🇨🇩 Algèbre et analyse

Nombres complexes

⏱ 30 minProgramme officiel : CD-H4-ALG-01

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🎯 Dans cette leçon, tu vas apprendre à

  • Construire C, passer des formes algébrique à trigonométrique, opérer et résoudre des équations dans C.

La leçon

Introduction

L’équation x2+1=0x^2+1=0 n’a pas de solution réelle, car un carré réel n’est jamais négatif. Les mathématiciens ont donc construit un ensemble plus grand, l’ensemble C\mathbb{C} des nombres complexes, dans lequel toute équation du second degré a des solutions. Ces nombres servent aujourd’hui en électricité (courant alternatif, comme sur le réseau qui part d’Inga), en traitement du signal et en géométrie plane.

Explication

Forme algébrique

On admet l’existence d’un nombre ii tel que i2=−1i^2=-1. Tout nombre complexe s’écrit de façon unique z=a+biz=a+bi avec a,b∈Ra,b\in\mathbb{R} :

  • a=Re⁡(z)a=\operatorname{Re}(z) est la partie réelle, b=Im⁡(z)b=\operatorname{Im}(z) la partie imaginaire ;
  • zz est réel si b=0b=0, imaginaire pur si a=0a=0.

On calcule comme avec des polynômes en ii, en remplaçant i2i^2 par −1-1. Les puissances de ii se répètent tous les 44 : i0=1i^0=1, i1=ii^1=i, i2=−1i^2=-1, i3=−ii^3=-i, i4=1i^4=1.

Le conjugué de z=a+biz=a+bi est zˉ=a−bi\bar z=a-bi, et zzˉ=a2+b2z\bar z=a^2+b^2 est un réel positif. Pour diviser, on multiplie le numérateur et le dénominateur par le conjugué du dénominateur :
z1z2=z1 zˉ2z2 zˉ2.\frac{z_1}{z_2}=\frac{z_1\,\bar z_2}{z_2\,\bar z_2}.

Explication

Module, argument, forme trigonométrique

Dans un repère orthonormé, z=a+biz=a+bi est représenté par le point M(a ; b)M(a\,;\,b).

  • Le module est ∣z∣=OM=a2+b2|z|=OM=\sqrt{a^2+b^2}.
  • Un argument de z≠0z\ne0 est une mesure θ\theta de l’angle (e⃗1,OM→)(\vec{e}_1,\overrightarrow{OM}) ; il est défini à 2kπ2k\pi près et vérifie cos⁡θ=a∣z∣\cos\theta=\dfrac{a}{|z|}, sin⁡θ=b∣z∣\sin\theta=\dfrac{b}{|z|}.
  • Forme trigonométrique : z=ρ(cos⁡θ+isin⁡θ)z=\rho(\cos\theta+i\sin\theta) avec ρ=∣z∣\rho=|z|, que l’on note aussi z=ρeiθz=\rho e^{i\theta}.

Propriétés : ∣z1z2∣=∣z1∣ ∣z2∣|z_1z_2|=|z_1|\,|z_2| et arg⁡(z1z2)=arg⁡z1+arg⁡z2\arg(z_1z_2)=\arg z_1+\arg z_2 (à 2π2\pi près) ; pour un quotient, on divise les modules et on soustrait les arguments.

Formule de Moivre : [ρ(cos⁡θ+isin⁡θ)]n=ρn(cos⁡nθ+isin⁡nθ)\left[\rho(\cos\theta+i\sin\theta)\right]^n=\rho^n(\cos n\theta+i\sin n\theta).

Explication

Équations dans C\mathbb{C}

  • Racines carrées de w=c+diw=c+di : on cherche z=x+yiz=x+yi avec z2=wz^2=w, c’est-à-dire x2−y2=cx^2-y^2=c et 2xy=d2xy=d ; on ajoute la condition x2+y2=∣w∣x^2+y^2=|w|. Tout w≠0w\ne0 a exactement deux racines carrées opposées.
  • Équation az2+bz+c=0az^2+bz+c=0 (a≠0a\ne0, coefficients réels) avec Δ=b2−4ac\Delta=b^2-4ac :
  • si Δ≥0\Delta\ge0, les solutions sont réelles, comme dans R\mathbb{R} ;
  • si Δ<0\Delta<0, on écrit Δ=(i−Δ)2\Delta=\left(i\sqrt{-\Delta}\right)^2 et les solutions sont conjuguées : z=−b±i−Δ2az=\dfrac{-b\pm i\sqrt{-\Delta}}{2a}.

Avec des coefficients complexes, on garde la même formule en remplaçant Δ\sqrt\Delta par une racine carrée complexe δ\delta de Δ\Delta : z=−b±δ2az=\dfrac{-b\pm\delta}{2a}.

Exemple résolu

Problème : Soient z1=2+3iz_1=2+3i et z2=1−iz_2=1-i. Calcule z1z2z_1z_2 et z1z2\dfrac{z_1}{z_2} sous forme algébrique.

Étape 1 : z1z2=2−2i+3i−3i2=2+i+3=5+iz_1z_2=2-2i+3i-3i^2=2+i+3=5+i.

Étape 2 : z1z2=(2+3i)(1+i)(1−i)(1+i)=2+2i+3i+3i21+1=−1+5i2\dfrac{z_1}{z_2}=\dfrac{(2+3i)(1+i)}{(1-i)(1+i)}=\dfrac{2+2i+3i+3i^2}{1+1}=\dfrac{-1+5i}{2}.

Réponse : z1z2=5+iz_1z_2=5+i et z1z2=−12+52i\dfrac{z_1}{z_2}=-\dfrac12+\dfrac52i.

Exemple résolu

Problème : Écris z=1+i3z=1+i\sqrt3 sous forme trigonométrique, puis calcule z6z^6.

Étape 1 : ∣z∣=1+3=2|z|=\sqrt{1+3}=2.

Étape 2 : cos⁡θ=12\cos\theta=\dfrac12 et sin⁡θ=32\sin\theta=\dfrac{\sqrt3}{2}, donc θ=π3\theta=\dfrac\pi3 : z=2(cos⁡π3+isin⁡π3)z=2\left(\cos\dfrac\pi3+i\sin\dfrac\pi3\right).

Étape 3 : Moivre : z6=26(cos⁡2π+isin⁡2π)=64(1+0i)z^6=2^6\left(\cos2\pi+i\sin2\pi\right)=64(1+0i).

Réponse : z=2(cos⁡π3+isin⁡π3)z=2\left(\cos\dfrac\pi3+i\sin\dfrac\pi3\right) et z6=64z^6=64.

Exemple résolu

Problème : Résous dans C\mathbb{C} l’équation z2−4z+13=0z^2-4z+13=0.

Étape 1 : Δ=(−4)2−4×1×13=16−52=−36\Delta=(-4)^2-4\times1\times13=16-52=-36.

Étape 2 : Δ<0\Delta<0 et −36=(6i)2-36=(6i)^2.

Étape 3 : z=4±6i2=2±3iz=\dfrac{4\pm6i}{2}=2\pm3i. Contrôle : (2+3i)2−4(2+3i)+13=−5+12i−8−12i+13=0(2+3i)^2-4(2+3i)+13=-5+12i-8-12i+13=0.

Réponse : S={2−3i ; 2+3i}S=\{2-3i\,;\,2+3i\}.

Attention

Attention : La partie imaginaire de 3−4i3-4i est −4-4, et non −4i-4i : c’est un nombre réel. Le module se calcule avec a2+b2a^2+b^2, sans le ii : ∣3−4i∣=9+16=5|3-4i|=\sqrt{9+16}=5. Enfin, pour l’argument, regarde les signes de cos⁡θ\cos\theta et de sin⁡θ\sin\theta : 1+i1+i et −1−i-1-i ont la même valeur de ba\dfrac ba, mais des arguments différents.

À retenir

  • i2=−1i^2=-1 ; z=a+biz=a+bi, zˉ=a−bi\bar z=a-bi, zzˉ=a2+b2z\bar z=a^2+b^2.
  • Division : multiplier par le conjugué du dénominateur.
  • ∣z∣=a2+b2|z|=\sqrt{a^2+b^2} ; cos⁡θ=a∣z∣\cos\theta=\dfrac a{|z|}, sin⁡θ=b∣z∣\sin\theta=\dfrac b{|z|} ; z=ρ(cos⁡θ+isin⁡θ)z=\rho(\cos\theta+i\sin\theta).
  • Produit : modules multipliés, arguments additionnés ; Moivre : zn=ρn(cos⁡nθ+isin⁡nθ)z^n=\rho^n(\cos n\theta+i\sin n\theta).
  • az2+bz+c=0az^2+bz+c=0 avec Δ<0\Delta<0 : z=−b±i−Δ2az=\dfrac{-b\pm i\sqrt{-\Delta}}{2a}.

✍️ Exercices

Réponds à un exercice à la fois. Ta réponse est corrigée aussitôt, avec une explication.

Exercice 1 sur 9

★ Facile

Calcule la partie réelle de (3+2i)(1−2i)(3+2i)(1-2i).

Tu peux utiliser la virgule ou le point décimal (2,5 ou 2.5).