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Nombres complexes — cours

3ème année · section Mathématiques · mathématiques, programme officiel tunisien.

Le cours

Point de départ · 1

Dans R\mathbb{R}, l'équation x2+1=0x^2 + 1 = 0 admet-elle des solutions ?

Remarque

Dans R\mathbb{R}, un carré est toujours positif ou nul (x20x^2 \geq 0), donc x2=1x^2 = -1 est impossible. Pour rendre cette équation soluble, on introduit un nouvel ensemble, C\mathbb{C}, contenant un élément noté ii vérifiant i2=1i^2 = -1.

Définition · 2

Ensemble des nombres complexes et forme cartésienne

i2=1i^2 = -1

Tout élément zz de C\mathbb{C} s'écrit de façon unique sous la forme cartésienne (ou algébrique) :

z=a+ib(aR,  bR)z = a + ib \quad (a \in \mathbb{R},\; b \in \mathbb{R})

Vocabulaire

  • Partie réelle de zzRe(z)=a\mathfrak{Re}(z) = a
  • Partie imaginaire de zzIm(z)=b\mathfrak{Im}(z) = b

Si b=0b = 0, zz est un nombre réel. Si a=0a = 0 et b0b \neq 0, zz est dit imaginaire pur.

Exemple travaillé · 3

Écrire le nombre complexe Z=(23i)(1+2i)Z = (2 - 3i)(1 + 2i) sous forme cartésienne a+iba + ib.

1

On développe par distributivité comme dans R\mathbb{R} :

2
Z=2×1+2×2i3i×13i×2iZ = 2 \times 1 + 2 \times 2i - 3i \times 1 - 3i \times 2i
3
Z=2+4i3i6i2Z = 2 + 4i - 3i - 6i^2
4

On remplace i2i^2 par 1-1 puis on regroupe la partie réelle et la partie imaginaire :

5
Z=2+i6(1)=2+i+6=8+iZ = 2 + i - 6(-1) = 2 + i + 6 = 8 + i

Exemple travaillé · 4

Écrire sous forme cartésienne (1+i)2(1 + i)^2, puis en déduire l'écriture de (1+i)4(1 + i)^4.

1

On applique l'identité remarquable (a+b)2=a2+2ab+b2(a+b)^2 = a^2 + 2ab + b^2 :

2
(1+i)2=12+2i+i2=1+2i1=2i(1 + i)^2 = 1^2 + 2i + i^2 = 1 + 2i - 1 = 2i
3

Pour calculer (1+i)4(1 + i)^4, on élève le résultat précédent au carré :

4
(1+i)4=((1+i)2)2=(2i)2(1 + i)^4 = \left((1 + i)^2\right)^2 = (2i)^2
5
(2i)2=4i2=4(2i)^2 = 4i^2 = -4

Piège classique · 5

Quelle est la partie imaginaire du nombre complexe z=57iz = 5 - 7i ?

Attention

Affirmer que Im(z)=7i\mathfrak{Im}(z) = -7i en incluant l'unité imaginaire ii.

À la place : La partie imaginaire est le coefficient réel devant ii. On a Im(z)=7\mathfrak{Im}(z) = -7, qui est un nombre réel pur.

Vérification · 6

Soit z=6i3z = 6i - 3. Détermine sa partie réelle Re(z)\mathfrak{Re}(z) et sa partie imaginaire Im(z)\mathfrak{Im}(z).

Remarque

Sous forme ordonnée z=a+ibz = a + ib, on a z=3+6iz = -3 + 6i. Ainsi, Re(z)=3\mathfrak{Re}(z) = -3 et Im(z)=6\mathfrak{Im}(z) = 6.

Définition · 7

Conjugué d'un nombre complexe

Soit z=a+ibz = a + ib un nombre complexe avec a,bRa, b \in \mathbb{R}. On appelle conjugué de zz le nombre complexe noté z\overline{z} défini par :

z=aib\overline{z} = a - ib

Le produit d'un nombre complexe par son conjugué donne toujours un réel positif ou nul :

zz=(a+ib)(aib)=a2+b2z \cdot \overline{z} = (a + ib)(a - ib) = a^2 + b^2

Caractérisation des nombres réels et imaginaires purs :

zR    z=zetziR    z=zz \in \mathbb{R} \iff \overline{z} = z \quad \text{et} \quad z \in i\mathbb{R} \iff \overline{z} = -z

Exemple travaillé · 8

Écrire le quotient Z=3i2+iZ = \frac{3-i}{2+i} sous forme cartésienne a+iba+ib.

1

On multiplie le numérateur et le dénominateur par le conjugué du dénominateur, c'est-à-dire 2i2-i :

2
Z=(3i)(2i)(2+i)(2i)Z = \frac{(3-i)(2-i)}{(2+i)(2-i)}
3

On calcule le dénominateur avec zz=a2+b2z\overline{z} = a^2+b^2 et on développe le numérateur :

4
(2+i)(2i)=22+12=4+1=5(2+i)(2-i) = 2^2 + 1^2 = 4 + 1 = 5
5
(3i)(2i)=63i2i+i2=65i1=55i(3-i)(2-i) = 6 - 3i - 2i + i^2 = 6 - 5i - 1 = 5 - 5i
6

On divise terme à terme pour obtenir la forme cartésienne :

7
Z=55i5=1iZ = \frac{5-5i}{5} = 1 - i

Définition · 9

Propriétés algébriques du conjugué

Pour tous nombres complexes zz et zz', et pour tout entier naturel non nul nn :

z+z=z+z;zz=zz;zn=(z)n\overline{z + z'} = \overline{z} + \overline{z'} \quad ; \quad \overline{z \cdot z'} = \overline{z} \cdot \overline{z'} \quad ; \quad \overline{z^n} = (\overline{z})^n

Pour tout nombre complexe non nul zz' :

(1z)=1z;(zz)=zz\overline{\left(\frac{1}{z'}\right)} = \frac{1}{\overline{z'}} \quad ; \quad \overline{\left(\frac{z}{z'}\right)} = \frac{\overline{z}}{\overline{z'}}

Exemple travaillé · 10

Soit uu un nombre complexe tel que uu=1u\overline{u} = 1 et u1u \neq 1. Montrer que Z=1+u1uZ = \frac{1+u}{1-u} est un imaginaire pur.

1

On applique le conjugué à toute l'expression ZZ à l'aide des propriétés opératoires :

2
Z=(1+u1u)=1+u1u\overline{Z} = \overline{\left(\frac{1+u}{1-u}\right)} = \frac{1+\overline{u}}{1-\overline{u}}
3

Puisque uu=1u\overline{u} = 1, on a u=1u\overline{u} = \frac{1}{u}. On substitue u\overline{u} dans l'expression :

4
Z=1+1u11u=u+1uu1u=u+1u1\overline{Z} = \frac{1+\frac{1}{u}}{1-\frac{1}{u}} = \frac{\frac{u+1}{u}}{\frac{u-1}{u}} = \frac{u+1}{u-1}
5

On factorise le dénominateur par 1-1 pour faire réapparaître ZZ :

6
Z=u+1(1u)=1+u1u=Z\overline{Z} = \frac{u+1}{-(1-u)} = -\frac{1+u}{1-u} = -Z
7

Puisque Z=Z\overline{Z} = -Z, on conclut que ZZ est un nombre imaginaire pur.

Piège classique · 11

Quel est le résultat du produit (32i)(3+2i)(3 - 2i)(3 + 2i) ?

Attention

Calculer 3222=94=53^2 - 2^2 = 9 - 4 = 5 en appliquant l'identité remarquable réelle (ab)(a+b)=a2b2(a-b)(a+b) = a^2 - b^2.

À la place : Dans C\mathbb{C}, (aib)(a+ib)=a2(ib)2=a2i2b2=a2+b2(a-ib)(a+ib) = a^2 - (ib)^2 = a^2 - i^2b^2 = a^2 + b^2. On obtient 32+22=9+4=133^2 + 2^2 = 9 + 4 = 13.

Vérification · 12

Détermine la partie réelle et la partie imaginaire de Z=21iZ = \frac{2}{1-i}.

Remarque

On multiplie par le conjugué 1+i1+i : Z=2(1+i)12+12=2(1+i)2=1+iZ = \frac{2(1+i)}{1^2+1^2} = \frac{2(1+i)}{2} = 1 + i. Ainsi, Re(Z)=1\mathfrak{Re}(Z) = 1 et Im(Z)=1\mathfrak{Im}(Z) = 1.

Définition · 13

Le plan complexe et affixe d'un point

Le plan est muni d'un repère orthonormé direct (O,u,v)(O, \vec{u}, \vec{v}), appelé plan complexe.

M(x,y)    z=x+iy(xR,  yR)M(x, y) \iff z = x + iy \quad (x \in \mathbb{R},\; y \in \mathbb{R})

zz est l'affixe du point MM, noté M(z)M(z). Le point MM est l'image du nombre complexe zz.

M(O,u)    zRM \in (O, \vec{u}) \iff z \in \mathbb{R}. M(O,v)    ziRM \in (O, \vec{v}) \iff z \in i\mathbb{R}. L'image du conjugué z\overline{z} est le symétrique de MM par rapport à l'axe des abscisses (O,u)(O, \vec{u}).

Définition · 14

Affixe d'un vecteur et du milieu

Soient AA et BB deux points du plan d'affixes respectives zAz_A et zBz_B.

aff(AB)=zBzA\text{aff}(\vec{AB}) = z_B - z_A

Si II est le milieu du segment [AB][AB], son affixe zIz_I est donnée par :

zI=zA+zB2z_I = \frac{z_A + z_B}{2}

Pour tous vecteurs w1,w2\vec{w_1}, \vec{w_2} et tous réels α,β\alpha, \beta : aff(αw1+βw2)=αaff(w1)+βaff(w2)\text{aff}(\alpha\vec{w_1} + \beta\vec{w_2}) = \alpha \text{aff}(\vec{w_1}) + \beta \text{aff}(\vec{w_2}).

Exemple travaillé · 15

On donne les points A(1+2i)A(1 + 2i), B(34i)B(3 - 4i) et C(5+i)C(5 + i). Calculer l'affixe de AB\vec{AB} et du milieu II de [AB][AB], puis déterminer l'affixe de DD pour que ABCDABCD soit un parallélogramme.

1

On calcule l'affixe du vecteur AB\vec{AB} par différence des affixes :

2
aff(AB)=zBzA=(34i)(1+2i)=26i\text{aff}(\vec{AB}) = z_B - z_A = (3 - 4i) - (1 + 2i) = 2 - 6i
3

On applique la formule du milieu pour II :

4
zI=zA+zB2=1+2i+34i2=42i2=2iz_I = \frac{z_A + z_B}{2} = \frac{1 + 2i + 3 - 4i}{2} = \frac{4 - 2i}{2} = 2 - i
5

Le quadrilatère ABCDABCD est un parallélogramme si et seulement si AB=DC\vec{AB} = \vec{DC}, soit zBzA=zCzDz_B - z_A = z_C - z_D :

6
zD=zC(zBzA)=(5+i)(26i)=3+7iz_D = z_C - (z_B - z_A) = (5 + i) - (2 - 6i) = 3 + 7i

Piège classique · 16

On considère quatre points A,B,C,DA, B, C, D. Quelle relation sur les affixes caractérise le parallélogramme ABCDABCD ?

Attention

Écrire zBzA=zDzCz_B - z_A = z_D - z_C, ce qui correspond à AB=CD\vec{AB} = \vec{CD} et définit un quadrilatère croisé ABDCABDC.

À la place : Dans le parallélogramme ABCDABCD, les côtés opposés de même sens sont [AB][AB] et [DC][DC]. La condition exacte est AB=DC\vec{AB} = \vec{DC}, soit zBzA=zCzDz_B - z_A = z_C - z_D.

Exemple travaillé · 17

Soient les points A(2i)A(-2i), B(22+2i)B(2\sqrt{2} + 2i) et C(32+4i)C(3\sqrt{2} + 4i). Montrer que les points AA, BB et CC sont alignés.

1

On calcule l'affixe du vecteur AB\vec{AB} :

2
zAB=zBzA=(22+2i)(2i)=22+4iz_{\vec{AB}} = z_B - z_A = (2\sqrt{2} + 2i) - (-2i) = 2\sqrt{2} + 4i
3

On calcule l'affixe du vecteur AC\vec{AC} :

4
zAC=zCzA=(32+4i)(2i)=32+6iz_{\vec{AC}} = z_C - z_A = (3\sqrt{2} + 4i) - (-2i) = 3\sqrt{2} + 6i
5

On établit la proportionnalité entre les deux affixes par factorisation :

6
zAC=3(2+2i)=1,5×2(2+2i)=1,5zABz_{\vec{AC}} = 3(\sqrt{2} + 2i) = 1{,}5 \times 2(\sqrt{2} + 2i) = 1{,}5 \, z_{\vec{AB}}
7

Le rapport zCzAzBzA=1,5\frac{z_C - z_A}{z_B - z_A} = 1{,}5 est un réel, ce qui prouve que AC=1,5AB\vec{AC} = 1{,}5 \vec{AB}. Les points A,B,CA, B, C sont donc alignés.

Vérification · 18

Soient les points A(2i)A(2 - i), B(4+i)B(4 + i) et C(1+3i)C(-1 + 3i). Détermine les coordonnées de l'affixe zD=xD+iyDz_D = x_D + i y_D pour que ABDCABDC soit un parallélogramme.

Remarque

ABDCABDC est un parallélogramme si et seulement si AB=CD\vec{AB} = \vec{CD}. On a zBzA=(4+i)(2i)=2+2iz_B - z_A = (4+i) - (2-i) = 2 + 2i. L'égalité zDzC=zBzAz_D - z_C = z_B - z_A donne zD=(1+3i)+(2+2i)=1+5iz_D = (-1+3i) + (2+2i) = 1 + 5i.

Définition · 19

Module d'un nombre complexe et propriétés algébriques

Pour tout nombre complexe z=a+ibz = a + ib (a,bRa, b \in \mathbb{R}), le module de zz est le nombre réel positif noté z|z| défini par :

z=a2+b2=zz|z| = \sqrt{a^2 + b^2} = \sqrt{z \cdot \overline{z}}

Propriétés opératoires fondamentales pour tous complexes z,zz, z' et tout entier relatif nn :

zz=z×z;zz=zz(z0);zn=zn|z \cdot z'| = |z| \times |z'| \quad ; \quad \left|\frac{z}{z'}\right| = \frac{|z|}{|z'|} \quad (z' \neq 0) \quad ; \quad |z^n| = |z|^n

On a toujours z=0    z=0|z| = 0 \iff z = 0, et z=z=z|\overline{z}| = |-z| = |z|.

Exemple travaillé · 20

Calculer le module du nombre complexe Z=(1+i3)31iZ = \frac{(1 + i\sqrt{3})^3}{1 - i} sans développer sa forme cartésienne.

1

On utilise la compatibilité du module avec les quotients et les puissances :

2
Z=1+i331i|Z| = \frac{|1 + i\sqrt{3}|^3}{|1 - i|}
3

On calcule séparément le module de chaque terme de l'expression :

4
1+i3=12+(3)2=1+3=4=2|1 + i\sqrt{3}| = \sqrt{1^2 + (\sqrt{3})^2} = \sqrt{1 + 3} = \sqrt{4} = 2
5
1i=12+(1)2=1+1=2|1 - i| = \sqrt{1^2 + (-1)^2} = \sqrt{1 + 1} = \sqrt{2}
6

On assemble les résultats pour obtenir la valeur exacte :

7
Z=232=82=42|Z| = \frac{2^3}{\sqrt{2}} = \frac{8}{\sqrt{2}} = 4\sqrt{2}

Définition · 21

Interprétation géométrique du module et lieux remarquables

Dans le plan complexe (O,u,v)(O, \vec{u}, \vec{v}), le module correspond à une distance euclidienne :

OM=zetAB=zBzAOM = |z| \quad \text{et} \quad AB = |z_B - z_A|

Caractérisation des deux ensembles fondamentaux du plan :

zzA=R    AM=R    MC(A,R)(R>0)|z - z_A| = R \iff AM = R \iff M \in \mathcal{C}(A, R) \quad (R > 0)

zzA=zzB    AM=BM    Mmeˊd([AB])|z - z_A| = |z - z_B| \iff AM = BM \iff M \in \text{méd}([AB])

Exemple travaillé · 22

Soient les points A(1+i)A(1 + i), B(3+i)B(3 + i) et C(12i)C(1 - 2i). Calculer ABAB, ACAC et BCBC, puis déterminer la nature du triangle ABCABC.

1

On calcule les trois longueurs à l'aide des modules de différences d'affixes :

2
AB=zBzA=(3+i)(1+i)=2=2AB = |z_B - z_A| = |(3 + i) - (1 + i)| = |2| = 2
3
AC=zCzA=(12i)(1+i)=3i=3AC = |z_C - z_A| = |(1 - 2i) - (1 + i)| = |-3i| = 3
4
BC=zCzB=(12i)(3+i)=23i=(2)2+(3)2=13BC = |z_C - z_B| = |(1 - 2i) - (3 + i)| = |-2 - 3i| = \sqrt{(-2)^2 + (-3)^2} = \sqrt{13}
5

On compare les carrés des trois distances :

6
AB2+AC2=22+32=4+9=13etBC2=(13)2=13AB^2 + AC^2 = 2^2 + 3^2 = 4 + 9 = 13 \quad \text{et} \quad BC^2 = (\sqrt{13})^2 = 13
7

Puisque AB2+AC2=BC2AB^2 + AC^2 = BC^2, d'après la réciproque du théorème de Pythagore, le triangle ABCABC est un triangle rectangle en AA.

Piège classique · 23

On cherche l'ensemble des points M(z)M(z) vérifiant iz+2=3|iz + 2| = 3. Quel est cet ensemble ?

Attention

Lire directement l'affixe du centre comme 2-2 sans factoriser par ii, ou confondre avec une équation de droite.

À la place : On factorise obligatoirement par ii à l'intérieur du module : i(z2i)=i×z2i=z2i|i(z - 2i)| = |i| \times |z - 2i| = |z - 2i|. L'égalité devient z2i=3|z - 2i| = 3, c'est le cercle de centre Ω(2i)\Omega(2i) et de rayon 33.

Vérification · 24

Détermine le rayon RR et l'affixe du centre Ω\Omega du cercle d'équation 3z6i=12|3z - 6i| = 12.

Remarque

On factorise par la constante réelle 33 : 3z2i=12    z2i=123=43|z - 2i| = 12 \iff |z - 2i| = \frac{12}{3} = 4. Le centre a donc pour affixe zΩ=2iz_\Omega = 2i et le rayon est R=4R = 4.

Point de départ · 25

Dans le plan muni d'un repère orthonormé direct, comment repérer un point MM distinct de l'origine OO autrement que par ses coordonnées cartésiennes (x,y)(x, y) ?

Remarque

On peut repérer MM par sa distance à l'origine r=OMr = OM (r>0r > 0) et par la mesure de l'angle orienté θ=(u,OM)\theta = (\vec{u}, \vec{OM}) en radians. Ce sont les coordonnées polaires, qui donnent naissance à l'écriture trigonométrique d'un nombre complexe non nul.

Définition · 26

Argument et forme trigonométrique

Soit zz un nombre complexe non nul (z0z \neq 0) d'image MM dans le plan complexe (O,u,v)(O, \vec{u}, \vec{v}).

Vocabulaire

  • Argument de zzarg(z)(u,OM)(mod2π)\arg(z) \equiv (\vec{u}, \vec{OM}) \pmod{2\pi}

En posant r=z>0r = |z| > 0 et θarg(z)(mod2π)\theta \equiv \arg(z) \pmod{2\pi}, l'écriture trigonométrique et la forme polaire de zz sont :

z=r(cosθ+isinθ)=[r,θ]z = r(\cos\theta + i\sin\theta) = [r, \theta]

Le nombre 00 n'a pas d'argument car l'angle (u,OO)(\vec{u}, \vec{OO}) n'est pas défini. L'angle θ\theta vérifie toujours cosθ=Re(z)z\cos\theta = \frac{\mathfrak{Re}(z)}{|z|} et sinθ=Im(z)z\sin\theta = \frac{\mathfrak{Im}(z)}{|z|}.

Exemple travaillé · 27

Déterminer le module, un argument et l'écriture trigonométrique de z=3+iz = -\sqrt{3} + i.

1

On calcule le module de zz :

2
z=(3)2+12=3+1=2|z| = \sqrt{(-\sqrt{3})^2 + 1^2} = \sqrt{3 + 1} = 2
3

On factorise par le module et on identifie le cosinus et le sinus de l'argument θ\theta :

4
z=2(32+12i)    cosθ=32etsinθ=12z = 2\left(-\frac{\sqrt{3}}{2} + \frac{1}{2}i\right) \implies \cos\theta = -\frac{\sqrt{3}}{2} \quad \text{et} \quad \sin\theta = \frac{1}{2}
5

L'angle de référence dans [0,π2][0, \frac{\pi}{2}] est π6\frac{\pi}{6}. Puisque cosθ<0\cos\theta < 0 et sinθ>0\sin\theta > 0, l'angle appartient au deuxième quadrant :

6
θ=ππ6=5π6(mod2π)\theta = \pi - \frac{\pi}{6} = \frac{5\pi}{6} \pmod{2\pi}
7

On conclut sur les écritures trigonométrique et polaire :

8
z=2(cos5π6+isin5π6)=[2,5π6]z = 2\left(\cos\frac{5\pi}{6} + i\sin\frac{5\pi}{6}\right) = \left[2, \frac{5\pi}{6}\right]

Piège classique · 28

On donne Z=2(cosπ3+isinπ3)Z = -2\left(\cos\frac{\pi}{3} + i\sin\frac{\pi}{3}\right). Quel est l'argument principal de ZZ ?

Attention

Lire directement π3\frac{\pi}{3} en ignorant le signe « - » devant le coefficient 22.

À la place : Une forme trigonométrique exige un module strictement positif (r>0r > 0). On distribue le signe moins : Z=2(cosπ3isinπ3)=2(cos(π3+π)+isin(π3+π))=2(cos4π3+isin4π3)Z = 2\left(-\cos\frac{\pi}{3} - i\sin\frac{\pi}{3}\right) = 2\left(\cos(\frac{\pi}{3}+\pi) + i\sin(\frac{\pi}{3}+\pi)\right) = 2\left(\cos\frac{4\pi}{3} + i\sin\frac{4\pi}{3}\right). L'argument est 4π3\frac{4\pi}{3} (ou 2π3-\frac{2\pi}{3}).

Exemple travaillé · 29

Déterminer la forme trigonométrique des nombres complexes suivants sans calcul lourd : z1=5z_1 = -5, z2=3iz_2 = 3i et z3=2iz_3 = -2i.

1

z1=5z_1 = -5 est un réel strictement négatif, situé sur le demi-axe des abscisses négatives :

2
z1=5etarg(z1)π(mod2π)    z1=5(cosπ+isinπ)=[5,π]|z_1| = 5 \quad \text{et} \quad \arg(z_1) \equiv \pi \pmod{2\pi} \implies z_1 = 5(\cos\pi + i\sin\pi) = [5, \pi]
3

z2=3iz_2 = 3i est un imaginaire pur à partie imaginaire strictement positive :

4
z2=3etarg(z2)π2(mod2π)    z2=3(cosπ2+isinπ2)=[3,π2]|z_2| = 3 \quad \text{et} \quad \arg(z_2) \equiv \frac{\pi}{2} \pmod{2\pi} \implies z_2 = 3\left(\cos\frac{\pi}{2} + i\sin\frac{\pi}{2}\right) = \left[3, \frac{\pi}{2}\right]
5

z3=2iz_3 = -2i est un imaginaire pur à partie imaginaire strictement négative :

6
z3=2etarg(z3)π2(mod2π)    z3=2(cos(π2)+isin(π2))=[2,π2]|z_3| = 2 \quad \text{et} \quad \arg(z_3) \equiv -\frac{\pi}{2} \pmod{2\pi} \implies z_3 = 2\left(\cos\left(-\frac{\pi}{2}\right) + i\sin\left(-\frac{\pi}{2}\right)\right) = \left[2, -\frac{\pi}{2}\right]

Vérification · 30

Détermine le module rr et l'argument principal θ\theta du nombre complexe z=1i3z = 1 - i\sqrt{3}.

Remarque

On a z=12+(3)2=4=2|z| = \sqrt{1^2 + (-\sqrt{3})^2} = \sqrt{4} = 2. On a cosθ=12\cos\theta = \frac{1}{2} et sinθ=32\sin\theta = -\frac{\sqrt{3}}{2}. Puisque la partie réelle est positive et la partie imaginaire négative (quatrième quadrant), on obtient θ=π3\theta = -\frac{\pi}{3}.

Définition · 31

Opérations sur les arguments et les formes trigonométriques

Pour tous nombres complexes non nuls zz et zz', et pour tout entier relatif nn :

arg(zz)arg(z)+arg(z)(mod2π)\arg(z \cdot z') \equiv \arg(z) + \arg(z') \pmod{2\pi}

arg(zz)arg(z)arg(z)(mod2π);arg(zn)narg(z)(mod2π)\arg\left(\frac{z}{z'}\right) \equiv \arg(z) - \arg(z') \pmod{2\pi} \quad ; \quad \arg(z^n) \equiv n\arg(z) \pmod{2\pi}

Pour les formes polaires, si z=[r,θ]z = [r, \theta] et z=[r,θ]z' = [r', \theta'] avec r>0r > 0 et r>0r' > 0 :

zz=[rr,θ+θ];zz=[rr,θθ];zn=[rn,nθ]z \cdot z' = [r r', \theta + \theta'] \quad ; \quad \frac{z}{z'} = \left[\frac{r}{r'}, \theta - \theta'\right] \quad ; \quad z^n = [r^n, n\theta]

Exemple travaillé · 32

Mettre sous forme trigonométrique z1=1i3z_1 = 1 - i\sqrt{3}, puis en déduire la forme algébrique exacte de Z=(1i3)9Z = (1 - i\sqrt{3})^9.

1

On écrit d'abord z1z_1 sous forme trigonométrique :

2
z1=12+(3)2=2    z1=2(12i32)=[2,π3]|z_1| = \sqrt{1^2 + (-\sqrt{3})^2} = 2 \implies z_1 = 2\left(\frac{1}{2} - i\frac{\sqrt{3}}{2}\right) = \left[2, -\frac{\pi}{3}\right]
3

On applique la propriété de la puissance sur la forme polaire :

4
Z=z19=[29,9×(π3)]=[512,3π]Z = z_1^9 = \left[2^9, 9 \times \left(-\frac{\pi}{3}\right)\right] = [512, -3\pi]
5

On simplifie l'argument modulo 2π2\pi et on revient à la forme cartésienne :

6
3ππ(mod2π)    Z=512(cosπ+isinπ)=512(1+0i)=512-3\pi \equiv \pi \pmod{2\pi} \implies Z = 512(\cos\pi + i\sin\pi) = 512(-1 + 0i) = -512

Exemple travaillé · 33

On pose z1=6i22z_1 = \frac{\sqrt{6}-i\sqrt{2}}{2} et z2=1iz_2 = 1-i. Écrire u=z1z2u = \frac{z_1}{z_2} sous forme trigonométrique puis sous forme algébrique, et en déduire la valeur exacte de cosπ12\cos\frac{\pi}{12}.

1

On détermine les formes trigonométriques de z1z_1 et z2z_2 :

2
z1=2(cos(π6)+isin(π6))etz2=2(cos(π4)+isin(π4))z_1 = \sqrt{2}\left(\cos\left(-\frac{\pi}{6}\right) + i\sin\left(-\frac{\pi}{6}\right)\right) \quad \text{et} \quad z_2 = \sqrt{2}\left(\cos\left(-\frac{\pi}{4}\right) + i\sin\left(-\frac{\pi}{4}\right)\right)
3

On calcule la forme trigonométrique du quotient uu :

4
u=22=1etarg(u)π6(π4)π12(mod2π)|u| = \frac{\sqrt{2}}{\sqrt{2}} = 1 \quad \text{et} \quad \arg(u) \equiv -\frac{\pi}{6} - \left(-\frac{\pi}{4}\right) \equiv \frac{\pi}{12} \pmod{2\pi}
5
u=cosπ12+isinπ12u = \cos\frac{\pi}{12} + i\sin\frac{\pi}{12}
6

On calcule la forme algébrique de uu en multipliant par le conjugué de z2z_2 :

7
u=(6i2)(1+i)2(1i)(1+i)=6+i6i2+24=6+24+i624u = \frac{(\sqrt{6}-i\sqrt{2})(1+i)}{2(1-i)(1+i)} = \frac{\sqrt{6} + i\sqrt{6} - i\sqrt{2} + \sqrt{2}}{4} = \frac{\sqrt{6}+\sqrt{2}}{4} + i\frac{\sqrt{6}-\sqrt{2}}{4}
8

Par identification terme à terme des parties réelles des deux formes :

9
cosπ12=6+24\cos\frac{\pi}{12} = \frac{\sqrt{6}+\sqrt{2}}{4}

Définition · 34

Résolution de l'équation z2=αz^2 = \alpha dans C\mathbb{C}

Soit α\alpha un nombre réel non nul. L'équation z2=αz^2 = \alpha admet exactement deux solutions dans C\mathbb{C} :

Si α>0:z=αouz=α\text{Si } \alpha > 0 : \quad z = \sqrt{\alpha} \quad \text{ou} \quad z = -\sqrt{\alpha}

Si α<0:z=iαouz=iα\text{Si } \alpha < 0 : \quad z = i\sqrt{|\alpha|} \quad \text{ou} \quad z = -i\sqrt{|\alpha|}

Pour résoudre une équation du second degré mise sous forme canonique (zz0)2=α(z - z_0)^2 = \alpha avec α<0\alpha < 0, on pose directement zz0=iαz - z_0 = i\sqrt{|\alpha|} ou zz0=iαz - z_0 = -i\sqrt{|\alpha|}.

Piège classique · 35

Résoudre dans C\mathbb{C} l'équation (z1)2=4(z - 1)^2 = -4. Quelles sont les solutions ?

Attention

Développer (z1)2(z-1)^2 pour obtenir z22z+5=0z^2 - 2z + 5 = 0, s'exposant à des erreurs de calcul sur le discriminant.

À la place : L'équation est déjà sous forme canonique : les racines carrées du réel négatif 4-4 sont 2i2i et 2i-2i. On résout directement z1=2iz - 1 = 2i ou z1=2iz - 1 = -2i, d'où z=1+2iz = 1 + 2i ou z=12iz = 1 - 2i.

Vérification · 36

Détermine les deux solutions de l'équation z2+12=0z^2 + 12 = 0 dans C\mathbb{C}.

Remarque

z2+12=0    z2=12z^2 + 12 = 0 \iff z^2 = -12. Comme 12<0-12 < 0, les solutions sont z=i12=2i3z = i\sqrt{12} = 2i\sqrt{3} et z=i12=2i3z = -i\sqrt{12} = -2i\sqrt{3}.

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