--> Correction DM ∼ Nombres complexes Exercice 1 Déterminer les nombres complexes non nuls zz tels que zz, 1z\dfrac{1}{z} et 1z1-z aient le même module.
Correction
On pose z=x+iyz=x+iy, avec xx et yy des nombres réels.
On a alors :
z|z| == 1z\left|\dfrac{1}{z}\right|
z|z| == 1z\dfrac{1}{|z|}
z×z|z|\times|z| == 11
z2|z|^2 == 11
x2+y2x^2+y^2 == 11.
Par ailleurs :
z|z| == 1z|1-z|
z2|z|^2 == 1z2|1-z|^2
x2+y2x^2+y^2 == 1(x+iy)2|1-(x+iy)|^2
11 == 1xiy2|1-x-iy|^2 D'après ce qui précède x2+y2=1x^2+y^2=1.
11 == (1x)2+y2(1-x)^2+y^2
11 == 12x+x2+y21-2x+x^2+y^2
11 == 12x+11-2x+1
xx == 12\dfrac{1}{2}.
Or, x2+y2=1x^2+y^2=1 donc y2=1x2y^2=1-x^2, et puisque x=12x=\dfrac{1}{2}, on a alors :

y2=1(12)2y^2=1-\left( \dfrac{1}{2} \right)^2 ssi y2=34y^2=\dfrac{3}{4} ssi y=32y=-\dfrac{\sqrt{3}}{2} ou y=32y=\dfrac{\sqrt{3}}{2}.

Les nombres complexes cherchés sont donc :

z=1232iz=\dfrac{1}{2}-\dfrac{\sqrt{3}}{2}i et z=12+32iz=\dfrac{1}{2}+\dfrac{\sqrt{3}}{2}i. Remark 1 Les nombres cherchés zz, vérifient z=1|z|=1, ce qui graphiquement représente le cherche de centre OO et de rayon 11 dans un repère du plan complexe.
On a aussi que 1z=1|1-z|=1, ce qui est équivalent à z1=1|z-1|=1, ce qui correspond au cercle de centre le point d'affixe 11 et de rayon 11.
0.511.52−0.5−1−1.5−20.511.52−0.5−1−1.5−2
|z|=1
|z-1|=1
Les solutions cherchées sont les affixes des points d'intersection de ces deux cercles.
On peut même remarquer que ces deux points sont situés sur le cercle trignométrique pour des mesures d'angles de π3\dfrac{\pi}{3} et π3-\dfrac{\pi}{3}.
Exercice 2 Soit zz un nombre complexe, z1z\neq1. Démontrer que : z=11+z1ziR.|z|=1\iff \frac{1+z}{1-z}\in i\mathbb R.
Correction
Remark 2 Le symbole \iff veut dire "si et seulement si", et cela est très important dans cet exercice. Il faudra faire bien attention à chaque étape de calcul que l'on a bien une "équivalence".
Par exemple : "Si x1x\geq 1 alors x21x^2 \geq 1" est une proposition vraie.
Par contre "Si x21x^2 \geq 1 alors x1x\geq 1" est une proposition fausse (par exemple pour x=2x=-2 on a bien x2=41x^2=4\geq 1 alors que x<1x<1).
Ainsi l'affirmation "x1x\leq 1 \iff x21x^2\leq1" est fausse.
Nous allons donc dans cet exercice, dans un premier temps, supposer que z=1|z|=1 et montrer que 1+z1ziR\dfrac{1+z}{1-z}\in i\mathbb R.
C'est-à-dire que l'on montre : z=1|z|=1 \Rightarrow 1+z1ziR\dfrac{1+z}{1-z}\in i\mathbb R.

On montrera ensuite que : 1+z1ziR\dfrac{1+z}{1-z}\in i\mathbb R \Rightarrow z=1|z|=1.

On devra donc faire deux raisonnements pour chacun des implications.

Étape 1. On démontre : z=1|z|=1 \Rightarrow 1+z1ziR\dfrac{1+z}{1-z}\in i\mathbb R.

On pose z=x+iyz=x+iy et puisque z=1|z|=1, on a x2+y2=1\sqrt{x^2+y^2}=1, c'est-à-dire : x2+y2=1x^2+y^2=1.
On a alors :
1+z1z\dfrac{1+z}{1-z} == 1+x+iy1(x+iy)\dfrac{1+x+iy}{1-(x+iy)}
== 1+x+iy1xiy\dfrac{1+x+iy}{1-x-iy}
== 1+x+iy1xiy×1x+iy1x+iy\dfrac{1+x+iy}{1-x-iy}\times\dfrac{1-x+iy}{1-x+iy}
== 1x+iy+xx2+ixy+iyixy+i2y(1x)2+y2\dfrac{1-x+iy+x-x^2+ixy+iy-ixy+i^2y}{(1-x)^2+y^2}
== 1+2iyx2y2(1x)2+y2\dfrac{1+2iy-x^2-y^2}{(1-x)^2+y^2}
== 1+2iy1(1x)2+y2\dfrac{1+2iy-1}{(1-x)^2+y^2} puisque x2+y2=1x^2+y^2=1
== 2iy(1x)2+y2\dfrac{2iy}{(1-x)^2+y^2}
== i×2y(1x)2+y2i\times\dfrac{2y}{(1-x)^2+y^2}.
Ainsi, nous avons bien 1+z1ziR\dfrac{1+z}{1-z}\in i\mathbb R.


Étape 2. On démontre : 1+z1ziR\dfrac{1+z}{1-z}\in i\mathbb R \Rightarrow z=1|z|=1.

Il existe donc un réel kk tel que : 1+z1z=ki\dfrac{1+z}{1-z}=ki.
On a alors :
1+z1z\dfrac{1+z}{1-z} == kiki
1+z1+z == ki(1z)ki(1-z)
1+z1+z == kikizki-kiz
z+kizz+kiz == ki1ki-1
z(1+ki)z(1+ki) == ki1ki-1
zz == 1+ki1+ki\dfrac{-1+ki}{1+ki}.
Il nous reste à calculer le module de zz.

z| z | == 1+ki1+ki \left| \dfrac{-1+ki}{1+ki} \right| == 1+ki1+ki\dfrac{|-1+ki|}{|1+ki|} == (1)2+k212+k2\dfrac{\sqrt{(-1)^2+k^2}}{\sqrt{1^2+k^2}} == 12+k212+k2\dfrac{\sqrt{1^2+k^2}}{\sqrt{1^2+k^2}} == 11.

Conclusion.
Nous avons bien démontré grâce aux deux étapes de raisonnement que : z=11+z1ziR.|z|=1\iff \dfrac{1+z}{1-z}\in i\mathbb R.