Rudiments - Exercice 3

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Question 1

Soit nn un nombre entier naturel. Soit aa et bb deux nombres réels et b≠2πZb \neq 2\pi \mathbb{Z}, c'est-à-dire que bb n'est pas un multiple de 2π2\pi. On note les deux sommes suivantes :
SC=∑k=0ncos⁡(kb+a)S_C = \sum_{k=0}^n \cos(kb + a)
SS=∑k=0nsin⁡(kb+a)S_S = \sum_{k=0}^n \sin(kb + a)
Calculer ces deux sommes.

Correction
Soit ii le nombre complexe imaginaire tel que i2=−1i^2= -1. On constate que :
SC+iSS=∑k=0ncos⁡(kb+a)+i∑k=0nsin⁡(kb+a)=∑k=0n(cos⁡(kb+a)+isin⁡(kb+a))=∑k=0n(ei (kb+a))S_C + i S_S = \sum_{k=0}^n \cos(kb + a) + i \sum_{k=0}^n \sin(kb + a) = \sum_{k=0}^n \left( \cos(kb + a) + i \sin(kb + a) \right) = \sum_{k=0}^n \left( e^{i\, (kb + a)} \right)
En développant l'exponentielle complexe, on obtient :
SC+iSS=∑k=0n(ei kb×ei a)S_C + i S_S = \sum_{k=0}^n \left( e^{i\,kb} \times e^{i\,a} \right)
Comme l'indice de sommation est kk et que le terme ei ae^{i\,a} ne dépend pas de kk, ce terme ei ae^{i\,a} peut donc sortir de la somme. On a alors l'égalité suivante :
SC+iSS=ei a∑k=0n(ei kb)=ei a∑k=0n(ei b)kS_C + i S_S = e^{i\,a}\sum_{k=0}^n \left( e^{i\,kb} \right) = e^{i\,a}\sum_{k=0}^n \left( e^{i\,b} \right)^k
Il s'agit donc d'une somme géométrique de n+1n+1 termes, de premier terme (ei b)0=1\left( e^{i\,b} \right)^0=1 et de raison ei be^{i\,b}. On a alors :
SC+iSS=ei a×(ei b)0×1−(ei b)n+11−ei b=ei a×1×1−ei (n+1)b1−ei b=ei a1−ei (n+1)b1−ei bS_C + i S_S = e^{i\,a} \times \left( e^{i\,b} \right)^0 \times \dfrac{1 - \left( e^{i\,b} \right)^{n+1}}{1 - e^{i\,b}} = e^{i\,a} \times 1 \times \dfrac{1 - e^{i\,(n+1)b}}{1 - e^{i\,b}} = e^{i\,a} \dfrac{1 - e^{i\,(n+1)b}}{1 - e^{i\,b}}
Or, on peut faire usage du jeu d'écriture suivant :
1=e0=ei (b2−b2)=ei b2−i b2=ei b2e−i b21 = e^0 = e^{i\,(\frac{b}{2}-\frac{b}{2})} = e^{i\,\frac{b}{2}-i\,\frac{b}{2}} = e^{i\,\frac{b}{2}} e^{-i\,\frac{b}{2}}
Mais également :
1=e0=ei (n+1)(b2−b2)=ei (n+1)b2−i (n+1)b2=ei (n+1)b2e−i (n+1)b21 = e^0 = e^{i\,(n+1)(\frac{b}{2}-\frac{b}{2})} = e^{i\,(n+1)\frac{b}{2}-i\,(n+1)\frac{b}{2}} = e^{i\,(n+1)\frac{b}{2}} e^{-i\,(n+1)\frac{b}{2}}
Ce qui nous permet d'écrire que :
SC+iSS=ei aei (n+1)b2e−i (n+1)b2−ei (n+1)bei b2e−i b2−ei bS_C + i S_S = e^{i\,a} \dfrac{e^{i\,(n+1)\frac{b}{2}} e^{-i\,(n+1)\frac{b}{2}} - e^{i\,(n+1)b}}{e^{i\,\frac{b}{2}} e^{-i\,\frac{b}{2}} - e^{i\,b}}
Puis, afin d'effectuer une factorisation au numérateur, et au dénominateur, on a écrire que :
ei b=ei (b2+b2)=ei b2ei b2e^{i\,b} = e^{i\,\left( \frac{b}{2} + \frac{b}{2} \right)} = e^{i\,\frac{b}{2}} e^{i\,\frac{b}{2}}
Mais également que :
ei (n+1)b=ei (n+1)(b2+b2)=ei (n+1)b2ei (n+1)b2e^{i\,(n+1)b} = e^{i\,(n+1)\left( \frac{b}{2} + \frac{b}{2} \right)} = e^{i\,(n+1)\frac{b}{2}} e^{i\,(n+1)\frac{b}{2}}
Ainsi, on obtient :
SC+iSS=ei aei (n+1)b2e−i (n+1)b2−ei (n+1)b2ei (n+1)b2ei b2e−i b2−ei b2ei b2=ei aei (n+1)b2ei b2e−i (n+1)b2−ei (n+1)b2e−i b2−ei b2S_C + i S_S = e^{i\,a} \dfrac{{\color{red}{e^{i\,(n+1)\frac{b}{2}}}} e^{-i\,(n+1)\frac{b}{2}} - {\color{red}{e^{i\,(n+1)\frac{b}{2}}}} e^{i\,(n+1)\frac{b}{2}}}{{\color{blue}{e^{i\,\frac{b}{2}}}} e^{-i\,\frac{b}{2}} - {\color{blue}{e^{i\,\frac{b}{2}}}} e^{i\,\frac{b}{2}}} = e^{i\,a} \dfrac{{\color{red}{e^{i\,(n+1)\frac{b}{2}}}}}{{\color{blue}{e^{i\,\frac{b}{2}}}}} \dfrac{ e^{-i\,(n+1)\frac{b}{2}} - e^{i\,(n+1)\frac{b}{2}}}{e^{-i\,\frac{b}{2}} - e^{i\,\frac{b}{2}}}
Ceci peut encore s'écrire comme :
SC+iSS=ei aei (n+1)b2e−i b2ei (n+1)b2−e−i (n+1)b2ei b2−e−i b2=ei (a+nb2)ei (n+1)b2−e−i (n+1)b22iei b2−e−i b22iS_C + i S_S = e^{i\,a} {\color{red}{e^{i\,(n+1)\frac{b}{2}}}} {\color{blue}{e^{-i\,\frac{b}{2}}}} \dfrac{ e^{i\,(n+1)\frac{b}{2}} - e^{-i\,(n+1)\frac{b}{2}}}{e^{i\,\frac{b}{2}} - e^{-i\,\frac{b}{2}}}= e^{i\,\left(a +n \frac{b}{2}\right)} \dfrac{ \dfrac{e^{i\,(n+1)\frac{b}{2}} - e^{-i\,(n+1)\frac{b}{2}}}{2i}}{\dfrac{e^{i\,\frac{b}{2}} - e^{-i\,\frac{b}{2}}}{2i}}
Or, en se souvenant que pour X∈RX \in \mathbb{R}, on a :
sin⁡(X)=eiX−e−iX2i\sin(X) = \dfrac{e^{iX} - e^{-iX}}{2i}
Donc :
SC+iSS=ei (a+nb2)sin⁡((n+1)b2)sin⁡(b2)S_C + i S_S = e^{i\,\left(a +n \frac{b}{2}\right)} \dfrac{\sin\left( (n+1)\dfrac{b}{2} \right) }{\sin\left( \dfrac{b}{2} \right)}
Ainsi, on obtient la formulation suivante :
SC+iSS=(cos⁡(a+nb2)+isin⁡(a+nb2))sin⁡((n+1)b2)sin⁡(b2)S_C + i S_S = \left( \cos\left(a + n \dfrac{b}{2}\right) + i \sin\left(a + n \dfrac{b}{2}\right) \right) \dfrac{\sin\left( (n+1)\dfrac{b}{2} \right) }{\sin\left( \dfrac{b}{2} \right)}
En développant, on obtient l'égalité :
SC+iSS=sin⁡((n+1)b2)sin⁡(b2)cos⁡(a+nb2)+isin⁡((n+1)b2)sin⁡(b2)sin⁡(a+nb2){\color{red}{S_C}} + i {\color{blue}{S_S}} = {\color{red}{\dfrac{\sin\left( (n+1)\dfrac{b}{2} \right) }{\sin\left( \dfrac{b}{2} \right)}\cos\left(a + n \dfrac{b}{2}\right)}} + i {\color{blue}{\dfrac{\sin\left( (n+1)\dfrac{b}{2} \right) }{\sin\left( \dfrac{b}{2} \right)} \sin\left(a + n \dfrac{b}{2}\right) }}
Comme deux nombres complexes sont égaux si leurs parties reˊelles{\color{red}{\text{parties réelles}}} et parties imaginaires{\color{blue}{\text{parties imaginaires}}} sont les mêmes, on en déduit finalement que :
SC=sin⁡((n+1)b2)sin⁡(b2)cos⁡(a+nb2)\color{red}{\boxed{S_C = \dfrac{\sin\left( (n+1)\dfrac{b}{2} \right) }{\sin\left( \dfrac{b}{2} \right)}\cos\left(a + n \dfrac{b}{2}\right) }}    \,\,\, et    \,\,\, SS=sin⁡((n+1)b2)sin⁡(b2)sin⁡(a+nb2)\color{blue}{\boxed{S_S = \dfrac{\sin\left( (n+1)\dfrac{b}{2} \right) }{\sin\left( \dfrac{b}{2} \right)}\sin\left(a + n \dfrac{b}{2}\right) }}

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