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Contrôle de maths sup : complexes, racines n-ièmes et géométrie

    Contrôle de maths sup : complexes, racines n-ièmes et géométrie

    Ce contrôle de maths sup porte sur le thème suivant : complexes, racines n-ièmes et géométrie.

    Ce devoir de deux heures évalue le chapitre des nombres complexes de maths sup. Vous démontrerez d’abord la description des racines n-ièmes de l’unité et le calcul de leur somme, puis vous utiliserez la technique de l’angle moitié pour linéariser et sommer des cosinus.

    Le troisième exercice rassemble les équations : racines carrées sous forme algébrique, second degré à coefficients complexes, équation du type z puissance n égale a et exponentielle complexe. Le problème final est géométrique : alignement, orthogonalité et similitudes directes se lisent sur une figure. Les arguments sont remarquables, donc la calculatrice est inutile.

    Fiche du contrôle
    • Niveau : maths sup (MPSI)
    • Chapitre : Nombres complexes et exponentielle complexe
    • Durée conseillée : 2 heures
    • Barème : sur 20 points (exercice 1 : 3 points ; exercice 2 : 5 points ; exercice 3 : 5 points ; exercice 4 : 7 points)
    • Compétences évaluées :
      • Calculer : forme trigonométrique, linéarisation et somme de cosinus
      • Chercher : racines carrées sous forme algébrique et équations du second degré
      • Représenter : racines n-ièmes et points dans le plan complexe
      • Raisonner : traduire alignement, orthogonalité et similitudes en complexes

    Exercice 1 : Racines n-ièmes de l’unité (3 points)

    Calculatrice interdite.

    Soit \(n\) un entier naturel non nul. On note \(\mathbb{U}_n = \{z \in \mathbb{C} : z^n = 1\}\).

    1. Démontrez que \(\mathbb{U}_n = \{e^{\frac{2ik\pi}{n}} : k \in [\![0, n-1]\!]\}\) et que \(\mathbb{U}_n\) possède exactement \(n\) éléments. (2 points)
    2. On suppose \(n \geq\, 2\). Démontrez que la somme des éléments de \(\mathbb{U}_n\) est nulle. (1 point)

    Exercice 2 : Angle moitié et linéarisation (5 points)

    1. Soit \(\theta \in ]-\pi, \pi[\). Écrivez \(1 + e^{i\theta}\) sous forme trigonométrique en précisant son module et un argument. Pour \(\theta \in ]0, 2\pi[\), faites de même pour \(1 – e^{i\theta}\). (1,5 point)
    2. Linéarisez \(\cos^4 t\) à l’aide des formules d’Euler. (1 point)
    3. Soit \(t \in \mathbb{R} \setminus 2\pi\mathbb{Z}\) et \(n \in \mathbb{N}\). En utilisant la question a, calculez \(\displaystyle \sum_{k=0}^{n} e^{ikt}\), puis déduisez-en une expression factorisée de \(\displaystyle \sum_{k=0}^{n} \cos(kt)\). (1,5 point)
    4. À l’aide de la formule de Moivre, exprimez \(\cos(3t)\) en fonction de \(\cos t\). (1 point)

    Exercice 3 : Équations dans C (5 points)

    1. Déterminez sous forme algébrique les racines carrées de \(3 – 4i\). (1,5 point)
    2. Résolvez dans \(\mathbb{C}\) l’équation \(z^2 – 3iz – 3 + i = 0\). (1,5 point)
    3. Résolvez dans \(\mathbb{C}\) l’équation \(z^3 = 8i\) ; donnez les solutions sous forme exponentielle puis algébrique. (1 point)
    4. Résolvez dans \(\mathbb{C}\) l’équation \(e^z = 1 + i\sqrt{3}\). (1 point)

    Exercice 4 : Géométrie dans le plan complexe (7 points)

    Le plan est rapporté à un repère orthonormé direct. On considère les points \(A\), \(B\), \(C\) et \(D\) d’affixes respectives

    \[a = 1 + i, \quad b = 4 + 2i, \quad c = 7 + 3i, \quad d = 2 – 2i.\]

    Repère orthonormé avec les points A(1+i), B(4+2i), C(7+3i) et D(2-2i) placés sur un quadrillage

    1. Calculez \(\dfrac{c-a}{b-a}\) et déduisez-en que les points \(A\), \(B\) et \(C\) sont alignés. (1 point)
    2. Calculez \(\dfrac{d-a}{b-a}\). Déduisez-en la nature du triangle \(ABD\). (1,5 point)
    3. On considère l’application \(s\) du plan dans lui-même qui, au point d’affixe \(z\), associe le point d’affixe \((1+i)z + 1\). Démontrez que \(s\) possède un unique point fixe \(\Omega\), dont vous donnerez l’affixe, puis précisez la nature de \(s\) et ses éléments caractéristiques. (1,5 point)
    4. Déterminez l’écriture complexe de la rotation \(r\) de centre \(A\) qui envoie \(B\) sur \(D\). (1 point)
    5. Déterminez l’ensemble \(\Gamma\) des points \(M\) d’affixe \(z \neq b\) tels que \(\dfrac{z-a}{z-b}\) soit imaginaire pur. Précisez le centre et le rayon de la figure obtenue. (2 points)

    Corrigé du contrôle de maths sup : complexes, racines n-ièmes et géométrie

    Réviser avant le contrôle : complexes, racines n-ièmes et géométrie

    Avant de faire ce contrôle, relisez le cours « Nombres complexes » en maths sup puis entraînez-vous avec les exercices corrigés nombres complexes.

    Retrouvez tous les contrôles de maths sup classés par chapitre, ou choisissez un autre niveau sur la page contrôles de maths du CP au post-bac.

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