Dans R, l'équation x2+1=0 admet-elle des solutions ?
Remarque
Dans R, un carré est toujours positif ou nul (x2≥0), donc x2=−1 est impossible. Pour rendre cette équation soluble, on introduit un nouvel ensemble, C, contenant un élément noté i vérifiant i2=−1.
Définition · 2
Ensemble des nombres complexes et forme cartésienne
i2=−1
Tout élément z de C s'écrit de façon unique sous la forme cartésienne (ou algébrique) :
z=a+ib(a∈R,b∈R)
Vocabulaire
Partie réelle de z — Re(z)=a
Partie imaginaire de z — Im(z)=b
Si b=0, z est un nombre réel. Si a=0 et b=0, z est dit imaginaire pur.
Exemple travaillé · 3
Écrire le nombre complexe Z=(2−3i)(1+2i) sous forme cartésienne a+ib.
1
On développe par distributivité comme dans R :
2
Z=2×1+2×2i−3i×1−3i×2i
3
Z=2+4i−3i−6i2
4
On remplace i2 par −1 puis on regroupe la partie réelle et la partie imaginaire :
5
Z=2+i−6(−1)=2+i+6=8+i
Exemple travaillé · 4
Écrire sous forme cartésienne (1+i)2, puis en déduire l'écriture de (1+i)4.
1
On applique l'identité remarquable (a+b)2=a2+2ab+b2 :
2
(1+i)2=12+2i+i2=1+2i−1=2i
3
Pour calculer (1+i)4, on élève le résultat précédent au carré :
4
(1+i)4=((1+i)2)2=(2i)2
5
(2i)2=4i2=−4
Piège classique · 5
Quelle est la partie imaginaire du nombre complexe z=5−7i ?
Attention
Affirmer que Im(z)=−7i en incluant l'unité imaginaire i.
À la place : La partie imaginaire est le coefficient réel devant i. On a Im(z)=−7, qui est un nombre réel pur.
Vérification · 6
Soit z=6i−3. Détermine sa partie réelle Re(z) et sa partie imaginaire Im(z).
Remarque
Sous forme ordonnée z=a+ib, on a z=−3+6i. Ainsi, Re(z)=−3 et Im(z)=6.
Définition · 7
Conjugué d'un nombre complexe
Soit z=a+ib un nombre complexe avec a,b∈R. On appelle conjugué de z le nombre complexe noté z défini par :
z=a−ib
Le produit d'un nombre complexe par son conjugué donne toujours un réel positif ou nul :
z⋅z=(a+ib)(a−ib)=a2+b2
Caractérisation des nombres réels et imaginaires purs :
z∈R⟺z=zetz∈iR⟺z=−z
Exemple travaillé · 8
Écrire le quotient Z=2+i3−i sous forme cartésienne a+ib.
1
On multiplie le numérateur et le dénominateur par le conjugué du dénominateur, c'est-à-dire 2−i :
2
Z=(2+i)(2−i)(3−i)(2−i)
3
On calcule le dénominateur avec zz=a2+b2 et on développe le numérateur :
4
(2+i)(2−i)=22+12=4+1=5
5
(3−i)(2−i)=6−3i−2i+i2=6−5i−1=5−5i
6
On divise terme à terme pour obtenir la forme cartésienne :
7
Z=55−5i=1−i
Définition · 9
Propriétés algébriques du conjugué
Pour tous nombres complexes z et z′, et pour tout entier naturel non nul n :
z+z′=z+z′;z⋅z′=z⋅z′;zn=(z)n
Pour tout nombre complexe non nul z′ :
(z′1)=z′1;(z′z)=z′z
Exemple travaillé · 10
Soit u un nombre complexe tel que uu=1 et u=1. Montrer que Z=1−u1+u est un imaginaire pur.
1
On applique le conjugué à toute l'expression Z à l'aide des propriétés opératoires :
2
Z=(1−u1+u)=1−u1+u
3
Puisque uu=1, on a u=u1. On substitue u dans l'expression :
4
Z=1−u11+u1=uu−1uu+1=u−1u+1
5
On factorise le dénominateur par −1 pour faire réapparaître Z :
6
Z=−(1−u)u+1=−1−u1+u=−Z
7
Puisque Z=−Z, on conclut que Z est un nombre imaginaire pur.
Piège classique · 11
Quel est le résultat du produit (3−2i)(3+2i) ?
Attention
Calculer 32−22=9−4=5 en appliquant l'identité remarquable réelle (a−b)(a+b)=a2−b2.
À la place : Dans C, (a−ib)(a+ib)=a2−(ib)2=a2−i2b2=a2+b2. On obtient 32+22=9+4=13.
Vérification · 12
Détermine la partie réelle et la partie imaginaire de Z=1−i2.
Remarque
On multiplie par le conjugué 1+i : Z=12+122(1+i)=22(1+i)=1+i. Ainsi, Re(Z)=1 et 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), appelé plan complexe.
M(x,y)⟺z=x+iy(x∈R,y∈R)
z est l'affixe du point M, noté M(z). Le point M est l'image du nombre complexe z.
M∈(O,u)⟺z∈R. M∈(O,v)⟺z∈iR. L'image du conjugué z est le symétrique de M par rapport à l'axe des abscisses (O,u).
Définition · 14
Affixe d'un vecteur et du milieu
Soient A et B deux points du plan d'affixes respectives zA et zB.
aff(AB)=zB−zA
Si I est le milieu du segment [AB], son affixe zI est donnée par :
zI=2zA+zB
Pour tous vecteurs w1,w2 et tous réels α,β : aff(αw1+βw2)=αaff(w1)+βaff(w2).
Exemple travaillé · 15
On donne les points A(1+2i), B(3−4i) et C(5+i). Calculer l'affixe de AB et du milieu I de [AB], puis déterminer l'affixe de D pour que ABCD soit un parallélogramme.
1
On calcule l'affixe du vecteur AB par différence des affixes :
2
aff(AB)=zB−zA=(3−4i)−(1+2i)=2−6i
3
On applique la formule du milieu pour I :
4
zI=2zA+zB=21+2i+3−4i=24−2i=2−i
5
Le quadrilatère ABCD est un parallélogramme si et seulement si AB=DC, soit zB−zA=zC−zD :
6
zD=zC−(zB−zA)=(5+i)−(2−6i)=3+7i
Piège classique · 16
On considère quatre points A,B,C,D. Quelle relation sur les affixes caractérise le parallélogramme ABCD ?
Attention
Écrire zB−zA=zD−zC, ce qui correspond à AB=CD et définit un quadrilatère croisé ABDC.
À la place : Dans le parallélogramme ABCD, les côtés opposés de même sens sont [AB] et [DC]. La condition exacte est AB=DC, soit zB−zA=zC−zD.
Exemple travaillé · 17
Soient les points A(−2i), B(22+2i) et C(32+4i). Montrer que les points A, B et C sont alignés.
1
On calcule l'affixe du vecteur AB :
2
zAB=zB−zA=(22+2i)−(−2i)=22+4i
3
On calcule l'affixe du vecteur AC :
4
zAC=zC−zA=(32+4i)−(−2i)=32+6i
5
On établit la proportionnalité entre les deux affixes par factorisation :
6
zAC=3(2+2i)=1,5×2(2+2i)=1,5zAB
7
Le rapport zB−zAzC−zA=1,5 est un réel, ce qui prouve que AC=1,5AB. Les points A,B,C sont donc alignés.
Vérification · 18
Soient les points A(2−i), B(4+i) et C(−1+3i). Détermine les coordonnées de l'affixe zD=xD+iyD pour que ABDC soit un parallélogramme.
Remarque
ABDC est un parallélogramme si et seulement si AB=CD. On a zB−zA=(4+i)−(2−i)=2+2i. L'égalité zD−zC=zB−zA donne zD=(−1+3i)+(2+2i)=1+5i.
Définition · 19
Module d'un nombre complexe et propriétés algébriques
Pour tout nombre complexe z=a+ib (a,b∈R), le module de z est le nombre réel positif noté ∣z∣ défini par :
∣z∣=a2+b2=z⋅z
Propriétés opératoires fondamentales pour tous complexes z,z′ et tout entier relatif n :
∣z⋅z′∣=∣z∣×∣z′∣;z′z=∣z′∣∣z∣(z′=0);∣zn∣=∣z∣n
On a toujours ∣z∣=0⟺z=0, et ∣z∣=∣−z∣=∣z∣.
Exemple travaillé · 20
Calculer le module du nombre complexe Z=1−i(1+i3)3 sans développer sa forme cartésienne.
1
On utilise la compatibilité du module avec les quotients et les puissances :
2
∣Z∣=∣1−i∣∣1+i3∣3
3
On calcule séparément le module de chaque terme de l'expression :
4
∣1+i3∣=12+(3)2=1+3=4=2
5
∣1−i∣=12+(−1)2=1+1=2
6
On assemble les résultats pour obtenir la valeur exacte :
7
∣Z∣=223=28=42
Définition · 21
Interprétation géométrique du module et lieux remarquables
Dans le plan complexe (O,u,v), le module correspond à une distance euclidienne :
OM=∣z∣etAB=∣zB−zA∣
Caractérisation des deux ensembles fondamentaux du plan :
∣z−zA∣=R⟺AM=R⟺M∈C(A,R)(R>0)
∣z−zA∣=∣z−zB∣⟺AM=BM⟺M∈meˊd([AB])
Exemple travaillé · 22
Soient les points A(1+i), B(3+i) et C(1−2i). Calculer AB, AC et BC, puis déterminer la nature du triangle ABC.
1
On calcule les trois longueurs à l'aide des modules de différences d'affixes :
Puisque AB2+AC2=BC2, d'après la réciproque du théorème de Pythagore, le triangle ABC est un triangle rectangle en A.
Piège classique · 23
On cherche l'ensemble des points M(z) vérifiant ∣iz+2∣=3. Quel est cet ensemble ?
Attention
Lire directement l'affixe du centre comme −2 sans factoriser par i, ou confondre avec une équation de droite.
À la place : On factorise obligatoirement par i à l'intérieur du module : ∣i(z−2i)∣=∣i∣×∣z−2i∣=∣z−2i∣. L'égalité devient ∣z−2i∣=3, c'est le cercle de centre Ω(2i) et de rayon 3.
Vérification · 24
Détermine le rayon R et l'affixe du centre Ω du cercle d'équation ∣3z−6i∣=12.
Remarque
On factorise par la constante réelle 3 : 3∣z−2i∣=12⟺∣z−2i∣=312=4. Le centre a donc pour affixe zΩ=2i et le rayon est R=4.
Point de départ · 25
Dans le plan muni d'un repère orthonormé direct, comment repérer un point M distinct de l'origine O autrement que par ses coordonnées cartésiennes (x,y) ?
Remarque
On peut repérer M par sa distance à l'origine r=OM (r>0) et par la mesure de l'angle orienté θ=(u,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 z un nombre complexe non nul (z=0) d'image M dans le plan complexe (O,u,v).
Vocabulaire
Argument de z — arg(z)≡(u,OM)(mod2π)
En posant r=∣z∣>0 et θ≡arg(z)(mod2π), l'écriture trigonométrique et la forme polaire de z sont :
z=r(cosθ+isinθ)=[r,θ]
Le nombre 0 n'a pas d'argument car l'angle (u,OO) n'est pas défini. L'angle θ vérifie toujours cosθ=∣z∣Re(z) et sinθ=∣z∣Im(z).
Exemple travaillé · 27
Déterminer le module, un argument et l'écriture trigonométrique de z=−3+i.
1
On calcule le module de z :
2
∣z∣=(−3)2+12=3+1=2
3
On factorise par le module et on identifie le cosinus et le sinus de l'argument θ :
4
z=2(−23+21i)⟹cosθ=−23etsinθ=21
5
L'angle de référence dans [0,2π] est 6π. Puisque cosθ<0 et sinθ>0, l'angle appartient au deuxième quadrant :
6
θ=π−6π=65π(mod2π)
7
On conclut sur les écritures trigonométrique et polaire :
8
z=2(cos65π+isin65π)=[2,65π]
Piège classique · 28
On donne Z=−2(cos3π+isin3π). Quel est l'argument principal de Z ?
Attention
Lire directement 3π en ignorant le signe « - » devant le coefficient 2.
À la place : Une forme trigonométrique exige un module strictement positif (r>0). On distribue le signe moins : Z=2(−cos3π−isin3π)=2(cos(3π+π)+isin(3π+π))=2(cos34π+isin34π). L'argument est 34π (ou −32π).
Exemple travaillé · 29
Déterminer la forme trigonométrique des nombres complexes suivants sans calcul lourd : z1=−5, z2=3i et z3=−2i.
1
z1=−5 est un réel strictement négatif, situé sur le demi-axe des abscisses négatives :
Détermine le module r et l'argument principal θ du nombre complexe z=1−i3.
Remarque
On a ∣z∣=12+(−3)2=4=2. On a cosθ=21 et sinθ=−23. Puisque la partie réelle est positive et la partie imaginaire négative (quatrième quadrant), on obtient θ=−3π.
Définition · 31
Opérations sur les arguments et les formes trigonométriques
Pour tous nombres complexes non nuls z et z′, et pour tout entier relatif n :
Par identification terme à terme des parties réelles des deux formes :
9
cos12π=46+2
Définition · 34
Résolution de l'équation z2=α dans C
Soit α un nombre réel non nul. L'équation z2=α admet exactement deux solutions dans C :
Si α>0:z=αouz=−α
Si α<0:z=i∣α∣ouz=−i∣α∣
Pour résoudre une équation du second degré mise sous forme canonique (z−z0)2=α avec α<0, on pose directement z−z0=i∣α∣ ou z−z0=−i∣α∣.
Piège classique · 35
Résoudre dans C l'équation (z−1)2=−4. Quelles sont les solutions ?
Attention
Développer (z−1)2 pour obtenir z2−2z+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 sont 2i et −2i. On résout directement z−1=2i ou z−1=−2i, d'où z=1+2i ou z=1−2i.
Vérification · 36
Détermine les deux solutions de l'équation z2+12=0 dans C.
Remarque
z2+12=0⟺z2=−12. Comme −12<0, les solutions sont z=i12=2i3 et z=−i12=−2i3.