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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 $ \left(O; \vec{u}, \vec{v}\right) $.

Pour tout entier naturel $ n $, on note $ A_{n} $ le point d'affixe $ z_{n} $ défini par :

$ z_{0}=1 $   et   $ z_{n+1}=\left(\dfrac{3}{4}+\dfrac{\sqrt{3}}{4}i\right)z_{n} $

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

  1. Donner la forme exponentielle du nombre complexe $ \dfrac{3}{4}+\dfrac{\sqrt{3}}{4}i $.
    1. Montrer que la suite $ \left(r_{n}\right) $ est géométrique de raison $ \dfrac{\sqrt{3}}{2} $.
    2. En déduire l'expression de $ r_{n} $ en fonction de $ n $.
    3. Que dire de la longueur $ OA_{n} $ lorsque $ n $ tend vers $ + \infty $ ?
  2. On considère l'algorithme suivant :

    Variables $ n $ entier naturel
      $ R $ réel
      $ P $ réel strictement positif
    Entrée Demander la valeur de $ P $
    Traitement $ R $ prend la valeur $ 1 $
      $ n $ prend la valeur $ 0 $
      Tant que $ R > P $
      $ \quad \quad n $ prend la valeur $ n+1 $
      $ \quad \quad R $ prend la valeur $ \dfrac{\sqrt{3}}{2}R $
      Fin tant que
    Sortie Afficher $ n $
    1. Quelle est la valeur affichée par l'algorithme pour $ P=0,5 $ ?
    2. Pour $ P=0,01 $ on obtient $ n=33 $. Quel est le rôle de cet algorithme ?
    1. Démontrer que le triangle $ OA_{n}A_{n+1} $ est rectangle en $ A_{n+1} $.
    2. On admet que $ z_{n}=r_{n}e^{i\frac{n\pi }{6}} $.

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

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

      Les traits de construction seront apparents.

      Nombres complexes - Bac S Pondichéry 2014

Corrigé

  1. Soit $ r $ le module de $ \dfrac{3}{4}+\dfrac{\sqrt{3}}{4}i $ :

    $ r^2=\left(\dfrac{3}{4}\right)^2+\left(\dfrac{\sqrt{3}}{4}\right)^2=\dfrac{12}{16}=\dfrac{3}{4} $

    Donc :

    $ r=\dfrac{\sqrt{3}}{2} $

    $ \dfrac{3}{4}+\dfrac{\sqrt{3}}{4}i=\dfrac{\sqrt{3}}{2}\left(\dfrac{\sqrt{3}}{2}+\dfrac{1}{2}i\right) $

    Si $ \theta $ est un argument de $ \dfrac{3}{4}+\dfrac{\sqrt{3}}{4}i $ :

    $ cos \theta = \dfrac{\sqrt{3}}{2} $ et $ \sin \theta = \dfrac{1}{2} $ donc $ \theta = \dfrac{\pi }{6} + 2k\pi $.

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

    1. $ z_{n+1}=\left(\dfrac{3}{4}+\dfrac{\sqrt{3}}{4}i\right)z_{n} $ donc :

      $ |z_{n+1}|=\left|\dfrac{3}{4}+\dfrac{\sqrt{3}}{4}i\right|\times \left|z_{n}\right| $

      $ r_{n+1}=\dfrac{\sqrt{3}}{2}r_{n} $

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

    2. $ r_{n}=r_{0}\times q^{n}=\left(\dfrac{\sqrt{3}}{2}\right)^{n} $
    3. $ OA_{n}=r_{n} $.

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

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

      $ n $ $ R $ $ P $ condition $ R > 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 $ 5 $.

    2. Cet algorithme affiche la plus petite valeur de $ n $ telle que $ OA_{n} \leqslant P $.
    1. $ OA_{n}=r_{n} , OA_{n+1}=r_{n+1}=\dfrac{\sqrt{3}}{2}r_{n} $ et :

      $ A_{n}A_{n+1}= | z_{n+1} - z_{n} | = \left| \left(\dfrac{3}{4}+\dfrac{\sqrt{3}}{4}i\right)z_{n} - z_{n} \right| = \left| \left( - \dfrac{1}{4} + \dfrac{\sqrt{3}}{4}i\right) z_{n} \right| $

      $ A_{n}A_{n+1}= \left| \left( - \dfrac{1}{4} + \dfrac{\sqrt{3}}{4}i\right) \right| \times r_{n} $

      Or :

      $ \left| \left( - \dfrac{1}{4} + \dfrac{\sqrt{3}}{4}i\right) \right| ^{2} = \dfrac{1}{16}+\dfrac{3}{16}=\dfrac{1}{4} $

      donc $ \left| \left( - \dfrac{1}{4} + \dfrac{\sqrt{3}}{4}i\right) \right| = \dfrac{1}{2} $ et $ A_{n}A_{n+1}=\dfrac{1}{2}r_{n} $

      Finalement :

      $ OA_{n+1}^{2} + A_{n}A_{n+1}^{2} = \dfrac{3}{4}r_{n}^{2}+\dfrac{1}{4}r_{n}^{2} = r_{n}^{2} = OA_{n}^{2} $

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

    2. $ z_{n}=r_{n} \left(\cos\dfrac{n\pi }{6}+i \sin\dfrac{n\pi }{6}\right) $

      Le point $ A_{n} $ appartient à l'axe des ordonnées si et seulement si $ \cos\dfrac{n\pi }{6} = 0 $, c'est à dire $ \dfrac{n\pi }{6}=\dfrac{\pi }{2}+2k\pi $ ou $ n\dfrac{\pi }{6}=\left(3\dfrac{\pi }{2}\right)+2k\pi $ ou encore $ \dfrac{n\pi }{6}=\dfrac{\pi }{2} + k\pi $ avec $ k \in \mathbb{Z} $

      Or :

      $ \dfrac{n\pi }{6}=\dfrac{\pi }{2} + k\pi \Leftrightarrow \left(n\pi \right)=3\pi + 6k\pi \Leftrightarrow n= 3 + 6k $ (avec $ k \in \mathbb{Z} $)

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

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

      $ n= 3 + 6k $ avec $ k \in \mathbb{N} $ (soit $ 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 $ OA_{n}A_{n+1} $ sont rectangles en $ A_{n+1} $.