Matiko Logo

10 ex.

Difficulté :
L'essentiel du cours (3 notions)

Module et argument d'un complexe

Définition : Pour $z = a + ib \neq 0$ ($a, b \in \mathbb{R}$), le module est $|z| = \sqrt{a^2 + b^2}$. Un argument $\theta$ vérifie $\cos\theta = \frac{a}{|z|}$ et $\sin\theta = \frac{b}{|z|}$.

Propriété : Pour $z, z' \in \mathbb{C}^*$ : $|z|^2 = z \overline{z}$, $|z z'| = |z||z'|$, $\left|\frac{1}{z}\right| = \frac{1}{|z|}$ et $\arg(z z') \equiv \arg(z) + \arg(z') \pmod{2\pi}$.

Méthode : 1. Calculer $|z| = \sqrt{a^2+b^2}$. 2. Factoriser $z$ par $|z|$ pour identifier $\cos\theta = \frac{a}{|z|}$ et $\sin\theta = \frac{b}{|z|}$. 3. Déduire $\theta \pmod{2\pi}$ avec le cercle trigonométrique.

Représentation géométrique et affixes

Définition : Dans le plan muni d'un repère orthonormé direct $(O; \vec{u}, \vec{v})$, $M(a; b)$ a pour affixe $z_M = a + ib$. Le point $M'(\overline{z})$ est le symétrique de $M(z)$ par rapport à l'axe réel.

Propriété : Pour $A(z_A)$ et $B(z_B)$, l'affixe du vecteur $\vec{AB}$ est $z_{\vec{AB}} = z_B - z_A$ et la distance $AB$ vaut $AB = |z_B - z_A|$.

Exemple : Si $A(1+2i)$ et $B(4-2i)$, alors $z_{\vec{AB}} = 3-4i$ et la distance $AB = |3-4i| = \sqrt{3^2+(-4)^2} = 5$.

Inégalité triangulaire complexe

Propriété : Pour tous $z, z' \in \mathbb{C}$, $|z + z'| \le |z| + |z'|$. Égalité si et seulement si $z=0$ ou $z'=kz$ ($k \ge 0$), c'est-à-dire si $M(z)$ et $N(z')$ appartiennent à une même demi-droite d'origine $O$.

Méthode : Pour la preuve, développer $|z+z'|^2 = (z+z')(\overline{z}+\overline{z'})$, puis majorer la partie réelle $\mathrm{Re}(z\overline{z'}) \le |z\overline{z'}| = |z||z'|$.

Exemple : Pour $z_1 = 3i$ et $z_2 = 4$, $|3i + 4| = 5$ et $|3i| + |4| = 7$. On vérifie bien $5 < 7$ (inégalité stricte).

★ Standard

Dans le plan complexe muni d'un repère orthonormé direct, on considère les points $A$ et $B$ d'affixes respectives $z_A = 1 + i$ et $z_B = 3 + 4i$. Pour tout réel $k$, on note $C$ le point d'affixe $z_C = k + 7i$.

En déterminant l'affixe du vecteur $\vec{AB}$, justifier qu'il existe une unique valeur du réel $k$ pour laquelle les points $A$, $B$ et $C$ sont alignés.

Saisir la valeur de $k$.

★ Standard

On note $\mathbb{U}$ l'ensemble des nombres complexes de module $1$.

Soit $k$ un nombre réel strictement positif. On considère les nombres complexes :

$$z_1 = \frac{k}{5} + \frac{3}{5}i \quad \text{et} \quad z_2 = \frac{4}{5} + \frac{3}{5}i$$

On sait que le nombre complexe $Z = z_1^{-1} \times z_2$ appartient à l'ensemble $\mathbb{U}$.

En utilisant les propriétés du module, de l'inverse et du produit dans $\mathbb{U}$, déterminer la valeur du paramètre $k$.

Saisir la valeur du réel $k$.

★ Standard

Soit $x$ un nombre réel strictement positif.

On considère le nombre complexe $z = x + 12i$.

Sachant que le module de $z$ est égal à $13$, déterminer la valeur du réel $x$.

Saisir la valeur de $x$.

★ Standard

On considère le nombre complexe :

$$z = -2\sqrt{3} + 2\text{i}$$

En calculant d'abord le module de $z$, déterminer son argument principal $\theta \in ]-\pi\,;\,\pi]$.

Cet argument s'écrit sous la forme $\theta = \dfrac{k\pi}{6}$, où $k$ est un entier relatif.

Saisir la valeur de l'entier $k$.

★★ Avancé

On considère le nombre complexe défini par :

$$z = \frac{1 + i\sqrt{3}}{1 - i}$$

Pour tout entier naturel non nul $n$, on s'intéresse au nombre complexe $z^n$.

Déterminer la valeur du plus petit entier naturel $n \ge 1$ tel que $z^n$ soit un imaginaire pur.

★★ Avancé

Pour tout nombre réel $x$, on considère le nombre complexe :

$$z = \frac{x + 7\mathrm{i}}{3 + \mathrm{i}}$$

Déterminer la valeur du réel $x$ pour laquelle un argument de $z$ est égal à $\dfrac{\pi}{4}$.

Saisir la valeur de $x$ sous forme décimale.

★★ Avancé

Le plan complexe est rapporté à un repère orthonormé direct $(O; \vec{u}, \vec{v})$.

On considère les points $A$, $B$ et $C$ d'affixes respectives :

  • $z_A = 1 + 2\text{i}$
  • $z_B = 4 - \text{i}$
  • $z_C = k + 5\text{i}$, où $k$ est un nombre réel strictement positif

On note $D$ le point tel que le quadrilatère $ABCD$ soit un parallélogramme.

Déterminer la valeur de $k$ pour laquelle la distance $OD$ est égale à $10$.

Saisir la valeur de $k$.

★★ Avancé

On note $\mathbb{U}$ l'ensemble des nombres complexes de module $1$.

Soient $u$ et $v$ deux éléments de $\mathbb{U}$ tels que la partie réelle du quotient $\dfrac{u}{v}$ soit égale à $-\dfrac{1}{8}$.

Soit $k$ un nombre réel. On pose :

$$Z = (u + v)\left(\dfrac{k}{u} + \dfrac{k}{v}\right)$$

Sachant que $Z = 7$, déterminer la valeur du réel $k$.

Saisir la valeur de $k$.

Approfondissement ★★ Avancé

Soit $k$ un nombre réel strictement supérieur à $1$. On considère les deux nombres complexes :

$$z_1 = (k^2 - 1) + 8i \text{ et } z_2 = 2 + (k - 1)i$$

Par une démonstration rigoureuse, déterminer la valeur du paramètre réel $k$ pour laquelle l'égalité suivante est vérifiée :

$$|z_1 + z_2| = |z_1| + |z_2|$$

Saisir la valeur de $k$.

Approfondissement ★★ Avancé

On considère les nombres complexes $z_1 = 4 + 3\text{i}$ et $z_2 = (2k - 1) + (k + 3)\text{i}$, où $k$ est un nombre réel.

On cherche à déterminer la valeur du paramètre $k$ pour laquelle le module de la somme est égal à la somme des modules :

$$|z_1 + z_2| = |z_1| + |z_2|$$

Saisir la valeur numérique exacte du réel $k$.