\( \def\R{{\mathbb R}} \def\bold#1{{\bf #1}} \newcommand{\dom}[1]{\textbf{dom}\,#1} \newcommand{\ima}[1]{\textbf{im}\,#1} \newcommand{\intf}[2]{\left[ #1\, ; #2 \right]} \newcommand{\into}[2]{\left] #1\, ; #2 \right[} \newcommand{\intfo}[2]{\left[ #1\, ; #2 \right[} \newcommand{\intof}[2]{\left] #1\, ; #2 \right]} \newcommand{\rlf}[1]{\left\lfloor #1 \right\rfloor} \newcommand{\Par}[1]{\left( #1 \right)} \renewcommand{\Re}[1]{\textrm{Re}\Par{#1}} \renewcommand{\Im}[1]{\textrm{Im}\Par{#1}} \newcommand{\ii}{{\mathbf{i}}} \)
Exercice 1 : Indiquer l'affixe (définition ici) des points A à F sous forme trigonométrique puis algébrique
Solution
Solution
Exercice 2 : Écrire $z$ sous sa forme trigonométrique. On impose le radian comme unité de mesure d'angle.
Solution
Solution
Voir les propriétés pour les exos suivants.
Exercice 3 : Effectuer les opérations suivantes et donner les réponses sous forme trigonométrique et sous forme algébrique.
Solution
Solution
\begin{align*} \left(2 \;\text{cis} \left( \dfrac{\pi}{3}\right)\right)^2 \cdot\left(3 \;\text{cis} \left( \dfrac{\pi}{4}\right)\right)^3 &= \left(2 \;\text{cis} \left( \dfrac{\pi}{3}\right)\right)\left(2 \;\text{cis} \left( \dfrac{\pi}{3}\right)\right)\left(3 \;\text{cis} \left( \dfrac{\pi}{4}\right)\right)\left(3 \;\text{cis} \left( \dfrac{\pi}{4}\right)\right)\left(3 \;\text{cis} \left( \dfrac{\pi}{4}\right)\right)\\ &= 4 \;\text{cis}\left(\dfrac{\pi}{3}+\dfrac{\pi}{3}\right) \times 27 \;\text{cis}\left(\dfrac{\pi}{4}+\dfrac{\pi}{4}+\dfrac{\pi}{4}\right)\\ &= 4 \;\text{cis}\left(\dfrac{2\pi}{3}\right) \times 27 \;\text{cis}\left(\dfrac{3\pi}{4}\right)\\ &= 108 \;\text{cis}\left(\dfrac{2\pi}{3}+\dfrac{3\pi}{4}\right)\\ &= 108 \;\text{cis}\left(\dfrac{17\pi}{12}\right)\\ \end{align*}
FA :
\begin{align*} 4 \;\text{cis}\left(\dfrac{2\pi}{3}\right) \times 27 \;\text{cis}\left(\dfrac{3\pi}{4}\right) &= 108 \left(-\dfrac12+\mathbf{i}\; \dfrac{\sqrt{3}}{2}\right)\left(-\dfrac{\sqrt{2}}2+\mathbf{i}\; \dfrac{\sqrt{2}}{2}\right)\\ &= 27 \left(-1+\mathbf{i}\;\sqrt{3}\right)\left(-\sqrt{2}+\mathbf{i}\; \sqrt{2}\right)\\ &=27\left(\left(\sqrt{2}-\sqrt{6}\right)-\left(+\sqrt{2}+\sqrt{6}\right)\mathbf{i}\right) \end{align*}
Exercice 4 : Déterminer la forme trigonométrique de
Solution
Solution
Exercice 5 : Déterminer la forme algébrique des nombres complexes suivants : \[\mathbf 1. \ z_1=(2+2\mathbf{i})^6\qquad \mathbf 2. \ z_2=\left(\frac{1+\mathbf{i}\sqrt 3}{1-\mathbf{i}}\right)^{20}\qquad\mathbf 3. \ z_3=\frac{(1+\mathbf{i})^{2000}}{(\mathbf{i}-\sqrt 3)^{1000}}.\]
Solution
Solution
Pour \( z_1 = (2+2i)^6 \), on utilise la forme trigonométrique. On a \(2+2i=2\sqrt 2\text{cis}(\pi/4)\), donc \[z_1 =(2\sqrt 2\text{cis}\left(\tfrac{\pi}{4})\right)^6 = 2^6 \cdot 2^3 \cdot \text{cis}\left(6 \cdot \tfrac{\pi}{4}\right) = 2^9 \cdot \text{cis}\left(\tfrac{3\pi}{2}\right) = 2^9 \cdot (-\textbf{i}) = -512\cdot \textbf{i}.\]
Pour \( z_2 = \left(\dfrac{1+\mathbf{i}\sqrt 3}{1-\mathbf{i}}\right)^{20} \), on calcule d'abord la forme trigonométrique du numérateur et du dénominateur. On a : \[\frac{1+\mathbf{i}\sqrt 3}{1-\mathbf{i}} = \frac{2\left(\frac12 + \textbf{i}\frac{\sqrt 3}{2}\right)}{\sqrt 2 \left(\frac{\sqrt 2}{2} - \textbf{i}\frac{\sqrt 2}{2}\right)} = \sqrt 2 \cdot \frac{\text{cis}(\pi/3)}{\text{cis}(-\pi/4)} = \sqrt2 \cdot \text{cis}\left(\tfrac{7\pi}{12}\right).\] Donc, \[ z_2 = \left(\sqrt 2 \text{cis} \left( \tfrac{7\pi}{12}\right) \right)^{20} = 2^{10} \text{cis}\left(\tfrac{140\pi}{12}\right) = 2^{10} \text{cis}\left(\tfrac{35\pi}{3}\right) = 2^{10} \text{cis}\left(\tfrac{5\pi}{3}\right) = 2^{10} (1 - \textbf{i}\sqrt 3) = 512 - 512\cdot\textbf{i}\cdot\sqrt 3.\]
Pour \( z_3 = \dfrac{(1+\mathbf{i})^{2000}}{(\mathbf{i}-\sqrt 3)^{1000}} \), on utilise également la forme trigonométrique. On a : \[(1+\mathbf{i})^{2000} = 2^{1000} \text{cis}\left( 2000\cdot \pi/4 \right) = 2^{1000} \text{cis}\left(500\cdot \pi\right) = 2^{1000},\] car \( \text{cis}(500\pi) \) revient à une rotation complète de multiples de \( 2\pi \), ce qui est équivalent à 1. De même, \[(\mathbf{i}-\sqrt 3)^{1000} = 2^{1000} \text{cis} \left( 1000 \cdot \tfrac{5\pi}{6} \right) = 2^{1000} \text{cis}\left(5000\cdot\tfrac{\pi}{6}\right).\] Donc, \[z_3 = \frac{2^{1000}}{2^{1000} \text{cis} \left(5000\cdot\frac{\pi}{6}\right) } = \text{cis} \left(-5000\cdot\tfrac{\pi}{6}\right) = \text{cis} \left(\tfrac{2\pi}{3}\right) = -\tfrac{1}{2} + \tfrac{\sqrt{3}}{2}\mathbf{i}\]
Exercice 6 : Soit \(z_1=1+\mathbf{i}\sqrt{3}\) et \(z_2=1-\mathbf{i}\)
Solution
Solution
\(z_1 = 2\;\text{cis}\left(\frac{\pi}{3}\right)\) et \(z_2=\sqrt{2}\;\text{cis}\left(-\frac{\pi}{4}\right)\)
Solution
Solution
FA : \(z_3=\frac{1+\mathbf{i}\sqrt{3}}{1-\mathbf{i}} = \frac{\left(1+\mathbf{i}\sqrt{3}\right)\left(1+\mathbf{i}\right)}{2} = \frac{1-\sqrt{3}}{2}+\frac{1+\sqrt{3}}{2}\mathbf{i}\)
FT : \(z_3=\frac{2\;\text{cis}\left(\frac{\pi}{3}\right)}{\sqrt{2}\;\text{cis}\left(-\frac{\pi}{4}\right)} = \sqrt{2}\; \text{cis}\left(\frac{\pi}{3}+\frac{\pi}{4}\right) = \sqrt{2}\; \text{cis}\left(\frac{7\pi}{12}\right)\)
Solution
Solution
On déduit du point précédent : \(\sqrt{2}\; \text{cis}\left(\frac{7\pi}{12}\right) = \frac{1-\sqrt{3}}{2}+\frac{1+\sqrt{3}}{2}\mathbf{i}\)
D'où \(\text{cis}\left(\frac{7\pi}{12}\right) = \frac{1}{\sqrt{2}}\;\left(\frac{1-\sqrt{3}}{2}+\frac{1+\sqrt{3}}{2}\mathbf{i}\right)\)
Cette égalité se réécrit : \(\cos{\left(\frac{7\pi}{12}\right)}+\mathbf{i}\; \sin{\left(\frac{7\pi}{12}\right)} = \frac{1-\sqrt{3}}{2\sqrt{2}}+\frac{1+\sqrt{3}}{2\sqrt{2}}\mathbf{i}\)
Conclusion : \(\cos{\left(\frac{7\pi}{12}\right)} = \frac{1-\sqrt{3}}{2\sqrt{2}} = \frac{\sqrt{2}-\sqrt{6}}{4}\) et \(\sin{\left(\frac{7\pi}{12}\right)} = \frac{1+\sqrt{3}}{2\sqrt{2}} = \frac{\sqrt{2}+\sqrt{6}}{4}\)
Exercice 7 : Soit le nombre complexe $w=\dfrac{z_{1}}{\left(z_{2}\right)^{3}}$ avec $z_{1}=\sqrt{3}+i$ et $z_{2}=2 \sqrt{2} \operatorname{cis}\left(-\dfrac{\pi}{4}\right)$.
1) Écrire $z_{1}$ et $w$ sous forme trigonométrique.
2) Écrire $\left(z_{2}\right)^{3}$ et $w$ sous forme algébrique.
3) Déduire de a) et de b) les valeurs exactes de $\cos \frac{11 \pi}{12}$ et $\sin \frac{11 \pi}{12}$.
4) Résoudre dans $\mathbb{C}$ l'équation $z^{3}-z_{2}=0$. Donner les solutions sous forme trigonométrique.
5) Résoudre dans $\mathbb{C}$ l'équation $\left(z_{2}\right)^{3}-i \cdot \overline{z}=i^{2022}$. Donner la solution sous forme algébrique.
Solution
Solution
1) $z_{1}=2\;\mathrm{cis}\left(\frac{\pi}{6}\right)$ et $w=\frac{\sqrt{2}}{16}\;\mathrm{cis}\left(\frac{11\pi}{12}\right)$
2) $\left(z_{2}\right)^{3}=-16-16\mathbf{i}$ et $w = -\frac{\sqrt{3}+1}{32}+\frac{\sqrt{3}-1}{32}\mathbf{i}$
3) $\frac{\sqrt{2}}{16}\;\mathrm{cis}\left(\frac{11\pi}{12}\right) = -\frac{\sqrt{3}+1}{32}+\frac{\sqrt{3}-1}{32}\mathbf{i}$
$\mathrm{cis}\left(\frac{11\pi}{12}\right) = -\frac{\sqrt{6}+\sqrt{2}}{4}+\frac{\sqrt{6}-\sqrt{2}}{32}\mathbf{i}$
$\implies \cos \frac{11 \pi}{12}= -\frac{\sqrt{6}+\sqrt{2}}{4}$ et $\sin \frac{11 \pi}{12}= \frac{\sqrt{6}-\sqrt{2}}{32}$.
4) $z^{3}-z_{2}=0 \iff z^3 = 2 \sqrt{2} \operatorname{cis}\left(-\frac{\pi}{4}\right)$
on recherche donc les racines cubiques de $2 \sqrt{2} \operatorname{cis}\left(-\frac{\pi}{4}\right)$ :
$w_k = \sqrt[3]{2 \sqrt{2}} \operatorname{cis}\left(\frac{(8k-1)\pi}{12}\right) = \sqrt{2} \operatorname{cis}\left(\frac{(8k-1)\pi}{12}\right)$
$S_{\mathbb C} = \left\{w_0,w_1,w_2\right\}$
5) $z_{2}^{3}-\mathbf{i} \cdot \overline{z}=i^{2022} \iff -16-16\mathbf{i}-\mathbf{i} \cdot \overline{z}=-1$
$\iff -\mathbf{i} \cdot \overline{z}=15+16\mathbf{i}$
$\iff \overline{z}=-16+15\mathbf{i}$
$S_{\mathbb C} = \left\{-16-15\mathbf{i}\right\}$
Exercice 8 : Calculer la forme trigonométrique de chacune des racines 4ème du nombre complexe $-16+16\mathbf{i}$.
Solution
Solution
$-16+16\mathbf{i} = 2^4\left(-1+\mathbf{i}\right) = 2^4\sqrt{2}\cdot\mathrm{cis}\left(\frac{3\pi}{4}\right)$ les racines 4ème sont données par : $$ \begin{array}{l} w_0 = 2\sqrt[8]{2} \cdot \operatorname{cis}\left( \frac{3\pi}{16} + 0 \cdot \frac{\pi}{2} \right) \\ w_1 = 2\sqrt[8]{2} \cdot \operatorname{cis}\left( \frac{3\pi}{16} + 1 \cdot \frac{\pi}{2} \right) \\ w_2 = 2\sqrt[8]{2} \cdot \operatorname{cis}\left( \frac{3\pi}{16} + 2 \cdot \frac{\pi}{2} \right) \\ w_3 = 2\sqrt[8]{2} \cdot \operatorname{cis}\left( \frac{3\pi}{16} + 3 \cdot \frac{\pi}{2} \right) \\ \end{array} $$ puis simplifiées : \(w_0 = 2\sqrt[8]{2}\cdot \operatorname{cis}\left(\frac{3\pi}{16}\right) \quad ; \quad w_1 = 2\sqrt[8]{2}\cdot \operatorname{cis}\left(\frac{11\pi}{16}\right) \quad ; \quad w_2 = 2\sqrt[8]{2}\cdot \operatorname{cis}\left(\frac{19\pi}{16}\right) \quad ; \quad w_3 = 2\sqrt[8]{2}\cdot \operatorname{cis}\left(\frac{27\pi}{16}\right) \quad ; \)
Exercice 9 : Rechercher les racines 4ème de $-4$ (ce qui correspond à solutionner dans $\mathbb C$ l'équation $w^4=-4$) sous forme trigonométrique et algébrique.
Solution
Solution
Soit $z=-4=4\cdot \text{cis}\left( \pi \right)$. On a $w_k = \sqrt[4]{4} \cdot \text{cis}\left( \dfrac{\pi + 2k\pi}{4} \right)$ avec $k = 0, 1, 2, 3$ \[\newcommand{\ii}{{\mathbf{i}}} \begin{cases} w_0 = \sqrt{2} \cdot \text{cis}\left( \frac{\pi}{4} \right) &= 1 + \ii \\ w_1 = \sqrt{2} \cdot \text{cis}\left( \frac{3\pi}{4} \right) &= -1 + \ii \\ w_2 = \sqrt{2} \cdot \text{cis}\left( \frac{5\pi}{4} \right) &= -1 - \ii \\ w_3 = \sqrt{2} \cdot \text{cis}\left( \frac{7\pi}{4} \right) &= 1 - \ii \end{cases} \]
source tikz
source tikz
\documentclass{standalone} \usepackage{tikz} \begin{document} \begin{tikzpicture}[scale=1] % Axes \draw[->,>=latex, gray] (-7.2,0)--(4.2,0); \draw[->,>=latex, gray] (0,-3)--(0,3); % Cercle et segments \draw[thick, gray] (0,0) circle(2.5); \foreach \angle in {45,135,225,315} { \draw[thick,gray] (0,0)--(\angle:2.5); } % Points et étiquettes \foreach \pos/\label in {(-7,0)/z=-4, (2.5,0)/\sqrt{2}, (1.77,0)/1, (0,2.5)/i\sqrt{2}, (0,1.77)/i} { \fill \pos circle (2pt) node[above right] {$\label$}; } \foreach \angle/\name/\position in {45/w_0/above, 135/w_1/above, 225/w_2/below, 315/w_3/below} { \fill (\angle:2.5) circle (2pt) node[\position] {$\name$}; } % Polygone \draw[black, very thick] (45:2.5)--(135:2.5)--(225:2.5)--(315:2.5)--cycle; % Origine \fill (0,0) circle (1.5pt); \end{tikzpicture} \end{document}
Exercice 10 : Résoudre dans $\mathbb{C}$ l'équation $z^3+8\mathbf{i}=0$ puis représenter précisément les solutions dans le plan de Gauss ci-dessous.
source tikz
source tikz
\documentclass[tikz, margin=2mm]{standalone} \usetikzlibrary{ decorations, decorations.markings, hobby,arrows } \usepackage{fourier,amssymb,amsmath} \begin{document} \begin{tikzpicture} % Styles des axes et de la grille \tikzstyle{axe}=[->,>=stealth',thick] \tikzstyle{grille}= [step=1,very thin] \tikzstyle{angle}= [midway,sloped,fill=white] % Axes \def\kl{4.1} \draw[axe] (-\kl,0)--(\kl,0) node [right] {\scriptsize $\mathbb{R}$}; \draw[axe] (0,-\kl)--(0,\kl) node [above] {\scriptsize $\mathbf{i}\mathbb{R}$}; % Clip pour que les figures ne sortent pas du cadre \clip (-\kl,-\kl) rectangle (\kl,\kl); \foreach \r in {1,2,3,4} {\draw[dashed,gray,very thin] (0,0) circle (\r);} \foreach \a in {-45,45,135,-135} {\draw[gray,very thin,dashed] (\a:0.5) -- (\a:\kl);} % Annotations axes et unites %\foreach \a in {-150,-135,-120,-60,-45,-30,30,45,60,135,150} \foreach \a in {30,60,120,150,210,240,300,330} {\draw[gray,thick](0,0)--(\a:5) node [angle]{\color{black} \tiny \a$^\circ$};} \fill[] (0:2cm) circle (2pt) node[below]{ $1$}; \fill[] (90:2cm) circle (2pt) node[left]{ $\mathbf{i}$}; %\fill[red] (270:4cm) circle (2pt) node[above right]{\small{$z_2$}}; %\fill[red] (-120:2cm) circle (2pt) node[right]{\small{$z_4$}}; \end{tikzpicture} \end{document}
Solution
Solution
$z^3=8\operatorname{cis}\left(\frac{3\pi}{2}\right)$
$S_{\mathbb C} = \left\{ 2\operatorname{cis}\left(\frac{\pi}{2}\right) ;2\operatorname{cis}\left(\frac{7\pi}{6}\right) ;2\operatorname{cis}\left(\frac{11\pi}{6}\right) ; \right\}$
source tikz
source tikz
\documentclass[tikz, margin=2mm]{standalone} \usetikzlibrary{ decorations, decorations.markings, hobby,arrows } \usepackage{fourier,amssymb,amsmath} \begin{document} \begin{tikzpicture} % Styles des axes et de la grille \tikzstyle{axe} = [->,>=stealth',thick] \tikzstyle{grille} = [step=1,very thin] \tikzstyle{angle} = [midway,sloped,fill=white] % Axes \def\kl{5} \draw[axe] (-\kl,0)--(\kl,0) node [right] {\scriptsize $\mathbb{R}$}; \draw[axe] (0,-\kl)--(0,\kl) node [above] {\scriptsize $\mathbf{i}\mathbb{R}$}; % Clip pour que les figures ne sortent pas du cadre \clip (-\kl,-\kl) rectangle (\kl,\kl); \foreach \r in {1,2,3,4} {\draw[dashed,gray,very thin] (0,0) circle (\r);} \foreach \a in {-45,45,135,-135} {\draw[gray,very thin,dashed] (\a:0.5) -- (\a:\kl);} \foreach \a in {30,60,120,150,210,240,300,330} {\draw[gray,thick](0,0)--(\a:5) node [angle]{\color{black} \tiny \a$^\circ$};} \fill[] (0:2cm) circle (2pt) node[below]{ $1$}; \fill[] (90:2cm) circle (2pt) node[left]{ $\mathbf{i}$}; \fill[red] (90:4cm) circle (3pt) node[above right]{\small{$2\mathbf{i}$}}; \fill[red] (210:4cm) circle (3pt) node[above left]{\small{$2\operatorname{cis}\left(\frac{7\pi}{6}\right)$}}; \fill[red] (330:4cm) circle (3pt) node[above right]{\small{$2\operatorname{cis}\left(\frac{11\pi}{6}\right)$}}; \end{tikzpicture} \end{document}
Exercice 11 : Donner, sous forme polaire (i.e. trigonométrique), les solutions dans $\mathbb{C}$ de : $$ z^6+(7-{\mathbf{i}})z^3 -8 -8{\mathbf{i}} = 0.$$
(Indication : poser $Z=z^3$)
Solution
Solution
$Z^2+(7-{\mathbf{i}})Z -8 -8\mathbf{i} = 0 \iff Z=1+\mathbf{i} = \sqrt{2} \operatorname{cis}\left(\frac{\pi}{4}\right)$ ou $Z=-8 = 8 \operatorname{cis}\left(\pi\right)$
d'où $z^3=\sqrt{2} \operatorname{cis}\left(\frac{\pi}{4}\right)$ ou $z^3=8 \operatorname{cis}\left(\pi\right)$
$S_{\mathbb C} = \left\{ \sqrt[6]{2} \operatorname{cis}\left(-\frac{7\pi}{12}\right) ; \sqrt[6]{2} \operatorname{cis}\left(\frac{3\pi}{4}\right) ; \sqrt[6]{2} \operatorname{cis}\left(\frac{\pi}{12}\right) ; -2 ; 2 \operatorname{cis}\left(\frac{\pi}{3}\right) ; 2 \operatorname{cis}\left(-\frac{\pi}{3}\right)\right\}$
Exercice 12 : Résoudre sous forme trigonométrique dans $\mathbb{C}$
a) $z^5-1=0$
b) $z^6-2z^3\cos\Par{\phi}+1=0$
Solution
Solution
a) il suffit d'appliquer la racine cinquième de l'unité
b) $z^3=T$ ; $T^2 - 2\cos\Par{\phi}\, T+1=0$ ; $\rho = 4\left(\cos^2\Par{\phi}-1\right) = 4 \, \mathbf{i}^2\, \sin^2 \phi$
$T_{1/2}=\cos\phi\pm\mathbf{i}\, \sin\phi = \textrm{cis}\left(\pm\phi\right)$
$z_k = \textrm{cis}\left(\frac{\phi}{3} + k\frac{2\pi}{3}\right)$ et $z'_k = \textrm{cis}\left(-\frac{\phi}{3} + k\frac{2\pi}{3}\right)$ pour $k\in\left\lbrace 1,2,3 \right\rbrace$ $$S=\left\lbrace z_k, z'_k \mid k\in\left\lbrace 1,2,3 \right\rbrace \right\rbrace$$