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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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