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COURS & EXERCICES DE MATHÉMATIQUES

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Nombres complexes - Bac S Pondichéry 2014

Exercice 3   (5 points)

Candidats n'ayant pas suivi l'enseignement de spécialité

Le plan complexe est muni d'un repère orthonormé (O;u,v)\left(O; \vec{u}, \vec{v}\right).

Pour tout entier naturel nn, on note AnA_{n} le point d'affixe znz_{n} défini par :

z0=1z_{0}=1   et   zn+1=(34+34i)zn z_{n+1}=\left(\frac{3}{4}+\frac{\sqrt{3}}{4}i\right)z_{n}

On définit la suite (rn)\left(r_{n}\right) par rn=znr_{n}=|z_{n}| pour tout entier naturel nn.

  1. Donner la forme exponentielle du nombre complexe 34+34i\frac{3}{4}+\frac{\sqrt{3}}{4}i.

    1. Montrer que la suite (rn)\left(r_{n}\right) est géométrique de raison 32\frac{\sqrt{3}}{2}.

    2. En déduire l'expression de rnr_{n} en fonction de nn.

    3. Que dire de la longueur OAnOA_{n} lorsque nn tend vers ++ \infty ?

  2. On considère l'algorithme suivant :

    Variables nn entier naturel
    RR réel
    PP réel strictement positif
    Entrée Demander la valeur de PP
    Traitement RR prend la valeur 11
    nn prend la valeur 00
    Tant que R>PR > P
    \quad\quadnn prend la valeur n+1n+1
    \quad\quadRR prend la valeur 32R\frac{\sqrt{3}}{2}R
    Fin tant que
    Sortie Afficher nn

    1. Quelle est la valeur affichée par l'algorithme pour P=0,5P=0,5 ?

    2. Pour P=0,01P=0,01 on obtient n=33n=33. Quel est le rôle de cet algorithme ?

    1. Démontrer que le triangle OAnAn+1OA_{n}A_{n+1} est rectangle en An+1A_{n+1}.

    2. On admet que zn=rneinπ6z_{n}=r_{n}e^{i\frac{n\pi }{6}}.

      Déterminer les valeurs de nn pour lesquelles AnA_{n} est un point de l'axe des ordonnées.

    3. Compléter la figure ci-dessous, à rendre avec la copie, en représentant les points A6,A7,A8A_{6}, A_{7}, A_{8} et A9A_{9}.

      Les traits de construction seront apparents.

      Nombres complexes - Bac S Pondichéry 2014

Corrigé

  1. Soit rr le module de 34+34i\frac{3}{4}+\frac{\sqrt{3}}{4}i :

    r2=(34)2+(34)2=1216=34r^2=\left(\frac{3}{4}\right)^2+\left(\frac{\sqrt{3}}{4}\right)^2=\frac{12}{16}=\frac{3}{4}

    Donc :

    r=32r=\frac{\sqrt{3}}{2}

    34+34i=32(32+12i)\frac{3}{4}+\frac{\sqrt{3}}{4}i=\frac{\sqrt{3}}{2}\left(\frac{\sqrt{3}}{2}+\frac{1}{2}i\right)

    Si θ\theta est un argument de 34+34i\frac{3}{4}+\frac{\sqrt{3}}{4}i :

    cosθ=32cos \theta = \frac{\sqrt{3}}{2} et sinθ=12\sin \theta = \frac{1}{2} donc θ=π6+2kπ\theta = \frac{\pi }{6} + 2k\pi .

    La forme exponentielle du nombre complexe 34+34i\frac{3}{4}+\frac{\sqrt{3}}{4}i est donc 32eiπ6\frac{\sqrt{3}}{2}e^{i\frac{\pi }{6}}

    1. zn+1=(34+34i)zn z_{n+1}=\left(\frac{3}{4}+\frac{\sqrt{3}}{4}i\right)z_{n} donc :

      zn+1=34+34i×zn |z_{n+1}|=\left|\frac{3}{4}+\frac{\sqrt{3}}{4}i\right|\times \left|z_{n}\right|

      rn+1=32rnr_{n+1}=\frac{\sqrt{3}}{2}r_{n}

      La suite (rn)\left(r_{n}\right) est donc une suite géométrique de raison q=32q=\frac{\sqrt{3}}{2} et de premier terme r0=z0=1r_{0}=|z_{0}|=1.

    2. rn=r0×qn=(32)nr_{n}=r_{0}\times q^{n}=\left(\frac{\sqrt{3}}{2}\right)^{n}

    3. OAn=rnOA_{n}=r_{n}.

      (rn)\left(r_{n}\right) est une suite géométrique de raison q=32q=\frac{\sqrt{3}}{2}. Comme 0<q<10 < q < 1 la suite (rn)\left(r_{n}\right) converge vers 0 lorsque nn tend vers ++ \infty .

    1. Voici les valeurs prises par les variables lors de l'exécution pas à pas de l'algorithme pour P=0,5P=0,5:

      n n R R P P condition R>PR > P
      0 1 0,5 Vraie
      1 0,866 0,5 Vraie
      2 0,75 0,5 Vraie
      3 0,6495 0,5 Vraie
      4 0,5625 0,5 Vraie
      5 0,487 0,5 Fausse
      A la fin, l'algorithme affiche la valeur 55.

    2. Cet algorithme affiche la plus petite valeur de nn telle que OAnPOA_{n} \leqslant P.

    1. OAn=rn,OAn+1=rn+1=32rnOA_{n}=r_{n} , OA_{n+1}=r_{n+1}=\frac{\sqrt{3}}{2}r_{n} et :

      AnAn+1=zn+1zn=(34+34i)znzn=(14+34i)znA_{n}A_{n+1}= | z_{n+1} - z_{n} | = \left| \left(\frac{3}{4}+\frac{\sqrt{3}}{4}i\right)z_{n} - z_{n} \right| = \left| \left( - \frac{1}{4} + \frac{\sqrt{3}}{4}i\right) z_{n} \right|

      AnAn+1=(14+34i)×rnA_{n}A_{n+1}= \left| \left( - \frac{1}{4} + \frac{\sqrt{3}}{4}i\right) \right| \times r_{n}

      Or :

      (14+34i)2=116+316=14\left| \left( - \frac{1}{4} + \frac{\sqrt{3}}{4}i\right) \right| ^{2} = \frac{1}{16}+\frac{3}{16}=\frac{1}{4}

      donc (14+34i)=12\left| \left( - \frac{1}{4} + \frac{\sqrt{3}}{4}i\right) \right| = \frac{1}{2} et AnAn+1=12rnA_{n}A_{n+1}=\frac{1}{2}r_{n}

      Finalement :

      OAn+12+AnAn+12=34rn2+14rn2=rn2=OAn2 OA_{n+1}^{2} + A_{n}A_{n+1}^{2} = \frac{3}{4}r_{n}^{2}+\frac{1}{4}r_{n}^{2} = r_{n}^{2} = OA_{n}^{2}

      Donc, d'après la réciproque du théorème de Pythagore, le triangle OAnAn+1OA_{n}A_{n+1} est rectangle en An+1A_{n+1}.

    2. zn=rn(cosnπ6+isinnπ6)z_{n}=r_{n} \left(\cos\frac{n\pi }{6}+i \sin\frac{n\pi }{6}\right)

      Le point AnA_{n} appartient à l'axe des ordonnées si et seulement si cosnπ6=0\cos\frac{n\pi }{6} = 0, c'est à dire nπ6=π2+2kπ\frac{n\pi }{6}=\frac{\pi }{2}+2k\pi ou nπ6=(3π2)+2kπn\frac{\pi }{6}=\left(3\frac{\pi }{2}\right)+2k\pi ou encore nπ6=π2+kπ\frac{n\pi }{6}=\frac{\pi }{2} + k\pi avec kZk \in \mathbb{Z}

      Or :

      nπ6=π2+kπ(nπ)=3π+6kπn=3+6k\frac{n\pi }{6}=\frac{\pi }{2} + k\pi \Leftrightarrow \left(n\pi \right)=3\pi + 6k\pi \Leftrightarrow n= 3 + 6k (avec kZk \in \mathbb{Z})

      Comme n0n\geqslant 0, kk doit être positif ou nul (donc appartenir à N\mathbb{N}).

      Les valeurs de nn pour lesquelles AnA_{n} est un point de l'axe des ordonnées sont donc

      n=3+6kn= 3 + 6k avec kNk \in \mathbb{N} (soit n=3,9,15,21,n = 3, 9, 15, 21, etc.).

    3. Nombres complexes - Bac S Pondichéry 2014 corrigé

      Pour la construction (à l'équerre ou au compas) on utilise le fait que les triangles OAnAn+1OA_{n}A_{n+1} sont rectangles en An+1A_{n+1}.