Voici le corrigé du contrôle de maths de L1 sur le thème : complexes, racines n-ièmes et trigonométrie.
Cette correction détaille chaque calcul du partiel sur les complexes. La linéarisation passe par les formules d’Euler, le cosinus de l’angle triple par la formule de Moivre, et la somme de cosinus par la factorisation par l’angle moitié. Pour chaque racine carrée, on identifie parties réelles, parties imaginaires et modules.
Une figure place les racines cubiques sur leur cercle, où elles forment un triangle équilatéral. Le problème ramène ensuite le calcul du cosinus de 2pi sur 5 à une équation du second degré. Chaque exercice se termine par son barème : servez-vous-en pour évaluer votre copie.
L’énoncé se trouve sur la page contrôle de maths l1 : complexes, racines n-ièmes et trigonométrie.
| Exercice | Points |
| Exercice 1 : Question de cours : racines n-ièmes de l’unité | 4 points |
| Exercice 2 : Formules de Moivre et d’Euler | 5 points |
| Exercice 3 : Équations dans C | 5 points |
| Exercice 4 : Problème : pentagone régulier et cosinus de 2pi sur 5 | 6 points |
| Total | 20 points |
Exercice 1 : Question de cours : racines n-ièmes de l’unité (4 points)
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Soit \(z \in \mathbb{U}_n\). Alors \(z \neq 0\), et on écrit \(z = re^{i\theta}\) avec \(r > 0\) et \(\theta \in \mathbb{R}\). L’égalité \(z^n = 1\) s’écrit \(r^n e^{in\theta} = 1 \cdot e^{i0}\). Par unicité de la forme exponentielle, \(r^n = 1\), donc \(r = 1\) car \(r > 0\). De plus, \(n\theta \in 2\pi\mathbb{Z}\) : il existe \(m \in \mathbb{Z}\) tel que \(\theta = \dfrac{2m\pi}{n}\).
Par division euclidienne, \(m = qn + k\) avec \(0 \leq\, k \leq\, n-1\). Alors \(e^{2im\pi/n} = e^{2iq\pi}e^{2ik\pi/n} = e^{2ik\pi/n}\). Réciproquement, \((e^{2ik\pi/n})^n = e^{2ik\pi} = 1\).
Enfin, si \(0 \leq\, k < l \leq\, n-1\), les arguments \(\dfrac{2k\pi}{n}\) et \(\dfrac{2l\pi}{n}\) diffèrent de \(\dfrac{2(l-k)\pi}{n} \in ]0, 2\pi[\), qui n’est pas multiple de \(2\pi\). Donc \(\mathbb{U}_n\) contient exactement les \(n\) nombres distincts \(e^{2ik\pi/n}\), \(0 \leq\, k \leq\, n-1\).
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Posons \(\omega_1 = e^{2i\pi/n}\) ; les éléments de \(\mathbb{U}_n\) sont les \(\omega_1^k\). Comme \(n \geq\, 2\), \(\omega_1 \neq 1\), et la somme géométrique donne
\[\sum_{k=0}^{n-1} \omega_1^k = \dfrac{1 – \omega_1^n}{1 – \omega_1} = \dfrac{1 – 1}{1 – \omega_1} = 0.\]
La somme des racines n-ièmes de l’unité est nulle.
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On a \(|z + z^{\prime}|^2 = (z + z^{\prime})(\overline{z} + \overline{z^{\prime}}) = |z|^2 + |z^{\prime}|^2 + 2\operatorname{Re}(z\overline{z^{\prime}})\). Or \(\operatorname{Re}(w) \leq\, |w|\) pour tout complexe \(w\), et \(|z\overline{z^{\prime}}| = |z|\,|z^{\prime}|\).
Donc \(|z + z^{\prime}|^2 \leq\, (|z| + |z^{\prime}|)^2\). Les deux membres étant positifs, \(|z + z^{\prime}| \leq\, |z| + |z^{\prime}|\).
Barème : a) 0,5 point pour le module, 0,5 point pour l’argument, 0,5 point pour la réduction à k entre 0 et n-1, 0,5 point pour le caractère distinct ; b) 0,5 point pour la raison différente de 1, 0,5 point pour le calcul ; c) 0,5 point pour le développement, 0,5 point pour la majoration.
Exercice 2 : Formules de Moivre et d’Euler (5 points)
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D’après la formule d’Euler, \(\cos x = \dfrac{e^{ix} + e^{-ix}}{2}\). Par la formule du binôme :
\[\cos^3 x = \dfrac{e^{3ix} + 3e^{ix} + 3e^{-ix} + e^{-3ix}}{8} = \dfrac{2\cos(3x) + 6\cos x}{8}.\]
Donc \(\cos^3 x = \dfrac{1}{4}\cos(3x) + \dfrac{3}{4}\cos x\).
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D’après la formule de Moivre, \(\cos(3x) = \operatorname{Re}((\cos x + i\sin x)^3)\). En développant, la partie réelle vaut \(\cos^3 x – 3\cos x\sin^2 x\). Ensuite, on remplace \(\sin^2 x\) par \(1 – \cos^2 x\).
On obtient \(\cos(3x) = 4\cos^3 x – 3\cos x\), ce qui est cohérent avec la question a).
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On a \(1 + e^{i\theta} = e^{i\theta/2}(e^{-i\theta/2} + e^{i\theta/2}) = 2\cos\dfrac{\theta}{2}\, e^{i\theta/2}\).
Si \(\theta \in ]-\pi, \pi[\), alors \(\dfrac{\theta}{2} \in ]-\dfrac{\pi}{2}, \dfrac{\pi}{2}[\), donc \(\cos\dfrac{\theta}{2} > 0\). L’écriture obtenue est donc une forme exponentielle. Le module vaut \(2\cos\dfrac{\theta}{2}\) et un argument est \(\dfrac{\theta}{2}\).
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La somme cherchée est la partie réelle de \(\sum_{k=0}^{n} e^{ikx}\). Comme \(x \notin 2\pi\mathbb{Z}\), \(e^{ix} \neq 1\). On factorise alors numérateur et dénominateur par l’angle moitié :
\[\sum_{k=0}^{n} e^{ikx} = \dfrac{e^{i(n+1)x} – 1}{e^{ix} – 1} = \dfrac{e^{i(n+1)x/2} \times 2i\sin\dfrac{(n+1)x}{2}}{e^{ix/2} \times 2i\sin\dfrac{x}{2}} = e^{inx/2}\,\dfrac{\sin\dfrac{(n+1)x}{2}}{\sin\dfrac{x}{2}}.\]
En prenant la partie réelle : \(\displaystyle\sum_{k=0}^{n} \cos(kx) = \dfrac{\cos\dfrac{nx}{2}\,\sin\dfrac{(n+1)x}{2}}{\sin\dfrac{x}{2}}\). Pour \(n = 1\), on retrouve bien \(1 + \cos x\).
Barème : a) 0,5 point pour Euler, 0,5 point pour le développement, 0,5 point pour le résultat ; b) 0,5 point pour Moivre, 0,5 point pour le résultat ; c) 0,5 point pour la factorisation, 1 point pour le module et l’argument justifiés ; d) 0,5 point pour la somme géométrique, 0,5 point pour l’angle moitié et le résultat.
Exercice 3 : Équations dans C (5 points)
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Cherchons \(w = \alpha + i\beta\) avec \(\alpha, \beta\) réels et \(w^2 = -8 – 6i\). En identifiant les parties réelles et imaginaires, puis les modules :
\[\alpha^2 – \beta^2 = -8, \qquad 2\alpha\beta = -6, \qquad \alpha^2 + \beta^2 = |-8 – 6i| = 10.\]
On en déduit \(\alpha^2 = 1\) et \(\beta^2 = 9\). De plus, \(\alpha\beta < 0\), donc \(\alpha\) et \(\beta\) sont de signes contraires. Les racines carrées de \(-8 – 6i\) sont \(1 – 3i\) et \(-1 + 3i\). Vérification : \((1 – 3i)^2 = 1 – 6i – 9 = -8 – 6i\).
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Le discriminant vaut \(\Delta = (3+i)^2 – 4(4 + 3i) = 8 + 6i – 16 – 12i = -8 – 6i\). D’après a), \(\delta = 1 – 3i\) vérifie \(\delta^2 = \Delta\). Les solutions sont donc
\[z_1 = \dfrac{3 + i + 1 – 3i}{2} = 2 – i, \qquad z_2 = \dfrac{3 + i – 1 + 3i}{2} = 1 + 2i.\]
Vérification : \(z_1 + z_2 = 3 + i\) et \(z_1 z_2 = 2 + 4i – i + 2 = 4 + 3i\). L’ensemble des solutions est \(\{2 – i,\ 1 + 2i\}\).
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On a \(8i = 8e^{i\pi/2}\), et \(z_0 = 2e^{i\pi/6}\) est une solution particulière, car \(z_0^3 = 8e^{i\pi/2}\). Pour \(z \in \mathbb{C}\), \(z^3 = z_0^3\) équivaut à \((\dfrac{z}{z_0})^3 = 1\), c’est-à-dire \(\dfrac{z}{z_0} \in \mathbb{U}_3\).
Les solutions sont donc \(z_k = 2e^{i(\pi/6 + 2k\pi/3)}\), \(k \in \{0, 1, 2\}\) :
\[z_0 = 2e^{i\pi/6} = \sqrt{3} + i, \qquad z_1 = 2e^{5i\pi/6} = -\sqrt{3} + i, \qquad z_2 = 2e^{3i\pi/2} = -2i.\]
Les trois solutions sont \(\sqrt{3} + i\), \(-\sqrt{3} + i\) et \(-2i\) ; elles forment un triangle équilatéral inscrit dans le cercle de centre \(O\) et de rayon \(2\).
Barème : a) 1 point pour le système avec le module, 0,5 point pour les deux racines ; b) 0,5 point pour le discriminant, 1 point pour les deux solutions ; c) 0,5 point pour la solution particulière, 0,5 point pour la réduction aux racines cubiques de l’unité, 0,5 point pour les formes algébriques, 0,5 point pour le triangle équilatéral.
Exercice 4 : Problème : pentagone régulier et cosinus de 2pi sur 5 (6 points)
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Les nombres \(1, \omega, \ldots, \omega^4\) sont les éléments de \(\mathbb{U}_5\). D’après la question de cours avec \(n = 5\), leur somme est nulle.
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Comme \(|\omega| = 1\) et \(\omega^5 = 1\), on a \(\omega^4 = \omega^{-1} = \overline{\omega}\). Donc \(a = \omega + \overline{\omega} = 2\operatorname{Re}(\omega) = 2\cos\dfrac{2\pi}{5}\). De même, \(\omega^3 = \overline{\omega^2}\), donc \(b = 2\cos\dfrac{4\pi}{5}\).
Ensuite, \(a + b = \omega + \omega^2 + \omega^3 + \omega^4 = -1\) d’après a). Enfin, en utilisant \(\omega^5 = 1\) :
\[ab = \omega^3 + \omega^4 + \omega^6 + \omega^7 = \omega^3 + \omega^4 + \omega + \omega^2 = -1.\]
Ainsi \(a + b = -1\) et \(ab = -1\).
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Les réels \(a\) et \(b\) ont pour somme \(-1\) et pour produit \(-1\). Ce sont donc les racines de \(X^2 + X – 1\), c’est-à-dire \(\dfrac{-1 + \sqrt{5}}{2}\) et \(\dfrac{-1 – \sqrt{5}}{2}\).
Or \(\dfrac{2\pi}{5} \in ]0, \dfrac{\pi}{2}[\), donc \(a = 2\cos\dfrac{2\pi}{5} > 0\), et \(a\) est la racine positive. Donc \(\cos\dfrac{2\pi}{5} = \dfrac{\sqrt{5} – 1}{4}\).
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Comme \(\omega = e^{2i\pi/5}\), l’application \(z \mapsto \omega z\) est la rotation de centre \(O\) et d’angle \(\dfrac{2\pi}{5}\). Elle envoie \(\omega^k\) sur \(\omega^{k+1}\) pour \(0 \leq\, k \leq\, 3\), et \(\omega^4\) sur \(\omega^5 = 1\) : elle permute donc les cinq sommets.
De plus, \(|\omega^{k+1} – \omega^k| = |\omega^k|\,|\omega – 1| = |\omega – 1|\). Par l’angle moitié, \(\omega – 1 = e^{i\pi/5}(e^{i\pi/5} – e^{-i\pi/5}) = 2i\sin\dfrac{\pi}{5}\,e^{i\pi/5}\). Chaque côté mesure donc \(2\sin\dfrac{\pi}{5}\) : le pentagone est régulier.
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Le point fixe vérifie \(z_0 = (1+i)z_0 + 2\), soit \(-iz_0 = 2\), donc \(z_0 = 2i\). En soustrayant \(z_0 = (1+i)z_0 + 2\) à \(f(z) = (1+i)z + 2\), on obtient \(f(z) – 2i = (1+i)(z – 2i)\), avec \(1 + i = \sqrt{2}\,e^{i\pi/4}\).
Ainsi \(f\) est la similitude directe de centre \(2i\), de rapport \(\sqrt{2}\) et d’angle \(\dfrac{\pi}{4}\). Elle multiplie les distances par \(\sqrt{2}\). Par conséquent, l’image du pentagone est un pentagone régulier de centre \(f(0) = 2\) et de côté \(2\sqrt{2}\sin\dfrac{\pi}{5}\).
Barème : a) 0,5 point ; b) 1 point pour les deux cosinus, 0,5 point pour la somme, 0,5 point pour le produit ; c) 0,5 point pour le trinôme, 0,5 point pour ses racines, 0,5 point pour le choix du signe ; d) 0,5 point pour la rotation, 0,5 point pour la longueur ; e) 0,5 point pour le point fixe et la nature, 0,5 point pour l’image du pentagone.
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