mathématiques (PCSI) · Chapitre 3 · Exercice de TD
Le quotient qui préserve le cercle et le disque unité
Nombres complexes · B. Module, conjugaison et lieux géométriques · niveau 2
Énoncé
Soit avec .
a) Montrer que pour tout : .
b) En déduire que dès que , et que l'application envoie le cercle unité dans et le disque dans .
c) Montrer que induit une bijection de sur , de réciproque .
Corrigé
Ce qu'on a le droit d'utiliser. , et le module d'un produit et d'un quotient.
La stratégie. Comparer deux modules est difficile ; comparer leurs carrés est un calcul, car un carré de module s'écrit et se développe. L'identité du a) décide alors de tout : son signe dit de quel côté du cercle unité tombe .
a) L'identité. Développons les deux carrés de modules, en utilisant : Dans la différence, les deux termes croisés et disparaissent :
b) Le dénominateur, le cercle, le disque. Le dénominateur ne s'annule pas. Si , alors ; or imposerait , de module . Donc , et est définie sur tout le disque fermé.
Le cercle. Si , le membre de droite de l'identité est nul, donc , et en prenant les racines carrées de ces deux réels positifs, : .
Le disque. Si , les deux facteurs et sont strictement positifs : , donc par croissance stricte de la racine carrée, et : .
Le point délicat. L'hypothèse sert deux fois : pour que le dénominateur ne s'annule pas sur le disque fermé, et pour que le facteur soit strictement positif, ce qui donne à l'identité le signe de . Pour , le signe s'inverserait.
c) La bijection. Comme , le b) appliqué à montre que est définie sur et envoie dans . Calculons, pour et , en réduisant au même dénominateur : Le quotient vaut : pour tout . En échangeant les rôles de et de , le même calcul donne pour tout . Les deux composées étant l'identité de , l'application est une bijection de sur , de réciproque . Comme , cette bijection amène le point au centre du disque.
Contrôle numérique. Pour et , le numérateur et le dénominateur ont tous deux pour module . Vingt mille tirages de et de vérifient l'identité, l'inclusion et la relation , à près.
Ce que l'exercice installe. Comparer deux modules en comparant leurs carrés, calculés comme : c'est la méthode qui démontre l'inégalité triangulaire dans le cours, et elle vaut pour toute question de distance. Et une leçon de structure : pour montrer qu'une application est bijective, on exhibe une application qui la défait des deux côtés.