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Les nombres complexes (racines carrées et racines nièmes)

Pour être au top ! - Exercice 2

45 min
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Question 1

Soit aa un nombre réel tel que ]π;π]]\, - \pi \,;\, \pi\,]. On pose z=1+cos(a)+isin(a)1+sin(2a)+i1sin(2a)z = \dfrac{1 + \cos(a) + i \sin (a)}{\sqrt{1 + \sin(2a)} + i \sqrt{1 - \sin(2a)}}. Déterminer, suivant la valeur de aa, le module et les arguments de zz.

Correction
On a les expressions suivantes :
1+cos(a)+isin(a)=2(1+cos(a)2)+isin(2×a2)=2cos2(a2)+2icos(a2)sin(a2)1 + \cos(a) + i \sin (a) = 2 \left( \dfrac{1 + \cos(a)}{2} \right) + i \sin\left( 2 \times \dfrac{a}{2} \right) = 2 \cos^2\left( \dfrac{a}{2} \right) + 2i \cos\left( \dfrac{a}{2} \right) \sin\left( \dfrac{a}{2} \right)
En factorisant, on obtient :
1+cos(a)+isin(a)=2cos(a2)(cos(a2)+isin(a2))1 + \cos(a) + i \sin (a) = 2 \cos\left( \dfrac{a}{2} \right) \left( {\color{blue}{\cos\left( \dfrac{a}{2} \right) + i \sin\left( \dfrac{a}{2} \right) }} \right)
Avec la notation exponentielle, on trouve finalement que :
1+cos(a)+isin(a)=2cos(a2)×eia21 + \cos(a) + i \sin (a) = 2 \cos\left( \dfrac{a}{2} \right) \times {\color{blue}{e^{i\frac{a}{2}} }}
De plus :
1+sin(2a)=1+cos(π22a)=21+cos(π22a)2=2cos2(π4a)1 + \sin(2a) = 1 + \cos \left( \dfrac{\pi}{2} -2a\right) = 2 \dfrac{1 + \cos \left( \dfrac{\pi}{2} -2a\right)}{2} = 2 \cos^2\left( \dfrac{\pi}{4} - a\right)
Soit :
1+sin(2a)=2cos(π4a)\sqrt{1 + \sin(2a)} = \sqrt{2} \left\vert \cos\left( \dfrac{\pi}{4} - a\right) \right\vert
Puis :
1sin(2a)=1cos(π22a)=21cos(π22a)2=2sin2(π4a)1 - \sin(2a) = 1 - \cos \left( \dfrac{\pi}{2} -2a\right) = 2 \dfrac{1 - \cos \left( \dfrac{\pi}{2} -2a\right)}{2} = 2 \sin^2\left( \dfrac{\pi}{4} - a\right)
Soit :
1sin(2a)=2sin(π4a)\sqrt{1 - \sin(2a)} = \sqrt{2} \left\vert \sin\left( \dfrac{\pi}{4} - a\right) \right\vert
Ainsi, on a :
z=1+cos(a)+isin(a)1+sin(2a)+i1sin(2a)=2cos(a2)×eia22(cos(π4a)+isin(π4a))z = \dfrac{1 + \cos(a) + i \sin (a)}{\sqrt{1 + \sin(2a)} + i \sqrt{1 - \sin(2a)}} = \dfrac{2 \cos\left( \dfrac{a}{2} \right) \times {\color{blue}{e^{i\frac{a}{2}} }}}{\sqrt{2} \left( \left\vert \cos\left( \dfrac{\pi}{4} - a\right) \right\vert + i \left\vert \sin\left( \dfrac{\pi}{4} - a\right) \right\vert \right)}
Soit encore :
z=1+cos(a)+isin(a)1+sin(2a)+i1sin(2a)=2cos(a2)×eia2cos(π4a)+isin(π4a)z = \dfrac{1 + \cos(a) + i \sin (a)}{\sqrt{1 + \sin(2a)} + i \sqrt{1 - \sin(2a)}} = \dfrac{\sqrt{2} \cos\left( \dfrac{a}{2} \right) \times {\color{blue}{e^{i\frac{a}{2}} }}}{\left\vert \cos\left( \dfrac{\pi}{4} - a\right) \right\vert + i \left\vert \sin\left( \dfrac{\pi}{4} - a\right) \right\vert}
A ce stade, on constate que, puisque a]π;π]a \in ]\, - \pi \,;\, \pi\,] alors a2]π2;π2]\dfrac{a}{2} \in \left]\, - \dfrac{\pi}{2} \,;\, \dfrac{\pi}{2}\,\right]. Dans ce cas cos(a2)0\cos\left( \dfrac{a}{2} \right) \geqslant 0. De plus, en remarquant que :
cos(π4a)+isin(π4a)=1\left\vert \left\vert \cos\left( \dfrac{\pi}{4} - a\right) \right\vert + i \left\vert \sin\left( \dfrac{\pi}{4} - a\right) \right\vert \right\vert = 1
On peut donc affirmer que :
z=2cos(a2){\color{red}{\boxed{|\, z \,| = \sqrt{2}\cos\left( \dfrac{a}{2} \right)}}}
On constate que si a=πa = \pi alors z=0|\, z \,| = 0. Dans ce cas, l'argument de zz n'existera pas.
En ce qui concerne l'étude de l'argument de zz, il nous faut conduire une étude de l'expression du dénominateur en fonction des valeurs de aa. On sait que :
a]π;π]π<aππa<ππ+π4π4a<π+π4a \in ]\, - \pi \,;\, \pi\,] \,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\, - \pi < a \leqslant \pi \,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\, - \pi \leqslant - a < \pi \,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\, - \pi + \dfrac{\pi}{4} \leqslant \dfrac{\pi}{4} - a < \pi + \dfrac{\pi}{4}
Ce qui nous donne :
3π4π4a<5π4-\dfrac{3\pi}{4} \leqslant \dfrac{\pi}{4} - a < \dfrac{5\pi}{4}
Puis, on a :
{cos(π4a)0sin(π4a)0{π2π4aπ20π4aπ{π4a3π43π4aπ4\left\lbrace \begin{array}{rcl} \cos\left( \dfrac{\pi}{4} - a \right) & \geqslant & 0 \\ & & \\ \sin\left( \dfrac{\pi}{4} - a \right) & \geqslant & 0 \\ \end{array} \right. \,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\, \left\lbrace \begin{array}{rcccl} - \dfrac{\pi}{2} & \leqslant & \dfrac{\pi}{4} - a & \leqslant & \dfrac{\pi}{2} \\ & & & & \\ 0 & \leqslant & \dfrac{\pi}{4} - a & \leqslant & \pi \\ \end{array} \right. \,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\, \left\lbrace \begin{array}{rcccl} - \dfrac{\pi}{4} & \leqslant & a & \leqslant & \dfrac{3\pi}{4} \\ & & & & \\ -\dfrac{3\pi}{4} & \leqslant & a & \leqslant & \dfrac{\pi}{4} \\ \end{array} \right.
Donc, on en déduit que :
{a]π;π4[]3π4;π]cos(π4a)<0a]π;3π4[]π4;π]sin(π4a)<0\left\lbrace \begin{array}{lcr } a \in \left] - \pi \,;\, -\dfrac{\pi}{4} \right[ \bigcup \left] \dfrac{3\pi}{4} \,;\, \pi \right] & \Longrightarrow & \cos\left( \dfrac{\pi}{4} - a \right) < 0 \\ & & \\ a \in \left] - \pi \,;\, -\dfrac{3\pi}{4} \right[ \bigcup \left] \dfrac{\pi}{4} \,;\, \pi \right] & \Longrightarrow & \sin\left( \dfrac{\pi}{4} - a \right) < 0 \\ \end{array} \right.
Nous allons donc balayer les valeur de aa en partant de π- \pi pour aboutir à π\pi tout en indiquant les expressions associées de cos(π4a)=±cos(π4a)\left\vert \cos\left( \dfrac{\pi}{4} - a\right) \right\vert = \pm \cos\left( \dfrac{\pi}{4} - a\right) et sin(π4a)=±sin(π4a)\left\vert \sin\left( \dfrac{\pi}{4} - a\right) \right\vert = \pm \sin\left( \dfrac{\pi}{4} - a\right). On a alors pouir le dénominateur de zz les expressions suivantes :
cos(π4a)+isin(π4a)=cos(π4a)isin(π4a)\bullet \,\,\, \left\vert \cos\left( \dfrac{\pi}{4} - a\right) \right\vert + i \left\vert \sin\left( \dfrac{\pi}{4} - a\right) \right\vert = -\cos\left( \dfrac{\pi}{4} - a\right) - i \sin\left( \dfrac{\pi}{4} - a\right) pour π<a3π4- \pi < a \leqslant -\dfrac{3\pi}{4}
cos(π4a)+isin(π4a)=cos(π4a)+isin(π4a)\bullet \bullet \,\,\, \left\vert \cos\left( \dfrac{\pi}{4} - a\right) \right\vert + i \left\vert \sin\left( \dfrac{\pi}{4} - a\right) \right\vert = -\cos\left( \dfrac{\pi}{4} - a\right) + i \sin\left( \dfrac{\pi}{4} - a\right) pour 3π4aπ4-\dfrac{3\pi}{4} \leqslant a \leqslant -\dfrac{\pi}{4}
cos(π4a)+isin(π4a)=cos(π4a)+isin(π4a)\bullet \bullet \bullet \,\,\, \left\vert \cos\left( \dfrac{\pi}{4} - a\right) \right\vert + i \left\vert \sin\left( \dfrac{\pi}{4} - a\right) \right\vert = \cos\left( \dfrac{\pi}{4} - a\right) + i \sin\left( \dfrac{\pi}{4} - a\right) pour π4aπ4-\dfrac{\pi}{4} \leqslant a \leqslant \dfrac{\pi}{4}
cos(π4a)+isin(π4a)=cos(π4a)isin(π4a)\bullet \bullet \bullet \bullet \,\,\, \left\vert \cos\left( \dfrac{\pi}{4} - a\right) \right\vert + i \left\vert \sin\left( \dfrac{\pi}{4} - a\right) \right\vert = \cos\left( \dfrac{\pi}{4} - a\right) - i \sin\left( \dfrac{\pi}{4} - a\right) pour π4a3π4\dfrac{\pi}{4} \leqslant a \leqslant \dfrac{3\pi}{4}
cos(π4a)+isin(π4a)=cos(π4a)isin(π4a)\bullet \bullet \bullet \bullet \bullet \,\,\, \left\vert \cos\left( \dfrac{\pi}{4} - a\right) \right\vert + i \left\vert \sin\left( \dfrac{\pi}{4} - a\right) \right\vert = -\cos\left( \dfrac{\pi}{4} - a\right) - i \sin\left( \dfrac{\pi}{4} - a\right) pour 3π4aπ\dfrac{3\pi}{4} \leqslant a \leqslant \pi
Nous allons maintenant pouvoir utiliser l'exponentielle complexe afin de faire aparaitre l'argument du dénominateur. Nous devons faire attention aux signes présents devant les termes cos(π4a)\cos\left( \dfrac{\pi}{4} - a\right) et sin(π4a)\sin\left( \dfrac{\pi}{4} - a\right). Par exemple, dans le premier cas \bullet les deux termes sont précédés du signe -, ce qui signifie que ces deux termes cos(π4a)\cos\left( \dfrac{\pi}{4} - a\right) et sin(π4a)\sin\left( \dfrac{\pi}{4} - a\right) sont neˊgatifs{\color{red}{\bf{négatifs}}} ! Donc sur un cercle trigonométrique ils se trouve danslequartgaucheinfeˊrieur{\color{red}{\bf{dans \,\, le \,\, quart \,\, gauche \,\, inférieur}}}, donc un angle de +π+\pi est à introduire. En effet, pour un argument XX réel (pour nous X=π4aX = \dfrac{\pi}{4} - a), on a :
cos(X)isin(X)=(cos(X)+isin(X))=1×(cos(X)+isin(X))=eiπ×eiX=eiπ+iX=ei(X+π)-\cos(X) - i \sin(X) = - \left( \cos(X) + i \sin(X) \right) = -1 \times \left( \cos(X) + i \sin(X) \right) = e^{i\pi} \times e^{iX} = e^{i\pi + iX} = e^{i(X+\pi)}
Un autre exemple, à l'aide des parités des fonctions cosinus et sinus :
cos(X)isin(X)=cos(X)+isin(X)=ei(X)=eiX\cos(X) - i \sin(X) = \cos(-X) + i \sin(-X) = e^{i(-X)} = e^{-iX}
De même :
cos(X)+isin(X)=(cos(X)isin(X))=(cos(X)+isin(X))=eiπei(X)=eiπeiX=ei(πX)- \cos(X) + i \sin(X) = - \left( \cos(X) - i \sin(X) \right) = - \left( \cos(-X) + i \sin(-X) \right) = e^{i \pi} e^{i(-X)} = e^{i \pi} e^{-iX} = e^{i(\pi - X)}
On en déduit alors les écritures suivantes :
cos(π4a)+isin(π4a)=ei(π4a+π)=ei(5π4a)\bullet \,\,\, \left\vert \cos\left( \dfrac{\pi}{4} - a\right) \right\vert + i \left\vert \sin\left( \dfrac{\pi}{4} - a\right) \right\vert = e^{i \left( \frac{\pi}{4} - a + \pi \right)} = e^{i \left( \frac{5\pi}{4} - a \right)} pour π<a3π4- \pi < a \leqslant -\dfrac{3\pi}{4}
cos(π4a)+isin(π4a)=ei(π(π4a))=ei(ππ4+a)=ei(3π4+a)\bullet \bullet \,\,\, \left\vert \cos\left( \dfrac{\pi}{4} - a\right) \right\vert + i \left\vert \sin\left( \dfrac{\pi}{4} - a\right) \right\vert = e^{i \left( \pi - \left( \frac{\pi}{4} - a \right) \right)} = e^{i \left( \pi - \frac{\pi}{4} + a \right)} = e^{i \left( \frac{3\pi}{4} + a \right)} pour 3π4aπ4-\dfrac{3\pi}{4} \leqslant a \leqslant -\dfrac{\pi}{4}
cos(π4a)+isin(π4a)=ei(π4a)\bullet \bullet \bullet \,\,\, \left\vert \cos\left( \dfrac{\pi}{4} - a\right) \right\vert + i \left\vert \sin\left( \dfrac{\pi}{4} - a\right) \right\vert = e^{i \left( \frac{\pi}{4} - a \right)} pour π4aπ4-\dfrac{\pi}{4} \leqslant a \leqslant \dfrac{\pi}{4}
cos(π4a)+isin(π4a)=ei(π4a)=ei(π4+a)\bullet \bullet \bullet \bullet \,\,\, \left\vert \cos\left( \dfrac{\pi}{4} - a\right) \right\vert + i \left\vert \sin\left( \dfrac{\pi}{4} - a\right) \right\vert = e^{-i \left( \frac{\pi}{4} - a \right)} = e^{i \left( -\frac{\pi}{4} + a \right)} pour π4a3π4\dfrac{\pi}{4} \leqslant a \leqslant \dfrac{3\pi}{4}
cos(π4a)+isin(π4a)=ei(π4a+π)=ei(5π4a)\bullet \bullet \bullet \bullet \bullet \,\,\, \left\vert \cos\left( \dfrac{\pi}{4} - a\right) \right\vert + i \left\vert \sin\left( \dfrac{\pi}{4} - a\right) \right\vert = e^{i \left( \frac{\pi}{4} - a + \pi \right)} = e^{i \left( \frac{5\pi}{4} - a \right)} pour 3π4aπ\dfrac{3\pi}{4} \leqslant a \leqslant \pi
Ce qui nous donne pour le complexe zz :
z=zeia2ei(5π4a)=zei(5π4+a+a2)=zei(5π4+3a2)\bullet \,\,\, z = |\, z \,| \, \dfrac{{\color{blue}{e^{i\frac{a}{2}}}}}{e^{i \left( \frac{5\pi}{4} - a \right)}} = |\, z \,| \, e^{i \left( -\frac{5\pi}{4} + a + {\color{blue}{\frac{a}{2}}}\right)} = |\, z \,| \, e^{i \left( -\frac{5\pi}{4} + \frac{3a}{2} \right)} pour π<a3π4- \pi < a \leqslant -\dfrac{3\pi}{4}
z=zeia2ei(3π4+a)=zei(3π4a+a2)=zei(3π4a2)\bullet \bullet \,\,\, z = |\, z \,| \, \dfrac{{\color{blue}{e^{i\frac{a}{2}}}}}{e^{i \left( \frac{3\pi}{4} + a \right)}} = |\, z \,| \, e^{i \left( -\frac{3\pi}{4} - a + {\color{blue}{\frac{a}{2}}}\right)} = |\, z \,| \, e^{i \left( -\frac{3\pi}{4} - \frac{a}{2} \right)} pour 3π4aπ4-\dfrac{3\pi}{4} \leqslant a \leqslant -\dfrac{\pi}{4}
z=zeia2ei(π4a)=zei(π4+a+a2)=zei(π4+3a2)\bullet \bullet \bullet \,\,\, z = |\, z \,| \, \dfrac{{\color{blue}{e^{i\frac{a}{2}}}}}{e^{i \left( \frac{\pi}{4} - a \right)}} = |\, z \,| \, e^{i \left( -\frac{\pi}{4} + a + {\color{blue}{\frac{a}{2}}}\right)} = |\, z \,| \, e^{i \left( -\frac{\pi}{4} + \frac{3a}{2} \right)} pour π4aπ4-\dfrac{\pi}{4} \leqslant a \leqslant \dfrac{\pi}{4}
z=zeia2ei(π4+a)=zei(π4a+a2)=zei(π4a2)\bullet \bullet \bullet \bullet \,\,\, z = |\, z \,| \, \dfrac{{\color{blue}{e^{i\frac{a}{2}}}}}{e^{i \left( -\frac{\pi}{4} + a \right)}} = |\, z \,| \, e^{i \left( \frac{\pi}{4} - a + {\color{blue}{\frac{a}{2}}}\right)} = |\, z \,| \, e^{i \left( \frac{\pi}{4} - \frac{a}{2} \right)} pour π4a3π4\dfrac{\pi}{4} \leqslant a \leqslant \dfrac{3\pi}{4}
z=zeia2ei(5π4a)=zei(5π4+a+a2)=zei(5π4+3a2)\bullet \bullet \bullet \bullet \bullet \,\,\, z = |\, z \,| \, \dfrac{{\color{blue}{e^{i\frac{a}{2}}}}}{e^{i \left( \frac{5\pi}{4} - a \right)}} = |\, z \,| \, e^{i \left( -\frac{5\pi}{4} + a + {\color{blue}{\frac{a}{2}}}\right)} = |\, z \,| \, e^{i \left( -\frac{5\pi}{4} + \frac{3a}{2} \right)} pour 3π4aπ\dfrac{3\pi}{4} \leqslant a \leqslant \pi
Finalement
arg(z)=5π4+3a2sia]π;3π4][3π4;π[arg(z)=3π4a2sia[3π4;π4]arg(z)=π4+3a2sia[π4;π4]arg(z)=π4a2sia[π4;3π4]arg(z)=ϕsia=π{\color{red}{\boxed{ \begin{array}{l} \bullet \,\,\, \arg(z) = -\dfrac{5\pi}{4} + \dfrac{3a}{2} \,\,\,\,\,\, \mathrm{si} \,\, a \in \left] - \pi \,;\, - \dfrac{3\pi}{4} \right]\bigcup \left[ \dfrac{3\pi}{4} \,;\, \pi \right[ \\ \\ \bullet \bullet \,\,\, \arg(z) = - \dfrac{3\pi}{4} - \dfrac{a}{2} \,\,\,\,\,\, \mathrm{si} \,\, a \in \left[ - \dfrac{3\pi}{4} \,;\, - \dfrac{\pi}{4} \right] \\ \\ \bullet \bullet \bullet \,\,\, \arg(z) = - \dfrac{\pi}{4} + \dfrac{3a}{2} \,\,\,\,\,\, \mathrm{si} \,\, a \in \left[ - \dfrac{\pi}{4} \,;\, \dfrac{\pi}{4} \right] \\ \\ \bullet \bullet \bullet \bullet \,\,\, \arg(z) = \dfrac{\pi}{4} - \dfrac{a}{2} \,\,\,\,\,\, \mathrm{si} \,\, a \in \left[ \dfrac{\pi}{4} \,;\, \dfrac{3\pi}{4} \right] \\ \\ \bullet \bullet \bullet \bullet \bullet \,\,\, \arg(z) = \phi \,\,\,\,\,\, \mathrm{si} \,\, a = \pi \end{array} }}}
On se souvient que lorsque a=πa = \pi, alors on a z=0|\,z\,| = 0 et de fait arg(z)\arg(z) n'existe pas.