Nombres complexes

Exercice 85 ⭐️⭐️ Bijection du cercle, Sup/L1

On pose : T={z∈C,∣z∣=1}\displaystyle T=\{z\in\mathbb C, |z|=1\} , D={z∈C,∣z∣<1}\displaystyle D=\{z\in\mathbb C, |z|<1\} , α∈D\displaystyle \alpha\in D, et ϕα(z)=z−α1−α‾z\displaystyle \phi_\alpha(z)=\frac{z-\alpha}{1-\overline{\alpha}z} pour z∈T\displaystyle z\in T.

Montrer que ϕα\displaystyle \phi_\alpha est bien définie et que ϕα(T)⊂T\displaystyle \phi_\alpha(T)\subset T. L’application ϕα\displaystyle \phi_\alpha est-elle une bijection de T\displaystyle T dans T\displaystyle T ?

  • Elément du cercle unité dans le plan complexe 👉 écriture z=eiθ\displaystyle z=e^{i\theta}, caractérisation avec ∣z∣=1\displaystyle |z|=1 ;
  • On voit du “barre” 👉 penser à ∣a‾∣=∣a∣\displaystyle |\overline{a}|=|a|.

Si z∈T\displaystyle z\in T alors z=eiθ\displaystyle z=e^{i\theta}. On a en factorisant le numérateur par eiθ\displaystyle e^{i\theta} et en utilisant ∣a‾∣=∣a∣\displaystyle |\overline{a}|=|a| :
∣eiθ−α1−α‾eiθ∣=∣1−αe−iθ1−α‾eiθ∣=1.\left|\frac{e^{i\theta}-\alpha}{1-\overline{\alpha}e^{i\theta}}\right|=\left|\frac{1-\alpha e^{-i\theta}}{1-\overline{\alpha}e^{i\theta}}\right|=1. Donc ϕ(z)∈T\displaystyle \phi(z)\in T. Pour montrer la bijection, on va exhiber la transformation inverse. Supposons donc z−α1−α‾z=w\displaystyle \frac{z-\alpha}{1-\overline{\alpha}z}=w avec w∈T\displaystyle w\in T. Alors z−α=w−α‾wz\displaystyle z-\alpha=w-\overline{\alpha}wz et z(1+α‾w)=w+α\displaystyle z(1+\overline{\alpha}w)=w+\alpha, i.e. z=w+α1+α‾w\displaystyle z=\frac{w+\alpha}{1+\overline{\alpha}w}. Comme w∈T\displaystyle w\in T, on peut montrer comme précédemment que z∈T\displaystyle z\in T. On en déduit que ϕα\displaystyle \phi_\alpha est une bijection de T\displaystyle T dans T\displaystyle T.

Exercice 86 ⭐️ Application affine, Terminale/Sup/L1

Dans le plan complexe, on considère l’application F\displaystyle F qui, au point d’affixe z\displaystyle z,
fait correspondre le point M′\displaystyle M' d’affixe z′=(2+i)z+1−3i\displaystyle z'=(2+i)z+1-3i.
Caractériser géométriquement l’application F\displaystyle F.

Recherchons les points fixes de cette transformation.
z′=z ⇔ z=−1+3i1+i ⇔ z=1+2i\displaystyle z'=z~\Leftrightarrow~z=\frac{-1+3i}{1+i}~\Leftrightarrow~z=1+2i. Notons z0=1+2i\displaystyle z_0=1+2i.
L’égalité z′=(2+i)z+1−3iz'=(2+i)z+1-3i s’écrit aussi : z′−z0=(2+i)z+1−3i−z0,z'-z_0=(2+i)z+1-3i-z_0, z′−z0=(2+i)z−5i,z'-z_0=(2+i)z-5i, z′−z0=(2+i)(z−z0).z'-z_0=(2+i)(z-z_0). On a : 2+i=5eiθ\displaystyle 2+i=\sqrt 5e^{i\theta} avec θ=arctan⁡(1/2)\displaystyle \theta=\arctan(1/2).
On reconnaît donc l’écriture complexe d’une similitude directe de centre z0\displaystyle z_0, d’angle θ\displaystyle \theta et de rapport 5\displaystyle \sqrt 5.

Exercice 87 ⭐️⭐️ Secteur dans un disque, Sup/L1

Soit φ∈[0,π/2[\displaystyle \varphi \in[0,\pi/2[, ρ∈[0,2cos⁡φ[\displaystyle \rho \in [0,2\cos\varphi[ et Δ(1,ρ,φ)\displaystyle \Delta(1,\rho,\varphi) la portion de secteur définie par : Δ(1,ρ,φ)={z∈C, z=1−reiθ,0≤r≤ρ,∣θ∣≤φ}.\Delta(1,\rho,\varphi)=\Big\{z\in\C,\ z=1-re^{i\theta}, 0\le r\le\rho, |\theta|\le\varphi \Big\}. Montrer que : ∀z∈Δ(1,ρ,φ),∣1−z∣1−∣z∣≤22cos⁡φ−ρ\displaystyle \forall z\in \Delta(1,\rho,\varphi),\quad \frac{|1-z|}{1-|z|}\le \frac{2}{2\cos\varphi -\rho}.

  • Faire des dessins !
  • Il est toujours plus facile de calculer des modules au carré que des modules.

On a Δ(1,ρ,φ)⊂D(0,1)\displaystyle \Delta(1,\rho,\varphi)\subset D(0,1) où D(0,1)\displaystyle D(0,1) est le disque unité fermé. Soit z∈Δ(1,ρ,φ)\displaystyle z\in\Delta(1,\rho,\varphi). On a ∣1−z∣=r\displaystyle |1-z|=r, et 1−∣z∣2=1−zz‾=1−(1−reiθ)(1−re−iθ)=r(eiθ+e−iθ)−r2.1-|z|^2=1-z\overline{z}=1-(1-re^{i\theta})(1-re^{-i\theta})=r(e^{i\theta}+e^{-i\theta})-r^2. Donc 1−∣z∣2≥r(2cos⁡φ−ρ)\displaystyle 1-|z|^2\ge r(2\cos \varphi-\rho) car r≤ρ\displaystyle r\le\rho et ∣θ∣≤φ\displaystyle |\theta|\le\varphi implique cos⁡θ≥cos⁡φ\displaystyle \cos \theta\ge\cos \varphi. Avec 1+∣z∣≤2\displaystyle 1+|z|\le 2, on en déduit que ∣1−z∣1−∣z∣=∣1−z∣(1+∣z∣)1−∣z∣2≤22cos⁡φ−ρ.\frac{|1-z|}{1-|z|}=\frac{|1-z|(1+|z|)}{1-|z|^2}\le \frac{2}{2\cos\varphi -\rho}.

Exercice 88 ⭐️⭐️ Triangle équilatéral, Terminale/L1

On note j=e2iπ3\displaystyle j=e^{\frac{2i\pi}{3}}. Soit T\displaystyle T un triangle dont les sommets ont pour affixe α,β,γ\displaystyle \alpha,\beta,\gamma dans le plan complexe. Montrer : T est eˊquilateˊral  ⟺  α+jβ+j2γ=0.\displaystyle \text{T est équilatéral} \iff \alpha+j\beta+j^2\gamma=0.

Joli résultat à connaître (pour la culture ?). Tu trouveras sur cette page Wikiversité les liens entre affixes, vecteurs, angles, et notamment la preuve de cette équivalence en bas de la page !

Exercice 89 ⭐️⭐️ Noyau de Fejer, Sup/L1

On pose pour tout n∈N\displaystyle n\in\N, en(x)=einx\displaystyle e_n(x)=e^{inx}, Dn=∑k=−nnek\displaystyle D_n=\sum_{k=-n}^{n}e_k, et enfin Kn=D0+⋯+Dnn+1\displaystyle K_n=\frac{D_0+\cdots +D_n}{n+1}.

  1. Montrer que Dn(x)=sin⁡((n+12)x)sin⁡(x2)\displaystyle D_n(x) = \frac{\sin\left(\left(n+\frac{1}{2}\right)x\right)}{\sin\left(\frac{x}{2}\right)}.
  2. Montrer que : Kn(x)=1n+1(sin⁡((n+1)x/2)sin⁡(x/2))2.\displaystyle K_n(x)= \frac{1}{n+1}\left(\frac{\sin((n+1)x/2)}{\sin(x/2)}\right)^2.

Série géométrique, Angle moitié.

  1. Il y a plusieurs méthodes d’efficacité équivalente. On peut par exemple raisonner par récurrence sur n≥1\displaystyle n \ge 1. Sinon, on peut s’apercevoir qu’on a à peu près une somme géométrique. En effet, Dn(x)=∑l=02nei(l−n)x=e−inx∑l=0n(eix)l=e−inxei(2n+1)x−1eix−1.D_n(x)= \sum_{l=0}^{2n} e^{i(l-n)x} = e^{-inx} \sum_{l=0}^n \left(e^{ix}\right)^l = e^{-inx} \frac{e^{i(2n+1)x}-1}{e^{ix}-1}. On s’arrange ensuite pour faire apparaître des sinus. En utilisant la formule eiαx−1=e−iα/2x2isin⁡(α/2),\displaystyle e^{i \alpha x}-1 = e^{-i\alpha/2 x} 2 i \sin(\alpha/2), on obtient : Dn(x)=e−inxei2n+12xeix22isin⁡((n+12)x)2isin⁡(x2)=sin⁡((n+12)x)sin⁡(x2).D_n(x) = e^{-inx} \frac{e^{i\frac{2n+1}{2}x}}{e^{i\frac{x}{2}}} \frac{2i \sin\left(\left(n+\frac{1}{2}\right)x \right)}{2 i \sin\left(\frac{x}{2}\right)}=\frac{\sin\left(\left(n+\frac{1}{2}\right)x\right)}{\sin\left(\frac{x}{2}\right)}.

  2. Ici aussi il y a plusieurs méthodes. On peut encore raisonner par récurrence, ou tenter un calcul direct comme précédemment (avec des suites géométriques dérivées). Voici une preuve un peu originale, se basant sur la première question : on écrit que Kn(x)=1n+1∑k=0nsin⁡((k+12)x)sin⁡(x2)K_n(x) = \frac{1}{n+1} \sum_{k=0}^n \frac{\sin\left(\left(k+\frac{1}{2}\right)x\right)}{\sin\left(\frac{x}{2}\right)} =1n+112sin⁡(x2)2∑k=0n2sin⁡((k+12)x)sin⁡(x2).= \frac{1}{n+1} \frac{1}{2 \sin\left(\frac{x}{2}\right)^2} \sum_{k=0}^n 2 \sin\left(\left(k+\frac{1}{2}\right)x\right) \sin\left(\frac{x}{2}\right). On utilise ensuite la formule élémentaire 2sin⁡(a)sin⁡(b)=cos⁡(a−b)−cos⁡(a+b)2 \sin(a)\sin(b) = \cos(a-b)-\cos(a+b) pour écrire : 2sin⁡((k+12)x)sin⁡(x2)=cos⁡(kx)−cos⁡((k+1)x).2 \sin\left(\left(k+\frac{1}{2}\right)x\right) \sin\left(\frac{x}{2}\right) = \cos(kx)-\cos((k+1)x). On reconnaît alors une somme téléscopique ! On peut donc calculer : Kn(x)=1n+112sin⁡(x2)2(1−cos⁡((n+1)x)),K_n(x) = \frac{1}{n+1} \frac{1}{2 \sin\left(\frac{x}{2}\right)^2} \left(1-\cos((n+1)x)\right), et on conclut en écrivant que 1−cos⁡((n+1)x)2=(sin⁡(n+12x))2.\frac{1-\cos((n+1)x)}{2} = \left(\sin\left(\frac{n+1}{2}x \right)\right)^2.

Exercice 274 ⭐️⭐️ eix+eiy+eiz=0\displaystyle e^{ix}+e^{iy}+e^{iz}=0, Mines PC, Terminale/Sup/L1

Soit x,y,z∈R\displaystyle x,y,z\in\R tels que eix+eiy+eiz=0\displaystyle e^{ix}+e^{iy}+e^{iz}=0. Montrer que e2ix+e2iy+e2iz=0\displaystyle e^{2ix}+e^{2iy}+e^{2iz}=0.

Élever au carré, prendre le conjugué, factoriser, etc.

Élevons au carré :
(eix+eiy+eiz)2=e2ix+e2iy+e2iz+2ei(x+y)+2ei(x+z)+2ei(y+z)=e2ix+e2iy+e2iz+2ei(x+y+z)(e−ix+e−iy+e−iz).\begin{aligned} \left(e^{ix}+e^{iy}+e^{iz}\right)^2 &=e^{2ix}+e^{2iy}+e^{2iz}+2e^{i(x+y)}+2e^{i(x+z)}+2e^{i(y+z)}\\ &= e^{2ix}+e^{2iy}+e^{2iz}+2e^{i(x+y+z)}\left(e^{-ix}+e^{-iy}+e^{-iz}\right). \end{aligned} Comme on a eix+eiy+eiz=0\displaystyle e^{ix}+e^{iy}+e^{iz}=0, on a également par passage au conjugué : e−ix+e−iy+e−iz=0\displaystyle e^{-ix}+e^{-iy}+e^{-iz}=0. D’où le résultat.

Exercice 310 ⭐️⭐️ Suites complexes équivalentes, L1/Sup

Soit (zn)\displaystyle (z_n) et (zn′)\displaystyle (z'_n) deux suites à valeurs dans C\displaystyle \C, qui ne s’annulent pas.

  1. Montrer que si Re(zn)∼Re(zn′)\displaystyle \mathrm{Re}(z_n)\sim \mathrm{Re}(z'_n) et Im(zn)∼Im(zn′)\displaystyle \mathrm{Im}(z_n)\sim \mathrm{Im}(z'_n), alors zn∼zn′\displaystyle z_n\sim z'_n.
  2. Montrer à l’aide d’un contre-exemple que la réciproque est fausse.
  1. Montrer que zn∼zn′\displaystyle z_n\sim z'_n 👉 Caractériser par zn=zn′+o(zn)\displaystyle z_n=z'_n+o(z_n).
  2. Prendre par exemple : un=n+i\displaystyle u_n=n+i et vn=n+2i\displaystyle v_n=n+2i.
  1. Notons zn=an+i bn\displaystyle z_n=a_n+i~b_n, et zn′=an′+i bn′\displaystyle z'_n=a'_n+i~b'_n (avec an,bn,an′,bn′\displaystyle a_n,b_n,a'_n,b'_n réels).
    Par hypothèse, an=an′+o(an)\displaystyle a_n=a'_n+o(a_n) et bn=bn′+o(bn)\displaystyle b_n=b'_n+o(b_n).
    Par combinaison linéaire, zn=zn′+o(an)+o(bn)\displaystyle z_n=z'_n+o(a_n)+o(b_n).
    Or ∣an∣≤∣zn∣\displaystyle |a_n|\leq|z_n| et ∣bn∣≤∣zn∣\displaystyle |b_n|\leq|z_n|, donc on a finalement : zn=zn′+o(zn)\displaystyle z_n=z'_n+o(z_n).
    Autrement dit, zn∼zn′\displaystyle z_n\sim z'_n.
  2. Considérons les suites définies par un=n+i\displaystyle u_n=n+i et vn=n+2i\displaystyle v_n=n+2i.
    Alors vnun=(n+2i)(n−i)n2+1=n2+2n2+1+i nn2+1\displaystyle \frac{v_n}{u_n} = \frac{(n+2i)(n-i)}{n^2+1} = \frac{n^2+2}{n^2+1}+i~\frac{n}{n^2+1}.
    Or n2+2n2+1∼n2n2=1\displaystyle \frac{n^2+2}{n^2+1}\sim \frac{n^2}{n^2}=1, donc n2+2n2+1→1\displaystyle \frac{n^2+2}{n^2+1}\to 1, et nn2+1∼1n\displaystyle \frac{n}{n^2+1}\sim\frac{1}{n} donc nn2+1→0\displaystyle \frac{n}{n^2+1}\to 0.
    On a donc bien vnun→1\displaystyle \frac{v_n}{u_n}\to 1, donc vn∼un\displaystyle v_n\sim u_n.
    Pourtant Im(vn)Im(un)=2\displaystyle \frac{\mathrm{Im}(v_n)}{\mathrm{Im}(u_n)} = 2 ne tend pas vers 0\displaystyle 0 !

Exercice 340 ⭐️ Somme de cos⁡\displaystyle \cos, Sup/L1

Soit x∈R\displaystyle x\in\R et n∈N\displaystyle n\in\N. Calculer S=∑k=0n(nk)cos⁡(kx)\displaystyle S=\sum_{k=0}^n\binom{n}{k}\cos(kx).

Utiliser le lien entre cosinus et exponentielle complexe. On obtient alors un binôme de Newton.

On a S=Re(∑k=0n(nk)eikx)\displaystyle S=\mathrm{Re}\left(\sum_{k=0}^n\binom{n}{k}e^{ikx}\right).
D’après la formule du binôme, on peut écrire S=Re((1+eix)n)\displaystyle S=\mathrm{Re}\left((1+e^{ix})^n\right).
La méthode de l’angle moitié est faite pour ce genre de situation ! Alors en factorisant par eix2\displaystyle e^{i\frac x2}, il vient :
S=Re(einx2(eix2+e−ix2)n)=Re(einx22ncos⁡n(x2))=2ncos⁡n(x2)cos⁡(nx2).\begin{aligned} S& = \mathrm{Re}\left( e^{in\frac x2}(e^{i\frac x2}+e^{-i\frac x2})^n\right)\\ & = \mathrm{Re}\left( e^{in\frac x2}2^n\cos^n(\frac x2)\right) \\ &= 2^n\cos^n(\frac x2)\cos\left(\frac{nx}{2}\right). \end{aligned}

Exercice 476 ⭐️⭐️ Formule de Machin, Sup/L1

  1. Montrer l’égalité : (5+i)4239+i=2(1+i).\frac{(5+i)^4}{239+i}=2(1+i).
  2. Montrer qu’il existe k∈Z\displaystyle k \in \mathbb{Z} tel que 4arctan⁡(15)−arctan⁡(1239)=π4+2kπ.4 \arctan\left(\frac{1}{5}\right)-\arctan\left(\frac{1}{239}\right)=\frac{\pi}{4}+2 k\pi.
  3. En déduire la formule de Machin : 4arctan⁡(15)−arctan⁡(1239)=π4.4 \arctan\left(\frac{1}{5}\right)-\arctan\left(\frac{1}{239}\right)=\frac{\pi}{4}.

Les objets de la question 2 ressemblent beaucoup à des angles 👉 on peut essayer de regarder l’argument des complexes introduits à la question 1 !

  1. Pas le choix, on calcule… Avec la formule du binôme, on obtient : (5+i)4=625+4.i.125−6.25−4.i.5+1=476+480i.(5+i)^4 = 625+4.i.125-6.25-4.i.5+1 = 476+480 i.
    Et on développe : (2+2i)(239+i)=478+2i+478i−2=476+480i.(2+2i)(239+i) = 478+2i+478i-2 = 476+480i.
    Et le tour est joué !

  2. On écrit les nombres complexes de la question précédente sous forme trigonométrique. On rappelle que, si a,b>0\displaystyle a,b>0, alors : a+ib=a2+b2exp⁡(iarctan⁡(b/a)).a+ib = \sqrt{a^2+b^2} \exp\left(i \arctan(b/a)\right).
    On a donc (5+i)4=(26exp⁡(iθ1))4=262exp⁡(4iθ1),(5+i)^4 = \left(\sqrt{26} \exp\left(i \theta_1\right)\right)^4 = 26^2\exp\left(4 i \theta_1\right), 239+i=1+2392exp⁡(iθ2),239+i = \sqrt{1+239^2} \exp\left(i \theta_2\right), avec θ1=arctan⁡(15) , θ2=arctan⁡(1239)\displaystyle \theta_1=\arctan\left(\frac{1}{5} \right) \ , \ \theta_2=\arctan\left(\frac{1}{239} \right)2+2i=2exp⁡(iarctan⁡(1/1))=2exp⁡(iπ4).2+2 i = 2 \exp\left(i \arctan(1/1)\right)= 2 \exp\left(i \frac{\pi}{4}\right).
    On a donc, d’après la question 1, 2621+2392exp⁡(i(4θ1−θ2))=2exp⁡(iπ4).\frac{26^2}{\sqrt{1+239^2}} \exp\left(i (4\theta_1-\theta_2)\right) =2 \exp\left(i \frac{\pi}{4}\right). Par unicité de l’argument modulo 2π\displaystyle 2 \pi, on a alors 4θ1−θ2=π4+2kπ4 \theta_1-\theta_2 = \frac{\pi}{4} + 2k\pi pour un certain k∈Z.\displaystyle k \in \mathbb{Z}.

  3. Il reste à montrer que k=0\displaystyle k=0. Pas marrant. On utilise l’inégalité x−x3/3≤arctan⁡(x)≤x\displaystyle x-x^3/3 \le \arctan(x) \le x pour avoir l’estimation 15−1475≤θ1≤15\displaystyle \frac{1}{5}-\frac{1}{475} \le \theta_1 \le \frac{1}{5}. De plus, 0≤θ2≤1239\displaystyle 0 \le \theta_2 \le \frac{1}{239}. Ainsi : 45−4475−1239≤4θ1−θ2≤45.\frac{4}{5}-\frac{4}{475}-\frac{1}{239} \le 4 \theta_1-\theta_2 \le \frac{4}{5}. On a 4/475≤4/400=0.01\displaystyle 4/475 \le 4/400 = 0.01 et 1/239≤1/200=0.005\displaystyle 1/239 \le 1/200 = 0.005 donc 0.785≤4θ1−θ2≤0.80.785 \le 4 \theta_1-\theta_2 \le 0.8 Comme le seul nombre de la forme π/4+2kπ\displaystyle \pi/4+2k \pi à être dans l’intervalle (0.785,0.8)\displaystyle (0.785,0.8) est π/4\displaystyle \pi/4, on a bien montré que k=0\displaystyle k=0. Il y avait sûrement plus simple comme réponse, mais celle-ci permet (en multipliant par 4) d’avoir l’inégalité 3.14≤π≤3.2\displaystyle 3.14 \le \pi \le 3.2, ce qui n’est pas si mal !

Exercice 566 ⭐️⭐️⭐️⭐️ Echantillonage de polynôme sur le cercle, Sup/Spé/L2/L3

Soit P\displaystyle P un polynôme à coefficients complexes, de degré au plus n≥1\displaystyle n \geq 1, et (λs)s∈Z\displaystyle (\lambda_s)_{s \in \mathbb{Z}} la famille de réels donnée par λs=0\displaystyle \lambda_s = 0 pour s≤−n\displaystyle s \leq -n, λs=(s+n)/n\displaystyle \lambda_s = (s+n)/n pour −n≤s≤0\displaystyle -n \leq s \leq 0, λs=1\displaystyle \lambda_s = 1 pour 0≤s≤n\displaystyle 0 \leq s \leq n, λs=(2n−s)/n\displaystyle \lambda_s = (2n-s)/n pour n≤s≤2n\displaystyle n \leq s \leq 2n, λs=0\displaystyle \lambda_s = 0 pour s≥2n\displaystyle s \geq 2n (le graphe de λs\displaystyle \lambda_s entre −n\displaystyle -n et 2n\displaystyle 2n suit la forme d’un trapèze).

  1. Montrer que pour tout k∈{0,1,…,n}\displaystyle k \in \{0,1,\dots, n\} et tout z∈C\displaystyle z \in \mathbb{C}, on a : zk=12n∑ω∈U2nωk∑s∈Zλs(ωˉz)s,z^k = \frac{1}{2n} \sum_{\omega \in \mathbb{U}_{2n}}\omega^k \sum_{s \in \mathbb{Z}} \lambda_s (\bar{\omega} z)^s, U2n\displaystyle \mathbb{U}_{2n} étant l’ensemble des racines de l’unité d’ordre 2n\displaystyle 2n.
  2. On pose R(z):=12n∑s∈Zλszs\displaystyle R(z) := \frac{1}{2n} \sum_{s \in \mathbb{Z}} \lambda_s z^s. Montrer que pour tout z∈C\displaystyle z \in \mathbb{C}, P(z)=∑ω∈U2nP(ω)R(ωˉz).P(z) = \sum_{\omega \in \mathbb{U}_{2n}} P(\omega) R(\bar{\omega} z).
  3. On note U:={z∈C,∣z∣=1}\displaystyle \mathbb{U} := \{z \in \mathbb{C}, |z| = 1\} le cercle unité. Montrer que pour tout u∈U\displaystyle u \in \mathbb{U}, ∣R(u)∣≤min⁡(1,2n−2∣1−u∣−2)\displaystyle |R(u)| \leq \min(1, 2 n^{-2} |1-u|^{-2}).
  4. Pour z∈U\displaystyle z \in \mathbb{U}, on note d0≤d1≤⋯≤d2n−1\displaystyle d_0 \leq d_1 \leq \dots \leq d_{2n-1} les distances ∣1−ωˉz∣\displaystyle |1 - \bar{\omega} z| pour ω∈U2n\displaystyle \omega \in \mathbb{U}_{2n}, rangées par ordre croissant. Montrer que dj≥2sin⁡(πj/4n)\displaystyle d_j \geq 2 \sin( \pi j / 4n).
  5. Montrer que pour tout z∈U\displaystyle z \in \mathbb{U}, ∑ω∈U2n∣R(ωˉz)∣≤1+12n2∑j=12n−11sin⁡2(πj/4n).\sum_{\omega \in \mathbb{U}_{2n}} |R(\bar{\omega} z)| \leq 1 + \frac{1}{2 n^2} \sum_{j=1}^{2n-1} \frac{1}{ \sin^2( \pi j / 4n)}.
  6. Montrer que l’on a le résultat suivant: il existe une constante universelle C>0\displaystyle C > 0 telle que le maximum, sur le cercle unité, du module de tout polynôme de degré au plus n\displaystyle n est au plus C\displaystyle C fois le maximum du module sur 2n\displaystyle 2n points uniformément répartis sur ce cercle. Montrer qu’il est possible de prendre C=5\displaystyle C = 5.
  7. On admet d’identité ∑j=1N−11sin⁡2(πj/N)=N2−13\sum_{j=1}^{N-1} \frac{1}{\sin^2(\pi j/N)} = \frac{N^2-1}{3}
    valable pour tout entier N≥2\displaystyle N \geq 2: une preuve est demandée pour l’exercice 567. Montrer qu’on peut prendre C=7/3\displaystyle C =7/3.
  8. Montrer qu’il n’est pas possible de prendre C<2\displaystyle C < \sqrt{2}.

Le résultat de cet exercice (avec C=14\displaystyle C = 14) intervient de manière importante dans l’article suivant, qui étudie l’ordre de grandeur des valeurs extrêmes de polynômes caractéristiques de matrices aléatoires: https://arxiv.org/abs/1607.00243 (voir Lemme 4.3). La valeur optimale de C\displaystyle C n’est pas connue par l’auteur de l’exercice, qui en testant quelques dizaines de milliers de polynômes aléatoirement choisis n’a pas pu exclure que C=2\displaystyle C = \sqrt{2} soit possible. On a un résultat analogue (avec une constante ne dépendant que de ε\displaystyle \epsilon), en changeant U2n\displaystyle \mathbb{U}_{2n} par Umax⁡(n+1,⌊n(1+ε)⌋)\displaystyle \mathbb{U}_{\max(n+1, \lfloor n(1+ \epsilon) \rfloor) }, ε\displaystyle \epsilon étant n’importe quel réel strictement positif choisi à l’avance. Il est clair qu’on ne peut pas changer U2n\displaystyle \mathbb{U}_{2n} en Un\displaystyle \mathbb{U}_{n}, comme le montre l’exemple du polynôme z↦zn−1\displaystyle z \mapsto z^n -1. Pour Un+1\displaystyle \mathbb{U}_{n+1}, on obtient un résultat analogue, mais C\displaystyle C doit être remplacé par une fonction croissant logarithmiquement en n\displaystyle n.

  1. Comme λs=0\displaystyle \lambda_s = 0 dès que s≤−n\displaystyle s \leq -n ou s≥2n\displaystyle s \geq 2n, le membre de droite de l’égalité est 12n∑s=−n+12n−1λszs∑ω∈U2nωkωˉs=∑s=−n+12n−1λszs1s≡kmod.⁡2n.\frac{1}{2n} \sum_{s = -n+1}^{2n-1} \lambda_s z^s \sum_{\omega \in \mathbb{U}_{2n}} \omega^{k} \bar{\omega}^s = \sum_{s = -n+1}^{2n-1} \lambda_s z^s \mathbf{1}_{s \equiv k \operatorname{mod.} 2n}.
    Il n’est pas possible d’avoir ∣s−k∣≥2n\displaystyle |s-k| \geq 2n avec k∈{0,…,n}\displaystyle k \in \{0,\dots,n\} et s∈{−n+1,…,2n−1}\displaystyle s \in \{-n+1, \dots, 2n-1\}, donc la congruence n’est satisfaite que pour s=k\displaystyle s = k. Comme λk=1\displaystyle \lambda_k = 1 pour k∈{0,…,n−1}\displaystyle k \in \{0, \dots, n-1\}, on obtient le résultat souhaité.
  2. Le résultat est une conséquence directe de 1., par linéarité.
  3. On a
    2n∣R(u)∣≤∑s∈Zλs=∑s=−n+10s+nn+∑s=1n1+∑s=n+12n−12n−sn,=n+∑m=1nmn+∑m=1n−1mn=n+n+12+n−12=2n \begin{aligned} 2n |R(u)| & \leq \sum_{s \in \mathbb{Z}} \lambda_s = \sum_{s = -n+1}^0 \frac{s+n}{n} + \sum_{s = 1}^n 1 + \sum_{s = n+1}^{2n-1} \frac{2n-s}{n}, \\ & = n + \sum_{m = 1}^n \frac{m}{n} + \sum_{m=1}^{n-1} \frac{m}{n} = n + \frac{n+1}{2} + \frac{n-1}{2} = 2n \end{aligned}
    et donc ∣R(z)∣≤1\displaystyle |R(z)| \leq 1. D’autre part, λs\displaystyle \lambda_s est la moyenne, pour m\displaystyle m entier entre 0\displaystyle 0 et n−1\displaystyle n-1, des indicatrices des intervalles d’entiers {−m,−m+1…,n+m}\displaystyle \{-m, -m+1 \dots, n+m\}. On en déduit, en multipliant par n\displaystyle n, que si u∈U\{1}\displaystyle u \in \mathbb{U} \backslash \{1\}:
    2n2R(u)=∑m=0n−1∑s=−mm+nus=∑m=0n−1um+n+1−u−mu−1,2n^2 R(u) = \sum_{m=0}^{n-1} \sum_{s = -m}^{m+n} u^s = \sum_{m=0}^{n-1} \frac{u^{m+n+1} - u^{-m}}{u-1},
    2n2R(u)(u−1)=∑r=n+12nur−∑r=−n+10ur=u2n+1−un+1u−1−u−u−n+1u−1,2 n ^2 R(u) (u-1) = \sum_{r= n+1}^{2n} u^r - \sum_{r = -n+1}^0 u^r = \frac{u^{2n+1} - u^{n+1}}{u-1} - \frac{u - u^{-n+1}}{u-1},
    2n2R(u)(u−1)2=(u−u−n+1)(u2n−1).2n^2 R(u) (u-1)^2 = (u- u^{-n+1})(u^{2n}-1).
    Comme ∣u−1∣2=(u−1)(u−1−1)=−u−1(u−1)2\displaystyle |u-1|^2 =(u-1)(u^{-1}-1) = -u^{-1} (u-1)^2, on en déduit, pour tout u∈U\{1}\displaystyle u \in \mathbb{U} \backslash \{1\}:
    R(u)=(u−n−1)(u2n−1)2n2∣u−1∣2.R(u) =\frac{ (u^{-n} - 1) (u^{2n}-1)}{2n^2 |u-1|^2}.
    Le numérateur a un module au plus égal à 4\displaystyle 4, ce qui prouve le résultat demandé.
  4. Pour j∈{0,1,2,…,2n−1}\displaystyle j \in \{0,1,2, \dots, 2n-1\}, l’arc de cercle semi-ouvert correspondant aux arguments dans (−πj/2n,πj/2n]\displaystyle (-\pi j/2n,\pi j/2n] a pour longueur πj/n\displaystyle \pi j /n: il contient donc exatement j\displaystyle j points de la forme zωˉ\displaystyle z \bar{\omega} pour ω∈U2n\displaystyle \omega \in \mathbb{U}_{2n}. Parmi les points de cette forme, le (j+1)\displaystyle (j+1)-ème plus proche de 1\displaystyle 1 n’est donc pas sur cet arc, son argument pris dans (−π,π]\displaystyle (-\pi, \pi] est de valeur absolue au moins πj/2n\displaystyle \pi j /2n, et sa distance à 1\displaystyle 1 est au moins 2sin⁡(πj/4n)\displaystyle 2 \sin(\pi j / 4n).
  5. On a les inégalités:
    ∑ω∈U2n∣R(ωˉz)∣≤∑j=02n−1min⁡(1,2n−2dj−2)≤1+2n2∑j=12n−1dj−2≤1+2n2∑j=12n−11(2sin⁡(πj/4n))2. \begin{aligned} & \sum_{\omega \in \mathbb{U}_{2n}} |R(\bar{\omega} z)| \leq \sum_{j=0}^{2n-1} \min(1, 2n^{-2} d_j^{-2}) \\ & \leq 1 + \frac{2}{n^2} \sum_{j=1}^{2n-1} d_j^{-2} \leq 1 + \frac{2}{n^2} \sum_{j=1}^{2n-1} \frac{1}{(2 \sin(\pi j / 4n))^2}. \end{aligned}
  6. En combinant 2. et 5., on trouve le résultat demandé, avec
    C=1+12n2∑j=12n−11sin⁡2(πj/4n)≤1+12n2∑j=12n−11((2/π)πj/4n)2, C = 1 + \frac{1}{2n^2} \sum_{j=1}^{2n-1} \frac{1}{ \sin^2( \pi j/4n)} \leq 1 + \frac{1}{2n^2} \sum_{j=1}^{2n-1} \frac{1}{ ( (2 / \pi)\pi j/4n)^2},
    C≤1+2∑j=1∞1j2=1+π23≤5.C \leq 1 + 2 \sum_{j=1}^{\infty} \frac{1}{j^2} = 1 + \frac{\pi^2}{3}\leq 5.
  7. On applique l’égalité pour N=4n\displaystyle N = 4n, et on obtient
    16n2−13=∑j=14n−11sin⁡2(πj/4n)=1+2∑j=12n−11sin⁡2(πj/4n),\frac{16n^2 - 1}{3} = \sum_{j=1}^{4n-1}\frac{1}{\sin^2(\pi j / 4n)} = 1 +2 \sum_{j=1}^{2n-1}\frac{1}{\sin^2(\pi j / 4n)},
    ∑j=12n−11sin⁡2(πj/4n)=8n2−23≤8n23.\sum_{j=1}^{2n-1}\frac{1}{\sin^2(\pi j / 4n)} = \frac{8n^2 - 2}{3} \leq \frac{8 n^2}{3}.
    Ceci permet de prendre C=7/3\displaystyle C = 7/3.
  8. Le polynôme z↦zn+i\displaystyle z \mapsto z^n +i donne un contre-exemple pour tout C<2\displaystyle C < \sqrt{2}.