∣z1⋅z2∣=∣z1∣⋅∣z2∣ et arg(z1⋅z2)=arg(z1)+arg(z2)
∣z1/z2∣=∣z1∣/∣z2∣ et arg(z1/z2)=arg(z1)−arg(z2)
∣zn∣=∣z∣n et arg(zn)=n⋅arg(z)
III. Forme exponentielle
z=r⋅eiθ (formule d'Euler : eiθ=cosθ+isinθ)
IV. Formule de Moivre
(cosθ+isinθ)n=cos(nθ)+isin(nθ)
V. Racines n-ièmes de l'unité
zn=1⇒zk=e2ikπ/n, k=0,1,…,n−1
VI. Applications géométriques
Distance AB=∣zB−zA∣
Milieu de [AB] : zM=2zA+zB
arg(zB−zAzC−zA)= angle (AB,AC)
Translation : z′=z+t
Rotation de centre Ω et angle θ : z′−zΩ=eiθ(z−zΩ)
📈 Figure clé
Image de z=a+ib dans le plan complexe
🔑 Formules clés à retenir
i2=−1, z⋅z=∣z∣2
eiθ=cosθ+i⋅sinθ
(cosθ+isinθ)n=cos(nθ)+isin(nθ)
∣z1z2∣=∣z1∣⋅∣z2∣
arg(z1z2)=arg(z1)+arg(z2)
⚠️
Astuces & Pièges à éviter
Les erreurs classiques — à lire avant les exercices !
🔴 Pièges classiques
❌
Division en forme algébrique — multiplier par le conjugué : pour z1/z2, multiplier numérateur ET dénominateur par z2. Le dénominateur devient ∣z2∣2 (réel !). Ne jamais "simplifier" partie par partie.
❌
Argument de z1/z2 :arg(z1/z2)=arg(z1)−arg(z2) (soustraction, pas addition). Et arg(z)=−arg(z).
❌
Racines n-ièmes : ne pas en oublier : l'équation zn=a admet exactement n solutions dans C. Les racines n-ièmes de l'unité : zk=e2ikπ/n pour k=0,1,…,n−1.
🟢 Astuces de pros
✅
Moivre pour les formules trigo :(eiθ)2=e2iθ → (cosθ+isinθ)2=cos(2θ)+isin(2θ). Développer le membre gauche et identifier parties réelle/imaginaire donne cos(2θ) et sin(2θ).
✅
Lien géométrie-complexes : le module ∣zB−zA∣=AB (distance), arg(zB−zA)= angle de AB avec l'axe réel. La rotation de centre Ω d'angle θ : z′=eiθ(z−zΩ)+zΩ.
💡
Somme des racines de l'unité = 0 : pour n≥2, la somme des n racines n-ièmes de l'unité vaut 0. Très utile pour des identités trigonométriques et des calculs de sommes.
🎯
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Manipule au lieu de mémoriser — 2 visualisations interactives pour ce chapitre.
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9
Argument et forme exponentielle d'un complexe
Facile
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Exercice 2 — Argument et forme exponentielle. On considère le nombre complexe z=1+3i. Calculer ∣z∣. Déterminer un argument θ de z, avec θ∈]−π;π]. En déduire la forme trigonométrique de z. Écrire z sous forme exponentielle. En utilisant la forme exponentielle, calculer z3 et z6 ; donner les résultats sous forme algébrique. Montrer que z est une racine cubique de −8, c'est-à-dire que z3=−8.
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16
Équation du second degré dans ℂ et racines complexes — Bac Cameroun 2023
Facile
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Énoncé
Exercice 2 — Équations dans C
On travaille dans l'ensemble C des nombres complexes.
Résoudre dans C l'équation z2+2z+5=0. On exprimera les solutions sous forme algébrique.
Soit z0 une solution de l'équation précédente. Vérifier que l'autre solution est z0 (le conjugué de z0). Cette propriété est-elle générale pour tout polynôme à coefficients réels ? Justifier brièvement.
Résoudre dans C l'équation z2−(3+i)z+(2+3i)=0. (On pourra vérifier que z=2 est une solution et factoriser.)
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19
Argument et forme trigonométrique — cas usuels
Facile
Corrigé
Énoncé
Exercice 2 — Forme trigonométrique et argument. On considère les nombres complexes suivants : zA=1+i, zB=−3+i, zC=−2i. Pour chacun de ces nombres complexes, calculer le module et déterminer un argument dans [−π;π[. En déduire la forme trigonométrique. Écrire zA et zB sous forme exponentielle. En utilisant les formes exponentielles, calculer zA×zB et en déduire les valeurs exactes de cos(1213π) et sin(1213π).
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58
Résolution d'équation dans ℂ et interprétation géométrique
Intermédiaire
Corrigé
Énoncé
Exercice 3 — Équation complexe et géométrie
Dans le plan complexe muni d'un repère orthonormal direct (O, u⃗, v⃗), on associe à tout point M son affixe z.
On pose j = ei32π.
Montrer que j est une racine cubique de l'unité, c'est-à-dire que j3=1. En déduire que j2+j+1=0.
Écrire j et j2 sous forme algébrique.
On considère les points A, B, C d'affixes respectives zA=1, zB=j, zC=j2. a) Calculer ∣zB−zA∣, ∣zC−zB∣ et ∣zA−zC∣. b) Que peut-on conclure sur le triangle ABC ?
Calculer l'affixe du centre de gravité G du triangle ABC. Que remarque-t-on ?
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59
Formule de Moivre, linéarisation et racines de l'unité
Intermédiaire
Corrigé
Énoncé
Exercice 4 — Formule de Moivre et racines cubiques de l'unité
Partie A — Application de la formule de Moivre
En développant (cos θ + i sin θ)3 à l'aide de la formule de Moivre et du binôme de Newton, démontrer les identités : cos(3θ) = 4cos3θ − 3cos θ sin(3θ) = 3sin θ − 4sin3θ
En déduire la valeur exacte de cos(π÷9) sachant qu'il vérifie 8x3 − 6x − 1 = 0 (on admettra ce fait).
Partie B — Racines cubiques de l'unité
Résoudre l'équation z3 = 1 dans C. On notera les racines 1, j et j̄.
Montrer que j est racine du polynôme P(z) = z2 + z + 1, puis factoriser P(z) sur C.
Montrer que 1 + j + j2 = 0 et que j3 = 1.
Calculer (1 − j)(1 − j2). En déduire la valeur de |(1 − j)(1 − j2)|.
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61
Forme exponentielle, formule de Moivre et linéarisation
Intermédiaire
Corrigé
Énoncé
Exercice 4 — Formule de Moivre et expressions trigonométriques
Partie A — Application de la formule de Moivre
En développant (cos θ + i sin θ)3 à l'aide du binôme de Newton, puis en appliquant la formule de Moivre, établir les formules : • cos(3θ) = 4cos3θ − 3cos θ • sin(3θ) = 3sin θ − 4sin3θ
Partie B — Application numérique
Déduire de la formule cos(3θ) = 4cos3θ − 3cos θ la valeur exacte de cos(π/9) en remarquant que cos(π/3) = 21, puis montrer que cos(π/9) est racine du trinôme 8x3 − 6x − 1.
En utilisant sin(3θ) = 3sin θ − 4sin3θ, calculer sin(π/18) sachant que sin(π/6) = 1/2. Montrer que sin(π/18) est racine de 8x3 − 6x + 1.
Partie C — Somme de cosinus
On pose S = cos(π/9) + cos(5π/9) + cos(7π/9). En utilisant les racines cubiques de l'unité ou tout autre raisonnement, montrer que S = 0.
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64
Équations complexes et applications géométriques dans le plan
Intermédiaire
Corrigé
Énoncé
Exercice 3 — Équations complexes et géométrie. Le plan est muni d'un repère orthonormal (O,u,v) ; à M(x,y) on associe z=x+iy. Partie A. 1. Résoudre dans C l'équation z2+(2−2i)z+(−1+6i)=0 (on donnera les solutions à l'aide du discriminant). 2. Résoudre dans C l'équation z4−16=0 (formes exponentielle et algébrique). Partie B. Soient A, B, C d'affixes zA=−1+i, zB=3+i, zC=1+3i. 3. Calculer AB, AC, BC. Le triangle ABC est-il isocèle ?
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65
Forme trigonométrique de z = 1 + i√3
Intermédiaire
Corrigé
Énoncé
Exercice 2 — Forme trigonométrique et formule de Moivre
On considère le nombre complexe z=1+i3.
Partie A — Forme trigonométrique
1. Calculer ∣z∣ et déterminer un argument θ de z. En déduire la forme trigonométrique puis la forme exponentielle de z.
2. En utilisant la forme exponentielle, calculer z6 et z12. Donner les résultats sous forme algébrique.
Partie B — Formule de Moivre et identités trigonométriques
3. En développant (cosθ+isinθ)3 par la formule du binôme, puis en appliquant la formule de Moivre, établir les expressions de cos(3θ) et sin(3θ) en fonction de cosθ et sinθ.
4. Déduire de la question 3 la valeur exacte de cos(π/9) en résolvant une équation du troisième degré appropriée. (On posera x=cos(π/9) et on utilisera cos(π/3)=1/2.)
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66
Racines cubiques et géométrie dans le plan complexe — Bac Cameroun 2023
Intermédiaire
Corrigé
Énoncé
Exercice 4 — Racines cubiques et géométrie complexe
Dans le plan complexe muni d'un repère orthonormal (O, ū, v̄), on note A, B, C les points d'affixes respectives zA, zB, zC.
Résoudre dans C l'équation z3=−8. On exprimera les trois racines sous formes exponentielle et algébrique.
On note z0=−2, z1 et z2 les trois racines trouvées. Placer les points A, B, C d'affixes z0, z1, z2 dans le plan complexe. Quelle est la nature du triangle ABC ? Justifier à l'aide des modules et arguments.
Calculer z0+z1+z2. Interpréter géométriquement ce résultat (que peut-on dire du centre de gravité du triangle ABC ?).
Soit D le point d'affixe zD=z1×z2. Calculer zD sous forme algébrique. Montrer que D est le milieu de [AC] si et seulement si zA+zC=2zD. Vérifier si cette condition est satisfaite ou non.
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68
Nombres complexes : forme exponentielle, argument et géométrie
Intermédiaire
Corrigé
Énoncé
Dans le plan complexe muni d'un repère orthonormé (O,u,v), on considère les points A, B, C d'affixes respectives : zA=1+i3, zB=3+i, zC=−2. Partie A - Formes exponentielles : Écrire zA et zB sous forme exponentielle reiθ avec r>0 et θ∈]−π;π]. En déduire la forme exponentielle du produit zA×zB. Partie B - Argument et angle géométrique : On pose Z=zB−zAzC−zA. Calculer zC−zA et zB−zA. Calculer le module et un argument de Z. Interpréter géométriquement le module et l'argument de Z.
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69
Formule de Moivre, linéarisation et racines cubiques
Intermédiaire
Corrigé
Énoncé
Exercice 4 — Formule de Moivre et racines cubiques de l'unité
Partie A — Formule de Moivre
En utilisant la formule de Moivre, développer (cos θ + i sin θ)3 de deux façons différentes, puis en déduire les expressions de cos(3θ) et sin(3θ) en fonction de cos θ et sin θ.
En déduire que cos(3θ) = 4cos3θ − 3cosθ.
Partie B — Racines cubiques de l'unité
Résoudre dans C l'équation z3 = 1. On notera les trois racines ω₀, ω₁, ω₂ sous forme exponentielle.
Écrire ω₁ et ω₂ sous forme algébrique. Vérifier que ω₁ + ω₂ = −1 et ω₁ ×ω₂ = 1.
Montrer que 1 + ω₁ + ω₂ = 0. Interpréter géométriquement ce résultat.
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71
Formule de Moivre — linéarisation et identités trigonométriques — Bac France 2024
Intermédiaire
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Énoncé
Exercice 4 — Formule de Moivre et linéarisation
Partie A — Application de la formule de Moivre
En développant (cosθ+isinθ)3 par le binôme de Newton, puis en appliquant la formule de Moivre, établir les identités : cos(3θ)=4cos3θ−3cosθ sin(3θ)=3sinθ−4sin3θ
En déduire la valeur exacte de cos(π/9) sachant que cos(π/3)=1/2. (On admettra que x=cos(π/9) est la racine réelle de 8x3−6x−1=0 qui convient.)
Partie B — Calcul de somme
Soit n∈N∗. En considérant la partie réelle de la somme S=k=0∑neikθ (pour θ=2kπ), montrer que : k=0∑ncos(kθ)=Re(S)=sin(2θ)sin(2(n+1)θ)×cos(2nθ)
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72
Équation z² - 2z + 5 = 0 et relations de Viète
Intermédiaire
Corrigé
Énoncé
Exercice 3 — Équation complexe et géométrie
On considère l'équation (E) : z2−2z+5=0.
Calculer le discriminant Δ de l'équation (E). Justifier que (E) n'a pas de solution réelle.
Résoudre (E) dans C. On notera z1 et z2 les deux solutions, avec Im(z1)>0.
Vérifier les relations de Viète : z1+z2=2 et z1×z2=5.
Dans le plan complexe, on note A le point d'affixe z1 et B le point d'affixe z2. a. Calculer ∣z1∣ et arg(z1). b. Calculer la distance AB=∣z1−z2∣. c. Déterminer l'affixe du milieu M du segment [AB].
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73
Formule de Moivre et linéarisation de cos³θ — Bac Sénégal 2023
Intermédiaire
Corrigé
Énoncé
Exercice 3 — Formule de Moivre et linéarisation
Partie 1 — Application de la formule de Moivre
En appliquant la formule de Moivre à (cosθ+isinθ)3, développer l'expression et identifier parties réelle et imaginaire pour établir : cos(3θ)=4cos3θ−3cosθ sin(3θ)=3sinθ−4sin3θ
En déduire la valeur exacte de cos(π/9) en résolvant l'équation 4x3−3x=1/2 sachant que x=cos(π/9) est solution. (On admet que cette équation a trois racines réelles distinctes, il suffira d'identifier la bonne.)
Partie 2 — Calcul d'une somme trigonométrique
En utilisant la formule de Moivre, montrer que pour tout entier n≥1 : (cosθ+isinθ)n+(cosθ+isinθ)−n=2cos(nθ)
En déduire que cos2θ=(1+cos(2θ))÷2. (Poser n=1 dans une identité convenable impliquant (eiθ+e−iθ)2.)
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74
Racines cubiques de w = -4 + 4i√3 et polygone régulier
Intermédiaire
Corrigé
Énoncé
Exercice 4 — Racines cubiques et polygone régulier
On cherche les racines cubiques du nombre complexe w=−4+4i3, c'est-à-dire les solutions dans C de l'équation z3=w.
Mettre w sous forme exponentielle r⋅eiθ, en précisant r>0 et θ∈]−π;π].
Déterminer les trois racines cubiques z0,z1,z2 de w sous forme exponentielle, puis sous forme algébrique exacte.
Soit A, B, C les points du plan d'affixes respectives z0,z1,z2. (a) Montrer que A, B, C sont les sommets d'un triangle équilatéral en calculant ∣z1−z0∣, ∣z2−z1∣ et ∣z0−z2∣. (b) Calculer l'affixe du centre de gravité G du triangle ABC. Que remarque-t-on ?
Calculer z0+z1+z2 algébriquement et interpréter le résultat géométriquement.
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75
Formule de Moivre — linéarisation et identités trigonométriques — Bac Sénégal 2023
Intermédiaire
Corrigé
Énoncé
Exercice 3 — Formule de Moivre et trigonométrie
On rappelle la formule de Moivre : pour tout entier n ∈N et tout réel θ, (cosθ+isinθ)n = cos(nθ)+isin(nθ).
Partie A — Expressions de cos(3θ) et sin(3θ)
En développant (cosθ+isinθ)3 par la formule du binôme de Newton, puis en appliquant la formule de Moivre, établir les identités : • cos(3θ)=4cos3θ−3cosθ • sin(3θ)=3sinθ−4sin3θ
Partie B — Résolution d'une équation trigonométrique
En utilisant le résultat de la Partie A, résoudre dans R l'équation : 4cos3θ−3cosθ=1/2.
Partie C — Application numérique
Soit z=cos(π/9)+isin(π/9). (a) Calculer z3 en utilisant la formule de Moivre. (b) En déduire la valeur exacte de 4cos3(π/9)−3cos(π/9).
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Correction détaillée
114
Transformation géométrique et ensemble de points dans ℂ
Difficile
Corrigé
Énoncé
Exercice 5 — Transformation et lieu géométrique. Dans le plan complexe muni d'un repère orthonormal direct (O,u,v), on considère la transformation f qui à tout point M d'affixe z=i associe le point M′ d'affixe z′ définie par : z′=z−iz+1. 1. Déterminer l'affixe des points fixes de f (on résoudra z=z−iz+1 dans C). 2. Soit M un point tel que z=x+iy avec x,y∈R. Montrer que Re(z′)=x2+(y−1)2x2+y2+x−y et Im(z′)=x2+(y−1)2x−y+1. 3. On note Γ l'ensemble des points M (d'affixe z=i) tels que Re(z′)=Im(z′). Montrer que Γ est le cercle de centre O et de rayon 1, privé du point d'affixe i.
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Correction détaillée
116
Puissances, suites et module dans ℂ — problème complet
Difficile
Corrigé
Énoncé
Exercice 6 — Suite complexe, module et argument. On considère z0=1+i et la suite (zn) définie par zn+1=(1+i)zn pour tout n∈N. Partie A — 1) Écrire z0 sous forme exponentielle. 2) Montrer par récurrence que zn=(2)n+1ei(n+1)π/4 pour tout n∈N. 3) En déduire le module et un argument de zn. 4) Pour quelles valeurs de n a-t-on zn réel ? imaginaire pur ? Partie B — On pose Sn=z0+z1+…+zn. 5) Montrer que (zn) est géométrique. 6) Exprimer Sn en fonction de n.
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Correction détaillée
117
Transformation du plan complexe et points fixes
Difficile
Corrigé
Énoncé
Exercice 6 — Transformation du plan et lieu géométrique
Dans le plan complexe d'origine O, on considère la transformation f qui à tout point M d'affixe z associe le point M' d'affixe z' définie par :
z' = (1 + i)z − 2 + 2i
Partie A — Étude de la transformation
Déterminer les points fixes de f, c'est-à-dire les points M tels que f(M) = M (z' = z). On note F le point fixe obtenu.
On pose Z = z − zF et Z' = z' − zF, où zF est l'affixe de F. Montrer que Z' = (1 + i)Z. En déduire la nature géométrique de f (on précisera le centre, le rapport et l'angle de la transformation).
Calculer |1 + i| et arg(1 + i). En déduire que f est une similitude directe. Donner son rapport k et son angle α.
Partie B — Image d'un ensemble
Déterminer l'image par f du cercle (C) de centre O et de rayon 1, d'équation |z| = 1. On donnera l'équation de l'image sous la forme |z' − a| = r et on précisera le centre et le rayon.
Soit D le point d'affixe zD = 2. Calculer z'_D = f(zD). Vérifier que D' = f(D) est sur l'image du cercle (C).
Partie C — Itération
On définit la suite (zn) par z0 = 0 et z_{n+1} = (1 + i)zn − 2 + 2i pour tout n ∈N. Montrer que la suite (Zn) définie par Zn = zn − zF est une suite géométrique dont on précisera le premier terme et la raison.
En déduire l'expression de zn en fonction de n. Étudier la convergence de la suite (zn).
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Correction détaillée
118
Transformations géométriques dans le plan complexe
Difficile
Corrigé
Énoncé
Exercice 5 — Géométrie dans le plan complexe
Le plan complexe est muni d'un repère orthonormal direct (O, u⃗, v⃗). On considère les points A, B, C d'affixes respectives :
zA=2, zB=2i, zC=1+i3
Partie A — Étude du triangle ABC
Calculer ∣zB−zA∣, ∣zC−zA∣ et ∣zC−zB∣.
Calculer le rapport zB−zAzC−zA et en déduire la nature du triangle ABC (préciser les angles).
Déterminer l'affixe du centre de gravité G du triangle ABC.
Partie B — Rotation et image
On considère la rotation r de centre Ω d'affixe zΩ=1+i et d'angle 2π.
Rappeler la formule donnant l'affixe z' de l'image d'un point d'affixe z par r.
Déterminer l'affixe de A′=r(A), B′=r(B) et C′=r(C).
Montrer que Ω est le milieu de [AA'] et de [BB']. Est-ce une coïncidence ? Justifier.
Partie C — Lieu géométrique
Soit M un point d'affixe z. On pose Z=z−2iz−2. Déterminer l'ensemble des points M tels que Z soit un réel, puis l'ensemble des points M tels que ∣Z∣=1.
Bloqué sur cet exercice ? Prof Hicham t'explique pas à pas.
Correction détaillée
120
Racines de l'unité, transformations et suite complexe
Difficile
Corrigé
Énoncé
Exercice 4 — Racines cubiques de l'unité et suite complexe
Partie A — Racines cubiques de l'unité
1. Résoudre dans C l'équation z3=1. On notera 1, j et jˉ les trois racines, avec j=ei2π/3.
2. Montrer que j2=jˉ et que 1+j+j2=0. En déduire la valeur de jˉ+jˉ2.
3. Calculer (1+j)10+(1+j2)10. Simplifier le résultat.
Partie B — Suite définie par récurrence dans C
On définit la suite (zn) par : z0=1 et, pour tout n∈N, zn+1=(21+i23)×zn.
4. Écrire le nombre complexe q=21+i23 sous forme exponentielle. Calculer ∣q∣ et arg(q).
5. Montrer par récurrence que, pour tout n∈N : zn=einπ/3.
6. Déterminer le plus petit entier n≥1 tel que zn soit un réel strictement négatif.
7. Les points Mn d'affixes zn sont-ils tous sur un même cercle ? Si oui, préciser le centre et le rayon. Combien de points distincts la suite (Mn) définit-elle sur ce cercle ?
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121
Transformation géométrique et lieu de points dans ℂ
Difficile
Corrigé
Énoncé
Exercice 5 — Transformation géométrique complexe
Dans le plan complexe muni d'un repère orthonormal (O, ū, v̄), on considère la transformation f qui à tout point M d'affixe z (z = i) associe le point M' d'affixe z' définie par :
z′=z−iz+1
Montrer que f est bien définie pour tout z∈C avec z=i. Calculer l'affixe du point image de A(affixe 0), B(affixe 1), C(affixe −1) et D(affixe 2i).
Déterminer l'ensemble des points M d'affixe z tels que z′ soit un réel. On exprimera la condition sur les parties réelle et imaginaire de z.
Déterminer l'ensemble des points M d'affixe z tels que ∣z′∣=1. Montrer que cet ensemble est un cercle dont on précisera le centre et le rayon.
On pose z=x+iy avec x,y∈R. Montrer que si z′=a+bi, alors : a=…x2+y2+x−y−1+… (Effectuer le calcul complet de la partie réelle de z' en fonction de x et y.) En déduire les points fixes de f, c'est-à-dire les points M tels que z′=z.
Bloqué sur cet exercice ? Prof Hicham t'explique pas à pas.
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122
Nombres complexes : racines cubiques, suite et géométrie avancée
Difficile
Corrigé
Énoncé
Exercice 3 — Racines de l'unité, suite complexe et lieu géométrique
On note j=e2iπ/3.
Partie A — Racines cubiques de l'unité
Résoudre dans C l'équation z3=1. On notera les trois racines 1, j et j2.
Montrer que j2=e−2iπ/3, puis écrire j et j2 sous forme algébrique.
Montrer que 1+j+j2=0. En déduire la valeur de (1+j)(1+j2).
Calculer le module et un argument de j+1j−1, en justifiant soigneusement chaque étape.
Partie B — Suite de nombres complexes
On définit la suite (zn) par : z0=1 et, pour tout entier n∈N, zn+1=(1+i3)×zn+2.
Montrer que la suite (zn−a) est géométrique, où a est un complexe à déterminer (on cherche a tel que zn+1−a=(1+i3)(zn−a)).
Exprimer zn en fonction de n.
Calculer ∣zn∣ et arg(zn−a) pour tout n∈N. Que peut-on dire de la suite (∣zn∣) ?
Partie C — Lieu géométrique
Dans le plan complexe muni d'un repère orthonormé direct (O,u,v), on considère les points fixes A et B d'affixes respectives zA=2 et zB=2i. Pour un point M d'affixe z∈C (avec z=2 et z=2i), on pose :
Q=z−2z−2i
Montrer que Q est un réel si et seulement si M appartient à une droite Δ que l'on déterminera.
Montrer que ∣Q∣=1 si et seulement si M appartient à un cercle C que l'on déterminera (centre et rayon).
Déterminer l'ensemble des points M tels que arg(Q)=2π (modulo 2π). Quel objet géométrique obtient-on ?
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123
Racines cubiques et transformations géométriques
Difficile
Corrigé
Énoncé
Exercice 5 — Racines cubiques et géométrie dans C
Dans le plan complexe rapporté à un repère orthonormal direct (O, u, v) d'unité 1 cm, on note zM l'affixe d'un point M.
Partie A — Racines de z3=−8i
Écrire −8i sous forme exponentielle.
Déterminer les trois racines cubiques de −8i. On les notera z0, z1, z2 et on les exprimera sous forme exponentielle puis algébrique.
Placer les points A, B, C d'affixes z0, z1, z2 dans le plan complexe. Quelle est la nature du triangle ABC ?
Partie B — Transformation du plan
On définit la transformation f du plan par : pour tout point M d'affixe z (z = 0), l'image M' = f(M) a pour affixe z′=zˉz2+2zˉ, où zˉ désigne le conjugué de z.
Exprimer z' en fonction de z et zˉ. Montrer que si z=reiθ, alors z′=re2iθ+2e−iθ×e2iθ... (simplifier complètement z').
Déterminer l'ensemble des points M tels que M' = M (points fixes de f).
Déterminer l'ensemble des points M tels que ∣z′∣=∣z∣.
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Correction détaillée
124
Puissances complexes, suite géométrique et lieu géométrique
Difficile
Corrigé
Énoncé
Exercice 6 — Suite, puissances et lieu géométrique. On pose z0=1+i et on définit la suite (zn) par zn+1=(1+i)zn pour tout entier naturel n. 1. Montrer que zn=(1+i)n+1 pour tout entier naturel n. 2. Écrire 1+i sous forme exponentielle, puis en déduire une expression de zn sous forme exponentielle. 3. Calculer ∣zn∣ et arg(zn), et montrer que ∣zn∣=2(n+1)/2. 4. Déterminer l'ensemble des entiers n≥1 pour lesquels zn est un imaginaire pur, puis ceux pour lesquels zn est un réel. 5. On note Mn le point d'affixe zn. Calculer la distance OMn.
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Correction détaillée
125
Suites de nombres complexes et spirales
Difficile
Corrigé
Énoncé
Exercice 6 — Suite complexe, spirale et convergence
On considère la suite (zn) de nombres complexes définie par : z0=1 et, pour tout n∈N, zn+1=21+i×zn+1.
On pose q=21+i.
Calculer ∣q∣ et arg(q). En déduire la forme exponentielle de q.
Montrer que la suite (zn) est une suite géométrico-arithmétique. Trouver le point fixe L de la relation de récurrence, c'est-à-dire le complexe L tel que L=qL+1.
On pose wn=zn−L. Montrer que (wn) est une suite géométrique de raison q. En déduire l'expression de zn en fonction de n.
Exprimer ∣zn∣ et arg(zn−L) en fonction de n. Interpréter géométriquement : que décrivent les points Mn d'affixe zn dans le plan complexe ?
La suite (zn) converge-t-elle ? Justifier. Si oui, donner sa limite.
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Correction détaillée
126
Transformation géométrique définie par un nombre complexe
Difficile
Corrigé
Énoncé
Exercice 5 — Transformation du plan et nombres complexes
Le plan est muni d'un repère orthonormé direct (O, u⃗, v⃗). À tout point M d'affixe z∈C, on associe le point M' d'affixe z′ défini par :
z′=(1+i3)⋅z+2−2i3
On note f la transformation du plan ainsi définie.
Écrire 1+i3 sous forme exponentielle. En déduire le module et l'argument de ce nombre complexe.
Montrer que f est une similitude directe. Préciser son rapport k et son angle α.
Déterminer l'affixe zΩ du point fixe Ω de f (c'est-à-dire le point vérifiant f(Ω)=Ω).
On note A le point d'affixe zA=1 et B le point d'affixe zB=−1. a. Calculer les affixes zA′ et zB′ des images A' et B' de A et B par f. b. Calculer les distances OA′, OB′ et A′B′. c. Vérifier que A′B′=k×AB.
Montrer que les points A, B, A', B' sont cocycliques (sur un même cercle). On précisera le centre et le rayon de ce cercle.
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Correction détaillée
127
Transformation du plan complexe, racines et lieu géométrique
Difficile
Corrigé
Énoncé
Exercice 3 — Transformations, racines et lieu géométrique
Le plan complexe est muni d'un repère orthonormal (O, u, v). À tout point M d'affixe z=i, on associe le point M' d'affixe z′ définie par :
z′=z−iz+1
Partie 1 — Étude algébrique de la transformation
Montrer que si z′=a+bi (a,b∈R), alors en posant z=x+yi :
a=x2+(y−1)2x2+y2−y+x et b=x2+(y−1)2x−y+1−x2−y2+y
(On admettra ces expressions si le calcul algébrique est trop long, mais la méthode doit être indiquée.)
Déterminer l'ensemble des points M d'affixe z tels que z′ soit un réel pur (Im(z′)=0), c'est-à-dire b=0. Montrer que cet ensemble est un cercle dont on précisera le centre et le rayon.
Déterminer les points fixes de la transformation, c'est-à-dire les points M tels que z′=z. On résoudra l'équation z2−z−1−i=0 dans C.
Partie 2 — Racines de z2−z−1−i=0
On cherche les racines de P(z)=z2−z−1−i sous la forme z=a+bi avec a,b∈R.
En posant Δ=5+4i (discriminant), chercher les racines carrées de Δ sous la forme u+vi (u,v∈R). On résoudra le système obtenu en comparant parties réelle et imaginaire.
En déduire les deux racines z1 et z2 de P(z). Vérifier que z1+z2=1 et z1×z2=−1−i (relations de Viète).
Placer les points fixes M1 et M2 dans le plan. Calculer ∣M1M2∣ et l'argument de z2−z1.
Partie 3 — Image d'un cercle
On considère le cercle (C) d'équation x2+y2=1 (cercle unité). Soit M un point de (C) distinct de i (d'affixe i).
Pour M∈ (C), montrer que ∣z∣=1, c'est-à-dire z×z=1.
Montrer que, pour tout M∈ (C) avec z=i, on a ∣z′∣=∣z−i∣∣z+1∣.
En utilisant ∣z∣2=1, calculer ∣z+1∣2 et ∣z−i∣2 en fonction des parties réelle et imaginaire de z, puis montrer que l'image de (C) par la transformation est contenue dans une droite que l'on déterminera.
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Correction détaillée
129
Suites et nombres complexes — convergence et représentation
Difficile
Corrigé
Énoncé
Exercice 6 — Suite de nombres complexes et géométrie
On définit la suite (zn) de nombres complexes par :
z0=1
Pour tout n∈N : zn+1=21zn+21i
Partie A — Étude de la suite
(a) Montrer que la suite (zn) peut s'écrire zn+1−L=21(zn−L) pour un nombre complexe L à déterminer. (b) En déduire une expression de zn en fonction de n. (c) Montrer que la suite (zn) converge et déterminer sa limite l.
Partie B — Modules et arguments
On pose wn=zn−l (où l est la limite trouvée en A). (a) Exprimer ∣wn∣ en fonction de n. Que peut-on dire de la suite (∣wn∣)? (b) Montrer que arg(wn+1)=arg(wn) pour tout n, et interpréter géométriquement.
Partie C — Représentation géométrique
Soit Mn le point d'affixe zn dans le plan complexe. (a) Montrer que les points Mn sont tous situés sur un même segment [AB] que l'on déterminera. (b) Calculer la distance MnMn+1 en fonction de n. (c) Montrer que la série de longueurs ∑MnMn+1 est une suite géométrique convergente et calculer la somme totale des distances parcourues.
Partie D — Forme exponentielle
Écrire z1, z2 et z3 sous forme algébrique, puis calculer ∣zn−l∣ et arg(zn−l) pour n≥1. En déduire la forme exponentielle de wn=zn−l.
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Correction détaillée
130
Transformation du plan complexe — similitude et ensemble de points
Difficile
Corrigé
Énoncé
Exercice 5 — Transformation du plan et lieu géométrique
Le plan est muni d'un repère orthonormal (O, u, v). À tout point M d'affixe z=i, on associe le point M' d'affixe z′ défini par :
z′=z−iz+1
Partie A — Préliminaires algébriques
(a) Montrer que z′ peut s'écrire sous la forme z′=1+z−i1+i. (b) Déterminer l'affixe du point M tel que z′=z (points fixes de la transformation).
Partie B — Image d'une droite
On considère l'ensemble D des points M d'affixe z tels que Re(z)=0 (l'axe imaginaire pur), avec z=i. (a) On pose z=iy avec y∈R, y=1. Exprimer z′ en fonction de y sous forme algébrique. (b) Montrer que Re(z′)=−21 pour tout z∈D. En déduire que l'image de D par la transformation est contenue dans une droite verticale que l'on précisera.
Partie C — Image d'un cercle
On considère l'ensemble Γ des points M d'affixe z tels que ∣z∣=1, avec z=i. (a) On pose z=eiθ avec θ∈]−π;π[, θ=2π. Exprimer ∣z′∣2 en fonction de θ. (b) Montrer que l'image de Γ par la transformation est un cercle dont on déterminera le centre et le rayon.
Partie D — Condition géométrique
Déterminer l'ensemble des points M d'affixe z tels que z′ est un réel (Im(z′)=0). Décrire géométriquement cet ensemble.
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Correction détaillée
141
Cocyclicité d'un point défini par une moyenne harmonique
Difficile
Corrigé
Énoncé
On considère les points M1(z1) et M2(z2) tels que O, M1 et M2 soient deux à deux distincts et non alignés. Soit M(z) le point d'affixe z=z1+z22z1z2.
Montrer que z2−zz1−z×z1z2=−1.
En déduire que M appartient au cercle circonscrit au triangle OM1M2.
Montrer que si z2=z1, alors M appartient à l'axe réel.
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Correction détaillée
145
Suite de points et sommes géométriques
Difficile
Corrigé
Énoncé
Soit a∈C∖{1}. On pose f(z)=az+ia+i et on note A0 le point d'affixe z0=4+4i et Ω le point d'affixe i. Pour n∈N, An est le point d'affixe zn et An+1 celui d'affixe zn+1=f(zn).
Vérifier que f(i)=i et déterminer l'affixe de A1.
Déterminer le réel k tel que ΩAn+1=kΩAn, puis en déduire ΩAn en fonction de a et n.
On pose Sn=k=0∑nΩAk et Tn=k=0∑nAkAk+1. Calculer Sn, puis n→+∞limSn et n→+∞limTn dans le cas ∣a∣<1.
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Correction détaillée
151
Cercle circonscrit et moyenne harmonique
Difficile
Corrigé
Énoncé
Dans le plan complexe, on considère les points M1(z1) et M2(z2) tels que O, M1, M2 soient deux à deux distincts et non alignés. Soit M(z) le point d'affixe z=z1+z22z1z2.
a) Montrer que z2−zz1−z×z1z2=−1. b) En déduire que M appartient au cercle circonscrit au triangle OM1M2.
Montrer que si z2=z1, alors M appartient à l'axe réel.
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Correction détaillée
153
Équation, transformations et carré ABCD
Difficile
Corrigé
Énoncé
A) Résoudre dans C l'équation :
(E):z2−2(1−2)z+2(2−2)=0
B) On pose u=1−2−i.
Calculer ∣u∣.
Montrer que (1+i)u=−2u.
En déduire que arg(u)≡811π[2π], puis montrer que u8 est un réel.
C) On considère les points E, F, G d'affixes zE=1+i, zF=1−i, zG=−i3.
N est l'image de F par l'homothétie h de centre G et de rapport 2. Montrer que zN=2+i(3−2).
R est la rotation de centre O et d'angle 2π ; A=R(G) et C=R(N). Déterminer zA et zC.
T est la translation de vecteur d'affixe 2i ; B=T(N) et D=T(G). Déterminer zB et zD.
a) Montrer que E est le milieu de [AC] et de [BD]. b) Vérifier que zB−zEzC−zE=i et en déduire la nature du triangle BCE. c) Conclure que ABCD est un carré.
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Correction détaillée
154
Équation, rotation d'angle pi/8 et triangle isocèle
Difficile
Corrigé
Énoncé
A) Résoudre dans C l'équation (E):z2+(1−i)z+2−2i=0.
On pose ensuite a=22+22i.
a) Écrire a sous forme trigonométrique et en déduire que a2024∈R. b) On pose b=cos8π+isin8π ; montrer que b2=a.
Dans le repère orthonormé, on note A(a), B(b), C(c) avec c=1, et R la rotation de centre O et d'angle 8π, d'écriture complexe M(z)↦M′(z′). a) Vérifier que z′=bz. b) Déterminer l'image de C par R et montrer que A=R(B).
a) Montrer que ∣a−b∣=∣b−c∣ et déterminer la nature du triangle ABC. b) Déterminer une mesure de l'angle (BA,BC).
T est la translation de vecteur u (affixe 1) et D=T(A). a) Vérifier que d=b2+1. b) Montrer que bb2+1=b+b et en déduire que O, B, D sont alignés.
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Correction détaillée
156
Équation paramétrée, rotation et points cocycliques
Difficile
Corrigé
Énoncé
Soit m un nombre complexe.
I) On considère (Em):z2+(im+2)z+im+2−m=0.
a) Vérifier que Δ=(im−2i)2. b) Donner, suivant les valeurs de m, les solutions de (Em).
Pour m=i2, écrire les deux racines sous forme exponentielle.
II) Dans le repère orthonormé direct, on considère A, Ω, M, M′ d'affixes a=−1−i, ω=i, m et m′=−im−1+i.
Soit R la rotation d'angle −2π qui transforme M en M′. a) Vérifier que Ω est le centre de R. b) Déterminer l'affixe b du point B tel que R(B)=A.
a) Vérifier que m′−a=ω−bω−a(m−b). b) En déduire que A, M, M′ sont alignés si et seulement si A, B, Ω, M sont cocycliques. c) Montrer que l'ensemble des M tels que A, M, M′ soient alignés est un cercle dont on précisera le centre et le rayon.
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Correction détaillée
157
Composée de transformations, similitude et barycentre
Difficile
Corrigé
Énoncé
Dans le repère orthonormé direct, on considère la transformation r qui à M(z) associe M1(z1) avec z1=21+i3z+23+i, et la transformation h qui à M(z) associe M2(z2) avec z2=−2z+3i.
Déterminer la nature et les éléments caractéristiques de r et de h.
Soit a un complexe avec a=i, A(a), Ω(i), et F=h∘r qui à M(z) associe M′(z′). Montrer que z′−i=ei34π(z−i) et en déduire la nature de F.
On pose B=F(A), C=F(B), D=F(C). a) Déterminer b, c, d en fonction de a. b) Montrer que A, Ω, D sont alignés. c) Montrer que Ω est le barycentre de {(D,1),(C,2),(B,4)}.
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158
Somme géométrique et sommes trigonométriques
Difficile
Corrigé
Énoncé
Soit z=1 un complexe. Montrer que pour tout n∈N∗ :
1+z+z2+⋯+zn−1=z−1zn−1
a) Vérifier que pour tout x∈R : eix−1=2isin2xei2x. b) Pour n∈N∗ et x∈R (avec eix=1), calculer Zn=1+eix+e2ix+⋯+e(n−1)ix, puis en déduire Xn=k=0∑n−1cos(kx) et Yn=k=0∑n−1sin(kx).
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159
Rotation, translation et alignement de trois points
Difficile
Corrigé
Énoncé
Soit a un nombre complexe différent de 1−i. On considère dans C l'équation :
(E):z2−2(a+1−i)z+2a2−4i=0
Calculer (a−1+i)2, puis résoudre l'équation (E).
On considère les points A(a), B(a−ia+2), C(a+ia−2i) et Ω(2−2i). Déterminer l'affixe de I, milieu de [BC], puis déterminer le vecteur u de la translation t qui transforme A en I.
Soit la rotation R(Ω;−2π).
Montrer que R(C)=B, puis en déduire que (BC)⊥(ΩI).
Donner une méthode pour construire les points B et C à partir de A(a).
On pose a=b(1+i)−2i où b∈R.
Déterminer les affixes des vecteurs CB et CA en fonction de b.
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Correction détaillée
161
Équation paramétrée, rotation et configuration géométrique
Difficile
Corrigé
Énoncé
Soit m un nombre complexe non réel (m∈C∖R).
I) On considère dans C l'équation :
(E):z2−(1+i)(1+m)z+2im=0
Montrer que le discriminant de (E) est non nul.
Déterminer z1 et z2, les deux solutions de (E).
On suppose ici que m=eiθ avec 0<θ<π.
Déterminer le module et un argument de z1+z2.
Montrer que si z1z2∈R, alors z1+z2=2i.
II) Le plan complexe est rapporté à un repère orthonormé direct (O;u,v). On considère A d'affixe a=1+i, B d'affixe b=(1+i)m, C d'affixe c=1−i, D image de B par la rotation de centre O et d'angle 2π, et Ω le milieu de [CD].
Montrer que l'affixe de Ω est ω=2(1−i)(1−m) et calculer ωb−a.
Bloqué sur cet exercice ? Prof Hicham t'explique pas à pas.
Correction détaillée
162
Translation et rotation
Difficile
Corrigé
Énoncé
Soit le point A représenté par le nombre complexe zA = 2 + 3i. Appliquez une translation de 1 - 1i et ensuite une rotation de 90∘ autour de l'origine.
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Correction détaillée
170
Distance et Argument
Difficile
Corrigé
Énoncé
Considérons deux villes marocaines A et B représentées par les nombres complexes zA=4+3i et zB=1−2i. 1. Calculez la distance entre A et B. 2. Déterminez l'argument de la direction de B par rapport à A. 3. Si C est une ville située à mi-chemin entre A et B, exprimez le nombre complexe zC qui représente C. 4. Calculez le module et l'argument de zC.
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Correction détaillée
171
Racines et Transformations
Difficile
Corrigé
Énoncé
Soit le nombre complexe z=1+3i. 1. Exprimez z sous forme trigonométrique. 2. Calculez les racines cubiques de z. 3. Si l'on effectue une rotation de 60∘ autour de l'origine de chacune de ces racines, exprimez les nouvelles positions sous forme algébrique.
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