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[Enigme moyenne] Nombre complexe à la puissance n

    20 novembre 2011 à 18:46:45

    Bonjour,
    Je vous présente une énigme qui doit être résolvable par des L1.

    Est-ce qu'il existe un entier <math>\(n>0 \in \mathbb{N} \mbox{ tel que } (\frac {3+4i}{5})^n \in \mathbb{R}\)</math> .

    Bonne chance ;)
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      20 novembre 2011 à 19:43:20

      Tu l'as résolue, ou tu souhaites qu'on la résolve pour toi ? :-°
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        20 novembre 2011 à 21:20:49

        Salut, ma solution (incomplète) :

        On pose <math>\(z=\frac{3+4i}{5}\)</math>. On a donc <math>\(|z|= \sqrt{(\frac{3}{5})^2 + (\frac{4}{5})^2} = \sqrt{\frac{9}{25} + \frac{16}{25}} = \sqrt{1}=1\)</math>.
        Donc <math>\(z=\cos{\theta}+i\sin{\theta} = \frac{3}{4}+i\frac{4}{5}.\)</math>
        D'où <math>\(\cos{\theta} = \frac{3}{4}\)</math> et <math>\(\sin{\theta}=\frac{4}{5}\)</math>.
        D'après la formule de de Moivre, on a <math>\(z^n = \cos{n \theta}+i\sin{n \theta}\)</math>
        De plus, <math>\(z^n \in \mathbb{R} \Leftrightarrow Im(z)=0 \Leftrightarrow \sin{n \theta} = 0\)</math>
        Donc <math>\(n \times \theta \equiv 0 (\pi) \Leftrightarrow n \theta = k \pi\)</math>, avec <math>\(k \in \mathbb{N}^*\)</math>
        Comme <math>\(\theta \neq 0\)</math>, on a <math>\(\frac{n}{k} = \frac{\pi}{\theta}\)</math>.
        Et là, j'arrive pas à montrer que <math>\(\frac{\pi}{\arcsin{\frac{4}{5}}}\)</math> ne peut être rationnel... Comme <math>\(\arcsin{\frac{4}{5}}\)</math> est transcendant, au moins l'un de <math>\(\pi+\arcsin{\frac{4}{5}}\)</math> et <math>\(\pi \times \arcsin{\frac{4}{5}}\)</math> l'est. Mais comment montrer que le produit des deux l'est?
        Si vous avez des pistes. (Je dois me compliquer la vie, non? ^^ )


        Edit : @Me Capello, j'ai appuyé sur envoyer pendant la rédaction >< . Je suis en train d'éditer...

        D'ailleurs, ma méthode va échouer, même Worlfram|Alpha dit que l'on ne sait pas si <math>\(\frac{\pi}{\arcsin{\frac{4}{5}}}\)</math> est irrationnel. :-°
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          20 novembre 2011 à 21:22:16

          Euh… Ben, oui, le module vaut 1, et alors ? :-°
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            20 novembre 2011 à 21:53:12

            Faudrait peut-être conclure ;)
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              20 novembre 2011 à 22:39:56

              Non je ne l'ai pas résolu. Peut-être que je me suis trompé dans l'énoncé, mais il nous semblait à l'époque de trouver aucun n pour lequel ceci fonctionnait... On avait toujours une partie imaginaire en trop...
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                21 novembre 2011 à 3:13:46

                Je ne sais pas si ça peut aider, mais je sais que ce n'est pas une racine de l'unité (on l'avait montré en passant par les polynômes de Chebyshev et c'était très rigolo).
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                  21 novembre 2011 à 7:08:45

                  Je crois que colbseton a raison, c'estp eut-être par rapport à 1 tout simplement. J'ai mis R, mais je crois que c'est un...
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                    21 novembre 2011 à 13:06:03

                    En utilisant. La formule du binôme on peut écrire la partie imaginaire de votre nombre qui vaut 0, on peut se ramener à des entiers et raisonner de manière arithmetique.
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                      21 novembre 2011 à 14:05:41

                      Justement, je tiens à signaler que c'était un problème ouvert à différents étudiants de L1, une personne avait tenté un développement avec le binôme de Newton et s'était planté, on avait pas l'air de trouvé un nombre n, tel que ça vaille 0...
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                        21 novembre 2011 à 18:49:57

                        En fait comme <math>\(|z|=1\)</math>, on a aussi <math>\(|z^n|=1\)</math>, donc si en plus <math>\(z^n \in \mathbb{R}\)</math>, on a <math>\(z^n = 1\)</math> ou <math>\(z^n = -1\)</math>.
                        Donc il faut déjà montrer que z n'est pas une racine de l'unité, mais aussi montrer que ce n'est pas une racine de -1. Or, comme toutes les racines m-èmes de -1 sont des racines 2m-èmes de 1, c'est démontré avec l’argument de colbseton. (Sauf erreur).
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                          21 novembre 2011 à 20:03:12

                          Citation : Catsoulet

                          Justement, je tiens à signaler que c'était un problème ouvert à différents étudiants de L1, une personne avait tenté un développement avec le binôme de Newton et s'était planté, on avait pas l'air de trouvé un nombre n, tel que ça vaille 0...


                          Bah pourtant ça marche très bien et c'est tout à fait du niveau d'un L1
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                            21 novembre 2011 à 20:29:39

                            Il s'était peut-être planté, mais je rejoins l'avis de leoleo, il n'y en a pas. Donc avec le binôme de Newton, on devrait pas en trouver normalement...
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                              21 novembre 2011 à 20:54:37

                              Ben oui ça m'a permis de montrer de manière simple qu'il n'y en avait pas.
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                                21 novembre 2011 à 21:17:08

                                Je confirme que c'est du niveau d'un L1 (même PCSTM) ;)
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                                Moi, c'est tcitounet. «Peut mieux faire». Rendez-vous sur Zeste de Savoir ♥
                                  21 novembre 2011 à 21:20:55

                                  Ah bon faudra que j'essaye du coup... Mais L01c, tu l'as vu comme ça, au feeling qu'il fallait utiliser le binôme de Newton ?
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                                    21 novembre 2011 à 21:22:28

                                    Quand on a des puissances de n, généralement, tenter une approche par le binôme est assez naturel de même que regarder du côté des racines de l'unité.
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                                    Anonyme
                                      21 novembre 2011 à 21:44:30

                                      Bonsoir,
                                      Utilisation du Binôme de Newton
                                      j'ai quand même du mal à voir ce qu'on peut faire du binôme de Newton pour prouver que n existe (ou pas)
                                      On obtient une expression qui me semble inextricable en puissance de <math>\(cos\theta =3/5\)</math> et <math>\(sin\theta = 4/5\)</math> ( on utilise plutôt ce genre de développement pour calculer <math>\(cos n\theta\)</math> ou <math>\(sin n\theta\)</math> à n donné.)

                                      LOC1 dit ça marche trés bien ...et qu'il suffit de faire de l'arithmétique , une astuce m'échappe sans doute ou j'ai oublié des trucs
                                      mais un éclaircissement serait peut être utile.
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                                        21 novembre 2011 à 21:47:00

                                        Ben si tu écris ta partie imaginaire nulle (en virant le 5^n bien sûr)
                                        tu te retrouves avec une somme de termes en 3^(n-k)4^k avec k impaire.
                                        Et la tu vois si c'est vraiment possible.
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                                        Anonyme
                                          21 novembre 2011 à 22:37:34

                                          Bonsoir
                                          à LOC1
                                          oui, ça d'accord, j'avais vu!
                                          , et avec des coefficients (n,i) en plus devant chaque terme ...et des signes + et des - alternés,
                                          montrer dans ces conditions que cette somme peut ou non s'annuler pour un certain n , c'est peut être possible mais je vois pas
                                          J'ai essayé de combiner les termes , je ne vois aucune simplifiaction,
                                          même si je rate quelque chose ...c'est pas trivial je pense . Dire qu'il suffit de regarder me semble un peu court.
                                          As tu réellement résolu la question par ce biais ?
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                                            21 novembre 2011 à 22:41:12

                                            ben regarde du coté de la divisibilé par 3, 4
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                                            Anonyme
                                              21 novembre 2011 à 23:02:04

                                              Bonsoir,
                                              OK,
                                              j'étais donc dans l'hypothèse de l'astuce non vue et de l'aveuglement calculatoire
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