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Nombres Complexes — cours

3ème année · section Sciences expérimentales · mathématiques, programme officiel tunisien.

Le cours

Point de départ · 1

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

Remarque

Dans R\mathbb{R}, un carré est toujours positif ou nul (x20x^2 \ge 0). Pour résoudre cette équation, on introduit un nouvel ensemble noté C\mathbb{C} contenant un nombre imaginaire ii tel que i2=1i^2 = -1.

Définition · 2

L'ensemble C\mathbb{C} et la forme algébrique

Il existe un ensemble de nombres, noté C\mathbb{C}, qui contient l'ensemble des réels R\mathbb{R} et qui possède un élément noté ii vérifiant i2=1i^2 = -1.

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

Cette écriture unique est appelée la forme algébrique (ou cartésienne) de zz.

Vocabulaire

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

Si a=0a = 0, le nombre z=ibz = ib est dit imaginaire pur. Si b=0b = 0, z=az = a est un nombre réel.

Exemple travaillé · 3

On donne les nombres complexes z1=2+3iz_1 = 2 + 3i et z2=12iz_2 = 1 - 2i. Écris le produit z1×z2z_1 \times z_2 sous forme algébrique.

1

On développe le produit par distributivité classique.

z1×z2=(2+3i)(12i)=24i+3i6i2z_1 \times z_2 = (2 + 3i)(1 - 2i) = 2 - 4i + 3i - 6i^2
2

On utilise la propriété fondamentale i2=1i^2 = -1.

6i2=6(1)=+6-6i^2 = -6(-1) = +6
3

On regroupe la partie réelle et la partie imaginaire.

z1×z2=(2+6)+(4+3)i=8iz_1 \times z_2 = (2 + 6) + (-4 + 3)i = 8 - i

Exemple travaillé · 4

Détermine les réels xx et yy vérifiant l'égalité : (2xy)+i(x+y)=5+4i(2x - y) + i(x + y) = 5 + 4i.

1

Par unicité de l'écriture algébrique, deux nombres complexes sont égaux si et seulement si leurs parties réelles sont égales et leurs parties imaginaires sont égales.

2
{2xy=5x+y=4\begin{cases} 2x - y = 5 \\ x + y = 4 \end{cases}
3

On résout le système : en additionnant membre à membre les deux équations, on élimine yy.

(2xy)+(x+y)=5+4    3x=9    x=3(2x - y) + (x + y) = 5 + 4 \implies 3x = 9 \implies x = 3
4

On remplace x=3x = 3 dans la deuxième équation pour obtenir yy.

3+y=4    y=13 + y = 4 \implies y = 1

Piège classique · 5

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

Attention

Répondre que Im(z)=7i\text{Im}(z) = -7i en incluant la lettre ii.

À la place : La partie imaginaire est le coefficient réel situé devant ii. Pour z=57iz = 5 - 7i, on a Im(z)=7\text{Im}(z) = -7 (un nombre réel, sans le ii).

Vérification · 6

Complète les écritures simplifiées des puissances successives de ii :

Remarque

Les puissances de ii sont cycliques de période 4 : i1=ii^1 = i, i2=1i^2 = -1, i3=i2×i=ii^3 = i^2 \times i = -i et i4=(i2)2=(1)2=1i^4 = (i^2)^2 = (-1)^2 = 1.

Définition · 7

Conjugué d'un nombre complexe

Soit z=a+ibz = a + ib un nombre complexe où aa et bb sont deux réels.

zˉ=aib\bar{z} = a - ib

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

zzˉ=(a+ib)(aib)=a2+b2z\bar{z} = (a + ib)(a - ib) = a^2 + b^2

Caractérisation des nombres réels et des imaginaires purs :

zR    zˉ=zz \in \mathbb{R} \iff \bar{z} = z
ziR    zˉ=zz \in i\mathbb{R} \iff \bar{z} = -z

Exemple travaillé · 8

Mets sous forme algébrique le nombre complexe Z=1+2i12iZ = \frac{1 + 2i}{1 - 2i}.

1

On multiplie le numérateur et le dénominateur par le conjugué du dénominateur, qui est 1+2i1 + 2i.

Z=(1+2i)(1+2i)(12i)(1+2i)Z = \frac{(1 + 2i)(1 + 2i)}{(1 - 2i)(1 + 2i)}
2

Au dénominateur, on applique zzˉ=a2+b2z\bar{z} = a^2 + b^2 avec a=1a = 1 et b=2b = -2.

(12i)(1+2i)=12+22=5(1 - 2i)(1 + 2i) = 1^2 + 2^2 = 5
3

Au numérateur, on développe le carré (1+2i)2(1 + 2i)^2.

(1+2i)2=1+4i+(2i)2=1+4i4=3+4i(1 + 2i)^2 = 1 + 4i + (2i)^2 = 1 + 4i - 4 = -3 + 4i
4

On sépare la partie réelle et la partie imaginaire.

Z=3+4i5=35+45iZ = \frac{-3 + 4i}{5} = -\frac{3}{5} + \frac{4}{5}i

Exemple travaillé · 9

On pose α=3i7+12i\alpha = \frac{3-i}{7+12i} et β=3+i712i\beta = \frac{3+i}{7-12i}. Montre sans calcul lourd que α+β\alpha + \beta est un nombre réel.

1

On calcule le conjugué de α\alpha en utilisant la propriété du quotient (z1z2)=z1ˉz2ˉ\overline{\left(\frac{z_1}{z_2}\right)} = \frac{\bar{z_1}}{\bar{z_2}}.

αˉ=3i7+12i=3+i712i=β\bar{\alpha} = \frac{\overline{3-i}}{\overline{7+12i}} = \frac{3+i}{7-12i} = \beta
2

On réécrit la somme α+β\alpha + \beta en remplaçant β\beta par αˉ\bar{\alpha}.

α+β=α+αˉ\alpha + \beta = \alpha + \bar{\alpha}
3

Or, pour tout nombre complexe, la somme avec son conjugué donne deux fois sa partie réelle.

α+αˉ=2Re(α)R\alpha + \bar{\alpha} = 2\text{Re}(\alpha) \in \mathbb{R}

Piège classique · 10

Pour montrer que U=5+i23i5i2+3iU = \frac{5+i}{2-3i} - \frac{5-i}{2+3i} est un imaginaire pur, quelle est la méthode la plus rapide ?

Attention

Mettre les fractions au même dénominateur et développer tous les produits algébriques.

À la place : Le deuxième terme est le conjugué du premier, donc U=zzˉU = z - \bar{z}. Comme zzˉ=2iIm(z)z - \bar{z} = 2i\text{Im}(z), UU est directement un imaginaire pur sans calcul intermédiaire.

Vérification · 11

Quel est le conjugué du nombre complexe Z=23i8+5iZ = \frac{2 - 3i}{8 + 5i} ?

Remarque

On applique la propriété (z1z2)=z1ˉz2ˉ\overline{\left(\frac{z_1}{z_2}\right)} = \frac{\bar{z_1}}{\bar{z_2}} en conjuguant séparément le numérateur et le dénominateur : 23i=2+3i\overline{2-3i} = 2+3i et 8+5i=85i\overline{8+5i} = 8-5i.

Rappel · 12

Dans le plan muni d'un repère orthonormé, si A(xA,yA)A(x_A, y_A) et B(xB,yB)B(x_B, y_B), quelles sont les coordonnées du vecteur AB\vec{AB} et du milieu II de [AB][AB] ?

Remarque

Pour un vecteur AB\vec{AB}, on soustrait les coordonnées de l'origine à celles de l'extrémité : (xBxA,  yByA)(x_B - x_A, \; y_B - y_A). Pour le milieu II, on prend la demi-somme : (xA+xB2,  yA+yB2)\left(\frac{x_A + x_B}{2}, \; \frac{y_A + y_B}{2}\right).

Définition · 13

Affixe d'un point et d'un vecteur

Le plan est muni d'un repère orthonormé direct (O,u,v)(O, \vec{u}, \vec{v}). À tout point M(a,b)M(a, b), on associe de manière unique le nombre complexe z=a+ibz = a + ib.

Vocabulaire

  • Affixe du point M(a,b)M(a, b)zM=a+ibz_M = a + ib
  • Affixe du vecteur AB\vec{AB}zAB=zBzAz_{\vec{AB}} = z_B - z_A
  • Affixe du milieu II de [AB][AB]zI=zA+zB2z_I = \frac{z_A + z_B}{2}

Exemple travaillé · 14

Soient les points A,B,CA, B, C et DD d'affixes respectives zA=2iz_A = 2 - i, zB=3+2iz_B = 3 + 2i, zC=1+4iz_C = -1 + 4i et zD=2+iz_D = -2 + i. Montre que le quadrilatère ABCDABCD est un parallélogramme.

1

On calcule l'affixe du vecteur AB\vec{AB} : zAB=zBzAz_{\vec{AB}} = z_B - z_A.

zAB=(3+2i)(2i)=1+3iz_{\vec{AB}} = (3 + 2i) - (2 - i) = 1 + 3i
2

On calcule l'affixe du vecteur DC\vec{DC} : zDC=zCzDz_{\vec{DC}} = z_C - z_D.

zDC=(1+4i)(2+i)=1+3iz_{\vec{DC}} = (-1 + 4i) - (-2 + i) = 1 + 3i
3

On compare les deux affixes obtenues.

zAB=zDC    AB=DCz_{\vec{AB}} = z_{\vec{DC}} \implies \vec{AB} = \vec{DC}
4

L'égalité des vecteurs prouve que le quadrilatère ABCDABCD est un parallélogramme.

Exemple travaillé · 15

Soient les points A,BA, B et CC d'affixes respectives zA=2iz_A = -2i, zB=22+2iz_B = 2\sqrt{2} + 2i et zC=32+4iz_C = 3\sqrt{2} + 4i. Montre que les points A,BA, B et CC sont alignés.

1

On calcule l'affixe du vecteur AB\vec{AB} : zAB=zBzAz_{\vec{AB}} = z_B - z_A.

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

On calcule l'affixe du vecteur AC\vec{AC} : zAC=zCzAz_{\vec{AC}} = z_C - z_A.

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

On cherche un facteur réel de proportionnalité en factorisant les deux expressions.

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}}
4

On en déduit l'égalité vectorielle AC=1,5AB\vec{AC} = 1{,}5\vec{AB}. Les vecteurs sont colinéaires, donc les points A,BA, B et CC sont alignés.

Piège classique · 16

Pour calculer l'affixe du vecteur CD\vec{CD}, quelle formule applique-t-on ?

Attention

Calculer zCzDz_C - z_D en soustrayant dans l'ordre de lecture des lettres.

À la place : L'affixe d'un vecteur est toujours l'affixe de l'extrémité (point d'arrivée) moins celle de l'origine (point de départ) : zCD=zDzCz_{\vec{CD}} = z_D - z_C.

Vérification · 17

Soient A(1+i)A(1+i), B(3+i)B(3+i) et C(2+2i)C(2+2i). Détermine l'affixe zDz_D du point DD pour que ABCDABCD soit un parallélogramme.

Remarque

ABCDABCD est un parallélogramme si AB=DC    zBzA=zCzD\vec{AB} = \vec{DC} \iff z_B - z_A = z_C - z_D. On isole zD=zC(zBzA)=(2+2i)2=2iz_D = z_C - (z_B - z_A) = (2+2i) - 2 = 2i.

Définition · 18

Module d'un nombre complexe et distance

Soit z=a+ibz = a + ib (a,bRa, b \in \mathbb{R}) un nombre complexe d'image MM dans le plan muni du repère orthonormé direct (O,u,v)(O, \vec{u}, \vec{v}).

z=OM=a2+b2|z| = OM = \sqrt{a^2 + b^2}

Pour deux points A(zA)A(z_A) et B(zB)B(z_B), la distance géométrique ABAB est égale au module de la différence de leurs affixes :

AB=zBzAAB = |z_B - z_A|

Propriétés algébriques fondamentales pour tous nombres complexes zz et zz' :

Vocabulaire

  • Produitz×z=z×z|z \times z'| = |z| \times |z'|
  • Quotient (z0z' \neq 0)zz=zz\left|\frac{z}{z'}\right| = \frac{|z|}{|z'|}
  • Puissance (nNn \in \mathbb{N}^*)zn=zn|z^n| = |z|^n
  • Conjuguézˉ=z|\bar{z}| = |z|

Exemple travaillé · 19

Calcule le module du nombre complexe Z=(1i)(32i7)5iZ = \frac{(1 - i)(3\sqrt{2} - i\sqrt{7})}{-5i}.

1

On utilise les propriétés multiplicatives du module pour éviter de développer l'expression algébrique : Z=1i×32i75i|Z| = \frac{|1 - i| \times |3\sqrt{2} - i\sqrt{7}|}{|-5i|}.

2

On calcule séparément le module de chaque facteur :

3
1i=12+(1)2=2|1 - i| = \sqrt{1^2 + (-1)^2} = \sqrt{2}
4
32i7=(32)2+(7)2=18+7=25=5|3\sqrt{2} - i\sqrt{7}| = \sqrt{(3\sqrt{2})^2 + (-\sqrt{7})^2} = \sqrt{18 + 7} = \sqrt{25} = 5
5
5i=02+(5)2=5|-5i| = \sqrt{0^2 + (-5)^2} = 5
6

On combine les résultats obtenus :

Z=2×55=2|Z| = \frac{\sqrt{2} \times 5}{5} = \sqrt{2}

Exemple travaillé · 20

Dans le plan complexe, on donne les points A,BA, B et CC d'affixes zA=2+iz_A = 2+i, zB=4z_B = 4 et zC=3+3iz_C = 3+3i. Détermine la nature du triangle ABCABC.

1

On calcule les longueurs des trois côtés à l'aide des modules des différences d'affixes.

2

Pour le côté ABAB :

AB=zBzA=4(2+i)=2i=22+(1)2=5AB = |z_B - z_A| = |4 - (2 + i)| = |2 - i| = \sqrt{2^2 + (-1)^2} = \sqrt{5}
3

Pour le côté ACAC :

AC=zCzA=3+3i(2+i)=1+2i=12+22=5AC = |z_C - z_A| = |3 + 3i - (2 + i)| = |1 + 2i| = \sqrt{1^2 + 2^2} = \sqrt{5}
4

Pour le côté BCBC :

BC=zCzB=3+3i4=1+3i=(1)2+32=10BC = |z_C - z_B| = |3 + 3i - 4| = |-1 + 3i| = \sqrt{(-1)^2 + 3^2} = \sqrt{10}
5

Puisque AB=AC=5AB = AC = \sqrt{5}, le triangle ABCABC est isocèle en AA. De plus, AB2+AC2=5+5=10=BC2AB^2 + AC^2 = 5 + 5 = 10 = BC^2. D'après la réciproque du théorème de Pythagore, le triangle ABCABC est rectangle et isocèle en AA.

Piège classique · 21

Pour calculer le module de z=3iz = 3 - i, quel est le calcul correct ?

Attention

Écrire 3i=32+(i)2=91=8|3 - i| = \sqrt{3^2 + (-i)^2} = \sqrt{9 - 1} = \sqrt{8} en incluant ii sous la racine.

À la place : La partie imaginaire est le réel b=1b = -1. On a 3i=32+(1)2=9+1=10|3 - i| = \sqrt{3^2 + (-1)^2} = \sqrt{9 + 1} = \sqrt{10}.

Vérification · 22

Soient les points AA et BB d'affixes respectives zA=12iz_A = 1 - 2i et zB=4+2iz_B = 4 + 2i. Calcule la distance ABAB.

Remarque

On calcule l'affixe du vecteur AB\vec{AB} : zBzA=(4+2i)(12i)=3+4iz_B - z_A = (4 + 2i) - (1 - 2i) = 3 + 4i. La distance est son module : AB=32+42=9+16=25=5AB = \sqrt{3^2 + 4^2} = \sqrt{9 + 16} = \sqrt{25} = 5.

Définition · 23

Ensembles de points définis par des modules

Soient AA et BB deux points du plan complexe d'affixes respectives zAz_A et zBz_B, et RR un nombre réel strictement positif.

zzA=R    AM=R|z - z_A| = R \iff AM = R

L'ensemble des points M(z)M(z) vérifiant cette relation est le cercle de centre AA et de rayon RR.

zzA=zzB    AM=BM|z - z_A| = |z - z_B| \iff AM = BM

L'ensemble des points M(z)M(z) vérifiant cette relation est la médiatrice du segment [AB][AB].

Exemple travaillé · 24

Détermine la nature et les éléments caractéristiques de l'ensemble EE des points M(z)M(z) tels que iz+4=6|iz + 4| = 6.

1

On met le nombre ii en facteur dans le module pour isoler la variable zz.

i(z4i)=6|i(z - 4i)| = 6
2

On applique la propriété multiplicative du module z1z2=z1×z2|z_1 z_2| = |z_1| \times |z_2|.

i×z4i=6|i| \times |z - 4i| = 6
3

Puisque i=1|i| = 1, l'équation se simplifie immédiatement.

z4i=6|z - 4i| = 6
4

Soit AA le point d'affixe zA=4iz_A = 4i. L'égalité s'écrit AM=6AM = 6. L'ensemble EE est le cercle de centre A(4i)A(4i) et de rayon 66.

Exemple travaillé · 25

Détermine l'ensemble FF des points M(z)M(z) tels que zˉ+5i=z4i|\bar{z} + 5 - i| = |z - 4i|.

1

On utilise les propriétés du conjugué pour regrouper sous une seule barre dans le membre de gauche.

zˉ+5i=z+5+i|\bar{z} + 5 - i| = |\overline{z + 5 + i}|
2

Puisque Zˉ=Z|\bar{Z}| = |Z|, on élimine la barre de conjugaison sans modifier le module.

z+5+i=z4i|z + 5 + i| = |z - 4i|
3

On fait apparaître les différences de la forme zzC=zzD|z - z_C| = |z - z_D|.

z(5i)=z4i|z - (-5 - i)| = |z - 4i|
4

Soient C(5i)C(-5 - i) et D(4i)D(4i). L'équation équivaut à CM=DMCM = DM. L'ensemble FF est la médiatrice du segment [CD][CD].

Piège classique · 26

Quel est le centre du cercle défini par l'égalité z+3i=5|z + 3i| = 5 ?

Attention

Affirmer que le centre est le point d'affixe 3i3i en gardant le signe « + » de l'expression.

À la place : L'équation d'un cercle est de la forme zz0=R|z - z_0| = R. On écrit z(3i)=5|z - (-3i)| = 5, le centre est donc le point d'affixe 3i-3i.

Vérification · 27

Quelle est la nature de l'ensemble des points M(z)M(z) vérifiant z2+i=zi|z - 2 + i| = |z - i| ?

Remarque

En factorisant le signe moins, l'égalité s'écrit z(2i)=zi|z - (2 - i)| = |z - i|, soit AM=BMAM = BM avec A(2i)A(2 - i) et B(i)B(i). C'est la médiatrice du segment [AB][AB].

Rappel · 28

Pour θ=π6\theta = \frac{\pi}{6}, donne les valeurs exactes de cosθ\cos\theta et sinθ\sin\theta.

Remarque

Sur le cercle trigonométrique, pour l'angle remarquable π6\frac{\pi}{6}, l'abscisse est cosπ6=32\cos\frac{\pi}{6} = \frac{\sqrt{3}}{2} et l'ordonnée est sinπ6=12\sin\frac{\pi}{6} = \frac{1}{2}.

Définition · 29

Argument et forme trigonométrique

Soit z=a+ibz = a + ib (a,bRa, b \in \mathbb{R}) un nombre complexe non nul d'image MM dans le plan muni du repère orthonormé direct (O,u,v)(O, \vec{u}, \vec{v}).

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

Le réel r=z>0r = |z| > 0 et l'angle θarg(z)(mod2π)\theta \equiv \arg(z) \pmod{2\pi} définissent la forme trigonométrique de zz :

z=r(cosθ+isinθ)z = r(\cos\theta + i\sin\theta)

Les formules de passage s'obtiennent par identification :

cosθ=azetsinθ=bz\cos\theta = \frac{a}{|z|} \quad \text{et} \quad \sin\theta = \frac{b}{|z|}

Exemple travaillé · 30

Écris le nombre complexe z1=2+i6z_1 = -\sqrt{2} + i\sqrt{6} sous forme trigonométrique.

1

On calcule d'abord le module z1|z_1| :

z1=(2)2+(6)2=2+6=8=22|z_1| = \sqrt{(-\sqrt{2})^2 + (\sqrt{6})^2} = \sqrt{2 + 6} = \sqrt{8} = 2\sqrt{2}
2

On factorise z1z_1 par son module 222\sqrt{2} pour faire apparaître le cosinus et le sinus de l'argument θ\theta :

z1=22(222+i622)=22(12+i32)z_1 = 2\sqrt{2}\left(-\frac{\sqrt{2}}{2\sqrt{2}} + i\frac{\sqrt{6}}{2\sqrt{2}}\right) = 2\sqrt{2}\left(-\frac{1}{2} + i\frac{\sqrt{3}}{2}\right)
3

On identifie l'angle θ\theta : on a cosθ=12\cos\theta = -\frac{1}{2} et sinθ=32\sin\theta = \frac{\sqrt{3}}{2}. Le point est situé dans le deuxième quadrant, d'où θππ3=2π3(mod2π)\theta \equiv \pi - \frac{\pi}{3} = \frac{2\pi}{3} \pmod{2\pi}.

4

On conclut avec la forme trigonométrique canonique :

z1=22(cos2π3+isin2π3)z_1 = 2\sqrt{2}\left(\cos\frac{2\pi}{3} + i\sin\frac{2\pi}{3}\right)

Exemple travaillé · 31

Donne la forme trigonométrique et un argument pour zA=7z_A = -7 et zB=5iz_B = 5i.

1

Pour zA=7z_A = -7 : son module est 7=7|-7| = 7. Le point image est situé sur le demi-axe des réels négatifs, donc son argument est π\pi.

zA=7(cosπ+isinπ)avecarg(zA)π(mod2π)z_A = 7(\cos\pi + i\sin\pi) \quad \text{avec} \quad \arg(z_A) \equiv \pi \pmod{2\pi}
2

Pour zB=5iz_B = 5i : son module est 5i=5|5i| = 5. Le point image est situé sur le demi-axe des imaginaires positifs, donc son argument est π2\frac{\pi}{2}.

zB=5(cosπ2+isinπ2)avecarg(zB)π2(mod2π)z_B = 5\left(\cos\frac{\pi}{2} + i\sin\frac{\pi}{2}\right) \quad \text{avec} \quad \arg(z_B) \equiv \frac{\pi}{2} \pmod{2\pi}

Piège classique · 32

Quelle est la forme trigonométrique canonique de Z=3(cosπ4+isinπ4)Z = -3\left(\cos\frac{\pi}{4} + i\sin\frac{\pi}{4}\right) ?

Attention

Penser que l'argument est π4\frac{\pi}{4} en conservant le module négatif 3-3.

À la place : Le module doit être strictement positif. On absorbe le signe moins en ajoutant π\pi à l'angle : cosθ=cos(θ+π)-\cos\theta = \cos(\theta+\pi) et sinθ=sin(θ+π)-\sin\theta = \sin(\theta+\pi), d'où Z=3(cos5π4+isin5π4)Z = 3\left(\cos\frac{5\pi}{4} + i\sin\frac{5\pi}{4}\right).

Vérification · 33

Soit z=3iz = \sqrt{3} - i. Quel est un argument de zz ?

Remarque

On calcule z=3+1=2|z| = \sqrt{3+1} = 2. Alors z=2(3212i)=2(cos(π6)+isin(π6))z = 2\left(\frac{\sqrt{3}}{2} - \frac{1}{2}i\right) = 2\left(\cos\left(-\frac{\pi}{6}\right) + i\sin\left(-\frac{\pi}{6}\right)\right). Un argument est donc π6(mod2π)-\frac{\pi}{6} \pmod{2\pi}.

Définition · 34

Propriétés opératoires de l'argument et formule de Moivre

Pour tous nombres complexes non nuls zz et zz', et pour tout entier nZn \in \mathbb{Z} :

Vocabulaire

  • Produitarg(zz)arg(z)+arg(z)(mod2π)\arg(zz') \equiv \arg(z) + \arg(z') \pmod{2\pi}
  • Quotientarg(zz)arg(z)arg(z)(mod2π)\arg\left(\frac{z}{z'}\right) \equiv \arg(z) - \arg(z') \pmod{2\pi}
  • Inversearg(1z)arg(z)(mod2π)\arg\left(\frac{1}{z}\right) \equiv -\arg(z) \pmod{2\pi}
  • Puissancearg(zn)narg(z)(mod2π)\arg(z^n) \equiv n\arg(z) \pmod{2\pi}

(cosθ+isinθ)n=cos(nθ)+isin(nθ)(nZ)(\cos\theta + i\sin\theta)^n = \cos(n\theta) + i\sin(n\theta) \quad (n \in \mathbb{Z})

Pour quatre points A,B,C,DA, B, C, D du plan tels que ABA \neq B et CDC \neq D, l'angle orienté de vecteurs s'exprime par :

(AB,CD)arg(zDzCzBzA)(mod2π)(\vec{AB}, \vec{CD}) \equiv \arg\left(\frac{z_D - z_C}{z_B - z_A}\right) \pmod{2\pi}

Exemple travaillé · 35

Détermine la forme algébrique du nombre complexe Z=(1i3)9Z = (1 - i\sqrt{3})^9.

1

On écrit d'abord le complexe de base z0=1i3z_0 = 1 - i\sqrt{3} sous forme trigonométrique.

2

Son module est z0=12+(3)2=4=2|z_0| = \sqrt{1^2 + (-\sqrt{3})^2} = \sqrt{4} = 2. On factorise par 22 :

z0=2(12i32)=2(cos(π3)+isin(π3))z_0 = 2\left(\frac{1}{2} - i\frac{\sqrt{3}}{2}\right) = 2\left(\cos\left(-\frac{\pi}{3}\right) + i\sin\left(-\frac{\pi}{3}\right)\right)
3

On applique la formule de Moivre pour élever z0z_0 à la puissance 9 :

Z=29(cos(9×(π3))+isin(9×(π3)))=512(cos(3π)+isin(3π))Z = 2^9 \left(\cos\left(9 \times \left(-\frac{\pi}{3}\right)\right) + i\sin\left(9 \times \left(-\frac{\pi}{3}\right)\right)\right) = 512(\cos(-3\pi) + i\sin(-3\pi))
4

On réduit l'angle modulo 2π2\pi : 3ππ(mod2π)-3\pi \equiv \pi \pmod{2\pi}. Sachant que cosπ=1\cos\pi = -1 et sinπ=0\sin\pi = 0 :

Z=512(1+0i)=512Z = 512(-1 + 0i) = -512

Exemple travaillé · 36

Soient z1=6i2z_1 = \sqrt{6} - i\sqrt{2} et z2=2(1i)z_2 = 2(1 - i). En évaluant le quotient u=z1z2u = \frac{z_1}{z_2} sous forme trigonométrique puis algébrique, déduis la valeur exacte de cosπ12\cos\frac{\pi}{12}.

1

Forme trigonométrique de z1z_1 : z1=6+2=22|z_1| = \sqrt{6+2} = 2\sqrt{2} et z1=22(cos(π6)+isin(π6))z_1 = 2\sqrt{2}\left(\cos\left(-\frac{\pi}{6}\right) + i\sin\left(-\frac{\pi}{6}\right)\right).

2

Forme trigonométrique de z2z_2 : z2=22|z_2| = 2\sqrt{2} et z2=22(cos(π4)+isin(π4))z_2 = 2\sqrt{2}\left(\cos\left(-\frac{\pi}{4}\right) + i\sin\left(-\frac{\pi}{4}\right)\right).

3

Forme trigonométrique de u=z1z2u = \frac{z_1}{z_2} : son module vaut 2222=1\frac{2\sqrt{2}}{2\sqrt{2}} = 1 et son argument est π6(π4)=π12-\frac{\pi}{6} - \left(-\frac{\pi}{4}\right) = \frac{\pi}{12} :

u=cosπ12+isinπ12u = \cos\frac{\pi}{12} + i\sin\frac{\pi}{12}
4

Forme algébrique de uu en multipliant par le conjugué (1+i)(1+i) :

u=(6i2)(1+i)2(12+12)=6+2+i(62)4u = \frac{(\sqrt{6} - i\sqrt{2})(1 + i)}{2(1^2 + 1^2)} = \frac{\sqrt{6} + \sqrt{2} + i(\sqrt{6} - \sqrt{2})}{4}
5

Par identification de la partie réelle Re(u)\text{Re}(u) :

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

Piège classique · 37

Soit zz un nombre complexe non nul tel que arg(z)π3(mod2π)\arg(z) \equiv \frac{\pi}{3} \pmod{2\pi}. Quel est un argument du nombre complexe 3z-3z ?

Attention

Penser que arg(3z)=3arg(z)=π\arg(-3z) = -3\arg(z) = -\pi ou π3-\frac{\pi}{3} par une fausse règle de linéarité.

À la place : Le facteur 3-3 est un réel strictement négatif, donc arg(3)π(mod2π)\arg(-3) \equiv \pi \pmod{2\pi}. Par la propriété du produit : arg(3z)arg(3)+arg(z)π+π3=4π3(mod2π)\arg(-3z) \equiv \arg(-3) + \arg(z) \equiv \pi + \frac{\pi}{3} = \frac{4\pi}{3} \pmod{2\pi}.

Vérification · 38

On pose Z=1+i31+iZ = \frac{1 + i\sqrt{3}}{1 + i}. Quel est le couple (Z,arg(Z))(|Z|, \arg(Z)) ?

Remarque

Pour le numérateur, 1+i3=2|1+i\sqrt{3}| = 2 et arg(1+i3)π3\arg(1+i\sqrt{3}) \equiv \frac{\pi}{3}. Pour le dénominateur, 1+i=2|1+i| = \sqrt{2} et arg(1+i)π4\arg(1+i) \equiv \frac{\pi}{4}. On en déduit Z=22=2|Z| = \frac{2}{\sqrt{2}} = \sqrt{2} et arg(Z)π3π4=π12(mod2π)\arg(Z) \equiv \frac{\pi}{3} - \frac{\pi}{4} = \frac{\pi}{12} \pmod{2\pi}.

Définition · 39

Équations du type z2=αz^2 = \alpha

Pour tout nombre réel α\alpha, l'équation z2=αz^2 = \alpha admet des solutions dans C\mathbb{C}.

Si α>0,z2=α    z=αouz=α\text{Si } \alpha > 0, \quad z^2 = \alpha \iff z = \sqrt{\alpha} \quad \text{ou} \quad z = -\sqrt{\alpha}
Si α<0,z2=α    z=iαouz=iα\text{Si } \alpha < 0, \quad z^2 = \alpha \iff z = i\sqrt{-\alpha} \quad \text{ou} \quad z = -i\sqrt{-\alpha}

Tout nombre réel strictement négatif α\alpha admet deux racines carrées complexes conjuguées et imaginaires pures : iαi\sqrt{-\alpha} et iα-i\sqrt{-\alpha}.

Exemple travaillé · 40

Résous dans C\mathbb{C} l'équation : z22z+4=0z^2 - 2z + 4 = 0.

1

On met le trinôme sous forme canonique :

z22z+4=(z1)21+4=(z1)2+3z^2 - 2z + 4 = (z - 1)^2 - 1 + 4 = (z - 1)^2 + 3
2

L'équation (z1)2+3=0(z - 1)^2 + 3 = 0 se réécrit avec un second membre réel négatif :

(z1)2=3(z - 1)^2 = -3
3

D'après la propriété des racines carrées d'un réel négatif, les solutions pour z1z - 1 sont i3i\sqrt{3} et i3-i\sqrt{3} :

z1=i3ouz1=i3z - 1 = i\sqrt{3} \quad \text{ou} \quad z - 1 = -i\sqrt{3}
4

On isole zz pour obtenir les deux solutions complexes conjuguées :

z1=1+i3etz2=1i3z_1 = 1 + i\sqrt{3} \quad \text{et} \quad z_2 = 1 - i\sqrt{3}

Piège classique · 41

Dans C\mathbb{C}, quel est l'ensemble des solutions de l'équation z2=9z^2 = -9 ?

Attention

Affirmer que l'équation n'a pas de solution car un carré ne peut pas être négatif, en appliquant le réflexe des nombres réels.

À la place : Dans C\mathbb{C}, le nombre 9-9 s'écrit (3i)2=9i2=9(3i)^2 = 9i^2 = -9. L'équation admet exactement deux solutions imaginaires pures opposées : 3i3i et 3i-3i.

Vérification · 42

Résous dans C\mathbb{C} l'équation (z2)2=16(z - 2)^2 = -16. Complète les deux solutions sous forme algébrique :

Remarque

(z2)2=16(z - 2)^2 = -16 donne z2=4iz - 2 = 4i ou z2=4iz - 2 = -4i. On en déduit z=2+4iz = 2 + 4i ou z=24iz = 2 - 4i.

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