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Nombres complexes – Bac S Pondichéry 2014

Exercices

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 $z_{n}=r_{n}e^{i\dfrac{n\pi }{6}}$.

      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 $\dfrac{\sqrt{3}}{2}e^{i\dfrac{\pi }{6}}$

    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 $A_{n+1}$.

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