Éducation nationale françaiseSpécialité MathématiquesPremière générale19 min de lecture

Introduction aux nombres complexes

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Lecture

5 chapitres

Un parcours éditorialisé et navigable.

Pratique

12 questions

Quiz et cartes mémoire à ouvrir après la lecture.

Objectif

Première générale

Format rapide pour vérifier si le chapitre correspond.

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 ax2+bx+c=0ax^2 + bx + c = 0 avec a0a \neq 0. La méthode repose sur le calcul du discriminant Δ=b24ac\Delta = b^2 - 4ac.

  • Si Δ>0\Delta > 0, l'équation a deux solutions réelles distinctes : x1=bΔ2ax_1 = \frac{-b - \sqrt{\Delta}}{2a} et x2=b+Δ2ax_2 = \frac{-b + \sqrt{\Delta}}{2a}.
  • Si Δ=0\Delta = 0, l'équation a une unique solution réelle double : x0=b2ax_0 = \frac{-b}{2a}.
  • Si Δ<0\Delta < 0, 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 x2+1=0x^2 + 1 = 0 implique x2=1x^2 = -1. 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 x2=1x^2 = -1, on introduit un nouveau nombre, noté i, tel que : i2=1i^2 = -1 Ce nombre i est appelé l'unité imaginaire.

Avec cette définition, les solutions de x2=1x^2 = -1 sont x=ix = i et x=ix = -i.

Voyons quelques puissances de i :

  • i0=1i^0 = 1
  • i1=ii^1 = i
  • i2=1i^2 = -1
  • i3=i2×i=1×i=ii^3 = i^2 \times i = -1 \times i = -i
  • i4=i2×i2=(1)×(1)=1i^4 = i^2 \times i^2 = (-1) \times (-1) = 1
  • i5=i4×i=1×i=ii^5 = i^4 \times i = 1 \times i = i On constate que les puissances de i sont cycliques, elles reviennent tous les 4 termes : 1,i,1,i,1,i,1, i, -1, -i, 1, i, \dots

Pour calculer ini^n, on peut trouver le reste de la division euclidienne de nn par 4. Si n=4q+rn = 4q + r, alors in=iri^n = i^r. Exemple : i23=i4×5+3=i3=ii^{23} = i^{4 \times 5 + 3} = i^3 = -i.

Calculs simples avec i : On peut manipuler i comme n'importe quelle variable, en se rappelant que i2=1i^2 = -1. Exemple : (2+3i)+(1i)=(2+1)+(31)i=3+2i(2+3i) + (1-i) = (2+1) + (3-1)i = 3+2i Exemple : 3i×4i=12i2=12(1)=123i \times 4i = 12i^2 = 12(-1) = -12

1.3. Définition d'un nombre complexe

Un nombre complexe zz est un nombre qui peut s'écrire sous la forme algébrique : z=a+biz = a + biaa et bb sont des nombres réels, et ii est l'unité imaginaire.

  • aa est appelé la partie réelle de zz, notée Re(z)\text{Re}(z).
  • bb est appelé la partie imaginaire de zz, notée Im(z)\text{Im}(z).

Un nombre complexe est réel si sa partie imaginaire est nulle (b=0b=0). Un nombre complexe est dit imaginaire pur si sa partie réelle est nulle (a=0a=0).

L'ensemble des nombres complexes est noté C\mathbb{C}. L'ensemble R\mathbb{R} des nombres réels est un sous-ensemble de C\mathbb{C} (correspond au cas où Im(z)=0\text{Im}(z)=0).

Deux nombres complexes z=a+biz = a+bi et z=a+biz' = a'+b'i sont égaux si et seulement si leurs parties réelles sont égales et leurs parties imaginaires sont égales : z=z    (a=a et b=b)z = z' \iff (a=a' \text{ et } b=b')

Exemple : Si z=32iz = 3 - 2i, alors Re(z)=3\text{Re}(z) = 3 et Im(z)=2\text{Im}(z) = -2.

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 z1=a1+b1iz_1 = a_1 + b_1i et z2=a2+b2iz_2 = a_2 + b_2i.

  • Addition : z1+z2=(a1+a2)+(b1+b2)iz_1 + z_2 = (a_1 + a_2) + (b_1 + b_2)i
  • Soustraction : z1z2=(a1a2)+(b1b2)iz_1 - z_2 = (a_1 - a_2) + (b_1 - b_2)i

Exemple : (3+2i)+(14i)=(3+1)+(24)i=42i(3 + 2i) + (1 - 4i) = (3+1) + (2-4)i = 4 - 2i Exemple : (5i)(2+3i)=(52)+(13)i=34i(5 - i) - (2 + 3i) = (5-2) + (-1-3)i = 3 - 4i

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 i2i^2 par 1-1.

Soient z1=a1+b1iz_1 = a_1 + b_1i et z2=a2+b2iz_2 = a_2 + b_2i. z1×z2=(a1+b1i)(a2+b2i)z_1 \times z_2 = (a_1 + b_1i)(a_2 + b_2i) =a1a2+a1b2i+b1ia2+b1ib2i= a_1 a_2 + a_1 b_2i + b_1i a_2 + b_1i b_2i =a1a2+(a1b2+b1a2)i+b1b2i2= a_1 a_2 + (a_1 b_2 + b_1 a_2)i + b_1 b_2 i^2 =a1a2+(a1b2+b1a2)ib1b2= a_1 a_2 + (a_1 b_2 + b_1 a_2)i - b_1 b_2 En regroupant les parties réelle et imaginaire : z1×z2=(a1a2b1b2)+(a1b2+b1a2)iz_1 \times z_2 = (a_1 a_2 - b_1 b_2) + (a_1 b_2 + b_1 a_2)i

Exemple : (2+3i)(1i)(2 + 3i)(1 - i) =2×1+2×(i)+3i×1+3i×(i)= 2 \times 1 + 2 \times (-i) + 3i \times 1 + 3i \times (-i) =22i+3i3i2= 2 - 2i + 3i - 3i^2 =2+i3(1)= 2 + i - 3(-1) =2+i+3= 2 + i + 3 =5+i= 5 + i

La multiplication est également associative et commutative.

2.3. Conjugaison

Le conjugué d'un nombre complexe z=a+biz = a+bi est le nombre complexe noté zˉ\bar{z} (lire "z barre") défini par : zˉ=abi\bar{z} = a - bi On change le signe de la partie imaginaire.

Exemple : Si z=3+4iz = 3 + 4i, alors zˉ=34i\bar{z} = 3 - 4i. Exemple : Si z=2iz = -2i, alors zˉ=2i\bar{z} = 2i. Exemple : Si z=5z = 5 (nombre réel), alors zˉ=5\bar{z} = 5.

Propriétés du conjugué :

  • zˉ=z\overline{\bar{z}} = z
  • z+zˉ=(a+bi)+(abi)=2a=2Re(z)z + \bar{z} = (a+bi) + (a-bi) = 2a = 2 \text{Re}(z) (un nombre réel)
  • zzˉ=(a+bi)(abi)=2bi=2iIm(z)z - \bar{z} = (a+bi) - (a-bi) = 2bi = 2i \text{Im}(z) (un imaginaire pur)
  • zz est réel si et seulement si z=zˉz = \bar{z}.
  • zz est imaginaire pur si et seulement si z=zˉz = -\bar{z}.
  • z1+z2=z1ˉ+z2ˉ\overline{z_1 + z_2} = \bar{z_1} + \bar{z_2}
  • z1z2=z1ˉz2ˉ\overline{z_1 z_2} = \bar{z_1} \bar{z_2}
  • (z1z2)=z1ˉz2ˉ\overline{\left(\frac{z_1}{z_2}\right)} = \frac{\bar{z_1}}{\bar{z_2}} (si z20z_2 \neq 0)
  • zn=(zˉ)n\overline{z^n} = (\bar{z})^n

Le produit z×zˉz \times \bar{z} est particulièrement important : zzˉ=(a+bi)(abi)=a2(bi)2=a2b2i2=a2b2(1)=a2+b2z \bar{z} = (a+bi)(a-bi) = a^2 - (bi)^2 = a^2 - b^2i^2 = a^2 - b^2(-1) = a^2 + b^2. 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 z1z_1 par un nombre complexe z2z_2 (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 z1=a1+b1iz_1 = a_1 + b_1i et z2=a2+b2iz_2 = a_2 + b_2i avec z20z_2 \neq 0. z1z2=a1+b1ia2+b2i=(a1+b1i)(a2b2i)(a2+b2i)(a2b2i)\frac{z_1}{z_2} = \frac{a_1 + b_1i}{a_2 + b_2i} = \frac{(a_1 + b_1i)(a_2 - b_2i)}{(a_2 + b_2i)(a_2 - b_2i)} Le dénominateur devient a22+b22a_2^2 + b_2^2 (un nombre réel). Le numérateur est un produit de nombres complexes que l'on développe : (a1a2+b1b2)+(a1b2+b1a2)i(a_1 a_2 + b_1 b_2) + (-a_1 b_2 + b_1 a_2)i. Donc : z1z2=a1a2+b1b2a22+b22+b1a2a1b2a22+b22i\frac{z_1}{z_2} = \frac{a_1 a_2 + b_1 b_2}{a_2^2 + b_2^2} + \frac{b_1 a_2 - a_1 b_2}{a_2^2 + b_2^2}i Cette expression est de la forme A+BiA+Bi.

Exemple : Écrire 2+i13i\frac{2+i}{1-3i} sous forme algébrique. 2+i13i=(2+i)(1+3i)(13i)(1+3i)\frac{2+i}{1-3i} = \frac{(2+i)(1+3i)}{(1-3i)(1+3i)} Numérateur : (2+i)(1+3i)=2×1+2×3i+i×1+i×3i=2+6i+i+3i2=2+7i3=1+7i(2+i)(1+3i) = 2 \times 1 + 2 \times 3i + i \times 1 + i \times 3i = 2 + 6i + i + 3i^2 = 2 + 7i - 3 = -1 + 7i. Dénominateur : (13i)(1+3i)=12+32=1+9=10(1-3i)(1+3i) = 1^2 + 3^2 = 1 + 9 = 10. Donc 2+i13i=1+7i10=110+710i\frac{2+i}{1-3i} = \frac{-1+7i}{10} = -\frac{1}{10} + \frac{7}{10}i.

Chapitre 3

3. Représentation géométrique des nombres complexes

3.1. Le plan complexe

On utilise un plan muni d'un repère orthonormé (O;u,v)(O; \vec{u}, \vec{v}). 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 z=a+biz = a+bi, on peut associer :

  • Un point MM de coordonnées (a,b)(a, b). Ce point MM est appelé l'image de zz.
  • Un vecteur OM\vec{OM} dont les coordonnées sont (a,b)(a, b). Ce nombre complexe zz est appelé l'affixe du point MM ou l'affixe du vecteur OM\vec{OM}.

Notation : M(z)M(z) pour indiquer que MM est l'image de zz.

Exemple : Le nombre complexe z=3+2iz = 3+2i est représenté par le point M(3,2)M(3,2).

L'affixe d'un vecteur AB\vec{AB}AA a pour affixe zA=xA+iyAz_A = x_A + i y_A et BB a pour affixe zB=xB+iyBz_B = x_B + i y_B est donnée par : aff(AB)=zBzA=(xBxA)+i(yByA)\text{aff}(\vec{AB}) = z_B - z_A = (x_B - x_A) + i(y_B - y_A)

3.2. Interprétation géométrique des opérations

  • Addition et soustraction : L'addition de complexes correspond à l'addition vectorielle. Si z1=aff(OM1)z_1 = \text{aff}(\vec{OM_1}) et z2=aff(OM2)z_2 = \text{aff}(\vec{OM_2}), alors z1+z2=aff(OM1+OM2)z_1+z_2 = \text{aff}(\vec{OM_1} + \vec{OM_2}). De même pour la soustraction.
    • Si AA et BB sont les images de zAz_A et zBz_B, alors le point CC d'affixe zA+zBz_A+z_B est tel que OC=OA+OB\vec{OC} = \vec{OA} + \vec{OB}.
  • Conjugaison : L'image de zˉ\bar{z} est le point MM' symétrique de MM (image de zz) par rapport à l'axe des réels. Si M(a,b)M(a,b), alors M(a,b)M'(a,-b).
  • Multiplication par un réel kk : Si z=kzz' = kz, alors le point MM' (image de zz') est sur la droite (OM)(OM) et OM=kOMOM' = |k| OM. C'est une homothétie de centre OO et de rapport kk.
  • Multiplication par i : Si z=izz' = iz, cela correspond à une rotation de centre OO et d'angle π2\frac{\pi}{2} (ou 9090^\circ) dans le sens direct.

3.3. Module d'un nombre complexe

Le module d'un nombre complexe z=a+biz = a+bi, noté z|z|, est la distance entre l'origine OO et le point MM image de zz dans le plan complexe. En utilisant le théorème de Pythagore : z=a2+b2|z| = \sqrt{a^2 + b^2} Notez que z|z| 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 :

  • z=0    z=0|z| = 0 \iff z = 0
  • z=zˉ|z| = |\bar{z}|
  • z2=zzˉ=a2+b2|z|^2 = z \bar{z} = a^2 + b^2 (très utile pour les calculs !)
  • z1z2=z1z2|z_1 z_2| = |z_1| |z_2|
  • z1z2=z1z2\left|\frac{z_1}{z_2}\right| = \frac{|z_1|}{|z_2|} (si z20z_2 \neq 0)
  • zn=zn|z^n| = |z|^n
  • Inégalité triangulaire : z1+z2z1+z2|z_1 + z_2| \le |z_1| + |z_2|. L'égalité a lieu si z1z_1 et z2z_2 ont même argument (sont colinéaires de même sens).

Interprétation géométrique :

  • z|z| est la distance OMOM.
  • zBzA|z_B - z_A| est la distance entre les points AA et BB. AB=zBzAAB = |z_B - z_A|.

Exemple : Calculer le module de z=34iz = 3 - 4i. z=32+(4)2=9+16=25=5|z| = \sqrt{3^2 + (-4)^2} = \sqrt{9 + 16} = \sqrt{25} = 5.

Chapitre 4

4. Forme trigonométrique et exponentielle

4.1. Argument d'un nombre complexe

Pour un nombre complexe z=a+biz = a+bi non nul, l'argument de zz, noté arg(z)\arg(z), est la mesure en radians de l'angle (u,OM)(\vec{u}, \vec{OM})MM est l'image de zz.

  • L'argument n'est pas unique : si θ\theta est un argument, alors θ+2kπ\theta + 2k\pi (avec kZk \in \mathbb{Z}) est aussi un argument.
  • On appelle argument principal l'unique argument θ\theta qui appartient à l'intervalle ]π,π]]-\pi, \pi].

Pour calculer l'argument θ\theta d'un nombre complexe z=a+biz = a+bi (avec z0z \neq 0) : On sait que a=zcosθa = |z| \cos \theta et b=zsinθb = |z| \sin \theta. Donc cosθ=az\cos \theta = \frac{a}{|z|} et sinθ=bz\sin \theta = \frac{b}{|z|}. On utilise ces deux valeurs pour trouver θ\theta à l'aide du cercle trigonométrique.

Exemple : Trouver l'argument principal de z=1+iz = 1 + i. z=12+12=2|z| = \sqrt{1^2 + 1^2} = \sqrt{2}. Donc cosθ=12=22\cos \theta = \frac{1}{\sqrt{2}} = \frac{\sqrt{2}}{2} et sinθ=12=22\sin \theta = \frac{1}{\sqrt{2}} = \frac{\sqrt{2}}{2}. L'angle θ\theta dans ]π,π]]-\pi, \pi] qui satisfait ces conditions est θ=π4\theta = \frac{\pi}{4}. Donc arg(1+i)=π4\arg(1+i) = \frac{\pi}{4}.

Propriétés de l'argument (pour z1,z20z_1, z_2 \neq 0) :

  • arg(zˉ)=arg(z)(mod2π)\arg(\bar{z}) = -\arg(z) \pmod{2\pi}
  • arg(z1z2)=arg(z1)+arg(z2)(mod2π)\arg(z_1 z_2) = \arg(z_1) + \arg(z_2) \pmod{2\pi}
  • arg(z1z2)=arg(z1)arg(z2)(mod2π)\arg\left(\frac{z_1}{z_2}\right) = \arg(z_1) - \arg(z_2) \pmod{2\pi}
  • arg(zn)=narg(z)(mod2π)\arg(z^n) = n \arg(z) \pmod{2\pi}

4.2. Forme trigonométrique

La forme trigonométrique d'un nombre complexe zz non nul est : z=z(cosθ+isinθ)z = |z| (\cos \theta + i \sin \theta)z|z| est le module de zz et θ\theta est un argument de zz.

Passage de la forme algébrique à la forme trigonométrique :

  1. Calculer le module z=a2+b2|z| = \sqrt{a^2+b^2}.
  2. Calculer un argument θ\theta en résolvant cosθ=az\cos \theta = \frac{a}{|z|} et sinθ=bz\sin \theta = \frac{b}{|z|}.

Exemple : Mettre z=3+iz = \sqrt{3} + i sous forme trigonométrique.

  1. z=(3)2+12=3+1=4=2|z| = \sqrt{(\sqrt{3})^2 + 1^2} = \sqrt{3+1} = \sqrt{4} = 2.
  2. cosθ=32\cos \theta = \frac{\sqrt{3}}{2} et sinθ=12\sin \theta = \frac{1}{2}. Donc θ=π6\theta = \frac{\pi}{6}. La forme trigonométrique est z=2(cos(π6)+isin(π6))z = 2 \left(\cos\left(\frac{\pi}{6}\right) + i \sin\left(\frac{\pi}{6}\right)\right).

Passage de la forme trigonométrique à la forme algébrique : On calcule les valeurs de cosθ\cos \theta et sinθ\sin \theta et on distribue le module. Exemple : Mettre z=4(cos(2π3)+isin(2π3))z = 4 \left(\cos\left(\frac{2\pi}{3}\right) + i \sin\left(\frac{2\pi}{3}\right)\right) sous forme algébrique. cos(2π3)=12\cos\left(\frac{2\pi}{3}\right) = -\frac{1}{2} et sin(2π3)=32\sin\left(\frac{2\pi}{3}\right) = \frac{\sqrt{3}}{2}. z=4(12+i32)=2+2i3z = 4 \left(-\frac{1}{2} + i \frac{\sqrt{3}}{2}\right) = -2 + 2i\sqrt{3}.

Interprétation géométrique : La forme trigonométrique décrit un point par sa distance à l'origine (z)(|z|) et l'angle qu'il forme avec l'axe réel positif (θ)(\theta). 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 : eiθ=cosθ+isinθe^{i\theta} = \cos \theta + i \sin \theta Grâce à cette formule, la forme trigonométrique peut être réécrite sous une forme plus compacte, la forme exponentielle : z=zeiθz = |z| e^{i\theta}z|z| est le module et θ\theta est un argument de zz.

La forme exponentielle est très pratique pour les calculs de produits, quotients et puissances.

Exemple : z=2(cos(π6)+isin(π6))z = 2 \left(\cos\left(\frac{\pi}{6}\right) + i \sin\left(\frac{\pi}{6}\right)\right) devient z=2eiπ6z = 2e^{i\frac{\pi}{6}}. Exemple : z=1+i3z = -1 + i\sqrt{3}. On a z=2|z|=2 et arg(z)=2π3\arg(z) = \frac{2\pi}{3}. Donc z=2ei2π3z = 2e^{i\frac{2\pi}{3}}.

Passage entre formes trigonométrique et exponentielle : Ils sont directs grâce à la formule d'Euler. Il suffit de remplacer cosθ+isinθ\cos \theta + i \sin \theta par eiθe^{i\theta} ou inversement.

4.4. Opérations avec les formes trigonométrique et exponentielle

Ces formes simplifient grandement certaines opérations :

Soient z1=z1eiθ1z_1 = |z_1| e^{i\theta_1} et z2=z2eiθ2z_2 = |z_2| e^{i\theta_2}.

  • Multiplication : On multiplie les modules et on additionne les arguments. z1z2=(z1eiθ1)(z2eiθ2)=z1z2ei(θ1+θ2)z_1 z_2 = (|z_1| e^{i\theta_1}) (|z_2| e^{i\theta_2}) = |z_1| |z_2| e^{i(\theta_1 + \theta_2)} En forme trigonométrique : z1z2=z1z2(cos(θ1+θ2)+isin(θ1+θ2))z_1 z_2 = |z_1| |z_2| (\cos(\theta_1+\theta_2) + i \sin(\theta_1+\theta_2)).

  • Division : On divise les modules et on soustrait les arguments. z1z2=z1eiθ1z2eiθ2=z1z2ei(θ1θ2)\frac{z_1}{z_2} = \frac{|z_1| e^{i\theta_1}}{|z_2| e^{i\theta_2}} = \frac{|z_1|}{|z_2|} e^{i(\theta_1 - \theta_2)} En forme trigonométrique : z1z2=z1z2(cos(θ1θ2)+isin(θ1θ2))\frac{z_1}{z_2} = \frac{|z_1|}{|z_2|} (\cos(\theta_1-\theta_2) + i \sin(\theta_1-\theta_2)).

  • Puissances (Formule de Moivre) : Pour un entier nn, zn=(zeiθ)n=zneinθz^n = (|z| e^{i\theta})^n = |z|^n e^{in\theta} En forme trigonométrique, c'est la Formule de Moivre : (z(cosθ+isinθ))n=zn(cos(nθ)+isin(nθ))(|z| (\cos \theta + i \sin \theta))^n = |z|^n (\cos(n\theta) + i \sin(n\theta)) Un cas particulier important est (eiθ)n=einθ(e^{i\theta})^n = e^{in\theta}, soit (cosθ+isinθ)n=cos(nθ)+isin(nθ)(\cos \theta + i \sin \theta)^n = \cos(n\theta) + i \sin(n\theta).

Exemple : Calculer (1+i)8(1+i)^8.

  1. Mettre 1+i1+i sous forme exponentielle : 1+i=2|1+i| = \sqrt{2}, arg(1+i)=π4\arg(1+i) = \frac{\pi}{4}. Donc 1+i=2eiπ41+i = \sqrt{2} e^{i\frac{\pi}{4}}.
  2. Appliquer la formule de Moivre (ou la propriété de puissance de l'exponentielle) : (1+i)8=(2eiπ4)8=(2)8ei(8×π4)=(21/2)8ei2π=24ei2π=16(cos(2π)+isin(2π))=16(1+0i)=16(1+i)^8 = (\sqrt{2} e^{i\frac{\pi}{4}})^8 = (\sqrt{2})^8 e^{i(8 \times \frac{\pi}{4})} = (2^{1/2})^8 e^{i2\pi} = 2^4 e^{i2\pi} = 16 (\cos(2\pi) + i \sin(2\pi)) = 16(1+0i) = 16.

Chapitre 5

5. Applications des nombres complexes

5.1. Résolution d'équations polynomiales

  • Équations du second degré avec Δ<0\Delta < 0 : Si ax2+bx+c=0ax^2 + bx + c = 0 avec Δ<0\Delta < 0, les solutions sont complexes conjuguées : x1=biΔ2ax_1 = \frac{-b - i\sqrt{-\Delta}}{2a} et x2=b+iΔ2ax_2 = \frac{-b + i\sqrt{-\Delta}}{2a}. Exemple : x2+x+1=0x^2 + x + 1 = 0. Δ=124(1)(1)=14=3\Delta = 1^2 - 4(1)(1) = 1 - 4 = -3. x1=1i32x_1 = \frac{-1 - i\sqrt{3}}{2} et x2=1+i32x_2 = \frac{-1 + i\sqrt{3}}{2}.

  • Racines n-ièmes de l'unité : Ce sont les solutions de l'équation zn=1z^n = 1. En forme exponentielle, zn=1    (zeiθ)n=1ei0    zneinθ=1ei(0+2kπ)z^n = 1 \iff (|z|e^{i\theta})^n = 1e^{i0} \iff |z|^n e^{in\theta} = 1e^{i(0+2k\pi)}. Cela implique zn=1    z=1|z|^n = 1 \implies |z|=1 (car z|z| est réel et positif). Et nθ=2kπ    θ=2kπnn\theta = 2k\pi \implies \theta = \frac{2k\pi}{n} pour k{0,1,,n1}k \in \{0, 1, \dots, n-1\}. Les nn racines n-ièmes de l'unité sont zk=ei2kπnz_k = e^{i\frac{2k\pi}{n}} pour k=0,1,,n1k=0, 1, \dots, n-1. Géométriquement, elles sont les sommets d'un polygone régulier à nn 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 nn admet exactement nn racines complexes, comptées avec leur multiplicité. Cela signifie que toute équation polynomiale P(z)=0P(z)=0 a toujours des solutions dans C\mathbb{C}.

  • Racines complexes conjuguées : Si un polynôme à coefficients réels a une racine complexe z0z_0, alors son conjugué z0ˉ\bar{z_0} 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 w\vec{w} d'affixe zwz_{\vec{w}} transforme un point M(z)M(z) en M(z)M'(z') telle que z=z+zwz' = z + z_{\vec{w}}.
  • Rotation : Une rotation de centre Ω\Omega d'affixe ω\omega et d'angle α\alpha transforme M(z)M(z) en M(z)M'(z') telle que zω=eiα(zω)z' - \omega = e^{i\alpha}(z - \omega).
  • Homothétie : Une homothétie de centre Ω\Omega d'affixe ω\omega et de rapport kk (réel non nul) transforme M(z)M(z) en M(z)M'(z') telle que zω=k(zω)z' - \omega = k(z - \omega).
  • 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 z=az+bz' = az + baCa \in \mathbb{C}^* et bCb \in \mathbb{C}.
    • Si a=1a=1, c'est une translation.
    • Si b=0b=0 et a=1|a|=1, c'est une rotation.
    • Si b=0b=0 et aa 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 A,B,CA, B, C d'affixes zA,zB,zCz_A, z_B, z_C sont alignés si et seulement si zCzAzBzA\frac{z_C - z_A}{z_B - z_A} est un nombre réel. Cela signifie que le vecteur AC\vec{AC} est colinéaire au vecteur AB\vec{AB}, donc leurs arguments sont égaux ou diffèrent de π\pi.
  • Orthogonalité de droites : Deux droites (AB)(AB) et (CD)(CD) sont orthogonales si et seulement si zDzCzBzA\frac{z_D - z_C}{z_B - z_A} est un imaginaire pur. Cela signifie que l'angle entre les vecteurs AB\vec{AB} et CD\vec{CD} est π2\frac{\pi}{2} ou π2-\frac{\pi}{2}, donc l'argument du quotient est π2(modπ)\frac{\pi}{2} \pmod{\pi}.
  • Nature de triangles :
    • Le triangle ABCABC est rectangle en AA si zCzAzBzA\frac{z_C - z_A}{z_B - z_A} est un imaginaire pur (l'angle BAC^\widehat{BAC} est ±π2\pm \frac{\pi}{2}).
    • Le triangle ABCABC est isocèle en AA si zCzA=zBzA|z_C - z_A| = |z_B - z_A| (les longueurs AC=ABAC=AB).
    • Le triangle ABCABC est équilatéral si zCzA=zBzA=zCzB|z_C - z_A| = |z_B - z_A| = |z_C - z_B| et l'angle entre deux côtés est ±π3\pm \frac{\pi}{3}. Cela se traduit par exemple par zCzAzBzA=eiπ3\frac{z_C - z_A}{z_B - z_A} = e^{i\frac{\pi}{3}} ou eiπ3e^{-i\frac{\pi}{3}}.

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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