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Contrôle de maths L1 : complexes, racines n-ièmes et trigonométrie

    Contrôle de maths L1 : complexes, racines n-ièmes et trigonométrie

    Ce contrôle de maths de L1 porte sur le thème suivant : complexes, racines n-ièmes et trigonométrie.

    Ce partiel de L1 de 2 h teste votre aisance avec les nombres complexes. Après une question de cours sur les racines n-ièmes de l’unité et l’inégalité triangulaire, vous utiliserez les formules de Moivre et d’Euler pour linéariser, exprimer un cosinus d’angle triple et calculer une somme de cosinus grâce à l’angle moitié.

    Vous calculerez ensuite des racines carrées sous forme algébrique et résoudrez une équation du second degré à coefficients complexes. Le problème final exploite les racines cinquièmes de l’unité pour obtenir la valeur exacte du cosinus de 2pi sur 5 et étudier un pentagone régulier. Calculatrice interdite.

    Fiche du contrôle
    • Niveau : licence L1
    • Chapitre : Nombres complexes et trigonométrie
    • Durée conseillée : 2 h
    • Barème : sur 20 points (exercice 1 : 4 points ; exercice 2 : 5 points ; exercice 3 : 5 points ; exercice 4 : 6 points)
    • Compétences évaluées :
      • Calculer : passer de la forme algébrique à la forme exponentielle et résoudre des équations dans C
      • Raisonner : démontrer les propriétés des racines n-ièmes de l’unité
      • Représenter : interpréter une multiplication complexe comme une rotation ou une similitude
      • Modéliser : utiliser les formules de Moivre et d’Euler pour linéariser ou factoriser

    Exercice 1 : Question de cours : racines n-ièmes de l’unité (4 points)

    Calculatrice interdite. Documents interdits.

    Soit \(n\) un entier supérieur ou égal à \(2\). On note \(\mathbb{U}_n = \{z \in \mathbb{C} : z^n = 1\}\).

    1. Démontrez que \(\mathbb{U}_n = \{e^{2ik\pi/n} : k \in \{0, 1, \ldots, n-1\}\}\) et que ces \(n\) nombres sont deux à deux distincts. (2 points)
    2. Démontrez que la somme des éléments de \(\mathbb{U}_n\) est nulle. (1 point)
    3. Démontrez l’inégalité triangulaire : pour tous \(z, z^{\prime} \in \mathbb{C}\), \(|z + z^{\prime}| \leq\, |z| + |z^{\prime}|\). (1 point)

    Exercice 2 : Formules de Moivre et d’Euler (5 points)

    Dans cet exercice, \(x\) et \(\theta\) désignent des réels.

    1. À l’aide des formules d’Euler, linéarisez \(\cos^3 x\). (1,5 point)
    2. À l’aide de la formule de Moivre, exprimez \(\cos(3x)\) en fonction de \(\cos x\) seulement. (1 point)
    3. Factorisez \(1 + e^{i\theta}\) par \(e^{i\theta/2}\). Pour \(\theta \in ]-\pi, \pi[\), déduisez-en le module et un argument de \(1 + e^{i\theta}\). (1,5 point)
    4. Soit \(n \in \mathbb{N}\) et \(x \notin 2\pi\mathbb{Z}\). Calculez \(\displaystyle\sum_{k=0}^{n} \cos(kx)\) sous forme d’un produit de sinus et de cosinus divisé par \(\sin\dfrac{x}{2}\). (1 point)

    Exercice 3 : Équations dans C (5 points)

    1. Déterminez, sous forme algébrique, les racines carrées complexes de \(-8 – 6i\). (1,5 point)
    2. Résolvez dans \(\mathbb{C}\) l’équation \(z^2 – (3+i)z + 4 + 3i = 0\). (1,5 point)
    3. Résolvez dans \(\mathbb{C}\) l’équation \(z^3 = 8i\). Donnez les solutions sous forme exponentielle puis algébrique, et précisez la figure qu’elles forment dans le plan complexe. (2 points)

    Exercice 4 : Problème : pentagone régulier et cosinus de 2pi sur 5 (6 points)

    On pose \(\omega = e^{2i\pi/5}\). Les points d’affixes \(1\), \(\omega\), \(\omega^2\), \(\omega^3\), \(\omega^4\) sont représentés sur le cercle unité ci-dessous.

    Cercle unité de centre O avec les cinq points 1, omega, omega au carré, omega au cube et omega puissance 4 formant un pentagone

    1. Justifiez que \(1 + \omega + \omega^2 + \omega^3 + \omega^4 = 0\). (0,5 point)
    2. On pose \(a = \omega + \omega^4\) et \(b = \omega^2 + \omega^3\). Démontrez que \(a = 2\cos\dfrac{2\pi}{5}\), que \(b = 2\cos\dfrac{4\pi}{5}\), puis que \(a + b = -1\) et \(ab = -1\). (2 points)
    3. Déduisez-en la valeur exacte de \(\cos\dfrac{2\pi}{5}\). (1,5 point)
    4. Démontrez que la rotation \(z \mapsto \omega z\) permute les cinq points, puis que les cinq côtés du pentagone ont la même longueur \(2\sin\dfrac{\pi}{5}\). (1 point)
    5. Soit \(f\) l’application du plan complexe définie par \(f(z) = (1+i)z + 2\). Déterminez l’affixe \(z_0\) de son unique point fixe, écrivez \(f(z) – z_0\) en fonction de \(z – z_0\), et donnez la nature de \(f\). Quelle est l’image du pentagone par \(f\) (centre et longueur des côtés) ? (1 point)

    Corrigé du contrôle de maths L1 : complexes, racines n-ièmes et trigonométrie

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

    Avant de faire ce contrôle, relisez le cours « Nombres complexes » en L1 puis entraînez-vous avec les exercices corrigés nombres complexes.

    Retrouvez tous les contrôles de maths de L1 classés par chapitre, ou choisissez un autre niveau sur la page contrôles de maths du CP au post-bac.

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