Adloun

Le pentagone régulier et le nombre d'or

Application directe du cours · niveau 2 · mathématiques (PTSI), chapitre 3 — Nombres complexes · C. Trigonométrie : Euler, angle moitié, Moivre

Énoncé

Le pentagone régulier. En écrivant que la somme des racines cinquièmes de l'unité est nulle, montrer que vérifie , et en déduire :

Corrigé

Stratégie : transformer une identité géométrique en équation algébrique. Les cinq racines cinquièmes de l'unité sont les sommets d'un pentagone régulier, et leur somme est nulle — c'est le centre de gravité, qui est l'origine. En regroupant les sommets conjugués deux à deux, cette somme de complexes devient une somme de cosinus, puis, par duplication, une équation du second degré.

1) Le regroupement des sommets. Posons . Le cours donne

Or et, de même, . Un nombre ajouté à son conjugué vaut deux fois sa partie réelle, donc

et l'identité devient

2) La duplication. Posons . La formule , appliquée à , donne

puisque . L'identité s'écrit alors , c'est-à-dire

3) Le choix de la racine. Le discriminant vaut , donc les deux racines sont

⚠️ C'est ici qu'il faut trancher, et par un argument de signe. L'angle vaut degrés : il est compris entre et , donc son cosinus est strictement positif, donc . La seconde racine est négative puisque ; elle est à écarter. Sans cet argument, l'exercice n'est pas fini : on aurait deux candidats et aucune raison de choisir.

Donc , et comme :

Contrôle numérique. On a , donc le membre de droite vaut . Et le cosinus de degrés vaut . ✔ On vérifie aussi l'équation : avec , on trouve . ✔ Et la somme des cinq racines cinquièmes de l'unité, calculée numériquement, est nulle à près.

Ce que l'exercice installe. La méthode : une relation entre racines de l'unité se transforme en équation algébrique dès qu'on regroupe les conjugués. Elle donnera de la même façon , ou tout autre cosinus d'angle rationnel — au prix d'une équation de degré plus élevé. Et le nombre trouvé n'est pas quelconque : est l'inverse du nombre d'or. C'est lui qui donne au pentagone régulier ses proportions, et qui explique que les diagonales du pentagone se coupent en des points remarquables.

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Un blocage sur cet exercice ? Le tuteur d'Adloun guide par questions, sans donner la réponse.