Exercices types : 11ère partie - Exercice 1

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On considère l’équation (E):z3=4z2−8z+8\left(E\right) : z^{3} = 4z^{2} -8z +8 ayant pour inconnue le nombre complexe zz.
Question 1

Pour tout nombre complexe zz, démontrer que z3−4z2+8z−8=(z−2)(z2−2z+4)z^{3} -4z^{2} +8z-8=\left(z-2\right)\left(z^{2} -2z+4\right)

Correction
Il nous faut développer (z−2)(z2−2z+4)\left(z-2\right)\left(z^{2} -2z+4\right) .
(z−2)(z2−2z+4)=z3−2z2+4z−2z2+4z−8\left(z-2\right)\left(z^{2} -2z+4\right)=z^{3} -2z^{2} +4z-2z^{2} +4z-8
(z−2)(z2−2z+4)=z3−4z2+8z−8\left(z-2\right)\left(z^{2} -2z+4\right)=z^{3} -4z^{2} +8z-8
Question 2

Résoudre l'équation (E)\left(E\right) .

Correction
On considère l’équation (E):z3=4z2−8z+8\left(E\right) : z^{3} = 4z^{2} -8z +8 que nous pouvons écrire z3−4z2+8z−8=0z^{3} -4z^{2} +8z-8=0
D'après la question 11, nous savons que z3−4z2+8z−8=(z−2)(z2−2z+4)z^{3} -4z^{2} +8z-8=\left(z-2\right)\left(z^{2} -2z+4\right) .
Il en résulte donc que résoudre l'équation z3−4z2+8z−8=0z^{3} -4z^{2} +8z-8=0 revient à résoudre (z−2)(z2−2z+4)=0\left(z-2\right)\left(z^{2} -2z+4\right)=0
Ainsi :
(z−2)(z2−2z+4)=0\left(z-2\right)\left(z^{2} -2z+4\right)=0
C'est une équation produit nul donc z−2=0z-2=0 ou z2−2z+4=0z^{2} -2z+4=0
Calculons d’une part :\red{\text{Calculons d'une part :}} z−2=0z-2=0 alors z=2z=2 .
Calculons d’autre part :\red{\text{Calculons d'autre part :}} z2−2z+4=0z^{2} -2z+4=0
Δ=−12\Delta =-12, il existe donc deux racines complexes conjuguées notées z1z_{1} et z2z_{2} tels que z1=−b−i−Δ2az_{1} =\frac{-b-i\sqrt{-\Delta } }{2a} et z2=−b+i−Δ2az_{2} =\frac{-b+i\sqrt{-\Delta } }{2a}
z1=2−i122z_{1} =\frac{2-i\sqrt{12} }{2} et z2=2+i122z_{2} =\frac{2+i\sqrt{12} }{2}
z1=2−23i2z_{1} =\frac{2-2\sqrt{3}i}{2} et z2=2+23i2z_{2} =\frac{2+2\sqrt{3} i}{2}
Ainsi :
z1=1−i3z_{1} =1-i\sqrt{3}
et
z2=1+i3z_{2} =1+i\sqrt{3}

Donc S={2;1−i3;1+i3}S=\left\{2;1-i\sqrt{3} ;1+i\sqrt{3} \right\}
Question 3

Écrire les solutions de l’équation (E)\left(E\right) sous forme exponentielle.

Correction
D'après la question 22, nous savons que les solutions de l'équation (E)\left(E\right) sont S={2;1−i3;1+i3}S=\left\{2;1-i\sqrt{3} ;1+i\sqrt{3} \right\}.
Premieˋrement :\text{\purple{Premièrement :}} on note z0=2z_{0}=2
∣z0∣=22+02=4=2\left|z_{0} \right|=\sqrt{2^{2} +0^{2} } =\sqrt{4} =2
Pour l'argument θ\theta on sait que {cos⁡(θ)=partie reˊelle de z0module de z0sin⁡(θ)=partie imaginaire de z0module de z0\left\{\begin{array}{ccc} {\cos \left(\theta \right)} & {=} & {\frac{\text{partie réelle de } z_{0}}{\text{module de } z_{0}} } \\ {\sin \left(\theta \right)} & {=} & {\frac{\text{partie imaginaire de } z_{0}}{\text{module de } z_{0} } } \end{array}\right.
On a donc {cos⁡(θ)=22sin⁡(θ)=02\left\{\begin{array}{ccc} {\cos \left(\theta \right)} & {=} & {\frac{2}{2} } \\ {\sin \left(\theta \right)} & {=} & {\frac{0}{2} } \end{array}\right.
d'où {cos⁡(θ)=1sin⁡(θ)=0\left\{\begin{array}{ccc} {\cos \left(\theta \right)} & {=} & {1} \\ {\sin \left(\theta \right)} & {=} & {0} \end{array}\right.
Avec le cercle trigonométrique on en déduit que
θ=0[2π]\theta =0\left[2\pi \right]

Ainsi z0=2=2ei0\red{z_{0}=2=2e^{i0}}
Deuxieˋmement :\text{\purple{Deuxièmement :}} on note z1=1−i3z_{1} =1-i\sqrt{3}
∣z1∣=12+(−3)2=2.\left|z_{1} \right|=\sqrt{1^{2} +\left(-\sqrt{3} \right)^{2} } =2.
Pour l'argument θ\theta on sait que {cos⁡(θ)=partie reˊelle de z1module de z1sin⁡(θ)=partie imaginaire de z1module de z1\left\{\begin{array}{ccc} {\cos \left(\theta \right)} & {=} & {\frac{\text{partie réelle de } z_{1}}{\text{module de } z_{1}} } \\ {\sin \left(\theta \right)} & {=} & {\frac{\text{partie imaginaire de } z_{1}}{\text{module de } z_{1} } } \end{array}\right.
Ainsi : {cos⁡(θ)=12sin⁡(θ)=−32\left\{\begin{array}{ccc} {\cos \left(\theta \right)} & {=} & {\frac{1}{2} } \\ {\sin \left(\theta \right)} & {=} & {\frac{-\sqrt{3} }{2} } \end{array}\right.
Avec le cercle trigonométrique on en déduit que
θ=−π3[2π]\theta =-\frac{\pi }{3} \left[2\pi \right]

Ainsi z1=1−i3=2e−iπ3\red{z_{1}=1-i\sqrt{3}=2e^{-i\frac{\pi }{3} }}
Troisieˋmement :\text{\purple{Troisièmement :}} on note z2=1+i3z_{2} =1+i\sqrt{3}
On remarque que z2z_{2} est le conjugué de z1z_{1} .
Il en résulte donc que : z2=1+i3=2eiπ3\red{z_{2}=1+i\sqrt{3}=2e^{i\frac{\pi }{3} }}
Question 4
On munit le plan complexe d’un repère orthonormé direct (O;u→;v→)\left(O;\overrightarrow{u} ;\overrightarrow{v} \right) .
Soient A,B,CA, B, C et DD les quatre points d’affixes respectives zA=1+i3z_A=1+i\sqrt{3} ; zB=2z_B=2 ; zC=1−i3z_C=1-i\sqrt{3} et zD=1z_D=1 .

Faire une figure.

Correction
Question 5

Quelle est la nature du quadrilatère OABCOABC ? Justifier.

Correction
On conjecture que le quadrilatère OABCOABC est un losange. Il faut donc montrer que OABCOABC est un parallélogramme avec deux cotés consécutifs égaux.
  • Si zAz_{A} et zBz_{B} sont les affixes respectives des points AA et BB dans un repère orthonormé, alors l'affixe du vecteur AB→\overrightarrow{AB} est égale à zAB→=zB−zAz_{\overrightarrow{AB} }=z_{B}-z_{A}.
OABCOABC est un parallélogramme si et seulement si zOA→=zCB→z_{\overrightarrow{OA} }=z_{\overrightarrow{CB} }.
D’une part :\red{\text{D'une part :}}
zOA→=zA−zOz_{\overrightarrow{OA} }=z_{A}-z_{O}
zOA→=1+i3−0z_{\overrightarrow{OA} }=1+i\sqrt{3}-0
zOA→=1+i3z_{\overrightarrow{OA} }=1+i\sqrt{3}

D’autre part :\red{\text{D'autre part :}}
zCB→=zB−zCz_{\overrightarrow{CB} }=z_{B}-z_{C}
zCB→=2−(1−i3)z_{\overrightarrow{CB} }=2-\left(1-i\sqrt{3}\right)
zCB→=2−1+i3z_{\overrightarrow{CB} }=2-1+i\sqrt{3}
zCB→=1+i3z_{\overrightarrow{CB} }=1+i\sqrt{3}

Nous avons bien zOA→=zCB→z_{\overrightarrow{OA} }=z_{\overrightarrow{CB} }. il en résulte que le quadrilatère OABCOABC est un parallélogramme.
Calculons maintenant les mesures des cotés [CO]\left[CO\right] et [OA]\left[OA\right] .
  • CO=∣zO−zC∣=∣0−(1−i3)∣=∣−1+i3∣=(−1)2+(3)2=2CO=\left|z_{O} -z_{C} \right|=\left|0-\left(1-i\sqrt{3} \right)\right|=\left|-1+i\sqrt{3} \right|=\sqrt{\left(-1\right)^{2} +\left(\sqrt{3} \right)^{2} } =2
  • OA=∣zA−zO∣=∣1+i3∣=12+(3)2=2OA=\left|z_{A} -z_{O} \right|=\left|1+i\sqrt{3} \right|=\sqrt{1^{2} +\left(\sqrt{3} \right)^{2} } =2
  • Finalement, OABCOABC est un parallélogramme avec deux cotés consécutifs égaux. Autrement dit, OABCOABC est un losange.
    Question 6
    Soit MM le point d’affixe zM=74+i34z_M=\frac{7}{4}+i\frac{\sqrt{3}}{4} .

    Démontrer que les points A,MA, M et BB sont alignés.

    Correction
    • Si zAz_{A} et zBz_{B} sont les affixes respectives des points AA et BB dans un repère orthonormé, alors l'affixe du vecteur AB→\overrightarrow{AB} est égale à zAB→=zB−zAz_{\overrightarrow{AB} }=z_{B}-z_{A}.
    Calculons d’une part :\red{\text{Calculons d'une part :}}
    zAM→=zM−zAz_{\overrightarrow{AM} }=z_{M}-z_{A}
    zAM→=74+i34−1−i3z_{\overrightarrow{AM} } =\frac{7}{4} +i\frac{\sqrt{3} }{4} -1-i\sqrt{3}
    zAM→=74+i34−44−i434z_{\overrightarrow{AM} } =\frac{7}{4} +i\frac{\sqrt{3} }{4} -\frac{4}{4} -i\frac{4\sqrt{3} }{4}
    zAM→=34−i334z_{\overrightarrow{AM} } =\frac{3}{4} -i\frac{3\sqrt{3} }{4}
    zAM→=34(1−i3)z_{\overrightarrow{AM} } =\frac{3}{4} \left(1-i\sqrt{3} \right)
    Calculons d’autre part :\red{\text{Calculons d'autre part :}}
    zAB→=zB−zAz_{\overrightarrow{AB} }=z_{B}-z_{A}
    zAB→=2−(1+i3)z_{\overrightarrow{AB} } =2-\left(1+i\sqrt{3} \right)
    zAB→=2−1−i3z_{\overrightarrow{AB} } =2-1-i\sqrt{3}
    zAB→=1−i3z_{\overrightarrow{AB} } =1-i\sqrt{3}
    On remarque que : zAM→=34×zAB→z_{\overrightarrow{AM} }=\frac{3}{4}\times z_{\overrightarrow{AB} }
    Les vecteurs AB→\overrightarrow{AB} et AM→\overrightarrow{AM} sont colineˊaires\blue{\text{colinéaires}} donc les points A,MA, M et BB sont alignés.
    Question 7

    Démontrer que le triangle DMBDMB est rectangle.

    Correction
    On conjecture que le triangle DMBDMB est rectangle en MM .
      Soient AA et BB deux points d'affixe respective zAz_A et zBz_B .
  • La distance\red{\text{distance}} ABAB est égale à AB=∣zB−zA∣=∣zA−zB∣AB=\left|z_{B} -z_{A} \right|=\left|z_{A} -z_{B} \right|
  • DM=∣zM−zD∣⇔DM=∣74+i34−1∣⇔DM=∣34+i34∣⇔DM=(34)2+(34)2⇔DM=32DM=\left|z_{M} -z_{D} \right|\Leftrightarrow DM=\left|\frac{7}{4}+i\frac{\sqrt{3}}{4}-1\right|\Leftrightarrow DM=\left|\frac{3}{4}+i\frac{\sqrt{3}}{4}\right|\Leftrightarrow DM=\sqrt{\left(\frac{3}{4}\right)^{2} + \left(\frac{\sqrt{3}}{4}\right)^{2}} \Leftrightarrow DM=\frac{\sqrt{3}}{2}
  • BM=∣zM−zB∣⇔BM=∣74+i34−2∣⇔BM=∣−14+i34∣⇔BM=(−14)2+(34)2⇔BM=12BM=\left|z_{M} -z_{B} \right|\Leftrightarrow BM=\left|\frac{7}{4}+i\frac{\sqrt{3}}{4}-2\right|\Leftrightarrow BM=\left|-\frac{1}{4}+i\frac{\sqrt{3}}{4}\right|\Leftrightarrow BM=\sqrt{\left(-\frac{1}{4}\right)^{2} + \left(\frac{\sqrt{3}}{4}\right)^{2}} \Leftrightarrow BM=\frac{1}{2}
  • BD=∣zD−zB∣⇔BD=∣2−1∣⇔BD=∣1∣⇔BD=1BD=\left|z_{D} -z_{B} \right|\Leftrightarrow BD=\left|2-1\right|\Leftrightarrow BD=\left|1\right|\Leftrightarrow BD=1
  • On veˊrifie que : \red{\text{On vérifie que : }}
    BD2=1BD^{2} =1 et que DM2+BM2=(32)2+(12)2=1DM^{2}+BM^{2} =\left(\frac{\sqrt{3}}{2}\right)^{2}+\left(\frac{1}{2}\right)^{2}=1
    D'après la réciproque du théorème de Pythagore, le triangle DMBDMB est rectangle en MM.

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