Sujet 3 - Exercice 1

30 min
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Un exercice à bien maîtriser !
Question 1
On note par ii le nombre complexe qui satisfait à i2=−1i^2 = -1.
On considère les deux nombres réels aa et bb tels que a<ba<b.
Soit ff une fonction continue de l'intervalle réel [a ; b][a \,;\,b] dans C\mathbb{C}, telle que :
∣∫abf(x) dx∣=∫ab∣f(x)∣ dx\left| \int_a^b f(x) \, dx \right| = \int_a^b \left| f(x) \right| \, dx
On note θ=arg⁡(∫abf(x) dx)\theta = \arg \left( \int_a^b f(x) \, dx \right)
On définit la fonction g:x∈[a ; b]⟶e−iθf(x)g : x \in [a \,;\,b] \longrightarrow e^{-i \theta} f(x).

Déterminer l'argument de la fonction gg.

Correction
Par hypothèse, ff est une fonction continue de l'intervalle réel [a ; b][a \,;\,b] dans C\mathbb{C}. De plus, on note θ=arg⁡(∫abf(x) dx)\theta = \arg \left( \int_a^b f(x) \, dx \right), donc on a :
∫abf(x) dx=reiθ   (r∈R+)\int_a^b f(x) \, dx = r e^{i \theta} \,\,\, (r \in \mathbb{R}^+)
Ainsi :
∣∫abf(x) dx∣=r\left| \int_a^b f(x) \, dx \right| = r
Et :
r=e−iθ∫abf(x) dx=∫abe−iθf(x) dx=∫abg(x) dxr = e^{-i \theta} \int_a^b f(x) \, dx = \int_a^b e^{-i \theta} f(x) \, dx = \int_a^b g(x) \, dx
Donc, selon l'hypothèse de l'énoncé de l'exercice, on a :
r=∫abg(x) dx=∣∫abf(x) dx∣=∫ab∣f(x)∣ dxr = \int_a^b g(x) \, dx = \left| \int_a^b f(x) \, dx \right| = \int_a^b \left| f(x) \right| \, dx
Comme ∣e−iθ∣=1\left| e^{-i \theta} \right| = 1, on a :
∫abg(x) dx=1∫ab∣f(x)∣ dx=∣e−iθ∣∫ab∣f(x)∣ dx=∫ab∣e−iθ∣∣f(x)∣ dx=∫ab∣e−iθf(x)∣ dx=∫ab∣g(x)∣ dx\int_a^b g(x) \, dx = 1 \int_a^b \left| f(x) \right| \, dx = \left| e^{-i \theta} \right| \int_a^b \left| f(x) \right| \, dx = \int_a^b \left| e^{-i \theta} \right| \left| f(x) \right| \, dx = \int_a^b \left| e^{-i \theta} f(x) \right| \, dx = \int_a^b \left| g(x) \right| \, dx
Comme ∣g(x)∣∈R+\left| g(x) \right| \in \mathbb{R}^+ cela implique (puisque a<ba<b) que ∫ab∣g(x)∣ dx∈R+\int_a^b \left| g(x) \right| \, dx \in \mathbb{R}^+ cela implique immédiatement (selon l'égalité précédente) que ∫abg(x) dx∈R+\int_a^b g(x) \, dx \in \mathbb{R}^+. De fait, cela signfie que :
ℑm(∫abg(x) dx)=0   ⟺   ∫abℑm(g(x)) dx=0\Im\mathrm{m} \left( \int_a^b g(x) \, dx \right) = 0 \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, \int_a^b \Im\mathrm{m} \left(g(x) \right) \, dx = 0
Comme ℑm(g(x))∈R\Im\mathrm{m} \left(g(x) \right) \in \mathbb{R} , et que a≠ba \neq b, cela signifie que ∫abℑm(g(x)) dx=0   ⟹   ℑm(g(x))=0\int_a^b \Im\mathrm{m} \left(g(x) \right) \, dx = 0 \,\,\, \Longrightarrow \,\,\, \Im\mathrm{m} \left(g(x) \right) = 0. Ainsi la partie imaginaire de gg est nulle, et ceci pour tout xx de l'intervalle réel [a ; b][a \,;\,b]. Autrement dit, pour tout xx de l'intervalle réel [a ; b][a \,;\,b], l'expression g(x)g(x) est réelle. Ce qui signifie que :
∀x∈[a ; b],  g(x)=ℜeˊ(g(x))\forall x \in [a \,;\,b], \,\, g(x) = \Re\mathrm{é} \left(g(x) \right)
On sait que :
∫abg(x) dx=∫ab∣g(x)∣ dx⩾0\int_a^b g(x) \, dx = \int_a^b \left| g(x) \right| \, dx \geqslant 0
Soit encore :
∫abℜeˊ(g(x)) dx=∫ab∣g(x)∣ dx⩾0\int_a^b \Re\mathrm{é} \left(g(x) \right) \, dx = \int_a^b \left| g(x) \right| \, dx \geqslant 0
Ceci nous permet d'affirmer que ℜeˊ(g(x))⩾0\Re\mathrm{é} \left(g(x) \right) \geqslant 0, c'est-à-dire que :
∀x∈[a ; b],  g(x)=ℜeˊ(g(x))∈R+\forall x \in [a \,;\,b], \,\, g(x) = \Re\mathrm{é} \left(g(x) \right) \in \mathbb{R}^+
Et ceci implique que :
∀x∈[a ; b],  arg⁡(g(x))=0\forall x \in [a \,;\,b], \,\, \arg \left( g(x) \right) = 0
Question 2

Déterminer l'argument de ff.

Correction
D'après la question précédente, on a :
∀x∈[a ; b],  arg⁡(g(x))=0\forall x \in [a \,;\,b], \,\, \arg \left( g(x) \right) = 0
Ce qui s'écrit également comme :
∀x∈[a ; b],  arg⁡(e−iθf(x))=0\forall x \in [a \,;\,b], \,\, \arg \left( e^{-i \theta} f(x) \right) = 0
En faisant usage des propriétés de l'argument complexe, on obtient :
∀x∈[a ; b],  arg⁡(e−iθ)+arg⁡(f(x))=0\forall x \in [a \,;\,b], \,\, \arg \left( e^{-i \theta} \right) + \arg \left( f(x) \right) = 0
Soit :
∀x∈[a ; b],  −θ+arg⁡(f(x))=0\forall x \in [a \,;\,b], \,\, - \theta + \arg \left( f(x) \right) = 0
Finalement :
∀x∈[a ; b],  arg⁡(f(x))=θ\forall x \in [a \,;\,b], \,\, \arg \left( f(x) \right) = \theta

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