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mathématiques expertes (terminale) · Chapitre 2 · Exercice de TD

Problème — Le pentagone régulier et la valeur exacte de

Applications à l'algèbre et la géométrie · niveau 3 (difficile)

Énoncé

Problème — Le pentagone régulier et la valeur exacte de .

On pose , puis :

  • Démontrer que .
  • Démontrer que et . En déduire que et sont réels, et les exprimer à l'aide de cosinus.
  • Calculer et . En déduire une équation du second degré dont et sont les solutions.
  • Résoudre cette équation et, en comparant les signes, identifier et .
  • En déduire les valeurs exactes de et , puis celle de .
  • Donner les coordonnées exactes des cinq sommets du pentagone régulier inscrit dans le cercle unité dont l'un des sommets est le point d'affixe .

Corrigé

  • Les nombres sont exactement les cinq éléments de . Comme , la somme des termes de cette suite géométrique vaut :

car .

  • Puisque , on a , donc . Or , donc : ainsi . Le même argument appliqué à (de module ) donne . Par conséquent :

Ces deux nombres sont bien réels.

  • La question 1 donne immédiatement :

Pour le produit, développons en utilisant (donc et ) :

Deux nombres de somme et de produit sont les solutions de , c'est-à-dire :

  • Le discriminant vaut , d'où les deux solutions réelles :

Il reste à savoir laquelle est . Comme , on a , donc ; et comme , on a . Donc :

  • De et on tire :

Pour le sinus, comme est dans , on a et :

(numériquement , ce qui est cohérent avec ).

  • Les sommets sont les images des cinq éléments de , c'est-à-dire des nombres pour . Les deux derniers s'obtiennent par conjugaison : et , donc ils ont la même partie réelle que et et des parties imaginaires opposées. Les coordonnées exactes sont donc :

où le calcul de se mène comme celui de :

C'est ce calcul qui rend le pentagone régulier constructible à la règle et au compas : le nombre n'est autre que l'inverse du nombre d'or .

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