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mathématiques expertes (terminale) · Chapitre 1 · Exercice de TD

Problème — Inégalité triangulaire et identité du parallélogramme

Nombres Complexes · niveau 3 (difficile)

Énoncé

Problème — Inégalité triangulaire et identité du parallélogramme.

Soient et deux nombres complexes, d'images respectives et , et soit le point d'affixe .

  • Montrer que .
  • Montrer que pour tout , , avec égalité si et seulement si est un réel positif. En déduire l'inégalité triangulaire .
  • Caractériser le cas d'égalité lorsque et sont non nuls.
  • Établir l'identité du parallélogramme et l'interpréter géométriquement.
  • Application avec et : vérifier l'identité, puis comparer à .
  • Démontrer la seconde inégalité triangulaire : .

Corrigé

  • On part de et du conjugué d'une somme :

Les deux termes du milieu sont conjugués l'un de l'autre : . Leur somme vaut donc , et il reste :

  • Écrivons avec réels. Alors . L'égalité impose , soit , et , soit : est alors un réel positif (et réciproquement, si , alors ). En appliquant cela à , dont le module vaut :

Les deux membres étant positifs, on passe à la racine carrée : .

  • D'après la chaîne précédente, il y a égalité si et seulement si , c'est-à-dire si et seulement si est un réel positif. Écrivons et avec et . Alors , qui est un réel positif si et seulement si . L'égalité a donc lieu exactement lorsque et ont le même argument : les points , et sont alignés et les vecteurs , sont de même sens.
  • En remplaçant par dans la question 1, et puisque , et :

En additionnant avec l'égalité de la question 1, les doubles produits se compensent :

Géométriquement, dans le parallélogramme , les longueurs et sont celles des deux diagonales, tandis que et sont celles de deux côtés consécutifs. L'identité dit : la somme des carrés des deux diagonales est égale à la somme des carrés des quatre côtés.

  • Ici et . Par ailleurs et , donc :

On vérifie : l'identité est satisfaite. Enfin tandis que : l'inégalité est stricte, ce qui est cohérent avec la question 3 puisque et n'ont pas le même argument.

  • Écrivons et appliquons l'inégalité triangulaire :

En échangeant les rôles de et , et puisque :

Le nombre majore donc à la fois et son opposé, c'est-à-dire leur valeur absolue :

Sur l'exemple précédent : , bien inférieur à .

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