Dans l'ensemble des réels R, l'équation x2=−1 admet-elle des solutions ?
Remarque
Dans R, un carré est toujours positif ou nul (x2≥0). Pour résoudre cette équation, on introduit un nouvel ensemble noté C contenant un nombre imaginaire i tel que i2=−1.
Définition · 2
L'ensemble C et la forme algébrique
Il existe un ensemble de nombres, noté C, qui contient l'ensemble des réels R et qui possède un élément noté i vérifiant i2=−1.
z=a+ib(a∈R,b∈R)
Cette écriture unique est appelée la forme algébrique (ou cartésienne) de z.
Vocabulaire
Partie réelle de z — Re(z)=a
Partie imaginaire de z — Im(z)=b
Si a=0, le nombre z=ib est dit imaginaire pur. Si b=0, z=a est un nombre réel.
Exemple travaillé · 3
On donne les nombres complexes z1=2+3i et z2=1−2i. Écris le produit z1×z2 sous forme algébrique.
1
On développe le produit par distributivité classique.
z1×z2=(2+3i)(1−2i)=2−4i+3i−6i2
2
On utilise la propriété fondamentale i2=−1.
−6i2=−6(−1)=+6
3
On regroupe la partie réelle et la partie imaginaire.
z1×z2=(2+6)+(−4+3)i=8−i
Exemple travaillé · 4
Détermine les réels x et y vérifiant l'égalité : (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
{2x−y=5x+y=4
3
On résout le système : en additionnant membre à membre les deux équations, on élimine y.
(2x−y)+(x+y)=5+4⟹3x=9⟹x=3
4
On remplace x=3 dans la deuxième équation pour obtenir y.
3+y=4⟹y=1
Piège classique · 5
Quelle est la partie imaginaire du nombre complexe z=5−7i ?
Attention
Répondre que Im(z)=−7i en incluant la lettre i.
À la place : La partie imaginaire est le coefficient réel situé devant i. Pour z=5−7i, on a Im(z)=−7 (un nombre réel, sans le i).
Vérification · 6
Complète les écritures simplifiées des puissances successives de i :
Remarque
Les puissances de i sont cycliques de période 4 : i1=i, i2=−1, i3=i2×i=−i et i4=(i2)2=(−1)2=1.
Définition · 7
Conjugué d'un nombre complexe
Soit z=a+ib un nombre complexe où a et b sont deux réels.
zˉ=a−ib
Le produit d'un nombre complexe par son conjugué est un nombre réel positif ou nul :
zzˉ=(a+ib)(a−ib)=a2+b2
Caractérisation des nombres réels et des imaginaires purs :
z∈R⟺zˉ=z
z∈iR⟺zˉ=−z
Exemple travaillé · 8
Mets sous forme algébrique le nombre complexe Z=1−2i1+2i.
1
On multiplie le numérateur et le dénominateur par le conjugué du dénominateur, qui est 1+2i.
Z=(1−2i)(1+2i)(1+2i)(1+2i)
2
Au dénominateur, on applique zzˉ=a2+b2 avec a=1 et b=−2.
(1−2i)(1+2i)=12+22=5
3
Au numérateur, on développe le carré (1+2i)2.
(1+2i)2=1+4i+(2i)2=1+4i−4=−3+4i
4
On sépare la partie réelle et la partie imaginaire.
Z=5−3+4i=−53+54i
Exemple travaillé · 9
On pose α=7+12i3−i et β=7−12i3+i. Montre sans calcul lourd que α+β est un nombre réel.
1
On calcule le conjugué de α en utilisant la propriété du quotient (z2z1)=z2ˉz1ˉ.
αˉ=7+12i3−i=7−12i3+i=β
2
On réécrit la somme α+β en remplaçant β par αˉ.
α+β=α+αˉ
3
Or, pour tout nombre complexe, la somme avec son conjugué donne deux fois sa partie réelle.
α+αˉ=2Re(α)∈R
Piège classique · 10
Pour montrer que U=2−3i5+i−2+3i5−i 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=z−zˉ. Comme z−zˉ=2iIm(z), U est directement un imaginaire pur sans calcul intermédiaire.
Vérification · 11
Quel est le conjugué du nombre complexe Z=8+5i2−3i ?
Remarque
On applique la propriété (z2z1)=z2ˉz1ˉ en conjuguant séparément le numérateur et le dénominateur : 2−3i=2+3i et 8+5i=8−5i.
Rappel · 12
Dans le plan muni d'un repère orthonormé, si A(xA,yA) et B(xB,yB), quelles sont les coordonnées du vecteur AB et du milieu I de [AB] ?
Remarque
Pour un vecteur AB, on soustrait les coordonnées de l'origine à celles de l'extrémité : (xB−xA,yB−yA). Pour le milieu I, on prend la demi-somme : (2xA+xB,2yA+yB).
Définition · 13
Affixe d'un point et d'un vecteur
Le plan est muni d'un repère orthonormé direct (O,u,v). À tout point M(a,b), on associe de manière unique le nombre complexe z=a+ib.
Vocabulaire
Affixe du point M(a,b) — zM=a+ib
Affixe du vecteur AB — zAB=zB−zA
Affixe du milieu I de [AB] — zI=2zA+zB
Exemple travaillé · 14
Soient les points A,B,C et D d'affixes respectives zA=2−i, zB=3+2i, zC=−1+4i et zD=−2+i. Montre que le quadrilatère ABCD est un parallélogramme.
1
On calcule l'affixe du vecteur AB : zAB=zB−zA.
zAB=(3+2i)−(2−i)=1+3i
2
On calcule l'affixe du vecteur DC : zDC=zC−zD.
zDC=(−1+4i)−(−2+i)=1+3i
3
On compare les deux affixes obtenues.
zAB=zDC⟹AB=DC
4
L'égalité des vecteurs prouve que le quadrilatère ABCD est un parallélogramme.
Exemple travaillé · 15
Soient les points A,B et C d'affixes respectives zA=−2i, zB=22+2i et zC=32+4i. Montre que les points A,B et C sont alignés.
1
On calcule l'affixe du vecteur AB : zAB=zB−zA.
zAB=(22+2i)−(−2i)=22+4i
2
On calcule l'affixe du vecteur AC : zAC=zC−zA.
zAC=(32+4i)−(−2i)=32+6i
3
On cherche un facteur réel de proportionnalité en factorisant les deux expressions.
zAC=3(2+2i)=1,5×2(2+2i)=1,5zAB
4
On en déduit l'égalité vectorielle AC=1,5AB. Les vecteurs sont colinéaires, donc les points A,B et C sont alignés.
Piège classique · 16
Pour calculer l'affixe du vecteur CD, quelle formule applique-t-on ?
Attention
Calculer zC−zD 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=zD−zC.
Vérification · 17
Soient A(1+i), B(3+i) et C(2+2i). Détermine l'affixe zD du point D pour que ABCD soit un parallélogramme.
Remarque
ABCD est un parallélogramme si AB=DC⟺zB−zA=zC−zD. On isole zD=zC−(zB−zA)=(2+2i)−2=2i.
Définition · 18
Module d'un nombre complexe et distance
Soit z=a+ib (a,b∈R) un nombre complexe d'image M dans le plan muni du repère orthonormé direct (O,u,v).
∣z∣=OM=a2+b2
Pour deux points A(zA) et B(zB), la distance géométrique AB est égale au module de la différence de leurs affixes :
AB=∣zB−zA∣
Propriétés algébriques fondamentales pour tous nombres complexes z et z′ :
Vocabulaire
Produit — ∣z×z′∣=∣z∣×∣z′∣
Quotient (z′=0) — z′z=∣z′∣∣z∣
Puissance (n∈N∗) — ∣zn∣=∣z∣n
Conjugué — ∣zˉ∣=∣z∣
Exemple travaillé · 19
Calcule le module du nombre complexe Z=−5i(1−i)(32−i7).
1
On utilise les propriétés multiplicatives du module pour éviter de développer l'expression algébrique : ∣Z∣=∣−5i∣∣1−i∣×∣32−i7∣.
2
On calcule séparément le module de chaque facteur :
3
∣1−i∣=12+(−1)2=2
4
∣32−i7∣=(32)2+(−7)2=18+7=25=5
5
∣−5i∣=02+(−5)2=5
6
On combine les résultats obtenus :
∣Z∣=52×5=2
Exemple travaillé · 20
Dans le plan complexe, on donne les points A,B et C d'affixes zA=2+i, zB=4 et zC=3+3i. Détermine la nature du triangle ABC.
1
On calcule les longueurs des trois côtés à l'aide des modules des différences d'affixes.
2
Pour le côté AB :
AB=∣zB−zA∣=∣4−(2+i)∣=∣2−i∣=22+(−1)2=5
3
Pour le côté AC :
AC=∣zC−zA∣=∣3+3i−(2+i)∣=∣1+2i∣=12+22=5
4
Pour le côté BC :
BC=∣zC−zB∣=∣3+3i−4∣=∣−1+3i∣=(−1)2+32=10
5
Puisque AB=AC=5, le triangle ABC est isocèle en A. De plus, AB2+AC2=5+5=10=BC2. D'après la réciproque du théorème de Pythagore, le triangle ABC est rectangle et isocèle en A.
Piège classique · 21
Pour calculer le module de z=3−i, quel est le calcul correct ?
Attention
Écrire ∣3−i∣=32+(−i)2=9−1=8 en incluant i sous la racine.
À la place : La partie imaginaire est le réel b=−1. On a ∣3−i∣=32+(−1)2=9+1=10.
Vérification · 22
Soient les points A et B d'affixes respectives zA=1−2i et zB=4+2i. Calcule la distance AB.
Remarque
On calcule l'affixe du vecteur AB : zB−zA=(4+2i)−(1−2i)=3+4i. La distance est son module : AB=32+42=9+16=25=5.
Définition · 23
Ensembles de points définis par des modules
Soient A et B deux points du plan complexe d'affixes respectives zA et zB, et R un nombre réel strictement positif.
∣z−zA∣=R⟺AM=R
L'ensemble des points M(z) vérifiant cette relation est le cercle de centre A et de rayon R.
∣z−zA∣=∣z−zB∣⟺AM=BM
L'ensemble des points M(z) vérifiant cette relation est la médiatrice du segment [AB].
Exemple travaillé · 24
Détermine la nature et les éléments caractéristiques de l'ensemble E des points M(z) tels que ∣iz+4∣=6.
1
On met le nombre i en facteur dans le module pour isoler la variable z.
∣i(z−4i)∣=6
2
On applique la propriété multiplicative du module ∣z1z2∣=∣z1∣×∣z2∣.
∣i∣×∣z−4i∣=6
3
Puisque ∣i∣=1, l'équation se simplifie immédiatement.
∣z−4i∣=6
4
Soit A le point d'affixe zA=4i. L'égalité s'écrit AM=6. L'ensemble E est le cercle de centre A(4i) et de rayon 6.
Exemple travaillé · 25
Détermine l'ensemble F des points M(z) tels que ∣zˉ+5−i∣=∣z−4i∣.
1
On utilise les propriétés du conjugué pour regrouper sous une seule barre dans le membre de gauche.
∣zˉ+5−i∣=∣z+5+i∣
2
Puisque ∣Zˉ∣=∣Z∣, on élimine la barre de conjugaison sans modifier le module.
∣z+5+i∣=∣z−4i∣
3
On fait apparaître les différences de la forme ∣z−zC∣=∣z−zD∣.
∣z−(−5−i)∣=∣z−4i∣
4
Soient C(−5−i) et D(4i). L'équation équivaut à CM=DM. L'ensemble F est la médiatrice du segment [CD].
Piège classique · 26
Quel est le centre du cercle défini par l'égalité ∣z+3i∣=5 ?
Attention
Affirmer que le centre est le point d'affixe 3i en gardant le signe « + » de l'expression.
À la place : L'équation d'un cercle est de la forme ∣z−z0∣=R. On écrit ∣z−(−3i)∣=5, le centre est donc le point d'affixe −3i.
Vérification · 27
Quelle est la nature de l'ensemble des points M(z) vérifiant ∣z−2+i∣=∣z−i∣ ?
Remarque
En factorisant le signe moins, l'égalité s'écrit ∣z−(2−i)∣=∣z−i∣, soit AM=BM avec A(2−i) et B(i). C'est la médiatrice du segment [AB].
Rappel · 28
Pour θ=6π, donne les valeurs exactes de cosθ et sinθ.
Remarque
Sur le cercle trigonométrique, pour l'angle remarquable 6π, l'abscisse est cos6π=23 et l'ordonnée est sin6π=21.
Définition · 29
Argument et forme trigonométrique
Soit z=a+ib (a,b∈R) un nombre complexe non nul d'image M dans le plan muni du repère orthonormé direct (O,u,v).
arg(z)≡(u,OM)(mod2π)
Le réel r=∣z∣>0 et l'angle θ≡arg(z)(mod2π) définissent la forme trigonométrique de z :
z=r(cosθ+isinθ)
Les formules de passage s'obtiennent par identification :
cosθ=∣z∣aetsinθ=∣z∣b
Exemple travaillé · 30
Écris le nombre complexe z1=−2+i6 sous forme trigonométrique.
1
On calcule d'abord le module ∣z1∣ :
∣z1∣=(−2)2+(6)2=2+6=8=22
2
On factorise z1 par son module 22 pour faire apparaître le cosinus et le sinus de l'argument θ :
z1=22(−222+i226)=22(−21+i23)
3
On identifie l'angle θ : on a cosθ=−21 et sinθ=23. Le point est situé dans le deuxième quadrant, d'où θ≡π−3π=32π(mod2π).
4
On conclut avec la forme trigonométrique canonique :
z1=22(cos32π+isin32π)
Exemple travaillé · 31
Donne la forme trigonométrique et un argument pour zA=−7 et zB=5i.
1
Pour zA=−7 : son module est ∣−7∣=7. Le point image est situé sur le demi-axe des réels négatifs, donc son argument est π.
zA=7(cosπ+isinπ)avecarg(zA)≡π(mod2π)
2
Pour zB=5i : son module est ∣5i∣=5. Le point image est situé sur le demi-axe des imaginaires positifs, donc son argument est 2π.
zB=5(cos2π+isin2π)avecarg(zB)≡2π(mod2π)
Piège classique · 32
Quelle est la forme trigonométrique canonique de Z=−3(cos4π+isin4π) ?
Attention
Penser que l'argument est 4π en conservant le module négatif −3.
À la place : Le module doit être strictement positif. On absorbe le signe moins en ajoutant π à l'angle : −cosθ=cos(θ+π) et −sinθ=sin(θ+π), d'où Z=3(cos45π+isin45π).
Vérification · 33
Soit z=3−i. Quel est un argument de z ?
Remarque
On calcule ∣z∣=3+1=2. Alors z=2(23−21i)=2(cos(−6π)+isin(−6π)). Un argument est donc −6π(mod2π).
Définition · 34
Propriétés opératoires de l'argument et formule de Moivre
Pour tous nombres complexes non nuls z et z′, et pour tout entier n∈Z :
Vocabulaire
Produit — arg(zz′)≡arg(z)+arg(z′)(mod2π)
Quotient — arg(z′z)≡arg(z)−arg(z′)(mod2π)
Inverse — arg(z1)≡−arg(z)(mod2π)
Puissance — arg(zn)≡narg(z)(mod2π)
(cosθ+isinθ)n=cos(nθ)+isin(nθ)(n∈Z)
Pour quatre points A,B,C,D du plan tels que A=B et C=D, l'angle orienté de vecteurs s'exprime par :
(AB,CD)≡arg(zB−zAzD−zC)(mod2π)
Exemple travaillé · 35
Détermine la forme algébrique du nombre complexe Z=(1−i3)9.
1
On écrit d'abord le complexe de base z0=1−i3 sous forme trigonométrique.
2
Son module est ∣z0∣=12+(−3)2=4=2. On factorise par 2 :
z0=2(21−i23)=2(cos(−3π)+isin(−3π))
3
On applique la formule de Moivre pour élever z0 à la puissance 9 :
On réduit l'angle modulo 2π : −3π≡π(mod2π). Sachant que cosπ=−1 et sinπ=0 :
Z=512(−1+0i)=−512
Exemple travaillé · 36
Soient z1=6−i2 et z2=2(1−i). En évaluant le quotient u=z2z1 sous forme trigonométrique puis algébrique, déduis la valeur exacte de cos12π.
1
Forme trigonométrique de z1 : ∣z1∣=6+2=22 et z1=22(cos(−6π)+isin(−6π)).
2
Forme trigonométrique de z2 : ∣z2∣=22 et z2=22(cos(−4π)+isin(−4π)).
3
Forme trigonométrique de u=z2z1 : son module vaut 2222=1 et son argument est −6π−(−4π)=12π :
u=cos12π+isin12π
4
Forme algébrique de u en multipliant par le conjugué (1+i) :
u=2(12+12)(6−i2)(1+i)=46+2+i(6−2)
5
Par identification de la partie réelle Re(u) :
cos12π=46+2
Piège classique · 37
Soit z un nombre complexe non nul tel que arg(z)≡3π(mod2π). Quel est un argument du nombre complexe −3z ?
Attention
Penser que arg(−3z)=−3arg(z)=−π ou −3π par une fausse règle de linéarité.
À la place : Le facteur −3 est un réel strictement négatif, donc arg(−3)≡π(mod2π). Par la propriété du produit : arg(−3z)≡arg(−3)+arg(z)≡π+3π=34π(mod2π).
Vérification · 38
On pose Z=1+i1+i3. Quel est le couple (∣Z∣,arg(Z)) ?
Remarque
Pour le numérateur, ∣1+i3∣=2 et arg(1+i3)≡3π. Pour le dénominateur, ∣1+i∣=2 et arg(1+i)≡4π. On en déduit ∣Z∣=22=2 et arg(Z)≡3π−4π=12π(mod2π).
Définition · 39
Équations du type z2=α
Pour tout nombre réel α, l'équation z2=α admet des solutions dans C.
Si α>0,z2=α⟺z=αouz=−α
Si α<0,z2=α⟺z=i−αouz=−i−α
Tout nombre réel strictement négatif α admet deux racines carrées complexes conjuguées et imaginaires pures : i−α et −i−α.
Exemple travaillé · 40
Résous dans C l'équation : z2−2z+4=0.
1
On met le trinôme sous forme canonique :
z2−2z+4=(z−1)2−1+4=(z−1)2+3
2
L'équation (z−1)2+3=0 se réécrit avec un second membre réel négatif :
(z−1)2=−3
3
D'après la propriété des racines carrées d'un réel négatif, les solutions pour z−1 sont i3 et −i3 :
z−1=i3ouz−1=−i3
4
On isole z pour obtenir les deux solutions complexes conjuguées :
z1=1+i3etz2=1−i3
Piège classique · 41
Dans C, quel est l'ensemble des solutions de l'équation z2=−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, le nombre −9 s'écrit (3i)2=9i2=−9. L'équation admet exactement deux solutions imaginaires pures opposées : 3i et −3i.
Vérification · 42
Résous dans C l'équation (z−2)2=−16. Complète les deux solutions sous forme algébrique :
Remarque
(z−2)2=−16 donne z−2=4i ou z−2=−4i. On en déduit z=2+4i ou z=2−4i.