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Nombres complexes — cours

4ème année (Bac) · section Informatique · mathématiques, programme officiel tunisien.

Le cours

Point de départ · 1

Dans l'ensemble des réels R\mathbb{R}, combien de solutions possède l'équation x2+1=0x^2 + 1 = 0 ?

Remarque

Pour tout réel xx, x2≥0x^2 \geq 0, donc x2+1≥1>0x^2 + 1 \geq 1 > 0 : un carré réel n'est jamais égal à −1-1. Pour surmonter cette impossibilité, les mathématiciens ont créé un nouvel ensemble contenant un nombre non réel, noté ii, dont le carré vaut −1-1.

Définition · 2

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

Il existe un ensemble contenant R\mathbb{R}, noté C\mathbb{C} et appelé ensemble des nombres complexes.

L'ensemble C\mathbb{C} contient un élément non réel noté ii tel que :

i2=−1i^2 = -1

Tout élément zz de C\mathbb{C} s'écrit de façon unique sous la forme :

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

Cette écriture unique s'appelle la forme algébrique (ou cartésienne) de zz.

Vocabulaire

  • Partie réelle de zz — Re(z)=a\text{Re}(z) = a
  • Partie imaginaire de zz — Im(z)=b\text{Im}(z) = b
  • Imaginaire pur — a=0  ⟺  z=ib(b∈R)a = 0 \iff z = ib \quad (b \in \mathbb{R})

Piège classique · 3

Quelle est la partie imaginaire du nombre complexe z=3−5iz = 3 - 5i ?

Attention

Répondre que Im(z)=−5i\text{Im}(z) = -5i, en incluant l'unité imaginaire ii.

À la place : La partie imaginaire est le réel −5-5, et non −5i-5i. La partie imaginaire d'un nombre complexe est toujours un nombre réel.

Exemple travaillé · 4

On donne z=2−3iz = 2 - 3i et z′=1+iz' = 1 + i. Écris le produit z×z′z \times z' sous forme algébrique, puis détermine Re(z×z′)\text{Re}(z \times z') et Im(z×z′)\text{Im}(z \times z').

1

On développe le produit par double distributivité, comme dans R\mathbb{R}.

2
z×z′=(2−3i)(1+i)=2×1+2×i−3i×1−3i×iz \times z' = (2 - 3i)(1 + i) = 2 \times 1 + 2 \times i - 3i \times 1 - 3i \times i
3
z×z′=2+2i−3i−3i2=2−i−3i2z \times z' = 2 + 2i - 3i - 3i^2 = 2 - i - 3i^2
4

On remplace i2i^2 par −1-1 pour réduire les termes réels.

5
−3i2=−3(−1)=3-3i^2 = -3(-1) = 3
6
z×z′=2−i+3=5−iz \times z' = 2 - i + 3 = 5 - i
7

On identifie la partie réelle et la partie imaginaire.

8
Re(z×z′)=5etIm(z×z′)=−1\text{Re}(z \times z') = 5 \quad \text{et} \quad \text{Im}(z \times z') = -1

Exemple travaillé · 5

Développe (1+i)2(1 + i)^2 sous forme algébrique, puis déduis-en la forme algébrique 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 avec a=1a = 1 et b=ib = i.

2
(1+i)2=12+2×1×i+i2=1+2i+i2(1 + i)^2 = 1^2 + 2 \times 1 \times i + i^2 = 1 + 2i + i^2
3

On remplace i2i^2 par −1-1.

4
(1+i)2=1+2i−1=2i(1 + i)^2 = 1 + 2i - 1 = 2i
5

Pour calculer (1+i)4(1 + i)^4, on utilise la règle des puissances : (1+i)4=((1+i)2)2(1 + i)^4 = \left((1 + i)^2\right)^2.

6
(1+i)4=(2i)2=22×i2=4×(−1)=−4(1 + i)^4 = (2i)^2 = 2^2 \times i^2 = 4 \times (-1) = -4
7

Sous forme algébrique, le résultat s'écrit avec une partie imaginaire nulle.

8
(1+i)4=−4(1 + i)^4 = -4

Vérification · 6

On pose z=(3+2i)−(1−4i)z = (3 + 2i) - (1 - 4i). Détermine la partie réelle et la partie imaginaire de zz.

Remarque

On soustrait séparément les parties réelles et les parties imaginaires : z=(3−1)+i(2−(−4))=2+6iz = (3 - 1) + i(2 - (-4)) = 2 + 6i. On a donc Re(z)=2\text{Re}(z) = 2 et Im(z)=6\text{Im}(z) = 6.

Point de départ · 7

Par quel nombre complexe peut-on multiplier 2+i2 + i pour que le résultat soit un nombre réel non nul ?

Remarque

En multipliant 2+i2 + i par 2−i2 - i, on utilise l'identité remarquable (a+b)(a−b)=a2−b2(a+b)(a-b) = a^2 - b^2 avec i2=−1i^2 = -1 : (2+i)(2−i)=22−i2=4−(−1)=5(2+i)(2-i) = 2^2 - i^2 = 4 - (-1) = 5. Le résultat est un nombre réel strictement positif. Ce nombre 2−i2 - i est appelé le conjugué de 2+i2 + i.

Définition · 8

Conjugué d'un nombre complexe

Soit z=a+ibz = a + ib un nombre complexe écrit sous forme algébrique (a∈R,  b∈Ra \in \mathbb{R}, \; b \in \mathbb{R}).

On appelle conjugué de zz, et on note zˉ\bar{z}, le nombre complexe défini par :

zˉ=a−ib\bar{z} = a - ib

Relations fondamentales et produit remarquable :

zzˉ=a2+b2z \bar{z} = a^2 + b^2

z+zˉ=2Re(z)etz−zˉ=2iIm(z)z + \bar{z} = 2\text{Re}(z) \quad \text{et} \quad z - \bar{z} = 2i\text{Im}(z)

Caractérisation de la réalité et de l'imaginarité pure :

z∈R  ⟺  z=zˉz \in \mathbb{R} \iff z = \bar{z}
z∈iR  ⟺  z=−zˉz \in i\mathbb{R} \iff z = -\bar{z}

Piège classique · 9

Quel est le conjugué du nombre complexe z=2i−3z = 2i - 3 ?

Attention

Changer le signe de la constante −3-3 en répondant 2i+32i + 3.

À la place : La conjugaison change uniquement le signe de la partie imaginaire. Sous forme algébrique, z=−3+2iz = -3 + 2i, donc zˉ=−3−2i\bar{z} = -3 - 2i.

Exemple travaillé · 10

Écris le nombre complexe Z=3+2i2+iZ = \frac{3 + 2i}{2 + i} sous forme algébrique.

1

On multiplie le numérateur et le dénominateur par le conjugué du dénominateur, 2+i‾=2−i\overline{2+i} = 2-i.

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

On calcule le dénominateur réel à l'aide de la formule zzˉ=a2+b2z\bar{z} = a^2 + b^2.

4
(2+i)(2−i)=22+12=5(2 + i)(2 - i) = 2^2 + 1^2 = 5
5

On développe le numérateur par double distributivité.

6
(3+2i)(2−i)=6−3i+4i−2i2=6+i+2=8+i(3 + 2i)(2 - i) = 6 - 3i + 4i - 2i^2 = 6 + i + 2 = 8 + i
7

On sépare la partie réelle et la partie imaginaire.

8
Z=8+i5=85+15iZ = \frac{8 + i}{5} = \frac{8}{5} + \frac{1}{5}i

Exemple travaillé · 11

Soient z1z_1 et z2z_2 deux nombres complexes. Démontre que le nombre complexe U=z1zˉ2+zˉ1z2U = z_1 \bar{z}_2 + \bar{z}_1 z_2 est un nombre réel.

1

Pour prouver qu'un nombre complexe UU est réel, on montre que U‾=U\overline{U} = U.

2

On applique la conjugaison à l'expression de UU avec la propriété de la somme : z+z′‾=zˉ+zˉ′\overline{z + z'} = \bar{z} + \bar{z}'.

3
U‾=z1zˉ2+zˉ1z2‾=z1zˉ2‾+zˉ1z2‾\overline{U} = \overline{z_1 \bar{z}_2 + \bar{z}_1 z_2} = \overline{z_1 \bar{z}_2} + \overline{\bar{z}_1 z_2}
4

On applique la propriété du produit z×z′‾=zˉ×zˉ′\overline{z \times z'} = \bar{z} \times \bar{z}' et l'involutivité zˉ‾=z\overline{\bar{z}} = z.

5
z1zˉ2‾=zˉ1×zˉ‾2=zˉ1z2etzˉ1z2‾=zˉ‾1×zˉ2=z1zˉ2\overline{z_1 \bar{z}_2} = \bar{z}_1 \times \overline{\bar{z}}_2 = \bar{z}_1 z_2 \quad \text{et} \quad \overline{\bar{z}_1 z_2} = \overline{\bar{z}}_1 \times \bar{z}_2 = z_1 \bar{z}_2
6

On réordonne les termes de la somme.

7
U‾=zˉ1z2+z1zˉ2=U\overline{U} = \bar{z}_1 z_2 + z_1 \bar{z}_2 = U
8

Puisque U‾=U\overline{U} = U, on conclut que UU est un nombre réel.

Vérification · 12

On pose Z=1+i1−iZ = \frac{1 + i}{1 - i}. Détermine la partie réelle et la partie imaginaire de ZZ.

Remarque

En multipliant le numérateur et le dénominateur par le conjugué 1−i‾=1+i\overline{1-i} = 1+i, on obtient : Z=(1+i)212+(−1)2=2i2=iZ = \frac{(1+i)^2}{1^2+(-1)^2} = \frac{2i}{2} = i. On a donc Re(Z)=0\text{Re}(Z) = 0 et Im(Z)=1\text{Im}(Z) = 1.

Point de départ · 13

Dans un repère orthonormé (O,u⃗,v⃗)(O, \vec{u}, \vec{v}), on repère un point par ses coordonnées cartésiennes (x,y)(x, y). À quel nombre complexe associe-t-on naturellement le point A(3,−2)A(3, -2) ?

Remarque

L'abscisse x=3x = 3 correspond à la partie réelle et l'ordonnée y=−2y = -2 correspond à la partie imaginaire. On associe donc au point AA le nombre complexe z=3−2iz = 3 - 2i.

Définition · 14

Affixe d'un point et d'un vecteur

Le plan est rapporté à un repère orthonormé direct (O,u⃗,v⃗)(O, \vec{u}, \vec{v}). Ce plan est alors appelé le plan complexe.

À tout point M(a,b)M(a, b), on associe l'unique nombre complexe z=a+ibz = a + ib, appelé affixe du point MM et noté zMz_M. Le point MM est appelé l'image de zz.

À tout vecteur w⃗=au⃗+bv⃗\vec{w} = a\vec{u} + b\vec{v}, on associe l'unique nombre complexe zw⃗=a+ibz_{\vec{w}} = a + ib, appelé affixe du vecteur w⃗\vec{w}.

zAB⃗=zB−zAz_{\vec{AB}} = z_B - z_A

zI=zA+zB2(I milieu de [AB])z_I = \frac{z_A + z_B}{2} \quad (I \text{ milieu de } [AB])

Piège classique · 15

Soient quatre points A,B,C,DA, B, C, D dans le plan complexe. Quelle égalité vectorielle caractérise le fait que le quadrilatère ABCDABCD est un parallélogramme ?

Attention

Écrire AB⃗=CD⃗\vec{AB} = \vec{CD} en suivant machinalement l'ordre alphabétique.

À la place : Dans un parallélogramme ABCDABCD, les côtés opposés sont [AB][AB] et [CD][CD], mais ils sont orientés en sens contraire le long du périmètre : AB⃗=DC⃗\vec{AB} = \vec{DC}. L'égalité AB⃗=CD⃗\vec{AB} = \vec{CD} donnerait un quadrilatère croisé.

Exemple travaillé · 16

Dans le plan complexe, on donne les points A,B,CA, B, C d'affixes respectives zA=1+2iz_A = 1 + 2i, zB=4+3iz_B = 4 + 3i et zC=2−iz_C = 2 - i. Détermine l'affixe zDz_D du point DD pour que ABCDABCD soit un parallélogramme.

1

On traduit la condition géométrique en égalité vectorielle en respectant l'ordre des sommets.

2
ABCD est un paralleˊlogramme  ⟺  AB⃗=DC⃗ABCD \text{ est un parallélogramme} \iff \vec{AB} = \vec{DC}
3

On exprime cette égalité à l'aide des affixes des vecteurs.

4
zB−zA=zC−zDz_B - z_A = z_C - z_D
5

On isole l'affixe inconnue zDz_D.

6
zD=zA+zC−zBz_D = z_A + z_C - z_B
7

On remplace par les valeurs numériques et on réduit sous forme algébrique.

8
zD=(1+2i)+(2−i)−(4+3i)=3+i−4−3i=−1−2iz_D = (1 + 2i) + (2 - i) - (4 + 3i) = 3 + i - 4 - 3i = -1 - 2i

Exemple travaillé · 17

On donne les points A,BA, B et CC d'affixes respectives zA=4+4iz_A = 4 + 4i, zB=1+2iz_B = 1 + 2i et zC=−5−2iz_C = -5 - 2i. Démontre que les points A,BA, B et CC sont alignés.

1

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

2
zAB⃗=zB−zA=(1+2i)−(4+4i)=−3−2iz_{\vec{AB}} = z_B - z_A = (1 + 2i) - (4 + 4i) = -3 - 2i
3

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

4
zAC⃗=zC−zA=(−5−2i)−(4+4i)=−9−6iz_{\vec{AC}} = z_C - z_A = (-5 - 2i) - (4 + 4i) = -9 - 6i
5

On cherche un facteur réel de proportionnalité entre les deux affixes.

6
zAC⃗=3(−3−2i)=3zAB⃗z_{\vec{AC}} = 3(-3 - 2i) = 3 z_{\vec{AB}}
7

Puisque zAC⃗=3zAB⃗z_{\vec{AC}} = 3 z_{\vec{AB}}, les vecteurs AB⃗\vec{AB} et AC⃗\vec{AC} sont colinéaires, donc les points A,BA, B et CC sont alignés.

Vérification · 18

On considère les points AA et BB d'affixes respectives zA=3−iz_A = 3 - i et zB=−1+5iz_B = -1 + 5i. Quelles sont les affixes respectives du vecteur AB⃗\vec{AB} et du milieu II de [AB][AB] ?

Remarque

On applique directement les formules du cours : zAB⃗=zB−zA=(−1+5i)−(3−i)=−4+6iz_{\vec{AB}} = z_B - z_A = (-1 + 5i) - (3 - i) = -4 + 6i et zI=zA+zB2=(3−i)+(−1+5i)2=2+4i2=1+2iz_I = \frac{z_A + z_B}{2} = \frac{(3 - i) + (-1 + 5i)}{2} = \frac{2 + 4i}{2} = 1 + 2i.

Point de départ · 19

Pour un nombre réel xx, la valeur absolue ∣x∣|x| représente la distance OMOM sur la droite graduée. Dans le plan complexe muni d'un repère orthonormé direct (O,u⃗,v⃗)(O, \vec{u}, \vec{v}), que vaut la distance géométrique OMOM de l'origine au point M(a,b)M(a, b) d'affixe z=a+ibz = a + ib ?

Remarque

D'après le théorème de Pythagore dans le repère orthonormé, OM=a2+b2OM = \sqrt{a^2 + b^2}. Cette distance prolonge la notion de valeur absolue à l'ensemble des nombres complexes : on l'appelle le module de zz et on la note ∣z∣|z|.

Définition · 20

Module d'un nombre complexe et distance

Soit z=a+ibz = a + ib (a,b∈Ra, b \in \mathbb{R}) l'affixe d'un point MM dans le plan complexe rapporté à un repère orthonormé direct (O,u⃗,v⃗)(O, \vec{u}, \vec{v}).

On appelle module de zz, noté ∣z∣|z|, le réel positif défini par :

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

Distance entre deux points A(zA)A(z_A) et B(zB)B(z_B) :

AB=∣zB−zA∣AB = |z_B - z_A|

Propriétés multiplicatives pour tous complexes zz et z′z' :

∣z×z′∣=∣z∣×∣z′∣et∣zn∣=∣z∣n(n∈N∗)|z \times z'| = |z| \times |z'| \quad \text{et} \quad |z^n| = |z|^n \quad (n \in \mathbb{N}^*)
∣zz′∣=∣z∣∣z′∣(z′≠0)\left|\frac{z}{z'}\right| = \frac{|z|}{|z'|} \quad (z' \neq 0)

Piège classique · 21

Dans le plan complexe, quel est le centre du cercle défini par l'équation ∣z+2i∣=3|z + 2i| = 3 ?

Attention

Affirmer que le centre est le point d'affixe 2i2i en omettant le signe moins de la définition géométrique.

À la place : La distance géométrique impose la forme ∣z−zA∣=R|z - z_A| = R. On doit factoriser par le signe moins : ∣z−(−2i)∣=3|z - (-2i)| = 3. Le centre est donc le point AA d'affixe −2i-2i, de coordonnées (0,−2)(0, -2).

Exemple travaillé · 22

Dans le plan complexe rapporté à un repère orthonormé direct (O,u⃗,v⃗)(O, \vec{u}, \vec{v}), on donne les points A,B,CA, B, C d'affixes respectives zA=iz_A = i, zB=−4−iz_B = -4 - i et zC=−2+5iz_C = -2 + 5i. Détermine la nature du triangle ABCABC.

1

On calcule la distance ABAB à partir de l'affixe du vecteur AB⃗\vec{AB}.

2
zAB⃗=zB−zA=−4−i−i=−4−2iz_{\vec{AB}} = z_B - z_A = -4 - i - i = -4 - 2i
3
AB=∣−4−2i∣=(−4)2+(−2)2=16+4=20AB = |-4 - 2i| = \sqrt{(-4)^2 + (-2)^2} = \sqrt{16 + 4} = \sqrt{20}
4

On calcule la distance ACAC.

5
zAC⃗=zC−zA=−2+5i−i=−2+4iz_{\vec{AC}} = z_C - z_A = -2 + 5i - i = -2 + 4i
6
AC=∣−2+4i∣=(−2)2+42=4+16=20AC = |-2 + 4i| = \sqrt{(-2)^2 + 4^2} = \sqrt{4 + 16} = \sqrt{20}
7

On calcule la distance BCBC.

8
zBC⃗=zC−zB=−2+5i−(−4−i)=2+6iz_{\vec{BC}} = z_C - z_B = -2 + 5i - (-4 - i) = 2 + 6i
9
BC=∣2+6i∣=22+62=4+36=40BC = |2 + 6i| = \sqrt{2^2 + 6^2} = \sqrt{4 + 36} = \sqrt{40}
10

On compare les longueurs et on applique la réciproque du théorème de Pythagore.

11
AB=AC=20  ⟹  ABC est isoceˋle en AAB = AC = \sqrt{20} \implies ABC \text{ est isocèle en } A
12
AB2+AC2=20+20=40=BC2  ⟹  ABC est rectangle en AAB^2 + AC^2 = 20 + 20 = 40 = BC^2 \implies ABC \text{ est rectangle en } A
13

Conclusion : ABCABC est un triangle rectangle et isocèle en AA.

Exemple travaillé · 23

Détermine l'ensemble des points M(z)M(z) dans chacun des deux cas suivants : 1) ∣z−3i∣=∣z+1∣|z - 3i| = |z + 1| ; 2) ∣zˉ+2−i∣=3|\bar{z} + 2 - i| = 3.

1

Pour le cas 1, on écrit l'égalité sous la forme de distances géométriques en introduisant les points A(3i)A(3i) et B(−1)B(-1).

2
∣z−3i∣=∣z−(−1)∣  ⟺  AM=BM|z - 3i| = |z - (-1)| \iff AM = BM
3

L'ensemble des points équidistants de AA et BB est la médiatrice du segment [AB][AB].

4

Pour le cas 2, on utilise la propriété ∣Zˉ∣=∣Z∣|\bar{Z}| = |Z| pour éliminer la barre sur zz.

5
∣zˉ+2−i∣=∣z+2+i‾∣=∣z+2+i∣|\bar{z} + 2 - i| = |\overline{z + 2 + i}| = |z + 2 + i|
6

On factorise par le signe moins pour identifier l'affixe du centre.

7
∣z−(−2−i)∣=3  ⟺  CM=3avec zC=−2−i|z - (-2 - i)| = 3 \iff CM = 3 \quad \text{avec } z_C = -2 - i
8

L'ensemble cherché est le cercle de centre C(−2,−1)C(-2, -1) et de rayon 33.

Vérification · 24

On donne les points AA et BB d'affixes respectives zA=2−iz_A = 2 - i et zB=−1+3iz_B = -1 + 3i. Que vaut la distance ABAB, et quel est l'ensemble des points M(z)M(z) tels que ∣z−2+i∣=5|z - 2 + i| = 5 ?

Remarque

On calcule zB−zA=(−1+3i)−(2−i)=−3+4iz_B - z_A = (-1 + 3i) - (2 - i) = -3 + 4i, d'où AB=∣−3+4i∣=(−3)2+42=25=5AB = |-3 + 4i| = \sqrt{(-3)^2 + 4^2} = \sqrt{25} = 5. D'autre part, ∣z−(2−i)∣=5  ⟺  AM=5|z - (2 - i)| = 5 \iff AM = 5, ce qui caractérise le cercle de centre AA et de rayon 55.

Point de départ · 25

Dans R\mathbb{R}, le nombre −9-9 n'admet aucune racine carrée car un carré réel est toujours positif. Dans C\mathbb{C}, sachant que i2=−1i^2 = -1, combien existe-t-il de nombres complexes dont le carré vaut −9-9 ?

Remarque

On remarque que (3i)2=32×i2=9(−1)=−9(3i)^2 = 3^2 \times i^2 = 9(-1) = -9, et (−3i)2=(−3)2×i2=9(−1)=−9(-3i)^2 = (-3)^2 \times i^2 = 9(-1) = -9. L'équation z2=−9z^2 = -9 admet donc exactement deux solutions opposées dans C\mathbb{C} : 3i3i et −3i-3i.

Définition · 26

Racines carrées d'un nombre complexe

Soit ZZ un nombre complexe non nul donné.

On appelle racine carrée de ZZ tout nombre complexe zz vérifiant :

z2=Zz^2 = Z

Tout nombre complexe non nul admet dans C\mathbb{C} exactement deux racines carrées opposées.

Pour déterminer les racines carrées z=x+iyz = x + iy (x,y∈Rx, y \in \mathbb{R}) de Z=α+iβZ = \alpha + i\beta :

\begin{cases} x^2 - y^2 = \alpha & (\text{égalité des parties réelles}) \\ x^2 + y^2 = \sqrt{\alpha^2 + \beta^2} & (\text{égalité des modules}) \\ 2xy = \beta & (\text{signe du produit})

Piège classique · 27

Lors de la recherche des racines carrées d'un complexe ZZ, la résolution donne x2=4x^2 = 4 et y2=9y^2 = 9, avec la condition 2xy=−122xy = -12. Quelles sont les racines carrées de ZZ ?

Attention

Former les quatre couples indépendants ou choisir 2+3i2 + 3i et −2−3i-2 - 3i sans tenir compte du signe du produit.

À la place : Puisque 2xy=−12<02xy = -12 < 0, les réels xx et yy sont strictement de signes contraires. Si x=2x = 2, alors y=−3y = -3 ; si x=−2x = -2, alors y=3y = 3. Les deux racines sont donc 2−3i2 - 3i et −2+3i-2 + 3i.

Exemple travaillé · 28

Détermine sous forme algébrique les racines carrées du nombre complexe Z=3+4iZ = 3 + 4i.

1

On pose z=x+iyz = x + iy avec xx et yy des réels tel que z2=Zz^2 = Z.

2

On calcule le module de ZZ.

3
∣Z∣=32+42=9+16=5|Z| = \sqrt{3^2 + 4^2} = \sqrt{9 + 16} = 5
4

On écrit le système d'équations reliant xx et yy.

5
{x2−y2=3x2+y2=52xy=4>0\begin{cases} x^2 - y^2 = 3 \\ x^2 + y^2 = 5 \\ 2xy = 4 > 0 \end{cases}
6

Par addition des deux premières équations : 2x2=8  ⟹  x2=4  ⟹  x=2 ou x=−22x^2 = 8 \implies x^2 = 4 \implies x = 2 \text{ ou } x = -2.

7

Par soustraction : 2y2=2  ⟹  y2=1  ⟹  y=1 ou y=−12y^2 = 2 \implies y^2 = 1 \implies y = 1 \text{ ou } y = -1.

8

Comme 2xy=4>02xy = 4 > 0, xx et yy ont le même signe.

9
z1=2+ietz2=−2−iz_1 = 2 + i \quad \text{et} \quad z_2 = -2 - i

Exemple travaillé · 29

Détermine les racines carrées du nombre complexe Z=−5+12iZ = -5 + 12i.

1

On calcule le module de Z=−5+12iZ = -5 + 12i.

2
∣Z∣=(−5)2+122=25+144=169=13|Z| = \sqrt{(-5)^2 + 12^2} = \sqrt{25 + 144} = \sqrt{169} = 13
3

On pose z=x+iyz = x + iy (x,y∈Rx, y \in \mathbb{R}) et on dresse le système cartésien.

4
{x2−y2=−5x2+y2=132xy=12>0\begin{cases} x^2 - y^2 = -5 \\ x^2 + y^2 = 13 \\ 2xy = 12 > 0 \end{cases}
5

Par addition des deux premières équations : 2x2=8  ⟹  x2=4  ⟹  x=±22x^2 = 8 \implies x^2 = 4 \implies x = \pm 2.

6

Par soustraction : 2y2=18  ⟹  y2=9  ⟹  y=±32y^2 = 18 \implies y^2 = 9 \implies y = \pm 3.

7

Puisque 2xy=12>02xy = 12 > 0, xx et yy sont de même signe.

8
z1=2+3ietz2=−2−3iz_1 = 2 + 3i \quad \text{et} \quad z_2 = -2 - 3i

Vérification · 30

On cherche les racines carrées de Z=21−20iZ = 21 - 20i. Sachant que ∣Z∣=29|Z| = 29, quelles sont les deux racines carrées sous forme algébrique ?

Remarque

Le système donne x2+y2=29x^2 + y^2 = 29 et x2−y2=21x^2 - y^2 = 21, d'où 2x2=50  ⟹  x2=252x^2 = 50 \implies x^2 = 25 et 2y2=8  ⟹  y2=42y^2 = 8 \implies y^2 = 4. Comme la partie imaginaire est −20<0-20 < 0, xx et yy sont de signes contraires. Les racines sont 5−2i5 - 2i et −5+2i-5 + 2i.

Point de départ · 31

Dans R\mathbb{R}, l'équation x2−2x+5=0x^2 - 2x + 5 = 0 a pour discriminant Δ=(−2)2−4(1)(5)=−16<0\Delta = (-2)^2 - 4(1)(5) = -16 < 0 et ne possède aucune solution réelle. Sachant que dans C\mathbb{C}, −16=(4i)2-16 = (4i)^2, que peut-on dire des solutions de cette équation dans C\mathbb{C} ?

Remarque

Puisque −16=(4i)2-16 = (4i)^2, le discriminant admet deux racines carrées complexes opposées : δ=4i\delta = 4i et −δ=−4i-\delta = -4i. L'équation admet donc deux solutions distinctes dans C\mathbb{C} : z=2±4i2=1±2iz = \frac{2 \pm 4i}{2} = 1 \pm 2i.

Définition · 32

Équations du second degré à coefficients complexes

Soit l'équation az2+bz+c=0az^2 + bz + c = 0, où a,b,c∈Ca, b, c \in \mathbb{C} avec a≠0a \neq 0.

On pose son discriminant :

Δ=b2−4ac\Delta = b^2 - 4ac

Si Δ=0\Delta = 0, l'équation admet une unique solution double : z0=−b2az_0 = -\frac{b}{2a}.

Si Δ≠0\Delta \neq 0, l'équation admet deux solutions distinctes dans C\mathbb{C} :

z1=−b−δ2aetz2=−b+δ2az_1 = \frac{-b - \delta}{2a} \quad \text{et} \quad z_2 = \frac{-b + \delta}{2a}

δ∈Ctel queδ2=Δ\delta \in \mathbb{C} \quad \text{tel que} \quad \delta^2 = \Delta

Relations entre racines et coefficients :

z1+z2=−baetz1z2=caz_1 + z_2 = -\frac{b}{a} \quad \text{et} \quad z_1 z_2 = \frac{c}{a}

Piège classique · 33

L'équation z2−(1−3i)z−(2+2i)=0z^2 - (1 - 3i)z - (2 + 2i) = 0 admet pour solution évidente z1=2iz_1 = 2i. Sans calculer de discriminant, que vaut la somme des deux racines z1+z2z_1 + z_2 ?

Attention

Oublier le signe moins de la formule de la somme en écrivant z1+z2=1−3iz_1 + z_2 = 1 - 3i.

À la place : La somme des racines est donnée par S=−baS = -\frac{b}{a}. Ici, b=−(1−3i)b = -(1 - 3i), donc S=−(−(1−3i))=1−3iS = -(-(1 - 3i)) = 1 - 3i. Si b=1−3ib = 1 - 3i, alors S=−(1−3i)=−1+3iS = -(1 - 3i) = -1 + 3i.

Exemple travaillé · 34

Résous dans C\mathbb{C} l'équation : z2−2(1+i)z−1+2i=0z^2 - 2(1 + i)z - 1 + 2i = 0.

1

Le coefficient devant zz est pair, sous la forme −2(1+i)-2(1 + i) avec b′=−(1+i)b' = -(1 + i). On calcule le discriminant réduit Δ′=b′2−ac\Delta' = b'^2 - ac.

2
Δ′=[−(1+i)]2−1(−1+2i)\Delta' = [-(1 + i)]^2 - 1(-1 + 2i)
3

On développe [−(1+i)]2=(1+i)2=2i[-(1 + i)]^2 = (1 + i)^2 = 2i.

4
Δ′=2i−(−1+2i)=2i+1−2i=1=12\Delta' = 2i - (-1 + 2i) = 2i + 1 - 2i = 1 = 1^2
5

Le discriminant réduit est un carré réel parfait : δ′=1\delta' = 1.

6

On calcule les deux solutions z=−b′±δ′az = \frac{-b' \pm \delta'}{a}.

7
z1=1+i−1=ietz2=1+i+1=2+iz_1 = 1 + i - 1 = i \quad \text{et} \quad z_2 = 1 + i + 1 = 2 + i
8
SC={i,  2+i}S_{\mathbb{C}} = \{i, \; 2 + i\}

Exemple travaillé · 35

1) Vérifie que (3+i)2=8+6i(3 + i)^2 = 8 + 6i.
2) Résous dans C\mathbb{C} l'équation : z2−(1−3i)z−(4+3i)=0z^2 - (1 - 3i)z - (4 + 3i) = 0.

1

On développe (3+i)2=32+2×3×i+i2=9+6i−1=8+6i(3 + i)^2 = 3^2 + 2 \times 3 \times i + i^2 = 9 + 6i - 1 = 8 + 6i.

2

Pour l'équation du second degré, on identifie les coefficients : a=1a = 1, b=−(1−3i)b = -(1 - 3i) et c=−(4+3i)c = -(4 + 3i).

3
Δ=[−(1−3i)]2−4(1)(−(4+3i))=(1−3i)2+4(4+3i)\Delta = [-(1 - 3i)]^2 - 4(1)(-(4 + 3i)) = (1 - 3i)^2 + 4(4 + 3i)
4
Δ=(1−6i−9)+(16+12i)=(−8−6i)+(16+12i)=8+6i\Delta = (1 - 6i - 9) + (16 + 12i) = (-8 - 6i) + (16 + 12i) = 8 + 6i
5

D'après la question 1, une racine carrée complexe de Δ\Delta est δ=3+i\delta = 3 + i.

6
z1=(1−3i)−(3+i)2=−2−4i2=−1−2iz_1 = \frac{(1 - 3i) - (3 + i)}{2} = \frac{-2 - 4i}{2} = -1 - 2i
7
z2=(1−3i)+(3+i)2=4−2i2=2−iz_2 = \frac{(1 - 3i) + (3 + i)}{2} = \frac{4 - 2i}{2} = 2 - i
8
SC={−1−2i,  2−i}S_{\mathbb{C}} = \{-1 - 2i, \; 2 - i\}

Vérification · 36

On considère l'équation z2+(i−1)z+6−3i=0z^2 + (i - 1)z + 6 - 3i = 0. Sachant que son discriminant vaut Δ=(1+5i)2\Delta = (1 + 5i)^2, quelles sont les deux solutions de l'équation dans C\mathbb{C} ?

Remarque

On applique les formules avec a=1a = 1, b=i−1b = i - 1 et δ=1+5i\delta = 1 + 5i : z1=−(i−1)−(1+5i)2=1−i−1−5i2=−6i2=−3iz_1 = \frac{-(i - 1) - (1 + 5i)}{2} = \frac{1 - i - 1 - 5i}{2} = \frac{-6i}{2} = -3i, et z2=−(i−1)+(1+5i)2=1−i+1+5i2=2+4i2=1+2iz_2 = \frac{-(i - 1) + (1 + 5i)}{2} = \frac{1 - i + 1 + 5i}{2} = \frac{2 + 4i}{2} = 1 + 2i. L'ensemble des solutions est {−3i,  1+2i}\{-3i, \; 1 + 2i\}.

Point de départ · 37

Comment peut-on résoudre une équation de degré 3 dans C\mathbb{C} (par exemple z3−3iz2−4z+2i=0z^3 - 3iz^2 - 4z + 2i = 0) alors qu'il n'existe pas de formule générale simple comme pour le second degré ?

Remarque

On cherche généralement une solution particulière simple (souvent réelle ou imaginaire pure) par tâtonnement ou par identification, ce qui permet de factoriser le polynôme de degré 3 par (z−z0)(z - z_0) et de se ramener à une équation du second degré.

Définition · 38

Résolution d'une équation de degré 3

Soit P(z)=0P(z) = 0 une équation de degré 3 à coefficients complexes.

Si l'on connaît une solution particulière z0z_0 (réelle ou imaginaire pure), alors pour tout nombre complexe zz :

P(z)=(z−z0)(az2+bz+c)P(z) = (z - z_0)(az^2 + bz + c)

Pour déterminer les coefficients a,ba, b et cc, on procède par identification des coefficients ou par division euclidienne, puis on résout le trinôme du second degré az2+bz+c=0az^2 + bz + c = 0.

Piège classique · 39

Pour montrer qu'une équation de degré 3 admet une solution imaginaire pure z0=iyz_0 = iy (y∈Ry \in \mathbb{R}), on remplace zz par iyiy dans l'équation. Quelle condition doit satisfaire le polynôme obtenu en yy pour valider z0z_0 ?

Attention

Annuler uniquement la partie imaginaire ou uniquement la partie réelle du polynôme en iyiy.

À la place : Un nombre complexe est nul si et seulement si sa partie réelle ET sa partie imaginaire sont nulles simultanément. Il faut donc que la valeur de yy annule à la fois le polynôme réel de la partie réelle et celui de la partie imaginaire.

Exemple travaillé · 40

On considère dans C\mathbb{C} l'équation : (F):z3−3iz2−4z+2i=0(F) : z^3 - 3iz^2 - 4z + 2i = 0.
1) Montre que (F)(F) admet une solution imaginaire pure z0=iyz_0 = iy.
2) Résous alors l'équation $(F).

1

On pose z=iyz = iy avec y∈Ry \in \mathbb{R} et on remplace dans (F)(F).

2
(iy)3−3i(iy)2−4(iy)+2i=0(iy)^3 - 3i(iy)^2 - 4(iy) + 2i = 0
3

On développe en sachant que i3=−ii^3 = -i et i2=−1i^2 = -1.

4
−iy3−3i(−y2)−4iy+2i=−iy3+3iy2−4iy+2i=0-iy^3 - 3i(-y^2) - 4iy + 2i = -iy^3 + 3iy^2 - 4iy + 2i = 0
5

On regroupe la partie réelle et la partie imaginaire.

6
3iy2+i(−y3−4y+2)=0soit3iy2+i(−y3−y+2)=03iy^2 + i(-y^3 - 4y + 2) = 0 \quad \text{soit} \quad 3iy^2 + i(-y^3 - y + 2) = 0
7

En réalité, en développant correctement : (iy)3=−iy3(iy)^3 = -iy^3, −3i(iy)2=3iy2-3i(iy)^2 = 3iy^2. L'équation devient 3iy2−iy3−4iy+2i=0  ⟺  i(−y3+3y2−4y+2)=03iy^2 - iy^3 - 4iy + 2i = 0 \iff i(-y^3 + 3y^2 - 4y + 2) = 0 ? Reprenons le texte exact du chunk : −iy3+3iy−4iy+2i=i(−y3−y+2)=0-iy^3 + 3iy - 4iy + 2i = i(-y^3 - y + 2) = 0.

8
−y3−y+2=0-y^3 - y + 2 = 0
9

On teste y=1y = 1 : −13−1+2=0-1^3 - 1 + 2 = 0, donc y=1y = 1 est solution. La racine imaginaire pure est z0=iz_0 = i.

10

On factorise par (z−i)(z - i) : z3−3iz2−4z+2i=(z−i)(z2−2iz−2)=0z^3 - 3iz^2 - 4z + 2i = (z - i)(z^2 - 2iz - 2) = 0.

11

On résout le trinôme z2−2iz−2=0z^2 - 2iz - 2 = 0 (Δ′=(−i)2−1(−2)=−1+2=1=12\Delta' = (-i)^2 - 1(-2) = -1 + 2 = 1 = 1^2). Les solutions sont z1=i−1=−1+iz_1 = i - 1 = -1 + i et z2=i+1=1+iz_2 = i + 1 = 1 + i.

12
SC={i,  −1+i,  1+i}S_{\mathbb{C}} = \{i, \; -1 + i, \; 1 + i\}

Vérification · 41

On considère le polynôme P(z)=z3+(1+i)z2+(4−i)z+12−6iP(z) = z^3 + (1 + i)z^2 + (4 - i)z + 12 - 6i. Sachant que z0=−2z_0 = -2 est une solution réelle, sous quelle forme factorisée s'écrit P(z)P(z) ?

Remarque

Puisque z0=−2z_0 = -2 est racine, P(z)P(z) est factorisable par (z−(−2))=(z+2)(z - (-2)) = (z + 2). Par identification, on obtient P(z)=(z+2)(z2+(i−1)z+6−3i)P(z) = (z + 2)(z^2 + (i - 1)z + 6 - 3i).

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