Exercice 16 - Exercice 1

1 h
90
Avec les nombres complexes !
Soit xx un nombre réels quelconque.
Soit yy un nombre réels non nul.
Soit ii le nombre complexe tel que i2=−1i^2 = -1.
Soit z=x+i yz = x + i \, y un nombre complexe dont la partie imaginaire est non nulle.
Soit nn un nombre entier naturel non nul.
On désigne par (un)(u_n) la suite complexe dont le terme général est donné par :
un=(1+zn)nu_n = \left( 1 + \dfrac{z}{n} \right)^n
On désigne par θn=arg⁡(1+zn)\theta_n = \arg \left( 1 + \dfrac{z}{n} \right)
Question 1

Calculez ∣un∣|u_n|.

Correction
On a :
∀n∈N⋆,  ∣un∣=∣(1+zn)n∣=∣1+zn∣n=∣1+x+i yn∣n=∣1+xn+i yn∣n=∣(1+xn)+i (yn)∣n\forall n \in \mathbb{N}^\star, \,\, |u_n| = \left| \left( 1 + \dfrac{z}{n} \right)^n \right| = \left| 1 + \dfrac{z}{n} \right|^n = \left| 1 + \dfrac{x + i \, y}{n} \right|^n = \left| 1 + \dfrac{x}{n} + i \, \dfrac{y}{n}\right|^n = \left| \left( 1 + \dfrac{x}{n} \right) + i \, \left( \dfrac{y}{n} \right) \right|^n
Avec :
∣(1+xn)+i (yn)∣=(1+xn)2+(yn)2=(1+2xn+x2n2+y2n2)12=(1+2xn+x2+y2n2)12\left| \left( 1 + \dfrac{x}{n} \right) + i \, \left( \dfrac{y}{n} \right) \right| = \sqrt{ \left( 1 + \dfrac{x}{n} \right)^2 + \left( \dfrac{y}{n} \right)^2 } = \left( 1 + 2\dfrac{x}{n} + \dfrac{x^2}{n^2} + \dfrac{y^2}{n^2} \right)^{\frac{1}{2}} = \left( 1 + \dfrac{2x}{n} + \dfrac{x^2+y^2}{n^2} \right)^{\frac{1}{2}}
D'où :
∀n∈N⋆,  ∣un∣=∣(1+xn)+i (yn)∣n=((1+2xn+x2+y2n2)12)n\forall n \in \mathbb{N}^\star, \,\, |u_n| = \left| \left( 1 + \dfrac{x}{n} \right) + i \, \left( \dfrac{y}{n} \right) \right|^n = \left( \left( 1 + \dfrac{2x}{n} + \dfrac{x^2+y^2}{n^2} \right)^{\frac{1}{2}} \right)^n
Finalement :
∀n∈N⋆,  ∣un∣=(1+2xn+x2+y2n2)n2\forall n \in \mathbb{N}^\star, \,\, |u_n| = \left( 1 + \dfrac{2x}{n} + \dfrac{x^2+y^2}{n^2} \right)^{\frac{n}{2}}
Question 2

Déterminez ℓ=lim⁡n⟶+∞∣un∣\ell = \lim_{n \longrightarrow +\infty} |u_n|.

Correction
On a :
ℓ=lim⁡n⟶+∞∣un∣=lim⁡n⟶+∞(1+2xn+x2+y2n2)n2\ell = \lim_{n \longrightarrow +\infty} |u_n| = \lim_{n \longrightarrow +\infty} \left( 1 + \dfrac{2x}{n} + \dfrac{x^2+y^2}{n^2} \right)^{\frac{n}{2}}
Comme l'exposant est variable, selon la limite souhaitée, nous allons introduire le logarithme népérien afin de transformer cette puissance n2\frac{n}{2} en produit (donc plus simple à manipuler). On a alors :
lim⁡n⟶+∞ln⁡(∣un∣)=lim⁡n⟶+∞ln⁡((1+2xn+x2+y2n2)n2)=lim⁡n⟶+∞n2ln⁡(1+2xn+x2+y2n2)\lim_{n \longrightarrow +\infty} \ln \left( |u_n| \right) = \lim_{n \longrightarrow +\infty} \ln \left( \left( 1 + \dfrac{2x}{n} + \dfrac{x^2+y^2}{n^2} \right)^{\frac{n}{2}} \right) = \lim_{n \longrightarrow +\infty} \dfrac{n}{2} \ln \left( 1 + \dfrac{2x}{n} + \dfrac{x^2+y^2}{n^2} \right)
On constate alors que lim⁡n⟶+∞(2xn+x2+y2n2)=0\lim_{n \longrightarrow +\infty} \left( \dfrac{2x}{n} + \dfrac{x^2+y^2}{n^2} \right) = 0. Ceci implique que l'expression ln⁡(1+2xn+x2+y2n2)\ln \left( 1 + \dfrac{2x}{n} + \dfrac{x^2+y^2}{n^2} \right) à la même limite, lorsque n⟶+∞n \longrightarrow +\infty, que 2xn+x2+y2n2\dfrac{2x}{n} + \dfrac{x^2+y^2}{n^2}. Ainsi, on peut écrire que :
lim⁡n⟶+∞ln⁡(∣un∣)=lim⁡n⟶+∞n2ln⁡(1+2xn+x2+y2n2)=lim⁡n⟶+∞n2(2xn+x2+y2n2)=lim⁡n⟶+∞(n22xn+n2x2+y2n2)\lim_{n \longrightarrow +\infty} \ln \left( |u_n| \right) = \lim_{n \longrightarrow +\infty} \dfrac{n}{2} \ln \left( 1 + \dfrac{2x}{n} + \dfrac{x^2+y^2}{n^2} \right) = \lim_{n \longrightarrow +\infty} \dfrac{n}{2} \left( \dfrac{2x}{n} + \dfrac{x^2+y^2}{n^2} \right) = \lim_{n \longrightarrow +\infty} \left( \dfrac{n}{2}\dfrac{2x}{n} + \dfrac{n}{2}\dfrac{x^2+y^2}{n^2} \right)
Ce qui nous donne :
lim⁡n⟶+∞ln⁡(∣un∣)=lim⁡n⟶+∞(x+x2+y22n)=lim⁡n⟶+∞(x)+lim⁡n⟶+∞(x2+y22n)=x+x2+y22lim⁡n⟶+∞(1n)\lim_{n \longrightarrow +\infty} \ln \left( |u_n| \right) = \lim_{n \longrightarrow +\infty} \left( x + \dfrac{x^2+y^2}{2n} \right) = \lim_{n \longrightarrow +\infty} \left( x \right) + \lim_{n \longrightarrow +\infty} \left( \dfrac{x^2+y^2}{2n} \right) = x + \dfrac{x^2+y^2}{2} \lim_{n \longrightarrow +\infty} \left( \dfrac{1}{n} \right)
Soit :
lim⁡n⟶+∞ln⁡(∣un∣)=x+x2+y22×0+=x+0=x\lim_{n \longrightarrow +\infty} \ln \left( |u_n| \right) = x + \dfrac{x^2+y^2}{2} \times 0^+ = x + 0 = x
Finalement, par introduction de l'exponentielle, on peut conclure que :
ℓ=lim⁡n⟶+∞∣un∣=ex\ell = \lim_{n \longrightarrow +\infty} |u_n| = e^x
Question 3

Déterminez A=lim⁡n⟶+∞θnA = \lim_{n \longrightarrow +\infty} \theta_n.

Correction
On se positionne dans le cas ou le nombre entier naturel nn devient très grand devant sa première valeur possible 11. Dans ce cas, la partie réelle de 1+zn1 + \dfrac{z}{n}, qui est 1+xn1 + \dfrac{x}{n}, deviendra nécessairement positive. Dans ce cas, on aura obligatoirement :
θn=arg⁡(1+zn)∈]−π2 ; π2[\theta_n = \arg \left( 1 + \dfrac{z}{n} \right) \in \left] - \dfrac{\pi}{2} \,;\, \dfrac{\pi}{2} \right[.
Puis, le module rn=∣1+zn∣=1+2xn+x2+y2n2r_n = \left| 1 + \dfrac{z}{n} \right| = \sqrt{ 1 + \dfrac{2x}{n} + \dfrac{x^2+y^2}{n^2} } va tendre vers 11 lorsque lorsque n⟶+∞n \longrightarrow +\infty :
lim⁡n⟶+∞rn=1\lim_{n \longrightarrow +\infty} r_n = 1
On sait également que :
1+zn=(1+xn)+i (yn)=rn ei θn=rn (cos⁡(θn)+i sin⁡(θn))=rn cos⁡(θn)+i rn sin⁡(θn)1 + \dfrac{z}{n} = \left( 1 + \dfrac{x}{n} \right) + i \, \left( \dfrac{y}{n} \right) = r_n \, e^{i \, \theta_n} = r_n \, \left( \cos(\theta_n) + i \, \sin(\theta_n) \right) = r_n \, \cos(\theta_n) + i \, r_n \, \sin(\theta_n)
Donc rn sin⁡(θn)=ynr_n \, \sin(\theta_n) = \dfrac{y}{n}. Ceci implique que sin⁡(θn)=ynrn\sin(\theta_n) = \dfrac{y}{n r_n}. Ainsi, on obtient :
lim⁡n⟶+∞sin⁡(θn)=lim⁡n⟶+∞ynrn=ylim⁡n⟶+∞1nrn=ylim⁡n⟶+∞1n×1=ylim⁡n⟶+∞1n=y×0+=0\lim_{n \longrightarrow +\infty} \sin(\theta_n) = \lim_{n \longrightarrow +\infty} \dfrac{y}{n r_n} = y \lim_{n \longrightarrow +\infty} \dfrac{1}{n r_n} = y \lim_{n \longrightarrow +\infty} \dfrac{1}{n \times 1} = y \lim_{n \longrightarrow +\infty} \dfrac{1}{n} = y \times 0^+ = 0
Cependant, on sait que lorsque le réel XX tend vers 00, sin⁡(X)\sin(X) est équivalent à XX. Autrement dit, lorsque X⟶0X \longrightarrow 0, les deux expressions sin⁡(X)\sin(X) et XX ont des comportements similaires. On note ceci par sin⁡(X)∼0X\sin(X) \underset{0}{\sim} X.
Ainsi, lorsque n⟶+∞n \longrightarrow +\infty, nous avons :
sin⁡(θn)∼n⟶+∞θn\sin(\theta_n) \underset{n \longrightarrow +\infty}{\sim} \theta_n
Nous pouvons donc écrire que :
lim⁡n⟶+∞θn=lim⁡n⟶+∞sin⁡(θn)\lim_{n \longrightarrow +\infty} \theta_n = \lim_{n \longrightarrow +\infty} \sin(\theta_n)
Finalement :
A=lim⁡n⟶+∞θn=0A = \lim_{n \longrightarrow +\infty} \theta_n = 0
Question 4

Déterminer, lorsque n⟶+∞n \longrightarrow + \infty une suite équivalente (simple) à la suite (θn)(\theta_n).

Correction
D'après la question précédente, on sait que :
sin⁡(θn)∼n⟶+∞θn\sin(\theta_n) \underset{n \longrightarrow +\infty}{\sim} \theta_n
Ce qui revient à écrire que :
ynrn∼n⟶+∞θn\dfrac{y}{n r_n} \underset{n \longrightarrow +\infty}{\sim} \theta_n
Mais on a montré, lors de la question précédente, que :
lim⁡n⟶+∞rn=1\lim_{n \longrightarrow +\infty} r_n = 1
Ainsi :
yn∼n⟶+∞θn\dfrac{y}{n} \underset{n \longrightarrow +\infty}{\sim} \theta_n
On peut donc affirmer que, lorsque n⟶+∞n \longrightarrow + \infty, la suite (θn)(\theta_n) est équivalente à la suite (yn)\left( \dfrac{y}{n} \right).
Question 5

Déterminez L=lim⁡n⟶+∞unL = \lim_{n \longrightarrow +\infty} u_n.

Correction
On sait que :
un=∣un∣ ei arg⁡(un)=∣un∣ ei arg⁡((1+zn)n)=∣un∣ ei narg⁡(1+zn)=∣un∣ ei nθnu_n = |u_n| \, e^{i \, \arg(u_n)} = |u_n| \, e^{i \, \arg \left( \left( 1 + \frac{z}{n} \right)^n \right) } = |u_n| \, e^{i \, n\arg \left( 1 + \frac{z}{n} \right) } = |u_n| \, e^{i \, n\theta_n }
Ce qui nous donne :
un=∣un∣(cos⁡(nθn)+i sin⁡(nθn))u_n = |u_n| \left( \cos(n\theta_n) + i \, \sin(n\theta_n) \right)
Ainsi, par passage à la limite, lorsque n⟶+∞n \longrightarrow +\infty, on a :
lim⁡n⟶+∞un=lim⁡n⟶+∞(∣un∣(cos⁡(nθn)+i sin⁡(nθn)))\lim_{n \longrightarrow +\infty} u_n = \lim_{n \longrightarrow +\infty} \left( |u_n| \left( \cos(n\theta_n) + i \, \sin(n\theta_n) \right) \right)
Ce qui nous donne :
lim⁡n⟶+∞un=lim⁡n⟶+∞(∣un∣)×(cos⁡(lim⁡n⟶+∞(nθn))+i sin⁡(lim⁡n⟶+∞(nθn)))\lim_{n \longrightarrow +\infty} u_n = \lim_{n \longrightarrow +\infty} \left( |u_n| \right) \times \left( \cos\left( \lim_{n \longrightarrow +\infty} (n\theta_n) \right) + i \, \sin\left( \lim_{n \longrightarrow +\infty} (n\theta_n) \right) \right)
Soit, avec le résultat de la deuxième question :
lim⁡n⟶+∞un=ex×(cos⁡(lim⁡n⟶+∞(nθn))+i sin⁡(lim⁡n⟶+∞(nθn)))\lim_{n \longrightarrow +\infty} u_n = e^x \times \left( \cos\left( \lim_{n \longrightarrow +\infty} (n\theta_n) \right) + i \, \sin\left( \lim_{n \longrightarrow +\infty} (n\theta_n) \right) \right)
Mais, lorsque n⟶+∞n \longrightarrow + \infty, la suite (θn)(\theta_n) est équivalente à la suite (yn)\left( \dfrac{y}{n} \right). Donc :
lim⁡n⟶+∞(nθn)=y\lim_{n \longrightarrow +\infty} (n\theta_n) = y
Ainsi, on obtient :
lim⁡n⟶+∞un=ex×(cos⁡(y)+i sin⁡(y))\lim_{n \longrightarrow +\infty} u_n = e^x \times \left( \cos\left( y \right) + i \, \sin\left( y \right) \right)
De plus, on sait également que :
cos⁡(y)+i sin⁡(y)=ei y\cos\left( y \right) + i \, \sin\left( y \right) = e^{i \, y}
Ce qui nous permet d'écrire que :
lim⁡n⟶+∞un=ex×ei y\lim_{n \longrightarrow +\infty} u_n = e^x \times e^{i \, y}
De par les propriétés algébriques de la fonction exponentielle, on a :
lim⁡n⟶+∞un=ex+i y\lim_{n \longrightarrow +\infty} u_n = e^{x + i \, y}
Finalement :
L=lim⁡n⟶+∞un=ezL = \lim_{n \longrightarrow +\infty} u_n = e^z

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