Introduction aux nombres complexes
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Première générale
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Chapitre 1
1. Nécessité et définition des nombres complexes
1.1. Résolution d'équations du second degré
Jusqu'à présent, vous avez appris à résoudre des équations du second degré de la forme avec . La méthode repose sur le calcul du discriminant .
- Si , l'équation a deux solutions réelles distinctes : et .
- Si , l'équation a une unique solution réelle double : .
- Si , on disait jusqu'à présent que l'équation n'avait pas de solution réelle.
C'est précisément ce dernier cas qui a motivé l'introduction des nombres complexes. Par exemple, l'équation implique . Or, aucun nombre réel élevé au carré ne peut donner un résultat négatif. Pour résoudre ce type d'équations, les mathématiciens ont imaginé un nouvel ensemble de nombres.
Les nombres complexes permettent de donner des solutions aux équations du second degré dont le discriminant est négatif.
1.2. Introduction de l'unité imaginaire i
Pour résoudre , on introduit un nouveau nombre, noté i, tel que : Ce nombre i est appelé l'unité imaginaire.
Avec cette définition, les solutions de sont et .
Voyons quelques puissances de i :
- On constate que les puissances de i sont cycliques, elles reviennent tous les 4 termes :
Pour calculer , on peut trouver le reste de la division euclidienne de par 4. Si , alors . Exemple : .
Calculs simples avec i : On peut manipuler i comme n'importe quelle variable, en se rappelant que . Exemple : Exemple :
1.3. Définition d'un nombre complexe
Un nombre complexe est un nombre qui peut s'écrire sous la forme algébrique : où et sont des nombres réels, et est l'unité imaginaire.
- est appelé la partie réelle de , notée .
- est appelé la partie imaginaire de , notée .
Un nombre complexe est réel si sa partie imaginaire est nulle (). Un nombre complexe est dit imaginaire pur si sa partie réelle est nulle ().
L'ensemble des nombres complexes est noté . L'ensemble des nombres réels est un sous-ensemble de (correspond au cas où ).
Deux nombres complexes et sont égaux si et seulement si leurs parties réelles sont égales et leurs parties imaginaires sont égales :
Exemple : Si , alors et .
Chapitre 2
2. Opérations sur les nombres complexes
2.1. Addition et soustraction
Pour additionner ou soustraire des nombres complexes, on additionne (ou soustrait) leurs parties réelles entre elles et leurs parties imaginaires entre elles.
Soient et .
- Addition :
- Soustraction :
Exemple : Exemple :
Ces opérations sont associatives et commutatives, comme pour les nombres réels.
2.2. Multiplication
Pour multiplier des nombres complexes, on utilise la double distributivité, comme avec des expressions littérales, puis on remplace par .
Soient et . En regroupant les parties réelle et imaginaire :
Exemple :
La multiplication est également associative et commutative.
2.3. Conjugaison
Le conjugué d'un nombre complexe est le nombre complexe noté (lire "z barre") défini par : On change le signe de la partie imaginaire.
Exemple : Si , alors . Exemple : Si , alors . Exemple : Si (nombre réel), alors .
Propriétés du conjugué :
- (un nombre réel)
- (un imaginaire pur)
- est réel si et seulement si .
- est imaginaire pur si et seulement si .
- (si )
Le produit est particulièrement important : . Le produit d'un nombre complexe par son conjugué est toujours un nombre réel positif ou nul. Ce résultat est crucial pour la division.
2.4. Division
Pour diviser un nombre complexe par un nombre complexe (non nul), on utilise une technique qui consiste à multiplier le numérateur et le dénominateur par le conjugué du dénominateur. Cela permet de rendre le dénominateur réel.
Soient et avec . Le dénominateur devient (un nombre réel). Le numérateur est un produit de nombres complexes que l'on développe : . Donc : Cette expression est de la forme .
Exemple : Écrire sous forme algébrique. Numérateur : . Dénominateur : . Donc .
Chapitre 3
3. Représentation géométrique des nombres complexes
3.1. Le plan complexe
On utilise un plan muni d'un repère orthonormé . Ce plan est appelé le plan complexe (ou plan d'Argand-Cauchy).
- L'axe des abscisses est l'axe des réels.
- L'axe des ordonnées est l'axe des imaginaires.
À tout nombre complexe , on peut associer :
- Un point de coordonnées . Ce point est appelé l'image de .
- Un vecteur dont les coordonnées sont . Ce nombre complexe est appelé l'affixe du point ou l'affixe du vecteur .
Notation : pour indiquer que est l'image de .
Exemple : Le nombre complexe est représenté par le point .
L'affixe d'un vecteur où a pour affixe et a pour affixe est donnée par :
3.2. Interprétation géométrique des opérations
- Addition et soustraction : L'addition de complexes correspond à l'addition vectorielle. Si et , alors . De même pour la soustraction.
- Si et sont les images de et , alors le point d'affixe est tel que .
- Conjugaison : L'image de est le point symétrique de (image de ) par rapport à l'axe des réels. Si , alors .
- Multiplication par un réel : Si , alors le point (image de ) est sur la droite et . C'est une homothétie de centre et de rapport .
- Multiplication par i : Si , cela correspond à une rotation de centre et d'angle (ou ) dans le sens direct.
3.3. Module d'un nombre complexe
Le module d'un nombre complexe , noté , est la distance entre l'origine et le point image de dans le plan complexe. En utilisant le théorème de Pythagore : Notez que est un nombre réel positif ou nul. Le module d'un nombre complexe est sa "taille" ou sa "longueur" dans le plan complexe.
Propriétés du module :
- (très utile pour les calculs !)
- (si )
- Inégalité triangulaire : . L'égalité a lieu si et ont même argument (sont colinéaires de même sens).
Interprétation géométrique :
- est la distance .
- est la distance entre les points et . .
Exemple : Calculer le module de . .
Chapitre 4
4. Forme trigonométrique et exponentielle
4.1. Argument d'un nombre complexe
Pour un nombre complexe non nul, l'argument de , noté , est la mesure en radians de l'angle où est l'image de .
- L'argument n'est pas unique : si est un argument, alors (avec ) est aussi un argument.
- On appelle argument principal l'unique argument qui appartient à l'intervalle .
Pour calculer l'argument d'un nombre complexe (avec ) : On sait que et . Donc et . On utilise ces deux valeurs pour trouver à l'aide du cercle trigonométrique.
Exemple : Trouver l'argument principal de . . Donc et . L'angle dans qui satisfait ces conditions est . Donc .
Propriétés de l'argument (pour ) :
4.2. Forme trigonométrique
La forme trigonométrique d'un nombre complexe non nul est : où est le module de et est un argument de .
Passage de la forme algébrique à la forme trigonométrique :
- Calculer le module .
- Calculer un argument en résolvant et .
Exemple : Mettre sous forme trigonométrique.
- .
- et . Donc . La forme trigonométrique est .
Passage de la forme trigonométrique à la forme algébrique : On calcule les valeurs de et et on distribue le module. Exemple : Mettre sous forme algébrique. et . .
Interprétation géométrique : La forme trigonométrique décrit un point par sa distance à l'origine et l'angle qu'il forme avec l'axe réel positif . C'est le système de coordonnées polaires.
4.3. Forme exponentielle (Euler)
La formule d'Euler établit un lien fondamental entre les fonctions trigonométriques et l'exponentielle complexe : Grâce à cette formule, la forme trigonométrique peut être réécrite sous une forme plus compacte, la forme exponentielle : où est le module et est un argument de .
La forme exponentielle est très pratique pour les calculs de produits, quotients et puissances.
Exemple : devient . Exemple : . On a et . Donc .
Passage entre formes trigonométrique et exponentielle : Ils sont directs grâce à la formule d'Euler. Il suffit de remplacer par ou inversement.
4.4. Opérations avec les formes trigonométrique et exponentielle
Ces formes simplifient grandement certaines opérations :
Soient et .
-
Multiplication : On multiplie les modules et on additionne les arguments. En forme trigonométrique : .
-
Division : On divise les modules et on soustrait les arguments. En forme trigonométrique : .
-
Puissances (Formule de Moivre) : Pour un entier , En forme trigonométrique, c'est la Formule de Moivre : Un cas particulier important est , soit .
Exemple : Calculer .
- Mettre sous forme exponentielle : , . Donc .
- Appliquer la formule de Moivre (ou la propriété de puissance de l'exponentielle) : .
Chapitre 5
5. Applications des nombres complexes
5.1. Résolution d'équations polynomiales
-
Équations du second degré avec : Si avec , les solutions sont complexes conjuguées : et . Exemple : . . et .
-
Racines n-ièmes de l'unité : Ce sont les solutions de l'équation . En forme exponentielle, . Cela implique (car est réel et positif). Et pour . Les racines n-ièmes de l'unité sont pour . Géométriquement, elles sont les sommets d'un polygone régulier à côtés inscrit dans le cercle unité, avec un sommet en 1.
-
Théorème fondamental de l'algèbre (admis) : Tout polynôme non constant à coefficients complexes (ou réels) de degré admet exactement racines complexes, comptées avec leur multiplicité. Cela signifie que toute équation polynomiale a toujours des solutions dans .
-
Racines complexes conjuguées : Si un polynôme à coefficients réels a une racine complexe , alors son conjugué est aussi une racine.
5.2. Transformations géométriques
Les nombres complexes sont un outil puissant pour décrire et manipuler les transformations géométriques du plan.
- Translation : Une translation du vecteur d'affixe transforme un point en telle que .
- Rotation : Une rotation de centre d'affixe et d'angle transforme en telle que .
- Homothétie : Une homothétie de centre d'affixe et de rapport (réel non nul) transforme en telle que .
- Similitudes directes : Une similitude directe est une transformation qui conserve les formes (angles et rapports de longueurs). Elle est la composée d'une homothétie et d'une rotation. Sa forme complexe est où et .
- Si , c'est une translation.
- Si et , c'est une rotation.
- Si et est réel, c'est une homothétie.
5.3. Géométrie analytique
Les nombres complexes permettent de traduire des propriétés géométriques en relations algébriques.
- Alignement de points : Trois points distincts d'affixes sont alignés si et seulement si est un nombre réel. Cela signifie que le vecteur est colinéaire au vecteur , donc leurs arguments sont égaux ou diffèrent de .
- Orthogonalité de droites : Deux droites et sont orthogonales si et seulement si est un imaginaire pur. Cela signifie que l'angle entre les vecteurs et est ou , donc l'argument du quotient est .
- Nature de triangles :
- Le triangle est rectangle en si est un imaginaire pur (l'angle est ).
- Le triangle est isocèle en si (les longueurs ).
- Le triangle est équilatéral si et l'angle entre deux côtés est . Cela se traduit par exemple par ou .
En résumé, les nombres complexes offrent une perspective unifiée et élégante pour aborder de nombreux problèmes de géométrie et d'algèbre.
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