65π[2π], soit arga≡125π[π]. Comme ℜ(a)=2−3>0 et ℑ(a)=1>0, un argument de a appartient à ]0;2π[ : arga≡125π[2π] et
a=22−3(cos125π+isin125π).
2. e.ba=i, donc arg(ba)≡2π[2π].
3. a.b=ia=−ia, donc b2=−a2, soit a2=−b2 : A est l’image de B par la rotation de centre O et d’angle π (d’écriture z′=−z).
3. b.ca2=2(2−3)∈R : O, A, C sont alignés. Et a2b2=−1∈R : O, A, B sont alignés. Donc A, B, C et O sont alignés.
On considère les points A et B d’affixes respectives a=3 et b=2−i.
a. On considère un point M d’affixe z et son image M′, d’affixe z′, par la rotation R de centre A et d’angle −2π. Montrer que z′=−iz+3+3i.
b. Vérifier que l’affixe du point C, image de B par R, est c=2+i.
c. En déduire la nature du triangle ABC.
On note t la translation de vecteur AB et D l’image de C par t.
a. Déterminer l’affixe d du point D.
b. En déduire la nature du quadrilatère ABDC.
c. Déterminer l’ensemble des points M d’affixe z tels que ∣z−2−i∣=∣2+i∣.
Voir la solution
1.Δ=16−20=−4=(2i)2 : S={2−i;2+i}.
2. a.z′−3=e−i2π(z−3)=−i(z−3), donc z′=−iz+3+3i.
2. b.c=−i(2−i)+3+3i=−2i−1+3+3i=2+i.
2. c.C=R(B) avec R de centre A et d’angle −2π : AC=AB et (AB,AC)≡−2π[2π]. Le triangle ABC est rectangle et isocèle en A.
3. a.d=c+(b−a)=2+i+(−1−i)=1.
3. b.CD=AB : ABDC est un parallélogramme ; il a deux côtés consécutifs égaux et perpendiculaires (AB=AC, (AB)⊥(AC)) : ABDC est un carré.
3. c.∣z−c∣=∣c∣=OC=5 : cercle de centre C et de rayon 5 (il passe par O).
Exercice 9 — Carré et triangle équilatéral Difficile★★★★☆
Résoudre dans C l’équation z2−43z+16=0.
On considère les points A et B d’affixes respectives a=23−2i et b=2+23i.
a. Écrire a et b sous forme trigonométrique, puis vérifier que a18 est un nombre réel.
b. Montrer que le triangle OAB est rectangle et isocèle en O.
a. Déterminer l’affixe du point E, image de A par la translation t de vecteur OB.
b. Montrer que OAEB est un carré.
On considère la rotation R de centre B et d’angle −2π, qui transforme le point M d’affixe z en M′ d’affixe z′.
a. Montrer que z′=−iz+2−23+(2+23)i.
b. En déduire que l’affixe du point C, image de A par R, est c=−23+2i.
On considère le point D d’affixe d=23+6i.
a. Montrer que les points O, B et D sont alignés.
b. Montrer que a−cd−c=21+23i, puis en déduire que le triangle ADC est équilatéral.
Voir la solution
1.Δ=48−64=−16=(4i)2 : S={23−2i;23+2i}.
2. a.∣a∣=∣b∣=4 ; a=4(23−21i)=4(cos(−6π)+isin(−6π)) et b=4(21+23i)=4(cos3π+isin3π).
D’après la formule de Moivre, a18=418(cos(−3π)+isin(−3π))=−418∈R.
2. b.ab=ei(3π+6π)=ei2π=i : OB=OA et (OA,OB)≡2π[2π]. Le triangle OAB est rectangle et isocèle en O.
3. a.e=a+b=(23+2)+(23−2)i.
3. b.OE=OA+OB : OAEB est un parallélogramme, et d’après 2.b il a un angle droit en O et deux côtés consécutifs égaux : c’est un carré.
4. a.z′−b=−i(z−b), donc z′=−iz+(1+i)b=−iz+(1+i)(2+23i)=−iz+2−23+(2+23)i.
Donc CD=CA et (CA,CD)≡3π[2π] : le triangle ADC est équilatéral.
Exercice 10 — Transformation z′=az+bFacile★☆☆☆☆
On considère la transformation f du plan qui, à tout point M d’affixe z, associe le point M′ d’affixe z′=−3z+8+4i. Déterminer l’unique point invariant de f, puis en déduire la nature et les éléments caractéristiques de f.
Voir la solution
M(z) est invariant ⟺z=−3z+8+4i⟺z=2+i : le seul point invariant est Ω(2+i).
Alors z′−(2+i)=−3z+6+3i=−3(z−(2+i)) : f est l’homothétie de centre Ω(2+i) et de rapport −3.
Exercice 11 — Homothétie et cocyclicité Difficile★★★★☆
On considère les points A, B, S et Ω d’affixes respectives a=2+i, b=−i, s=−1+2i et ω=2−i. On note h l’homothétie de centre S et de rapport 3, et C et D les images respectives de A et B par h.
a. Déterminer l’écriture complexe de l’homothétie h.
b. Montrer que C et D ont pour affixes respectives c=8−i et d=2−7i.
c. Montrer que les points A, B, C et D sont cocycliques.
On note P le milieu du segment [AC].
a. Déterminer l’affixe p du point P.
b. Montrer que b−dω−p=21i, puis en déduire que DB=2PΩ et (DB,PΩ)≡2π[2π].
Voir la solution
1. a.z′−s=3(z−s), soit z′=3z−2s=3z+2−4i.
1. b.c=3(2+i)+2−4i=8−i et d=3(−i)+2−4i=2−7i.
1. c.b−ac−a=−2−2i6−2i=−1+2i∈/R (A, B, C non alignés) et c−db−d=6+6i−2+6i=31+2i.
Donc b−ac−a×c−db−d=3(−1+2i)(1+2i)=−35∈R : les points A, B, C et D sont cocycliques.
En passant au module : PΩ=21DB, soit DB=2PΩ. En passant à l’argument : (DB,PΩ)≡arg(b−dω−p)≡2π[2π].
Exercice 12 — Formules d’Euler Facile★★☆☆☆
Linéariser sin2(x)cos3(2x) pour x∈R.
À l’aide des formules d’Euler, montrer que, pour tous réels a et b : sin(a)sin(b)=21(cos(a−b)−cos(a+b)).
Voir la solution
1.sin2x=(2ieix−e−ix)2=42−e2ix−e−2ix=21−cos2x et cos3(2x)=8(e2ix+e−2ix)3=82cos6x+6cos2x=4cos6x+3cos2x.
Donc sin2xcos3(2x)=81(3cos2x+cos6x−3cos22x−cos2xcos6x). Avec cos22x=21+cos4x et cos2xcos6x=2cos4x+cos8x :
sin2xcos3(2x)=−163+83cos2x−41cos4x+81cos6x−161cos8x.
2.sinasinb=(2i)2(eia−e−ia)(eib−e−ib)=−4ei(a+b)+e−i(a+b)−ei(a−b)−e−i(a−b)=−42cos(a+b)−2cos(a−b), soit sinasinb=21(cos(a−b)−cos(a+b)).