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Les complexes – révisions prépa 3

🔷 Les nombres complexes — Partie 3

Exponentielles complexes et racines n-ièmes · 18 exercices corrigés

Exercice 1 ⭐⭐

On donne j=−12+i32.

  1. Déterminer une forme exponentielle de j.

  2. En déduire une forme exponentielle, puis la forme algébrique de j2.

  3. Démontrer que 1+j+j2=0.

  4. Déterminer une forme exponentielle de chacun des nombres complexes :

    • j¯

    • j3

    • j15

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On reconnaît que : j=cos(2π3)+isin(2π3)=ei2π3.

Alors : j2=ei4π3=−12−i32.

On vérifie : 1+j+j2=1+(−12+i32)+(−12−i32)=0.

De plus : j¯=e−i2π3,j3=ei2π=1,j15=(j3)5=1.

Exercice 2 ⭐⭐⭐

  1. Résoudre, dans l’ensemble des nombres complexes, l’équation z5=1 .

  2. Factoriser le polynôme z5−1 sous la forme d’un produit de trois polynômes à coefficients réels.

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  1. Résolution de z5=1 et 1re factorisation .
    Les solutions sont les racines 5-ièmes de l’unité : ζk=ei2kπ5,k=0,1,2,3,4.

    z5−1=∏k=04(z−ζk)=(z−1)(z−ei2π5)(z−ei4π5)(z−ei6π5)(z−ei8π5).

  2. On regroupe par paires pour obtenir des coefficients réels
    Le polynôme z5−1 a des coefficients réels est donc les racines non réelles apparaissent par paires conjuguées. Ici : eiθ¯=e−iθ,doncei2π5va avece−i2π5=ei8π5,ei4π5va avece−i4π5=ei6π5. On regroupe donc (k,5−k) : (1,4) et (2,3).

    Regroupement en binômes conjugués et apparition des cosinus.
    Pour tout θ∈ℝ, (z−eiθ)(z−e−iθ)=z2−(eiθ+e−iθ)z+1=z2−2cosθz+1.

    En appliquant cela aux paires ci-dessus, on obtient deux facteurs à coefficients réels :

    (z−ei2π5)(z−ei8π5)=z2−2cos(2π5)z+1, (z−ei4π5)(z−ei6π5)=z2−2cos(4π5)z+1. Factorisation finale (en 3 facteurs réels) : z5−1=(z−1)(z2−2cos2π5z+1)(z2−2cos4π5z+1).

    Vérifications

    Posons a=cos2π5 et b=cos4π5. On sait (identités trigonométriques) que a+b=cos2π5+cos4π5=−12,ab=cos2π5cos4π5=−14. Alors (z2−2az+1)(z2−2bz+1)=z4−2(a+b)z3+(4ab+2)z2−2(a+b)z+1=z4+z3+z2+z+1, ce qui redonne bien le facteur Φ(z)=z4+z3+z2+z+1. On a donc : (z−1)Φ(z)=(z−1)(z4+z3+z2+z+1)=(z−1)(z2−2cos2π5z+1)(z2−2cos4π5z+1).

Exercice 3 ⭐⭐⭐

  1. Résoudre, dans l’ensemble des nombres complexes, l’équation z7=1 .

  2. Factoriser le polynôme z7−1 sous la forme d’un produit de trois polynômes à coefficients réels.

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  1. Résolution de z7=1 et 1re factorisation (7 facteurs linéaires).
    Les solutions sont les racines 7-ièmes de l’unité : ζk=ei2kπ7,k=0,1,2,3,4,5,6.

    z7−1=∏k=06(z−ζk)=(z−1)(z−ei2π7)(z−ei4π7)(z−ei6π7)(z−ei8π7)(z−ei10π7)(z−ei12π7).

  2. Regroupement par paires conjuguées pour obtenir des coefficients réels.
    Le polynôme z7−1 a des coefficients réels, donc les racines non réelles apparaissent par paires conjuguées. Ici : eiθ¯=e−iθ⇒{ei2π7avece−i2π7=ei12π7,ei4π7avece−i4π7=ei10π7,ei6π7avece−i6π7=ei8π7. On regroupe donc (k,7−k) : (1,6),(2,5),(3,4).

    Binômes conjugués et apparition des cosinus.
    Pour tout θ∈ℝ, (z−eiθ)(z−e−iθ)=z2−(eiθ+e−iθ)z+1=z2−2cosθz+1. En appliquant cela aux trois paires ci-dessus, on obtient les trois facteurs quadratiques réels : (z−ei2π7)(z−ei12π7)=z2−2cos(2π7)z+1, (z−ei4π7)(z−ei10π7)=z2−2cos(4π7)z+1, (z−ei6π7)(z−ei8π7)=z2−2cos(6π7)z+1. Factorisation finale (4 facteurs réels) : z7−1=(z−1)(z2−2cos2π7z+1)(z2−2cos4π7z+1)(z2−2cos6π7z+1).

Exercice 4 ⭐⭐

Résoudre dans ℂ : z6=3.

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  1. Forme exponentielle du second membre. 3=3ei⋅0.

  2. Solutions. z=ρeiφ vérifie z6=3⇔ρ6=3 et 6φ≡0(mod2π), d’où zk=316ei2kπ6,k=0,1,2,3,4,5.

Exercice 5 ⭐⭐

Résoudre dans ℂ : z7=4.

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  1. Forme exponentielle du second membre. 4=4ei⋅0.

  2. Solutions. z7=4⇔ρ7=4,7φ≡0(mod2π), donc zk=417ei2kπ7,k=0,1,2,3,4,5,6.

Exercice 6 ⭐⭐

Résoudre dans ℂ : z3=−8.

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  1. Forme exponentielle du second membre. −8=8eiπ.

  2. Solutions. z3=−8⇔ρ3

    =8,3φ≡π(mod2π) , donc zk=2eiπ+2kπ3,k=0,1,2. (Facultatif algébrique) : z∈{−2,1+i3,1−i3}.

Exercice 7 ⭐⭐

Résoudre dans ℂ : z2=−4.

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  1. Forme exponentielle du second membre. −4=4eiπ.

  2. Solutions. z2=−4⇔ρ2

    =4,2φ≡π(mod2π) , donc z=2eiπ2=2iouz=2ei3π2=−2i.

Exercice 8 ⭐⭐

Résoudre dans ℂ : z4=i.

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  1. Forme exponentielle du second membre. i=eiπ2.

  2. Solutions. z4=i⇔ρ4

    =1,4φ≡π2(mod2π) , donc zk=ei(π8+kπ2),k=0,1,2,3. (Option) : en algébrique, ce sont les quatre points aux angles 22,5∘,112,5∘,202,5∘,292,5∘ .

Exercice 9 ⭐⭐

Résoudre dans ℂ : z5=1−i.

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  1. Forme exponentielle du second membre. 1−i=2e−iπ4 (module 2, argument −π4).

  2. Solutions. z5=1−i⇔ρ5

    =2,5φ≡−π4(mod2π) , donc zk=215ei(−π20+2kπ5),k=0,1,2,3,4.

Exercice 10 ⭐⭐

  1. Résoudre, dans l’ensemble des nombres complexes, l’équation z5=−32 .

  2. Factoriser le polynôme z5+32 sous la forme d’un produit de trois polynômes à coefficients réels.

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On écrit −32=32eiπ.

Les solutions sont : zk=2eiπ+2kπ5,k=0,1,2,3,4.

Donc : z5+32=(z−2eiπ5)(z−2ei3π5)(z−2eiπ)(z−2ei7π5)(z−2ei9π5).

On regroupe par paires de conjugués pour obtenir trois polynômes à coefficients réels : z5+32=(z+2)(z2−4cosπ5z+4)(z2−4cos3π5z+4).

Exercice 11 ⭐⭐

  1. Résoudre, dans l’ensemble des nombres complexes, l’équation z6=−1 .

  2. Mettre le polynôme z6+1 sous la forme d’un produit de trois polynômes à coefficients réels.

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On écrit −1=eiπ.

Les solutions sont : zk=eiπ+2kπ6,k=0,1,2,3,4,5.

Donc : z6+1=∏k=05(z−ei(2k+1)π6).

On regroupe par paires conjuguées : z6+1=(z2+1)(z2−3z+1)(z2+3z+1).

Exercice 12 ⭐⭐

Soit ω=ei2π7.
On considère S=ω+ω2+ω4 et T=ω3+ω5+ω6.
Calculer S×T. En déduire S et T.

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  1. Somme immédiate. Comme ω7=1 et ω≠1, 1+ω+ω2+ω3+ω4+ω5+ω6=0⇒ω+ω2+⋯+ω6=−1. Donc S+T=(ω+ω2+⋯+ω6)=−1.

  2. Produit rapide (développement puis réduction mod 7). ST=(ω+ω2+ω4)(ω3+ω5+ω6)=ω1+3+ω1+5+ω1+6+ω2+3+ω2+5+ω2+6+ω4+3+ω4+5+ω4+6=ω4+ω6+ω7+ω5+ω7+ω8+ω7+ω9+ω10. Or ω7=1, ω8=ω, ω9=ω2, ω10=ω3, donc ST=(ω+ω2+ω3+ω4+ω5+ω6)+3⋅1=(−1)+3=2.

  3. Équation quadratique (“caractéristique”) pour u∈{S,T}. Tout nombre u parmi S,T vérifie u2−(S+T)u+ST=0⇔u2+u+2=0. Ainsi u=−1±i72. De plus, comme T=S¯ (les ensembles d’exposants sont conjugués : {1,2,4}↦{6,5,3}), on choisit S=−1+i72,T=−1−i72.

  4. Vérification éclair (optionnelle). S+T=−1 et ST=|S|2=2 (puisque T=S¯). Tout est cohérent.

Exercice 13 ⭐⭐

  1. Résoudre z12=1 dans ℂ.
    Donner forme trigonométrique puis quelques formes algébriques usuelles (on peut utiliser ±).

  2. En déduire les solutions de z8+z4+1=0.

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(a) zk=ei2kπ12=eikπ6,k=0,…,11.

Formes usuelles : ±1,±i,±(32±i2),±(12±i32) .


(b) z12−1=(z4−1)(z8+z4+1). Donc z8+z4+1=0⇔z12=1 et z4≠1.

z=eikπ6,k∈{1,2,4,5,7,8,10,11}.

Exercice 14 ⭐⭐⭐

  1. Donner, sous forme exponentielle, les solutions de z5=1.

  2. On remarque −i=(e−iπ/10)5. En déduire les solutions de z5=−i.

  3. En déduire les solutions de 1+iz−z2−iz3+z4=0.

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(a) z=ei2kπ5,k=0,…,4.
(b) z5=−i⇔z=ei(−π10+2kπ5),k=0,…,4.
(c) Posons P(z)=z4−iz3−z2+iz+1. On a z5+i=(z+i)P(z). Donc P(z)=0⇔z5=−i et z≠−i. Conclusion : les solutions sont les 5 racines de −i sauf z=−i.

Exercice 15 ⭐⭐

  1. Donner l’écriture exponentielle des nombres complexes suivants : ±1,±i,±2i,±2±i2.

  2. Déterminer, sous forme exponentielle, les deux racines carrées de chacun des nombres précédents. Exprimer ces racines sous la forme algébrique.

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(a) Écriture exponentielle des nombres donnés.

On écrit toujours z=reiθ avec r=|z|>0 et θ=arg(z). ±1:1=ei⋅0,−1=eiπ.±i:i=eiπ2,−i=e−iπ2.±2i:2i=2eiπ2,−2i=2e−iπ2.±2±i2:2+i2=2eiπ4,2−i2=2e−iπ4,−2+i2=2ei3π4,−2−i2=2e−i3π4.

(b) Méthode générale pour w2=z (sans « racine carrée » complexe).

Si z=reiθ avec r>0, on cherche w=ρeiφ tel que w2=ρ2ei2φ=reiθ. On obtient le système : ρ2=r⇒ρ=r(réel positif),2φ≡θ(mod2π)⇒φ=θ2 ou φ=θ2+π. Ainsi, les deux solutions sont toujours w1=reiθ2,w2=−w1=rei(θ2+π).

Application explicite à chaque nombre (avec forme algébrique quand elle est « propre »).

z=1=ei⋅0 : r=1,θ=0. w1=ei⋅0=1,w2=−1.

z=−1=eiπ : r=1,θ=π. w1=eiπ2=i,w2=−i.

z=i=eiπ2 : r=1,θ=π2. w1=eiπ4=22(1+i),w2=−w1=−22(1+i).

z=−i=e−iπ2 : r=1,θ=−π2. w1=e−iπ4=22(1−i),w2=−w1=−22(1−i).

z=2i=2eiπ2 : r=2,θ=π2, donc r=2. w1=2eiπ4=1+i,w2=−(1+i).

z=−2i=2e−iπ2 : r=2,θ=−π2. w1=2e−iπ4=1−i,w2=−(1−i).

z=2+i2=2eiπ4 : r=2,θ=π4. w1=2eiπ8=2(cosπ8+isinπ8),w2=−w1.

z=2−i2=2e−iπ4 : r=2,θ=−π4. w1=2e−iπ8,w2=−w1.

z=−2+i2=2ei3π4 : r=2,θ=3π4. w1=2ei3π8=2(cos3π8+isin3π8),w2=−w1.

z=−2−i2=2e−i3π4 : r=2,θ=−3π4. w1=2e−i3π8,w2=−w1.

Exercice 16 ⭐⭐

Soit z=3+4i. Déterminer sous la forme algébrique les deux racines carrées de z.

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Cherchons w=a+ib tel que w2=z. Système : a2−b2=3,2ab=4⇒ab=2.

De plus, avec le module de z, on obtiens a2+b2=32+42=5.

Donc a2−b2=3 et a2+b2=5 et donc a2=4 .

Avec ab=2, on obtient ainsi a=2,b=1 ou a=−2,b=−1.

z∈{2+i,−2−i}.

Exercice 17 ⭐⭐

Résoudre les équations suivantes (pour (d), on pourra utiliser le résultat précédent ):

  1. z2=1, z3=1, z4=1, z5=1 ;

  2. z2−6z+25=0 ;

  3. z2−(1+i)z+i=0 ;

  4. z2−(6+5i)z+(2+14i)=0.

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(a) Racines de l’unité :
z2=1⇒z∈{1,−1}; z3=1⇒z=ei2kπ3; z4=1⇒z=eikπ2; z5=1⇒z=ei2kπ5.

(b) Δ=36−100=−64⇒z=3±4i.

(c) Δ=(1+i)2−4i=−2i=(1−i)2⇒z=(1+i)±(1−i)2∈{1,i}.

(d) Δ=(6+5i)2−4(2+14i)=3+4i=(2+i)2⇒z=6+5i±(2+i)2∈{4+3i,2+2i}.

Remarque: on a utilisé le résultat de l’exercice précédent.

Exercice 18 ⭐⭐⭐

On considère z=eiθ avec θ∈ℝ.

  1. Calculer 11−z en développant au numérateur avec le conjugué.

  2. Montrer que 11−eiθ=12+i2cot(θ2).

  3. En déduire que pour les racines n-ièmes de l’unité (autres que 1), la somme des inverses est égale à −1.

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On a : 11−z=1−z¯|1−z|2.

Si z=eiθ, on obtient après calcul : 11−eiθ=12+i2cot(θ2).

Si z1,…,zn−1 sont les racines n-ièmes de l’unité différentes de 1, alors ∑k=1n−11zk=1z1+…+1zn−1=z1¯+…+zn−1¯=z1+…+zn−1¯. Or la somme des n racines est 0, donc 1+z1+z2+…+zn−1=0⇒z1+…+zn−1=−1.

donc ∑k=1n−11zk=z1+…+zn−1¯=−1¯=−1.