Problème — Une suite de nombres complexes et sa spirale
Application directe du cours · niveau 3 (difficile) · mathématiques expertes (terminale), chapitre 1 — Nombres Complexes
Énoncé
Problème — Une suite de nombres complexes et sa spirale.
On pose et l'on définit la suite par :
On note le point d'affixe dans le plan complexe.
- Calculer , , et sous forme algébrique.
- Donner la forme exponentielle de , puis exprimer en fonction de .
- En déduire et un argument de . Comment se comporte lorsque devient grand ?
- Montrer que pour tout , et interpréter géométriquement.
- Montrer que, pour tout , le triangle est rectangle et isocèle en .
- On note . Calculer , puis la limite de la longueur de la ligne brisée .
Corrigé
- On applique la relation de récurrence :
- et (diviser par le réel positif ne change pas l'argument). Donc :
La suite est géométrique de raison et de premier terme , donc , soit :
- Comme , cette écriture est la forme exponentielle de :
Comme , la suite géométrique tend vers : les points tournent d'un huitième de tour à chaque étape tout en se rapprochant de l'origine. Ils décrivent une spirale qui converge vers .
- En itérant huit fois : , avec
(car ). Donc : après huit pas, soit un tour complet, le point se retrouve sur la demi-droite , mais seize fois plus près de .
- Formons le quotient caractéristique du sommet , en remarquant que pour tout :
Or , d'où :
Ce quotient a pour module et pour argument . La lecture géométrique du cours (avec , et ) donne :
Le triangle est donc rectangle et isocèle en . (On le vérifie sur la figure pour : et .)
- Par définition du module comme distance :
Or , donc , et :
La suite est géométrique de premier terme et de raison , donc :
En multipliant par la quantité conjuguée :
La ligne brisée s'enroule indéfiniment autour de , et pourtant sa longueur reste bornée : elle tend vers .
Les autres exercices de ce chapitre Le cours du chapitre
Un blocage sur cet exercice ? Le tuteur d'Adloun guide par questions, sans donner la réponse.