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Exercice corrigé : Type CCINP : une transformation qui envoie le demi-plan supérieur sur le disque unité

Calculer avec le moduleRésoudre une équation homographiqueUtiliser l'exponentielle d'un imaginaire purRaisonner par double inclusion

On définit $f$ sur $\mathbb{C}\setminus\{-i\}$ par $f(z)=\dfrac{z-i}{z+i}$. On note $\mathcal{P}=\{z\in\mathbb{C}:\mathrm{Im}(z)>0\}$ et $\mathcal{D}=\{w\in\mathbb{C}:|w|<1\}$.

  1. Calculer $f(0)$, $f(1)$, $f(i)$ et $f(-1)$.
  2. Montrer que $f$ ne prend jamais la valeur $1$, puis que pour tout $w\in\mathbb{C}\setminus\{1\}$, l'équation $f(z)=w$ admet une unique solution dans $\mathbb{C}\setminus\{-i\}$, que l'on exprimera en fonction de $w$.
  3. Pour $z=x+iy\neq-i$ ($x,y$ réels), calculer $|z+i|^2-|z-i|^2$. En déduire que $|f(z)|=1\iff z\in\mathbb{R}$, et que $|f(z)|<1\iff z\in\mathcal{P}$.
  4. Pour $\varphi\in\left]-\frac\pi2,\frac\pi2\right[$, écrire $f(\tan\varphi)$ sous forme exponentielle. En déduire que $f(\mathbb{R})=\mathbb{U}\setminus\{1\}$.
  5. Montrer que $f(\mathcal{P})=\mathcal{D}$.

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Nombres complexes

Notions à revoir

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