mathématiques expertes (terminale) · Chapitre 2 · Exercice de TD
Problème — Une équation de degré 4 et un carré
Applications à l'algèbre et la géométrie · niveau 3 (difficile)
Énoncé
Problème — Une équation de degré 4 et un carré.
On considère le polynôme défini sur par :
- Démontrer que, pour tout , .
- On pose . Résoudre dans l'équation .
- En déduire l'ensemble des solutions de l'équation .
- Vérifier que ces solutions sont deux à deux conjuguées. Pouvait-on le prévoir ?
- Démontrer que les images des quatre solutions sont les sommets d'un carré, dont on précisera le centre et la longueur du côté.
Corrigé
- La formule du binôme donne :
En ajoutant : .
- Écrivons sous forme exponentielle : et , donc . Cherchons avec :
Comme et que , les quatre solutions s'écrivent :
(Vérification : , donc .) On retrouve ici un principe général : les solutions de s'obtiennent en multipliant une solution particulière par les racines -ièmes de l'unité, ici .
- Comme avec , il suffit de retrancher :
Contrôle sur l'une d'elles : .
- Les solutions se regroupent en deux paires de conjugués : et . C'était prévisible : les coefficients de sont réels, donc pour tout (les propriétés du conjugué d'une somme et d'un produit donnent lorsque ). Ainsi entraîne : les racines non réelles vont par paires conjuguées.
- Notons , , et , soit en coordonnées , , et . Calculons les affixes des côtés consécutifs :
Les quatre côtés ont la même longueur : est un losange. De plus :
est un imaginaire pur, donc : le losange possède un angle droit, c'est un carré de côté . Son centre est le milieu de la diagonale , d'affixe . On vérifie que les quatre sommets sont à la même distance de ce point, qui est bien le centre du cercle circonscrit.
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