--> Devoir maison ∼ Nombres complexes 1 Soit $z\in\mathbb{C}$. On définit alors $f(z)$ par : $$f(z)=z^4-2z^3+11z^2-18z+18.$$
  1. Calculer $f(i)$ et $f(-i)$.
  2. $\begin{array}{rcl} f(i) & = & i^4-2i^3+11i^2-18i+18 \ & = & (i^2)^2-2i\times i^2+11\times(-1)-18i+18 \ & = & (-1)^2-2i\times(-1)-11-18i+18 \ & = & 1+2i+7-18i \ & = & 8 - 16i.\ \end{array}$

    $\begin{array}{rcl} f(-i) & = & (-i)^4-2(-i)^3+11(-i)^2-18\times(-i)+18 \ & = & i^4+2i^3+11i^2+18i+18 \ & = & 1-2i-11+18i+18 \ & = & 8+16i.\ \end{array}$
    Ceci est sans intérêt pour l'exercice, mais nous avons que les nombres $f(i)$ et $f(-i)$ sont conjugués.
  3. Existe-t-il des réels $a$ et $b$ tels que $f(z)=(z^2+9)(z^2+az+b)$ ?
  4. Pour vérifier l'existence des nombres réels $a$ et $b$, développons le membre de droite de l'égalité proposée.

    $\begin{array}{rcl} (z^2+9)(z^2+az+b) & = & z^4+az^3+bz^2+9z^2+9az+9b \ & = & z^4+az^3+(b+9)z^2+9az+9b. \end{array}$

    Procédons alors par identification, c'est-à-dire, en utilisant le fait que deux polynômes sont égaux, si et seulement si ils ont les mêmes coefficients.
    Ainsi, l'égalité $f(z)=(z^2+9)(z^2+az+b)$ est équivalente à $z^4-2z^3+11z^2-18z+18 = z^4+az^3+(b+9)z^2+9az+9b$, et à :

    $\left\{ \begin{array}{rcl} a & = & -2 \ b+9 & = & 11 \ 9a & = & -18 \ 9b & = & 18 \ \end{array} \right.$ $\iff$ $\left\{ \begin{array}{rcl} a & = & -2 \ b & = & 2 \ a & = & -2 \ b & = & 2 \ \end{array} \right.$

    L'égalité est bien vérifiée pour $a=-2$ et $b=2$ (elle n'aurait pu être vraie pour aucun réels $a$ et $b$, si on avait trouvé deux équations incohérentes. Par exemple $b=2$ et $b=1$), et on a donc : $$f(z)=(z^2+9)(z^2-2z+2).$$ On aurait également pu poser la division euclidienne entre $z^4-2z^3+11z^2-18z+18$ et $z^2+9$.

    $z^4$$-$$2z^3$$+$$11z^2$$-$$18z$$+$$18$ $z^2+9$
    $z^4$$+$$9z^2$ $z^2-2z+2$
    $-$$2z^3$$+$$2z^2$$-$$18z$$+$$18$
    $-$$2z^3$$-$$18z$
    $2z^2$$+$$18$
    $2z^2$$+$$18$
    $0$
  5. Résoudre l'équation $f(z)=0$.
  6. L'équation $f(z)=0$ est équivalente à $(z^2+9)(z^2-2z+2)=0$.
    D'après la règle du produit nul, nous avons donc $f(z)=0$ si et seulement si :

    $z^2+9=0$ et $z^2-2z+2=0$.

    Résolvons donc ces deux équations en notant $\Delta_1$ et $\Delta_2$ leur discriminant respectif.

    On a : $\Delta_1 = 0^2-4\times1\times9$ $=$ $-36$, l'équation possède donc deux solutions complexes conjuguées :
    $z_1 = \dfrac{-0-\sqrt{6}i}{2}$ $=$ $-3i$ et $z_2 = 3i$.

    Pour la deuxième équation $\Delta_2 = (-2)^2-4\times1\times2$ $=$ $-4$, nous avons donc ici aussi deux solutions complexes conjuguées :
    $z_3 = \dfrac{2-\sqrt{4}i}{2}$ $=$ $1-i$ et $z_4 = 1+i$.

    L'équation $f(z)=0$ possède donc quatre solutions : $1-i$ ; $1+i$ ; $-3i$ ; $3i$.
  7. Déterminer la nature, ainsi que l'aire, du polygone convexe formé par les points dont les affixes sont les solutions de $f(z)=0$.
  8. Plaçons ces points dans un repère du plan complexe, et notons $M_k$ le point d'affixe $z_k$, pour $k$ entier compris entre $1$ et $4$.

    Xmin = -3 Xmax = 3 Ymin = -5 Ymax = 5 AxeX = true AxeY = true Grille = true point([0,3]) point([0,-3]) point([1,1]) point([1,-1]) trait = 3 couleur = rouge poly([ [0,-3],[0,3],[1,1],[1,-1] ],[3,3]) couleur = noir texte("M",[0.10,-3.3]);texte("1",[0.3,-3.5]) texte("M",[0.10,3.1]);texte("2",[0.3, 2.8]) texte("M",[1.10,-1.3]);texte("3",[1.3,-1.6]) texte("M",[1.10, 1.3]);texte("4",[1.3, 1.0])
    Montrons que quadrilatère $M_1M_2M_4M_3$ est un trapèze.

    Considèrons les coordonnées des points : $M_1(0;-3)$, $M_2(0;3)$, $M_3(1;-1)$ et $M_4(1;1)$.
    On a alors : $\overrightarrow{M_1M_2} = \begin{pmatrix} 0 \ 6\end{pmatrix}$ et $\overrightarrow{M_3M_4} = \begin{pmatrix} 0 \ 2\end{pmatrix}$.
    Ainsi, ces deux vecteurs sont colinéaires et le quadrilatère $M_1M_2M_4M_3$ possède deux côtés opposés parallèles. Il est donc bien un trapèze.
    Pour déterminer l'aire de $M_1M_2M_4M_3$ il nous reste à déterminer la longueur d'une de ces hauteurs. Puisque les côtés qui sont parallèles sont parallèles à l'axe des ordonnées, les hauteurs seront parallèles à l'axe des abscisses, et clairement elles mesurent $1$ (cf graphique suivant la hauteur tracée en bleu).

    Xmin = -3 Xmax = 3 Ymin = -5 Ymax = 5 AxeX = true AxeY = true Grille = true point([0,3]) point([0,-3]) point([1,1]) point([1,-1]) trait = 3 couleur = rouge poly([ [0,-3],[0,3],[1,1],[1,-1] ],[3,3]) couleur = bleu segment([0,1],[1,1]) couleur = noir texte("M",[0.10,-3.3]);texte("1",[0.3,-3.5]) texte("M",[0.10,3.1]);texte("2",[0.3, 2.8]) texte("M",[1.10,-1.3]);texte("3",[1.3,-1.6]) texte("M",[1.10, 1.3]);texte("4",[1.3, 1.0])

    L'aire du trapèze $M_1M_2M_4M_3$ vaut donc :

    $\mathcal{A}$ $=$ $\dfrac{M_1M_2+M_3M_4}{2}\times 1$ $=$ $\dfrac{6+2}{2}$ $=$ $4$. Cette équalité peut se vérifier sur le graphique suivant en remarquant que l'aire d'un trapèze bleu et l'aire d'un triangle jaune en s'ajoutant donne bien l'aire d'un carré vert.

    Xmin = -3 Xmax = 3 Ymin = -5 Ymax = 5 AxeX = true AxeY = true Grille = true point([0,3]) point([0,-3]) point([1,1]) point([1,-1]) trait = 3 couleur = rouge poly([ [0,-3],[0,3],[1,1],[1,-1] ],[3,3]) A = [0,1] B = [1,1] C = [1,-1] D = [0,-1] E = [0,-2] F = [0.5,-2] G = [0,2] H = [0.5,2] I = [0,3] J = [0,-3] K = [1,2] L = [1,-2] M = [0,-3] trait = 1 couleur = gris peinture = jaune transparence = 0.3 poly([ I,H,G ]) poly([ H,K,B ]) poly([C,M,E,L]) couleur = noir peinture = vert poly([A,B,C,D]) peinture = bleu poly([G,H,B,A]) poly([E,F,C,D]) couleur = noir texte("M",[0.10,-3.3]);texte("1",[0.3,-3.5]) texte("M",[0.10,3.1]);texte("2",[0.3, 2.8]) texte("M",[1.10,-1.3]);texte("3",[1.3,-1.6]) texte("M",[1.10, 1.3]);texte("4",[1.3, 1.0])