Le but est d’étudier le mouvement d’une boule dans un billard circulaire, identifié au disque unité {D=\{z\in\mathbb C:|z|\leq1\}}. Son bord est le cercle {\Gamma=\{z:|z|=1\}}, de centre {O}.
La boule, assimilée à un point, est lancée depuis {A_0} d’affixe {-1}, avec une vitesse initiale d’affixe {e^{i\theta}}, où {0\lt\theta\lt\pi/2}.
Sa trajectoire {\mathcal T} est une succession infinie de segments séparant les contacts avec {\Gamma}. On néglige les frottements et les chocs sont parfaits : les deux segments à un point de contact sont symétriques par rapport à la normale au cercle.
On note {\mathcal C} la couronne {\sin\theta\leq|z|\leq1}.
Première partie
I.1. Soit {A_n} le point du {n}-ième choc et {a_n} son affixe, avec {a_0=-1}. Montrer que {a_n=(-1)^{n+1}e^{2in\theta}} pour {n\in\mathbb N}.
I.6. Rappeler la méthode pour calculer {\cos(\pi/10)} à l’aide de radicaux. Représenter {\mathcal T} et donner sa longueur pour {\theta\in\{\pi/10,\pi/5,2\pi/5\}}.
Pour {a\in\mathbb R}, on note {a\mathbb Z=\{ka:k\in\mathbb Z\}}. Une partie {G} de {\mathbb R} est un sous-groupe additif si elle est non vide et si {x-y\in G} pour tous {x,y\in G}. Dans la question 1, {G} est un tel sous-groupe.
II.1. (a) Vérifier que {0\in G} et que {x\in G\Rightarrow-x\in G}.
II.2. (c) On suppose {a=0}. Montrer que pour tous {x\lt y}, il existe {z\in G} tel que {x\lt z\lt y}. Utiliser un élément {t\in G\cap]0,y-x[}, après avoir justifié son existence.
On en déduit que tout intervalle ouvert contient une infinité d’éléments de {G} : {G} est dense. Les sous-groupes additifs de {\mathbb R} sont ainsi soit discrets, soit denses.
On suppose {\theta/\pi} irrationnel. On veut montrer que la trajectoire est dense dans {\mathcal C} : pour tout {B\in\mathcal C} et tout {\varepsilon\gt0}, un point {M\in\mathcal T} vérifie {d(B,M)\lt\varepsilon}.
On pose {\varphi=2\theta+\pi} et {G=\{n\varphi+2m\pi:(n,m)\in\mathbb Z^2\}}.
III.1. (a) Montrer que {G} est un sous-groupe additif dense de {\mathbb R} ; pour la densité, raisonner par l’absurde.
III.2. (b) Montrer qu’il existe {h=n'\varphi+2m'\pi\in H\cap]-\delta,\delta[} avec {n'\geq-n}.
Indication : l’infinité des éléments {\tilde g=\tilde n\varphi+2\tilde m\pi} de {G\cap]-\delta,\delta[} implique une infinité de valeurs de {\tilde n}.
III.2. (d) En déduire que pour tout {t\in\mathbb R} et {\varepsilon\gt0}, il existe {(n,m)\in\mathbb N\times\mathbb Z} tel que {|n\varphi+(2m+1)\pi-t|\lt\varepsilon}.
III.4. Généraliser le résultat à un point {B\in\mathcal C}. Indication : mener par {B} une tangente au cercle intérieur et appliquer le résultat précédent à une intersection de cette tangente avec {\Gamma}.