ℂ Option Mathématiques expertes Terminale Générale · Chapitre 3

Nombres complexes et géométrie, racines n-ièmes de l'unité

Utiliser les nombres complexes en géométrie : distances, milieux, angles, alignement, orthogonalité, translations et rotations ; racines n-ièmes de l'unité et polygones réguliers.

1. Distances et angles

Propriété · Traduction géométrique

Pour des points $A$, $B$, $C$ d'affixes $z_A$, $z_B$, $z_C$ :

  • le vecteur $\overrightarrow{AB}$ a pour affixe $z_B - z_A$ et $AB = |z_B - z_A|$ ;
  • le milieu de $[AB]$ a pour affixe $\dfrac{z_A + z_B}{2}$ ;
  • une mesure de l'angle $\left(\overrightarrow{AB}, \overrightarrow{AC}\right)$ est $\arg\dfrac{z_C - z_A}{z_B - z_A}$.

Méthode · Alignement et orthogonalité

Avec $Z = \dfrac{z_C - z_A}{z_B - z_A}$ : $A$, $B$, $C$ sont alignés $\iff Z$ est réel ; $(AB) \perp (AC) \iff Z$ est imaginaire pur.

Exemple · Triangle rectangle isocèle

$A(0)$, $B(2)$, $C(1 + i)$ : $\dfrac{z_A - z_C}{z_B - z_C} = \dfrac{-1 - i}{1 - i} = -i$. Ce quotient est imaginaire pur et de module $1$ : le triangle est rectangle isocèle en $C$.

2. Transformations

Propriété · Écritures complexes

  • Translation de vecteur d'affixe $b$ : $z' = z + b$.
  • Rotation de centre $\Omega(\omega)$ et d'angle $\theta$ : $z' - \omega = \mathrm{e}^{i\theta}(z - \omega)$.
  • Homothétie de centre $\Omega$ et de rapport $k$ : $z' - \omega = k(z - \omega)$.
-112341230ReImM(2 + i)M?(?1 + 2i)+?/2z? = i × z
Multiplier par i, c'est faire tourner d'un quart de tour autour de O.

3. Racines n-ièmes de l'unité

Définition · Racines n-ièmes de l'unité

Ce sont les solutions de $z^n = 1$. Il y en a exactement $n$ : $\omega_k = \mathrm{e}^{2ik\pi/n}$ pour $k = 0, 1, \ldots, n - 1$.

Propriété · Propriétés

Les points d'affixes $\omega_k$ sont les sommets d'un polygone régulier à $n$ côtés inscrit dans le cercle unité. Pour $n \geq 2$, leur somme est nulle : $1 + \omega + \omega^2 + \cdots + \omega^{n-1} = 0$ avec $\omega = \mathrm{e}^{2i\pi/n}$.

-11-110ReIm1e^(i?/3)e^(2i?/3)?1e^(4i?/3)e^(5i?/3)
Les six racines sixièmes de l'unité sont les sommets d'un hexagone régulier inscrit dans le cercle unité.

Exemple · Racines cubiques

$z^3 = 1$ a pour solutions $1$, $j = \mathrm{e}^{2i\pi/3} = -\dfrac{1}{2} + \dfrac{\sqrt{3}}{2}i$ et $j^2 = \overline{j}$, avec $1 + j + j^2 = 0$.

Méthode · Résoudre z^n = a

On écrit $a = R\,\mathrm{e}^{i\alpha}$ et on cherche $z = r\,\mathrm{e}^{i\theta}$ : $r^n = R$ et $n\theta = \alpha + 2k\pi$. Exemple : $z^3 = 8$ donne $z = 2\,\mathrm{e}^{2ik\pi/3}$, soit $2$, $-1 + i\sqrt{3}$ et $-1 - i\sqrt{3}$.

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Exercices corrigés

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2

Milieu

★☆☆

Avec les mêmes points, donner l'affixe du milieu $I$ de $[AB]$.

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3

Triangle rectangle isocèle

★★☆

$A(0)$, $B(2)$, $C(1 + i)$. Calculer $\dfrac{z_A - z_C}{z_B - z_C}$ et en déduire la nature de $ABC$.

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4

Alignement

★★☆

$A(1 + i)$, $B(3 + 2i)$, $C(7 + 4i)$. Ces points sont-ils alignés ?

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5

Rotation d'un quart de tour

★☆☆

Donner l'image de $M(2 + i)$ par la rotation de centre $O$ et d'angle $\dfrac{\pi}{2}$.

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6

Rotation de centre ?

★★☆

Donner l'image de $A(3)$ par la rotation de centre $\Omega(1)$ et d'angle $\dfrac{\pi}{3}$.

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7

Translation

★☆☆

Donner l'image de $M(1 + i)$ par la translation de vecteur d'affixe $2 - i$.

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8

Racines carrées et quatrièmes de 1

★☆☆

Résoudre $z^2 = 1$ puis $z^4 = 1$.

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9

Racines cubiques

★★☆

Donner les racines cubiques de l'unité sous forme algébrique.

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10

1 + j + j² = 0

★★☆

Démontrer que $1 + j + j^2 = 0$ de deux façons.

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13

Racines sixièmes

★★☆

Écrire les racines sixièmes de l'unité sous forme exponentielle et justifier que leur somme est nulle.

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14

Triangle équilatéral

★★☆

$O(0)$, $A(1)$ et $B\left(\mathrm{e}^{i\pi/3}\right)$. Montrer que $OAB$ est équilatéral.

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15

Parallélogramme

★★☆

$A(1)$, $B(2 + i)$, $C(3 + 3i)$. Déterminer l'affixe de $D$ tel que $ABCD$ soit un parallélogramme.

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16

Cercle

★☆☆

Décrire l'ensemble des points $M(z)$ tels que $|z - (1 + i)| = 2$.

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17

Quotient réel

★★★

$A(i)$ et $B(1)$. Décrire l'ensemble des points $M(z)$, $z \neq 1$, tels que $\dfrac{z - i}{z - 1}$ soit réel.

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18

Côté du pentagone

★★★

Calculer la longueur du côté du pentagone régulier inscrit dans le cercle unité, de sommets $\mathrm{e}^{2ik\pi/5}$.

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19

Homothétie

★★☆

Image de $M(3 + i)$ par l'homothétie de centre $\Omega(1 + i)$ et de rapport $-2$.

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