Éducation nationale françaiseOption Mathématiques expertesTerminale générale25 min de lecture

Nombres complexes : approfondissement

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5 chapitres

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Pratique

12 questions

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Terminale générale

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Chapitre 1

Forme trigonométrique et exponentielle

Rappel des formes algébrique et trigonométrique

Les nombres complexes sont un outil puissant pour résoudre des problèmes en mathématiques, notamment en algèbre et en géométrie. Ils peuvent être représentés sous différentes formes.

Forme algébrique : Un nombre complexe zz s'écrit sous la forme z=a+ibz = a + ib, où :

  • aa est la partie réelle de zz, notée Re(z)\text{Re}(z).
  • bb est la partie imaginaire de zz, notée Im(z)\text{Im}(z).
  • ii est l'unité imaginaire telle que i2=1i^2 = -1.

Exemple : z=3+2iz = 3 + 2i. Ici, Re(z)=3\text{Re}(z) = 3 et Im(z)=2\text{Im}(z) = 2.

Forme trigonométrique : Tout nombre complexe z0z \neq 0 peut aussi être représenté par son module et son argument.

  • Le module de zz, noté z|z| ou ρ\rho, est la distance du point M(z)M(z) à l'origine OO dans le plan complexe. Il se calcule par z=a2+b2|z| = \sqrt{a^2 + b^2}.
  • L'argument de zz, noté arg(z)\arg(z) ou θ\theta, est l'angle orienté (u,OM)(\vec{u}, \overrightarrow{OM})u\vec{u} est l'axe des réels. Il est défini à 2π2\pi près. On a a=zcos(θ)a = |z|\cos(\theta) et b=zsin(θ)b = |z|\sin(\theta).

La forme trigonométrique est z=z(cos(θ)+isin(θ))z = |z|(\cos(\theta) + i\sin(\theta)).

Passage d'une forme à l'autre :

  • Algébrique vers trigonométrique :

    1. Calculer le module ρ=a2+b2\rho = \sqrt{a^2 + b^2}.
    2. Trouver l'argument θ\theta tel que cos(θ)=aρ\cos(\theta) = \frac{a}{\rho} et sin(θ)=bρ\sin(\theta) = \frac{b}{\rho}. Exemple : z=1+iz = 1 + i. ρ=12+12=2\rho = \sqrt{1^2 + 1^2} = \sqrt{2}. cos(θ)=12=22\cos(\theta) = \frac{1}{\sqrt{2}} = \frac{\sqrt{2}}{2} et sin(θ)=12=22\sin(\theta) = \frac{1}{\sqrt{2}} = \frac{\sqrt{2}}{2}. Donc θ=π4(mod2π)\theta = \frac{\pi}{4} \pmod{2\pi}. z=2(cos(π4)+isin(π4))z = \sqrt{2}\left(\cos\left(\frac{\pi}{4}\right) + i\sin\left(\frac{\pi}{4}\right)\right).
  • Trigonométrique vers algébrique :

    1. Calculer les valeurs de cos(θ)\cos(\theta) et sin(θ)\sin(\theta).
    2. Distribuer le module : z=ρcos(θ)+iρsin(θ)z = \rho\cos(\theta) + i\rho\sin(\theta). Exemple : z=2(cos(π6)+isin(π6))z = 2\left(\cos\left(\frac{\pi}{6}\right) + i\sin\left(\frac{\pi}{6}\right)\right). z=2(32+i12)=3+iz = 2\left(\frac{\sqrt{3}}{2} + i\frac{1}{2}\right) = \sqrt{3} + i.

Introduction de la forme exponentielle

La forme exponentielle est une notation très compacte et pratique pour les nombres complexes, surtout pour les opérations. Elle est directement liée à la forme trigonométrique.

Notation eiθe^{i\theta} : Pour tout réel θ\theta, on définit eiθ=cos(θ)+isin(θ)e^{i\theta} = \cos(\theta) + i\sin(\theta). Cette notation est inspirée des propriétés de l'exponentielle réelle, en particulier le fait que (eix)=ieix(e^{ix})' = ie^{ix}.

Formules d'Euler : À partir de la définition de eiθe^{i\theta} et eiθ=cos(θ)+isin(θ)=cos(θ)isin(θ)e^{-i\theta} = \cos(-\theta) + i\sin(-\theta) = \cos(\theta) - i\sin(\theta), on peut déduire les formules d'Euler : cos(θ)=eiθ+eiθ2\cos(\theta) = \frac{e^{i\theta} + e^{-i\theta}}{2} sin(θ)=eiθeiθ2i\sin(\theta) = \frac{e^{i\theta} - e^{-i\theta}}{2i} Ces formules sont fondamentales pour la linéarisation en trigonométrie et le calcul intégral.

Lien avec les formes trigonométrique et algébrique : Si z=ρ(cos(θ)+isin(θ))z = \rho(\cos(\theta) + i\sin(\theta)) est la forme trigonométrique d'un nombre complexe, alors sa forme exponentielle est z=ρeiθz = \rho e^{i\theta}.

  • ρ=z\rho = |z| est le module.
  • θ=arg(z)\theta = \arg(z) est l'argument.

Exemple : z=1+iz = 1 + i. On a vu que z=2|z| = \sqrt{2} et arg(z)=π4\arg(z) = \frac{\pi}{4}. Donc z=2eiπ4z = \sqrt{2}e^{i\frac{\pi}{4}}. Exemple : z=2eiπ3z = 2e^{i\frac{\pi}{3}}. z=2(cos(π3)+isin(π3))=2(12+i32)=1+i3z = 2(\cos(\frac{\pi}{3}) + i\sin(\frac{\pi}{3})) = 2(\frac{1}{2} + i\frac{\sqrt{3}}{2}) = 1 + i\sqrt{3}.

La forme exponentielle est très utile car elle simplifie grandement les calculs impliquant des produits, quotients et puissances de nombres complexes. C'est la forme la plus efficace pour les calculs d'opérations.

Opérations avec la forme exponentielle

Les règles de calcul avec les puissances de ee s'appliquent ici, ce qui rend les opérations très intuitives.

Soient z1=ρ1eiθ1z_1 = \rho_1 e^{i\theta_1} et z2=ρ2eiθ2z_2 = \rho_2 e^{i\theta_2} deux nombres complexes non nuls.

Produit de nombres complexes : Le produit z1z2z_1 z_2 s'obtient en multipliant les modules et en additionnant les arguments. z1z2=(ρ1eiθ1)(ρ2eiθ2)=ρ1ρ2ei(θ1+θ2)z_1 z_2 = (\rho_1 e^{i\theta_1})(\rho_2 e^{i\theta_2}) = \rho_1 \rho_2 e^{i(\theta_1 + \theta_2)} Géométriquement, cela correspond à une rotation et une homothétie. L'angle de la rotation est θ1+θ2\theta_1 + \theta_2 et le rapport de l'homothétie est ρ1ρ2\rho_1 \rho_2.

Quotient de nombres complexes : Le quotient z1z2\frac{z_1}{z_2} s'obtient en divisant les modules et en soustrayant les arguments. z1z2=ρ1eiθ1ρ2eiθ2=ρ1ρ2ei(θ1θ2)\frac{z_1}{z_2} = \frac{\rho_1 e^{i\theta_1}}{\rho_2 e^{i\theta_2}} = \frac{\rho_1}{\rho_2} e^{i(\theta_1 - \theta_2)} (avec z20z_2 \neq 0)

Puissances (Formule de Moivre) : Pour tout entier relatif nn, la puissance znz^n s'obtient en élevant le module à la puissance nn et en multipliant l'argument par nn. Si z=ρeiθz = \rho e^{i\theta}, alors : zn=(ρeiθ)n=ρneinθz^n = (\rho e^{i\theta})^n = \rho^n e^{in\theta} Dans le cas particulier où ρ=1\rho = 1 (c'est-à-dire pour un nombre complexe de module 1), on retrouve la Formule de Moivre : (eiθ)n=einθ    (cos(θ)+isin(θ))n=cos(nθ)+isin(nθ)(e^{i\theta})^n = e^{in\theta} \implies (\cos(\theta) + i\sin(\theta))^n = \cos(n\theta) + i\sin(n\theta) Cette formule est très utile pour calculer les puissances de nombres complexes ou pour exprimer cos(nθ)\cos(n\theta) et sin(nθ)\sin(n\theta) en fonction de cos(θ)\cos(\theta) et sin(θ)\sin(\theta).

Interprétation géométrique :

  • Multiplier par eiθe^{i\theta} correspond à une rotation de centre OO et d'angle θ\theta.
  • Multiplier par ρ\rho correspond à une homothétie de centre OO et de rapport ρ\rho.
  • En combinant les deux, multiplier par z=ρeiθz = \rho e^{i\theta} est une similitude directe de centre OO, de rapport ρ\rho et d'angle θ\theta. Ces interprétations sont cruciales pour la géométrie complexe.

Chapitre 2

Racines n-ièmes d'un nombre complexe

Racines carrées d'un nombre complexe

Trouver les racines carrées d'un nombre complexe ZZ signifie trouver zz tel que z2=Zz^2 = Z. Il y a toujours deux solutions opposées si Z0Z \neq 0.

Méthode algébrique : Soit Z=A+iBZ = A + iB et on cherche z=x+iyz = x + iy tel que (x+iy)2=A+iB(x + iy)^2 = A + iB. (x+iy)2=x2y2+2ixy(x + iy)^2 = x^2 - y^2 + 2ixy. On égalise les parties réelles et imaginaires :

  1. x2y2=Ax^2 - y^2 = A
  2. 2xy=B2xy = B Une troisième équation utile est le module : z2=Z|z^2| = |Z|, donc (x2+y2)2=A2+B2(x^2 + y^2)^2 = A^2 + B^2, ce qui implique x2+y2=A2+B2x^2 + y^2 = \sqrt{A^2 + B^2}.
  3. x2+y2=A2+B2x^2 + y^2 = \sqrt{A^2 + B^2}

Avec ces trois équations, on peut résoudre le système pour trouver xx et yy. En additionnant (1) et (3) : 2x2=A+A2+B2    x2=A+A2+B222x^2 = A + \sqrt{A^2 + B^2} \implies x^2 = \frac{A + \sqrt{A^2 + B^2}}{2}. En soustrayant (1) de (3) : 2y2=A2+B2A    y2=A2+B2A22y^2 = \sqrt{A^2 + B^2} - A \implies y^2 = \frac{\sqrt{A^2 + B^2} - A}{2}. On obtient x=±A+A2+B22x = \pm \sqrt{\frac{A + \sqrt{A^2 + B^2}}{2}} et y=±A2+B2A2y = \pm \sqrt{\frac{\sqrt{A^2 + B^2} - A}{2}}. Le signe de xyxy est donné par BB (équation 2). Si B>0B > 0, xx et yy ont le même signe. Si B<0B < 0, xx et yy ont des signes opposés.

Exemple : Trouver les racines carrées de Z=3+4iZ = 3 + 4i.

  1. x2y2=3x^2 - y^2 = 3
  2. 2xy=4    xy=22xy = 4 \implies xy = 2
  3. x2+y2=32+42=9+16=25=5x^2 + y^2 = \sqrt{3^2 + 4^2} = \sqrt{9 + 16} = \sqrt{25} = 5 En additionnant (1) et (3) : 2x2=8    x2=4    x=±22x^2 = 8 \implies x^2 = 4 \implies x = \pm 2. En soustrayant (1) de (3) : 2y2=2    y2=1    y=±12y^2 = 2 \implies y^2 = 1 \implies y = \pm 1. Puisque xy=2>0xy = 2 > 0, xx et yy doivent avoir le même signe. Les solutions sont z1=2+iz_1 = 2 + i et z2=2iz_2 = -2 - i.

Méthode trigonométrique/exponentielle : Soit Z=ρeiθZ = \rho e^{i\theta} et z=reiαz = r e^{i\alpha}. On cherche zz tel que z2=Zz^2 = Z. (reiα)2=ρeiθ(r e^{i\alpha})^2 = \rho e^{i\theta} r2ei2α=ρeiθr^2 e^{i2\alpha} = \rho e^{i\theta} Par identification des modules et des arguments :

  • r2=ρ    r=ρr^2 = \rho \implies r = \sqrt{\rho} (car rr est un module, donc réel positif).
  • 2α=θ+2kπ2\alpha = \theta + 2k\pi (car l'argument est défini à 2π2\pi près). α=θ2+kπ\alpha = \frac{\theta}{2} + k\pi, avec kZk \in \mathbb{Z}.

Pour k=0k=0, on a α0=θ2\alpha_0 = \frac{\theta}{2}. Pour k=1k=1, on a α1=θ2+π\alpha_1 = \frac{\theta}{2} + \pi. Pour k=2k=2, on obtient α0+2π\alpha_0 + 2\pi, ce qui donne la même solution que pour k=0k=0. Il y a donc deux racines carrées distinctes : z0=ρeiθ2z_0 = \sqrt{\rho} e^{i\frac{\theta}{2}} z1=ρei(θ2+π)=ρeiθ2eiπ=ρeiθ2=z0z_1 = \sqrt{\rho} e^{i(\frac{\theta}{2} + \pi)} = \sqrt{\rho} e^{i\frac{\theta}{2}} e^{i\pi} = -\sqrt{\rho} e^{i\frac{\theta}{2}} = -z_0. Les deux racines carrées sont toujours opposées.

Exemple : Racines carrées de Z=4eiπ3Z = 4e^{i\frac{\pi}{3}}. Ici ρ=4\rho = 4 et θ=π3\theta = \frac{\pi}{3}. r=4=2r = \sqrt{4} = 2. α0=π/32=π6\alpha_0 = \frac{\pi/3}{2} = \frac{\pi}{6}. α1=π6+π=7π6\alpha_1 = \frac{\pi}{6} + \pi = \frac{7\pi}{6}. Les racines sont z0=2eiπ6z_0 = 2e^{i\frac{\pi}{6}} et z1=2ei7π6z_1 = 2e^{i\frac{7\pi}{6}}. En forme algébrique : z0=2(cos(π6)+isin(π6))=2(32+i12)=3+iz_0 = 2(\cos(\frac{\pi}{6}) + i\sin(\frac{\pi}{6})) = 2(\frac{\sqrt{3}}{2} + i\frac{1}{2}) = \sqrt{3} + i. z1=z0=3iz_1 = -z_0 = -\sqrt{3} - i.

Racines n-ièmes de l'unité

Les racines nn-ièmes de l'unité sont les solutions de l'équation zn=1z^n = 1. En forme exponentielle, 1=1ei01 = 1 \cdot e^{i0}. Soit z=ρeiθz = \rho e^{i\theta}. Alors zn=ρneinθz^n = \rho^n e^{in\theta}. ρneinθ=1ei0\rho^n e^{in\theta} = 1 \cdot e^{i0}. Donc ρn=1    ρ=1\rho^n = 1 \implies \rho = 1 (car ρ>0\rho > 0). Et nθ=0+2kπ    θ=2kπnn\theta = 0 + 2k\pi \implies \theta = \frac{2k\pi}{n}, où kZk \in \mathbb{Z}.

Les nn racines nn-ièmes de l'unité sont obtenues pour k=0,1,2,,n1k = 0, 1, 2, \dots, n-1: ωk=ei2kπnpour k=0,1,,n1\omega_k = e^{i\frac{2k\pi}{n}} \quad \text{pour } k = 0, 1, \dots, n-1 Il y a toujours nn racines nn-ièmes de l'unité distinctes.

Représentation géométrique : Les points images des racines nn-ièmes de l'unité dans le plan complexe sont les sommets d'un polygone régulier à nn côtés inscrit dans le cercle unité (cercle de rayon 1 centré à l'origine). Le premier sommet est toujours le point d'affixe 1.

Exemple : Racines cubiques de l'unité (n=3n=3). ω0=ei20π3=ei0=1\omega_0 = e^{i\frac{2 \cdot 0 \cdot \pi}{3}} = e^{i0} = 1. ω1=ei21π3=ei2π3=12+i32\omega_1 = e^{i\frac{2 \cdot 1 \cdot \pi}{3}} = e^{i\frac{2\pi}{3}} = -\frac{1}{2} + i\frac{\sqrt{3}}{2}. ω2=ei22π3=ei4π3=12i32\omega_2 = e^{i\frac{2 \cdot 2 \cdot \pi}{3}} = e^{i\frac{4\pi}{3}} = -\frac{1}{2} - i\frac{\sqrt{3}}{2}. Ces trois points forment un triangle équilatéral.

Propriétés des racines de l'unité :

  • Le produit de deux racines nn-ièmes de l'unité est une racine nn-ième de l'unité.
  • L'inverse d'une racine nn-ième de l'unité est une racine nn-ième de l'unité.
  • La somme des racines nn-ièmes de l'unité est toujours nulle (sauf pour n=1n=1, où la somme est 1). k=0n1ωk=0\sum_{k=0}^{n-1} \omega_k = 0. Ceci est une conséquence du fait que ωk\omega_k sont les racines du polynôme P(z)=zn1P(z) = z^n - 1. Si n2n \ge 2, le coefficient de zn1z^{n-1} est nul, et la somme des racines est égale à l'opposé de ce coefficient.

Racines n-ièmes d'un nombre complexe quelconque

Pour trouver les racines nn-ièmes d'un nombre complexe ZZ non nul, on procède de manière similaire. Soit Z=ρeiθZ = \rho e^{i\theta} la forme exponentielle de ZZ. On cherche z=reiαz = r e^{i\alpha} tel que zn=Zz^n = Z. (reiα)n=ρeiθ(r e^{i\alpha})^n = \rho e^{i\theta} rneinα=ρeiθr^n e^{in\alpha} = \rho e^{i\theta}

Par identification :

  • rn=ρ    r=ρ1/n=ρnr^n = \rho \implies r = \rho^{1/n} = \sqrt[n]{\rho} (la racine nn-ième réelle positive).
  • nα=θ+2kπ    α=θ+2kπnn\alpha = \theta + 2k\pi \implies \alpha = \frac{\theta + 2k\pi}{n}, où kZk \in \mathbb{Z}.

Les nn racines nn-ièmes distinctes de ZZ sont obtenues pour k=0,1,,n1k = 0, 1, \dots, n-1: zk=ρneiθ+2kπnpour k=0,1,,n1z_k = \sqrt[n]{\rho} e^{i\frac{\theta + 2k\pi}{n}} \quad \text{pour } k = 0, 1, \dots, n-1 Il y a toujours nn solutions distinctes si Z0Z \neq 0.

Représentation géométrique : Les images des nn racines nn-ièmes de ZZ forment les sommets d'un polygone régulier à nn côtés inscrit dans un cercle de rayon ρn\sqrt[n]{\rho} centré à l'origine. La première racine z0=ρneiθnz_0 = \sqrt[n]{\rho} e^{i\frac{\theta}{n}} est souvent appelée la racine principale. Les autres racines sont obtenues en multipliant z0z_0 par les racines nn-ièmes de l'unité : zk=z0ωk=z0ei2kπnz_k = z_0 \cdot \omega_k = z_0 \cdot e^{i\frac{2k\pi}{n}}.

Exemple : Racines quatrièmes de Z=16iZ = 16i. D'abord, mettons ZZ sous forme exponentielle. Z=16|Z| = 16. arg(Z)=π2(mod2π)\arg(Z) = \frac{\pi}{2} \pmod{2\pi} (car ZZ est sur l'axe imaginaire positif). Donc Z=16eiπ2Z = 16e^{i\frac{\pi}{2}}. Ici n=4n=4, ρ=16\rho = 16, θ=π2\theta = \frac{\pi}{2}. r=164=2r = \sqrt[4]{16} = 2. Les arguments sont αk=π/2+2kπ4=π8+kπ2\alpha_k = \frac{\pi/2 + 2k\pi}{4} = \frac{\pi}{8} + \frac{k\pi}{2} pour k=0,1,2,3k = 0, 1, 2, 3.

  • k=0:α0=π8    z0=2eiπ8k=0: \alpha_0 = \frac{\pi}{8} \implies z_0 = 2e^{i\frac{\pi}{8}}
  • k=1:α1=π8+π2=5π8    z1=2ei5π8k=1: \alpha_1 = \frac{\pi}{8} + \frac{\pi}{2} = \frac{5\pi}{8} \implies z_1 = 2e^{i\frac{5\pi}{8}}
  • k=2:α2=π8+π=9π8    z2=2ei9π8k=2: \alpha_2 = \frac{\pi}{8} + \pi = \frac{9\pi}{8} \implies z_2 = 2e^{i\frac{9\pi}{8}}
  • k=3:α3=π8+3π2=13π8    z3=2ei13π8k=3: \alpha_3 = \frac{\pi}{8} + \frac{3\pi}{2} = \frac{13\pi}{8} \implies z_3 = 2e^{i\frac{13\pi}{8}} Ces quatre points forment un carré dans le plan complexe.

Chapitre 3

Transformations géométriques complexes

Rappels sur l'affixe d'un point et d'un vecteur

Le plan complexe est un plan muni d'un repère orthonormé (O;u,v)(O; \vec{u}, \vec{v}), où l'axe des abscisses est l'axe réel et l'axe des ordonnées est l'axe imaginaire.

Affixe d'un point : À tout point M(x,y)M(x, y) du plan, on associe un unique nombre complexe z=x+iyz = x + iy, appelé affixe du point MM. On note souvent M(z)M(z). Inversement, à tout nombre complexe zz, on associe un unique point MM du plan.

Affixe d'un vecteur : Soient A(zA)A(z_A) et B(zB)B(z_B) deux points du plan complexe. L'affixe du vecteur AB\overrightarrow{AB} est le nombre complexe zAB=zBzAz_{\overrightarrow{AB}} = z_B - z_A. Si w\vec{w} est un vecteur de coordonnées (x,y)(x, y), son affixe est zw=x+iyz_{\vec{w}} = x + iy. Les opérations sur les vecteurs (addition, multiplication par un réel) se traduisent par les mêmes opérations sur leurs affixes.

  • AB+CD\overrightarrow{AB} + \overrightarrow{CD} a pour affixe (zBzA)+(zDzC)(z_B - z_A) + (z_D - z_C).
  • kABk\overrightarrow{AB} a pour affixe k(zBzA)k(z_B - z_A).

Interprétation complexe des transformations usuelles

Chaque transformation géométrique usuelle peut être représentée par une fonction complexe z=f(z)z' = f(z), où zz est l'affixe du point initial et zz' est l'affixe du point transformé.

Translation : Une translation de vecteur w\vec{w} d'affixe bb transforme un point M(z)M(z) en M(z)M'(z') tel que MM=w\overrightarrow{MM'} = \vec{w}. L'écriture complexe est : zz=b    ==z=z+b==z' - z = b \implies ==z' = z + b==.

  • bb est l'affixe du vecteur de translation.

Homothétie : Une homothétie de centre Ω(ω)\Omega(\omega) et de rapport kk (réel non nul) transforme M(z)M(z) en M(z)M'(z') tel que ΩM=kΩM\overrightarrow{\Omega M'} = k\overrightarrow{\Omega M}. L'écriture complexe est : zω=k(zω)    ==zω=k(zω)==z' - \omega = k(z - \omega) \implies ==z' - \omega = k(z - \omega)==. Si le centre est l'origine O(0)O(0), alors z=kzz' = kz.

Rotation : Une rotation de centre Ω(ω)\Omega(\omega) et d'angle θ\theta (réel) transforme M(z)M(z) en M(z)M'(z') tel que :

  1. ΩM=ΩM\Omega M = \Omega M' (distance conservée).
  2. (ΩM,ΩM)=θ(mod2π)(\overrightarrow{\Omega M}, \overrightarrow{\Omega M'}) = \theta \pmod{2\pi} (angle orienté). L'écriture complexe est : zω=eiθ(zω)z' - \omega = e^{i\theta}(z - \omega). Si le centre est l'origine O(0)O(0), alors z=eiθzz' = e^{i\theta}z. Multiplier par eiθe^{i\theta} est une rotation de centre OO et d'angle θ\theta.

Similitudes directes

Une similitude directe est une transformation qui conserve les angles orientés et multiplie les distances par un rapport constant. C'est une composition d'une homothétie et d'une rotation.

Définition et forme complexe : Une application ff du plan complexe dans lui-même est une similitude directe s'il existe des nombres complexes aa et bb (a0a \neq 0) tels que pour tout point M(z)M(z) et son image M(z)M'(z'), on a : z=az+bz' = az + b

  • a|a| est le rapport de la similitude.
  • arg(a)\arg(a) est l'angle de la similitude.
  • Si a=1a=1, c'est une translation.
  • Si aa est réel (a1a \neq 1), c'est une homothétie.
  • Si a=1|a|=1, c'est une rotation.

Recherche du centre, rapport et angle :

  • Le rapport k=ak = |a|.
  • L'angle θ=arg(a)\theta = \arg(a).
  • Le centre de la similitude, s'il existe et est unique, est le point fixe C(zC)C(z_C) tel que zC=azC+bz_C = az_C + b. Si a1a \neq 1, alors zC(1a)=b    zC=b1az_C(1 - a) = b \implies z_C = \frac{b}{1 - a}. Si a=1a=1, la similitude est une translation, et elle n'a pas de centre si b0b \neq 0. Si b=0b=0, c'est l'identité, tout point est un point fixe.

Composition de similitudes : La composition de deux similitudes directes est une autre similitude directe. Soient s1:z=a1z+b1s_1: z' = a_1 z + b_1 et s2:z=a2z+b2s_2: z'' = a_2 z' + b_2. Alors s2s1:z=a2(a1z+b1)+b2=(a1a2)z+(a2b1+b2)s_2 \circ s_1: z'' = a_2(a_1 z + b_1) + b_2 = (a_1 a_2)z + (a_2 b_1 + b_2). La nouvelle similitude a pour rapport a1a2=a1a2|a_1 a_2| = |a_1||a_2| et pour angle arg(a1a2)=arg(a1)+arg(a2)\arg(a_1 a_2) = \arg(a_1) + \arg(a_2).

Chapitre 4

Applications des nombres complexes en géométrie

Alignement et orthogonalité

Condition d'alignement de trois points : Trois points distincts A(zA)A(z_A), B(zB)B(z_B), C(zC)C(z_C) sont alignés si et seulement si les vecteurs AB\overrightarrow{AB} et AC\overrightarrow{AC} sont colinéaires. Cela se traduit par le fait que le rapport zCzAzBzA\frac{z_C - z_A}{z_B - z_A} est un nombre réel. zCzAzBzAR\frac{z_C - z_A}{z_B - z_A} \in \mathbb{R}. Cela signifie que l'argument de ce rapport est 0(modπ)0 \pmod{\pi}. arg(zCzAzBzA)=0(modπ)\arg\left(\frac{z_C - z_A}{z_B - z_A}\right) = 0 \pmod{\pi}.

Condition d'orthogonalité de deux droites : Deux droites (AB)(AB) et (CD)(CD) sont orthogonales si et seulement si les vecteurs AB\overrightarrow{AB} et CD\overrightarrow{CD} sont orthogonaux. Cela se traduit par le fait que le rapport zDzCzBzA\frac{z_D - z_C}{z_B - z_A} est un imaginaire pur. zDzCzBzAiR\frac{z_D - z_C}{z_B - z_A} \in i\mathbb{R}^*. Cela signifie que l'argument de ce rapport est π2(modπ)\frac{\pi}{2} \pmod{\pi}. arg(zDzCzBzA)=π2(modπ)\arg\left(\frac{z_D - z_C}{z_B - z_A}\right) = \frac{\pi}{2} \pmod{\pi}.

Utilisation des arguments : L'argument d'un quotient zCzAzBzA\frac{z_C - z_A}{z_B - z_A} représente l'angle orienté (AB,AC)(\overrightarrow{AB}, \overrightarrow{AC}). arg(zCzAzBzA)=(AB,AC)(mod2π)\arg\left(\frac{z_C - z_A}{z_B - z_A}\right) = (\overrightarrow{AB}, \overrightarrow{AC}) \pmod{2\pi}.

  • Si (AB,AC)=0(modπ)(\overrightarrow{AB}, \overrightarrow{AC}) = 0 \pmod{\pi}, les points sont alignés.
  • Si (AB,AC)=π2(modπ)(\overrightarrow{AB}, \overrightarrow{AC}) = \frac{\pi}{2} \pmod{\pi}, les droites (AB)(AB) et (AC)(AC) sont orthogonales, ce qui signifie que le triangle ABCABC est rectangle en AA.

Lieux géométriques

Les nombres complexes permettent de caractériser des ensembles de points par des équations simples.

Ensembles de points définis par des modules :

  • L'ensemble des points M(z)M(z) tels que zzA=R|z - z_A| = R est le cercle de centre A(zA)A(z_A) et de rayon RR. zzA|z - z_A| représente la distance AMAM.
  • L'ensemble des points M(z)M(z) tels que zzA=zzB|z - z_A| = |z - z_B| est la médiatrice du segment [AB][AB]. AM=BMAM = BM.

Ensembles de points définis par des arguments :

  • L'ensemble des points M(z)M(z) tels que arg(zzA)=θ(mod2π)\arg(z - z_A) = \theta \pmod{2\pi} est une demi-droite d'origine AA (privée de AA), formant un angle θ\theta avec l'axe réel.
  • L'ensemble des points M(z)M(z) tels que arg(zzAzzB)=θ(mod2π)\arg\left(\frac{z - z_A}{z - z_B}\right) = \theta \pmod{2\pi} est un arc de cercle passant par AA et BB. Si θ=0(modπ)\theta = 0 \pmod{\pi}, les points M,A,BM, A, B sont alignés (droite (AB)(AB) privée de AA et BB). Si θ=π2(modπ)\theta = \frac{\pi}{2} \pmod{\pi}, l'ensemble est le cercle de diamètre [AB][AB] (privé de AA et BB).

Résolution de problèmes géométriques

Les nombres complexes simplifient souvent les calculs et les démonstrations en géométrie.

Démonstrations de propriétés :

  • Pour montrer qu'un triangle est équilatéral, on peut montrer que zCzAzBzA=eiπ3\frac{z_C - z_A}{z_B - z_A} = e^{i\frac{\pi}{3}} ou eiπ3e^{-i\frac{\pi}{3}}.
  • Pour montrer qu'un quadrilatère est un carré, on peut utiliser les conditions d'orthogonalité et d'égalité des longueurs des côtés, ou les propriétés des rotations.

Calculs de distances et d'angles :

  • La distance ABAB est donnée par zBzA|z_B - z_A|.
  • L'angle (AB,CD)(\overrightarrow{AB}, \overrightarrow{CD}) est donné par arg(zDzCzBzA)\arg\left(\frac{z_D - z_C}{z_B - z_A}\right).

Utilisation des transformations : Souvent, un problème géométrique peut être résolu en identifiant une transformation (translation, rotation, homothétie, similitude) qui relie les points ou figures. Exemple : Démontrer qu'un triangle ABCABC est rectangle isocèle en AA. Cela revient à montrer que zCzA=i(zBzA)z_C - z_A = i(z_B - z_A) ou zCzA=i(zBzA)z_C - z_A = -i(z_B - z_A). Cela signifie que le vecteur AC\overrightarrow{AC} est obtenu en faisant tourner AB\overrightarrow{AB} de ±π2\pm \frac{\pi}{2}. Ou de manière équivalente, zCzAzBzA=i\frac{z_C - z_A}{z_B - z_A} = i ou i-i.

Chapitre 5

Polynômes et équations dans C

Factorisation de polynômes

Théorème fondamental de l'algèbre (Théorème de D'Alembert-Gauss) : Tout polynôme non constant à coefficients complexes admet au moins une racine complexe. Une conséquence importante est que tout polynôme de degré n1n \ge 1 à coefficients complexes admet exactement nn racines complexes, comptées avec leur multiplicité.

Factorisation dans C[X]\mathbb{C}[X] : Si P(z)P(z) est un polynôme de degré nn et que z1,z2,,znz_1, z_2, \dots, z_n sont ses nn racines (pas nécessairement distinctes), alors P(z)P(z) peut être factorisé sous la forme : P(z)=a(zz1)(zz2)(zzn)P(z) = a(z - z_1)(z - z_2)\dots(z - z_n)aa est le coefficient dominant de P(z)P(z). Dans C\mathbb{C}, tout polynôme est entièrement factorisable en produit de facteurs du premier degré.

Racines complexes conjuguées : Si un polynôme P(z)P(z) a des coefficients réels, et s'il admet une racine complexe z0=a+ibz_0 = a + ib, alors son conjugué z0ˉ=aib\bar{z_0} = a - ib est aussi une racine de P(z)P(z). Les racines non réelles d'un polynôme à coefficients réels viennent toujours par paires conjuguées.

Factorisation dans R[X]\mathbb{R}[X] : Si P(z)P(z) est un polynôme à coefficients réels, sa factorisation dans R[X]\mathbb{R}[X] sera un produit de facteurs du premier degré (pour les racines réelles) et de facteurs du second degré irréductibles (pour les paires de racines complexes conjuguées). Si z0=a+ibz_0 = a+ib est une racine, alors z0ˉ=aib\bar{z_0} = a-ib l'est aussi. Le produit (zz0)(zz0ˉ)(z - z_0)(z - \bar{z_0}) donne : (z(a+ib))(z(aib))=(zaib)(za+ib)=(za)2(ib)2=(za)2+b2=z22az+a2+b2(z - (a+ib))(z - (a-ib)) = (z - a - ib)(z - a + ib) = (z - a)^2 - (ib)^2 = (z - a)^2 + b^2 = z^2 - 2az + a^2 + b^2. C'est un polynôme du second degré à coefficients réels, dont le discriminant est Δ=(2a)24(a2+b2)=4a24a24b2=4b2<0\Delta = (-2a)^2 - 4(a^2+b^2) = 4a^2 - 4a^2 - 4b^2 = -4b^2 < 0 (si b0b \neq 0), donc irréductible dans R\mathbb{R}.

Équations du second degré à coefficients complexes

L'équation générale est az2+bz+c=0az^2 + bz + c = 0, où a,b,ca, b, c sont des nombres complexes et a0a \neq 0. La méthode de résolution est la même que pour les équations à coefficients réels.

Calcul du discriminant complexe : Le discriminant est Δ=b24ac\Delta = b^2 - 4ac. Maintenant, Δ\Delta peut être un nombre complexe non réel.

Recherche des racines carrées complexes : Il faut calculer les deux racines carrées de Δ\Delta. Soit δ\delta une des racines carrées de Δ\Delta (on peut utiliser la méthode vue précédemment). Les deux racines carrées sont δ\delta et δ-\delta.

Formule de résolution : Les solutions de l'équation az2+bz+c=0az^2 + bz + c = 0 sont données par la formule : z1,2=b±δ2az_{1,2} = \frac{-b \pm \delta}{2a}δ\delta est une racine carrée de Δ\Delta.

Exemple : Résoudre z2+(12i)z2i=0z^2 + (1 - 2i)z - 2i = 0. a=1,b=12i,c=2ia=1, b=1-2i, c=-2i. Δ=b24ac=(12i)24(1)(2i)\Delta = b^2 - 4ac = (1 - 2i)^2 - 4(1)(-2i) Δ=(14i+4i2)+8i=(14i4)+8i=3+4i\Delta = (1 - 4i + 4i^2) + 8i = (1 - 4i - 4) + 8i = -3 + 4i. Cherchons les racines carrées de Δ=3+4i\Delta = -3 + 4i. On utilise la méthode algébrique : (x+iy)2=3+4i(x+iy)^2 = -3+4i. x2y2=3x^2-y^2 = -3 2xy=4    xy=22xy = 4 \implies xy = 2 x2+y2=(3)2+42=9+16=5x^2+y^2 = \sqrt{(-3)^2 + 4^2} = \sqrt{9+16} = 5. 2x2=2    x2=1    x=±12x^2 = 2 \implies x^2 = 1 \implies x = \pm 1. 2y2=8    y2=4    y=±22y^2 = 8 \implies y^2 = 4 \implies y = \pm 2. Comme xy=2>0xy = 2 > 0, xx et yy ont le même signe. Les racines carrées de Δ\Delta sont δ1=1+2i\delta_1 = 1 + 2i et δ2=12i\delta_2 = -1 - 2i. On prend δ=1+2i\delta = 1 + 2i.

Les solutions de l'équation sont : z1=(12i)+(1+2i)2(1)=1+2i+1+2i2=4i2=2iz_1 = \frac{-(1 - 2i) + (1 + 2i)}{2(1)} = \frac{-1 + 2i + 1 + 2i}{2} = \frac{4i}{2} = 2i. z2=(12i)(1+2i)2(1)=1+2i12i2=22=1z_2 = \frac{-(1 - 2i) - (1 + 2i)}{2(1)} = \frac{-1 + 2i - 1 - 2i}{2} = \frac{-2}{2} = -1. Les solutions sont z=2iz = 2i et z=1z = -1.

Équations polynomiales de degré supérieur

Pour les équations polynomiales de degré n>2n > 2, il n'existe pas de formule générale comme pour le second degré. On utilise souvent des stratégies spécifiques.

Racine évidente : Si on peut trouver une racine simple (souvent un entier, un petit nombre complexe i,i,1,1,2,2i, -i, 1, -1, 2, -2, etc.) par inspection, cela permet de factoriser le polynôme. Si z0z_0 est une racine de P(z)P(z), alors (zz0)(z - z_0) est un facteur de P(z)P(z).

Division euclidienne de polynômes : Si z0z_0 est une racine, on peut effectuer la division euclidienne de P(z)P(z) par (zz0)(z - z_0). P(z)=(zz0)Q(z)P(z) = (z - z_0)Q(z), où Q(z)Q(z) est un polynôme de degré n1n-1. On peut alors chercher les racines de Q(z)Q(z), ce qui réduit le problème à un degré inférieur.

Exemple : Résoudre z3(3+i)z2+(2+3i)z2i=0z^3 - (3+i)z^2 + (2+3i)z - 2i = 0. En testant des valeurs simples, on voit que z=iz=i est une racine : i3(3+i)i2+(2+3i)i2i=i(3+i)(1)+2i+3i22ii^3 - (3+i)i^2 + (2+3i)i - 2i = -i - (3+i)(-1) + 2i + 3i^2 - 2i =i+3+i+2i32i=0= -i + 3 + i + 2i - 3 - 2i = 0. Donc z=iz=i est une racine. On peut diviser le polynôme par (zi)(z-i). Par division euclidienne ou par la méthode des coefficients indéterminés : z3(3+i)z2+(2+3i)z2i=(zi)(z23z+2)z^3 - (3+i)z^2 + (2+3i)z - 2i = (z-i)(z^2 - 3z + 2). Il reste à résoudre z23z+2=0z^2 - 3z + 2 = 0. C'est une équation du second degré à coefficients réels. Δ=(3)24(1)(2)=98=1\Delta = (-3)^2 - 4(1)(2) = 9 - 8 = 1. Les racines sont z=3±12=3±12z = \frac{3 \pm \sqrt{1}}{2} = \frac{3 \pm 1}{2}. z1=3+12=2z_1 = \frac{3+1}{2} = 2. z2=312=1z_2 = \frac{3-1}{2} = 1. Les solutions de l'équation cubique sont i,1,2i, 1, 2.

Utilisation des racines n-ièmes : Certaines équations polynomiales peuvent être ramenées à la recherche de racines nn-ièmes. Par exemple, zn=Zz^n = Z est une équation polynomiale de degré nn. On peut aussi rencontrer des équations de la forme zn+a=0z^n + a = 0 ou des équations binômes azn+b=0az^n + b = 0, qui se réduisent à zn=baz^n = -\frac{b}{a}.

En résumé, les nombres complexes fournissent un cadre complet et élégant pour comprendre et résoudre de nombreux problèmes qui étaient inaccessibles avec les seuls nombres réels, particulièrement en algèbre et en géométrie.

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