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Terminale · maths expertes

Nombres complexes

Ce chapitre fait partie du programme de Terminale.

Ce chapitre construit l'ensemble $\mathbb{C}$, dans lequel toute équation du second degré à coefficients réels admet des solutions, et donne trois écritures d'un même nombre : algébrique, trigonométrique et exponentielle. Ces outils servent à calculer des puissances, à transformer des expressions trigonométriques et à traduire des problèmes de géométrie plane en calculs.

Prérequis

  • Cercle trigonométrique, valeurs remarquables de $\cos$ et $\sin$, relation $\cos^2\theta+\sin^2\theta=1$
  • Résolution des équations du second degré dans $\mathbb{R}$ (discriminant, forme canonique)
  • Raisonnement par récurrence et somme des termes d'une suite géométrique
  • Coefficients binomiaux $\binom{n}{k}$ et relation de Pascal
  • Vecteurs, coordonnées, angles orientés et relation de Chasles, produit scalaire

À la fin du chapitre, on sait

  • Calculer avec la forme algébrique : sommes, produits, quotients, conjugués, puissances
  • Résoudre une équation du premier degré et une équation du second degré à coefficients réels dans $\mathbb{C}$
  • Calculer un module, un argument, et passer d'une forme à une autre
  • Utiliser les formules de Moivre et d'Euler pour retrouver des formules de trigonométrie et linéariser
  • Décrire l'ensemble $\mathbb{U}_n$ des racines $n$-ièmes de l'unité
  • Traduire en nombres complexes des distances, des angles, l'alignement, l'orthogonalité et des ensembles de points

1.Forme algébrique et conjugué

Définition

L'ensemble $\mathbb{C}$

On admet l'existence d'un ensemble noté $\mathbb{C}$, appelé ensemble des nombres complexes, tel que :

  • $\mathbb{C}$ contient $\mathbb{R}$ ;
  • $\mathbb{C}$ contient un nombre noté $i$ vérifiant $i^2=-1$ ;
  • $\mathbb{C}$ est muni d'une addition et d'une multiplication qui suivent les mêmes règles de calcul que dans $\mathbb{R}$ (commutativité, associativité, distributivité) ;
  • tout nombre complexe $z$ s'écrit de manière unique $z=a+ib$ avec $a$ et $b$ réels.

Cette écriture est la forme algébrique de $z$. Le réel $a$ est la partie réelle de $z$, notée $\mathrm{Re}(z)$ ; le réel $b$ est la partie imaginaire de $z$, notée $\mathrm{Im}(z)$.

Si $b=0$, $z$ est réel. Si $a=0$, $z$ est dit imaginaire pur ; l'ensemble des imaginaires purs est noté $i\mathbb{R}$.

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Propriété

Égalité de deux nombres complexes

Soient $a,b,a',b'$ des réels. Par unicité de la forme algébrique :

$$a+ib=a'+ib' \iff a=a' \text{ et } b=b'.$$

En particulier $a+ib=0 \iff a=0$ et $b=0$.

Deux nombres complexes sont égaux si et seulement s'ils ont même partie réelle et même partie imaginaire.

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Exemple

Calculs en forme algébrique

On développe comme dans $\mathbb{R}$, puis on remplace $i^2$ par $-1$.

  • $(3-2i)+(-1+5i)=2+3i$.
  • $(2+3i)(1-i)=2-2i+3i-3i^2=2+i+3=5+i$.
  • $(1+2i)^2=1+4i+4i^2=-3+4i$.

Donc $\mathrm{Re}\big((2+3i)(1-i)\big)=5$ et $\mathrm{Im}\big((2+3i)(1-i)\big)=1$. La partie imaginaire est le réel $1$, et non $i$.

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Remarque

Puissances de $i$

$i^0=1$, $i^1=i$, $i^2=-1$, $i^3=-i$, $i^4=1$. Les puissances de $i$ se répètent de 4 en 4 : pour tout entier naturel $n$, $i^{n}$ ne dépend que du reste de la division de $n$ par $4$.

Par exemple $2027=4\times 506+3$, donc $i^{2027}=i^3=-i$.

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Définition

Conjugué

Le conjugué du nombre complexe $z=a+ib$ ($a,b$ réels) est le nombre complexe

$$\overline{z}=a-ib.$$

Exemples : $\overline{3+4i}=3-4i$, $\overline{-2i}=2i$, $\overline{5}=5$.

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Propriété

Propriétés du conjugué

Pour tous nombres complexes $z$ et $z'$ et tout entier naturel $n$ :

  • $z+\overline{z}=2\,\mathrm{Re}(z)$ et $z-\overline{z}=2i\,\mathrm{Im}(z)$ ;
  • $z$ est réel $\iff \overline{z}=z$ ; $z$ est imaginaire pur $\iff \overline{z}=-z$ ;
  • si $z=a+ib$, alors $z\overline{z}=a^2+b^2$, qui est un réel positif ;
  • $\overline{z+z'}=\overline{z}+\overline{z'}$ ;
  • $\overline{zz'}=\overline{z}\;\overline{z'}$ ;
  • si $z\neq 0$ : $\overline{\left(\dfrac{1}{z}\right)}=\dfrac{1}{\overline{z}}$ et $\overline{\left(\dfrac{z'}{z}\right)}=\dfrac{\overline{z'}}{\overline{z}}$ ;
  • $\overline{z^n}=\overline{z}^{\,n}$.
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Démonstration

Conjugué d'un produit, d'un inverse, d'une puissance

On pose $z=a+ib$ et $z'=a'+ib'$ avec $a,b,a',b'$ réels.

Produit. $zz'=(aa'-bb')+i(ab'+a'b)$, donc $\overline{zz'}=(aa'-bb')-i(ab'+a'b)$. D'autre part $\overline{z}\;\overline{z'}=(a-ib)(a'-ib')=aa'-iab'-ia'b+i^2bb'=(aa'-bb')-i(ab'+a'b)$. Les deux expressions sont égales : $\overline{zz'}=\overline{z}\;\overline{z'}$.

Inverse. Soit $z\neq 0$. On a $z\times\dfrac{1}{z}=1$. En prenant le conjugué et en utilisant le résultat précédent : $\overline{z}\times\overline{\left(\dfrac{1}{z}\right)}=\overline{1}=1$. Comme $\overline{z}\neq 0$ (sinon $z=0$), on obtient $\overline{\left(\dfrac{1}{z}\right)}=\dfrac{1}{\overline{z}}$. Le quotient s'en déduit en écrivant $\dfrac{z'}{z}=z'\times\dfrac{1}{z}$.

Puissance. Par récurrence sur $n$. Pour $n=0$ : $\overline{z^0}=\overline{1}=1=\overline{z}^{\,0}$. Si $\overline{z^n}=\overline{z}^{\,n}$ pour un entier $n$, alors $\overline{z^{n+1}}=\overline{z^n\times z}=\overline{z^n}\times\overline{z}=\overline{z}^{\,n}\times\overline{z}=\overline{z}^{\,n+1}$. La propriété est héréditaire, donc vraie pour tout $n\in\mathbb{N}$.

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Méthode

Écrire un inverse ou un quotient sous forme algébrique

Pour écrire $\dfrac{z'}{z}$ sous forme algébrique ($z\neq 0$) :

  1. On multiplie le numérateur et le dénominateur par $\overline{z}$.
  2. Le dénominateur devient $z\overline{z}=a^2+b^2$, qui est réel.
  3. On développe le numérateur et on sépare partie réelle et partie imaginaire.

Tout nombre complexe non nul $z=a+ib$ a donc un inverse : $\dfrac{1}{z}=\dfrac{a-ib}{a^2+b^2}$.

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Exemple

Deux quotients

  • $\dfrac{1}{3+4i}=\dfrac{3-4i}{(3+4i)(3-4i)}=\dfrac{3-4i}{9+16}=\dfrac{3}{25}-\dfrac{4}{25}i$.
  • $\dfrac{1+2i}{2-i}=\dfrac{(1+2i)(2+i)}{(2-i)(2+i)}=\dfrac{2+i+4i+2i^2}{4+1}=\dfrac{5i}{5}=i$.
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Propriété

Formule du binôme de Newton dans $\mathbb{C}$

Pour tous nombres complexes $a$ et $b$ et tout entier naturel $n$ :

$$(a+b)^n=\sum_{k=0}^{n}\binom{n}{k}a^{k}b^{n-k}.$$

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Démonstration

Formule du binôme

Par récurrence sur $n$.

Initialisation. Pour $n=0$ : $(a+b)^0=1$ et $\binom{0}{0}a^0b^0=1$.

Hérédité. Supposons la formule vraie pour un entier $n$. Alors

$$\begin{aligned}(a+b)^{n+1}&=(a+b)\sum_{k=0}^{n}\binom{n}{k}a^kb^{n-k}\\&=\sum_{k=0}^{n}\binom{n}{k}a^{k+1}b^{n-k}+\sum_{k=0}^{n}\binom{n}{k}a^kb^{n+1-k}.\end{aligned}$$

Dans la première somme, on pose $j=k+1$ : elle vaut $\sum_{j=1}^{n+1}\binom{n}{j-1}a^{j}b^{n+1-j}$. En isolant le terme $j=n+1$ de la première somme et le terme $k=0$ de la seconde :

$$(a+b)^{n+1}=a^{n+1}+\sum_{j=1}^{n}\left[\binom{n}{j-1}+\binom{n}{j}\right]a^jb^{n+1-j}+b^{n+1}.$$

Par la relation de Pascal, $\binom{n}{j-1}+\binom{n}{j}=\binom{n+1}{j}$. Comme $\binom{n+1}{0}=\binom{n+1}{n+1}=1$, on obtient $(a+b)^{n+1}=\sum_{j=0}^{n+1}\binom{n+1}{j}a^jb^{n+1-j}$.

Conclusion. La formule est vraie pour tout $n\in\mathbb{N}$. Elle repose sur la commutativité de la multiplication dans $\mathbb{C}$ (on a écrit $a\,a^k b^{n-k}=a^{k+1}b^{n-k}$ et $b\,a^kb^{n-k}=a^kb^{n+1-k}$).

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Exemple

Calcul de $(2-i)^3$

Avec $a=2$, $b=-i$ et la ligne $1,3,3,1$ du triangle de Pascal :

$$(2-i)^3=2^3+3\times 2^2\times(-i)+3\times 2\times(-i)^2+(-i)^3=8-12i-6+i=2-11i.$$

Vérification : $(2-i)^2=4-4i-1=3-4i$, puis $(3-4i)(2-i)=6-3i-8i+4i^2=2-11i$.

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2.Équations dans $\mathbb{C}$

Propriété

Produit nul

Pour tous nombres complexes $z$ et $z'$ : $zz'=0 \iff z=0$ ou $z'=0$.

En effet, si $zz'=0$ et $z\neq 0$, alors $z'=\dfrac{1}{z}\times zz'=0$. Cette propriété permet, comme dans $\mathbb{R}$, de résoudre une équation en factorisant.

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Méthode

Résoudre une équation du premier degré

Cas 1 : l'inconnue $z$ apparaît seule. On isole $z$ comme dans $\mathbb{R}$, puis on écrit le résultat sous forme algébrique.

Cas 2 : $z$ et $\overline{z}$ apparaissent ensemble. On ne peut pas isoler $z$ directement.

  1. On pose $z=x+iy$ avec $x,y$ réels, donc $\overline{z}=x-iy$.
  2. On développe et on écrit chaque membre sous forme algébrique.
  3. On identifie parties réelles et parties imaginaires : on obtient un système de deux équations réelles.
  4. On résout le système et on conclut avec $z=x+iy$.
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Exemple

Deux équations du premier degré

Résoudre $(1+i)z=3-i$. Comme $1+i\neq 0$ :

$$z=\frac{3-i}{1+i}=\frac{(3-i)(1-i)}{(1+i)(1-i)}=\frac{3-3i-i+i^2}{2}=\frac{2-4i}{2}=1-2i.$$

Vérification : $(1+i)(1-2i)=1-2i+i-2i^2=3-i$. L'ensemble des solutions est $\{1-2i\}$.

Résoudre $z+2\overline{z}=3-i$. On pose $z=x+iy$ avec $x,y$ réels :

$$x+iy+2(x-iy)=3x-iy.$$

L'équation devient $3x-iy=3-i$, soit $3x=3$ et $-y=-1$. Donc $x=1$, $y=1$ et l'unique solution est $z=1+i$.

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Théorème

Équation du second degré à coefficients réels

Soient $a,b,c$ des réels avec $a\neq 0$, et $\Delta=b^2-4ac$. L'équation $az^2+bz+c=0$ d'inconnue $z\in\mathbb{C}$ admet :

  • si $\Delta>0$, deux solutions réelles $z_1=\dfrac{-b-\sqrt{\Delta}}{2a}$ et $z_2=\dfrac{-b+\sqrt{\Delta}}{2a}$ ;
  • si $\Delta=0$, une solution réelle $z_0=-\dfrac{b}{2a}$ ;
  • si $\Delta<0$, deux solutions complexes conjuguées

$$z_1=\frac{-b-i\sqrt{-\Delta}}{2a}\quad\text{et}\quad z_2=\frac{-b+i\sqrt{-\Delta}}{2a}=\overline{z_1}.$$

Dans tous les cas, pour tout $z\in\mathbb{C}$, $az^2+bz+c=a(z-z_1)(z-z_2)$ (avec $z_1=z_2=z_0$ si $\Delta=0$).

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Démonstration

Résolution de l'équation du second degré

Pour tout $z\in\mathbb{C}$, la forme canonique obtenue en première reste valable, car elle n'utilise que les règles de calcul communes à $\mathbb{R}$ et $\mathbb{C}$ :

$$az^2+bz+c=a\left[\left(z+\frac{b}{2a}\right)^2-\frac{\Delta}{4a^2}\right].$$

Les cas $\Delta>0$ et $\Delta=0$ se traitent comme en première. On suppose $\Delta<0$. Alors $-\Delta>0$ et $\Delta=-(\sqrt{-\Delta})^2=\left(i\sqrt{-\Delta}\right)^2$. Donc

$$\begin{aligned}az^2+bz+c&=a\left[\left(z+\frac{b}{2a}\right)^2-\left(\frac{i\sqrt{-\Delta}}{2a}\right)^2\right]\\&=a\left(z+\frac{b}{2a}-\frac{i\sqrt{-\Delta}}{2a}\right)\left(z+\frac{b}{2a}+\frac{i\sqrt{-\Delta}}{2a}\right)\\&=a(z-z_2)(z-z_1).\end{aligned}$$

Comme $a\neq 0$, la propriété du produit nul donne : $az^2+bz+c=0\iff z=z_1$ ou $z=z_2$. Enfin $a$, $b$ et $\sqrt{-\Delta}$ sont réels, donc $z_2=\overline{z_1}$.

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Exemple

Résoudre $z^2-2z+5=0$

Les coefficients sont réels : $a=1$, $b=-2$, $c=5$. On a $\Delta=(-2)^2-4\times 1\times 5=-16<0$, et $\sqrt{-\Delta}=4$.

$$z_1=\frac{2-4i}{2}=1-2i,\qquad z_2=\frac{2+4i}{2}=1+2i.$$

L'ensemble des solutions est $\{1-2i\,;\,1+2i\}$ et $z^2-2z+5=(z-1+2i)(z-1-2i)$.

De même, $z^2+z+1=0$ a pour discriminant $-3$ et pour solutions $\dfrac{-1-i\sqrt{3}}{2}$ et $\dfrac{-1+i\sqrt{3}}{2}$.

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Remarque

Somme et produit des solutions

Comme en première, $z_1+z_2=-\dfrac{b}{a}$ et $z_1z_2=\dfrac{c}{a}$, ce qui se lit en développant $a(z-z_1)(z-z_2)$. Ces relations permettent de vérifier un résultat : pour $z^2-2z+5$, on trouve bien $(1-2i)+(1+2i)=2$ et $(1-2i)(1+2i)=1+4=5$.

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Attention

Pas de racine carrée d'un négatif

Le symbole $\sqrt{\;}$ est réservé aux réels positifs. On n'écrit jamais $\sqrt{-16}$ ni $\sqrt{\Delta}$ lorsque $\Delta<0$. On écrit $\Delta=-16=(4i)^2$, ou on applique directement la formule avec $i\sqrt{-\Delta}$.

Le théorème ne s'applique qu'à des coefficients réels.

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Propriété

Factorisation d'un polynôme par $z-a$

  1. Pour tout nombre complexe $a$, tout $z\in\mathbb{C}$ et tout entier $n\geq 1$ : $$z^n-a^n=(z-a)\sum_{k=0}^{n-1}z^{k}a^{n-1-k}=(z-a)\left(z^{n-1}+az^{n-2}+\dots+a^{n-2}z+a^{n-1}\right).$$
  2. Soit $P$ un polynôme de degré $n\geq 1$ à coefficients complexes. Si $P(a)=0$, il existe un polynôme $Q$ de degré $n-1$ tel que, pour tout $z$, $P(z)=(z-a)Q(z)$.
  3. Un polynôme de degré $n\geq 1$ admet au plus $n$ racines dans $\mathbb{C}$.
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Démonstration

Factorisation et nombre de racines

1. On développe : $(z-a)\sum_{k=0}^{n-1}z^ka^{n-1-k}=\sum_{k=0}^{n-1}z^{k+1}a^{n-1-k}-\sum_{k=0}^{n-1}z^ka^{n-k}$. En posant $j=k+1$ dans la première somme, elle devient $\sum_{j=1}^{n}z^ja^{n-j}$. Les termes d'indice $1$ à $n-1$ se compensent ; il reste $z^n-a^n$.

2. On écrit $P(z)=\sum_{k=0}^{n}c_kz^k$ avec $c_n\neq 0$. Comme $P(a)=0$ : $$P(z)=P(z)-P(a)=\sum_{k=1}^{n}c_k\left(z^k-a^k\right).$$ D'après le point 1, chaque $z^k-a^k$ s'écrit $(z-a)Q_k(z)$ avec $Q_k$ de degré $k-1$. Donc $P(z)=(z-a)Q(z)$ avec $Q=\sum_{k=1}^n c_kQ_k$, de degré $n-1$ car seul $c_nQ_n$ contient le terme $c_nz^{n-1}$.

3. Par récurrence sur $n\geq 1$. Un polynôme de degré $1$, $c_1z+c_0$ avec $c_1\neq 0$, a une seule racine $-\dfrac{c_0}{c_1}$. Supposons la propriété vraie au rang $n$ et soit $P$ de degré $n+1$. Si $P$ n'a pas de racine, c'est fini. Sinon, soit $a$ une racine : $P(z)=(z-a)Q(z)$ avec $Q$ de degré $n$. Par produit nul, les racines de $P$ sont $a$ et les racines de $Q$, qui sont au plus $n$. $P$ a donc au plus $n+1$ racines.

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Exemple

Une équation de degré 3

Soit $P(z)=z^3-3z^2+4z-2$. On remarque $P(1)=1-3+4-2=0$, donc $P(z)=(z-1)(z^2+\beta z+\gamma)$. En développant, $(z-1)(z^2+\beta z+\gamma)=z^3+(\beta-1)z^2+(\gamma-\beta)z-\gamma$. Par identification : $\beta-1=-3$, $-\gamma=-2$, d'où $\beta=-2$, $\gamma=2$ (et $\gamma-\beta=4$ est bien vérifié).

$$P(z)=(z-1)(z^2-2z+2).$$

Pour $z^2-2z+2$ : $\Delta=4-8=-4$, solutions $\dfrac{2\pm 2i}{2}=1\pm i$. L'ensemble des solutions de $P(z)=0$ est $\{1\,;\,1-i\,;\,1+i\}$.

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3.Plan complexe et module

Définition

Image et affixe

Le plan est muni d'un repère orthonormé direct $(O;\vec{u},\vec{v})$, appelé plan complexe.

  • Au nombre complexe $z=a+ib$ ($a,b$ réels) on associe le point $M(a;b)$, appelé image de $z$. On dit que $z$ est l'affixe de $M$ et on note $M(z)$.
  • De même, $z$ est l'affixe du vecteur $\vec{w}\begin{pmatrix}a\\b\end{pmatrix}$.

L'axe des abscisses porte les réels, l'axe des ordonnées les imaginaires purs. L'image de $\overline{z}$ est le symétrique de $M$ par rapport à l'axe des abscisses.

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Propriété

Affixes et vecteurs

Si $A$ et $B$ ont pour affixes $z_A$ et $z_B$ :

  • le vecteur $\overrightarrow{AB}$ a pour affixe $z_B-z_A$ ;
  • le milieu $I$ de $[AB]$ a pour affixe $z_I=\dfrac{z_A+z_B}{2}$ ;
  • si $\vec{w}$ et $\vec{w}'$ ont pour affixes $z$ et $z'$, et $k$ est réel, $\vec{w}+\vec{w}'$ a pour affixe $z+z'$ et $k\vec{w}$ a pour affixe $kz$.
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Définition

Module

Le module du nombre complexe $z=a+ib$ ($a,b$ réels) est le réel positif

$$|z|=\sqrt{a^2+b^2}.$$

Si $M$ est l'image de $z$, alors $|z|=OM$. Si $z$ est réel, $|z|$ est sa valeur absolue : la notation est cohérente.

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Propriété

Propriétés du module

Pour tous nombres complexes $z$ et $z'$ et tout entier naturel $n$ :

  • $|z|=0\iff z=0$ ;
  • $z\overline{z}=|z|^2$ ;
  • $|\overline{z}|=|z|$ et $|-z|=|z|$ ;
  • $|zz'|=|z|\,|z'|$ et $|z^n|=|z|^n$ ;
  • si $z\neq 0$ : $\left|\dfrac{1}{z}\right|=\dfrac{1}{|z|}$ et $\left|\dfrac{z'}{z}\right|=\dfrac{|z'|}{|z|}$ ;
  • si $A(z_A)$ et $B(z_B)$, alors $AB=|z_B-z_A|$.
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Démonstration

Module d'un produit et d'un quotient

Pour $z=a+ib$ : $z\overline{z}=(a+ib)(a-ib)=a^2-i^2b^2=a^2+b^2=|z|^2$.

Avec le conjugué d'un produit : $$|zz'|^2=zz'\,\overline{zz'}=z\overline{z}\,z'\overline{z'}=|z|^2|z'|^2.$$ Les réels $|zz'|$ et $|z|\,|z'|$ sont positifs et ont le même carré, donc ils sont égaux.

Si $z\neq 0$ : $|z|\times\left|\dfrac{1}{z}\right|=\left|z\times\dfrac{1}{z}\right|=1$, donc $\left|\dfrac{1}{z}\right|=\dfrac{1}{|z|}$. La formule du quotient s'en déduit, et celle de la puissance s'obtient par récurrence.

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Exemple

Calculer un module sans forme algébrique

$$\left|\frac{3+4i}{1-i}\right|=\frac{|3+4i|}{|1-i|}=\frac{\sqrt{9+16}}{\sqrt{1+1}}=\frac{5}{\sqrt{2}}=\frac{5\sqrt{2}}{2}.$$

$$\left|(1+i)^{6}\right|=|1+i|^6=\left(\sqrt{2}\right)^6=8.$$

Les propriétés du module évitent de développer.

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Propriété

Inégalité triangulaire

Pour tous nombres complexes $z$ et $z'$ :

$$|z+z'|\leq |z|+|z'|.$$

Géométriquement, pour trois points $A$, $B$, $C$ : $AC\leq AB+BC$.

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Démonstration

Inégalité triangulaire

On a $|z+z'|^2=(z+z')(\overline{z}+\overline{z'})=|z|^2+|z'|^2+z\overline{z'}+\overline{z}z'$.

Or $\overline{z}z'=\overline{z\overline{z'}}$, donc $z\overline{z'}+\overline{z}z'=2\,\mathrm{Re}\left(z\overline{z'}\right)$.

Pour tout complexe $w=x+iy$, $\mathrm{Re}(w)=x\leq |x|=\sqrt{x^2}\leq\sqrt{x^2+y^2}=|w|$. Donc $$|z+z'|^2\leq |z|^2+|z'|^2+2\left|z\overline{z'}\right|=|z|^2+|z'|^2+2|z|\,|z'|=\left(|z|+|z'|\right)^2.$$ Les deux membres $|z+z'|$ et $|z|+|z'|$ étant positifs, on conclut $|z+z'|\leq |z|+|z'|$.

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Définition

L'ensemble $\mathbb{U}$

On note $\mathbb{U}$ l'ensemble des nombres complexes de module $1$ :

$$\mathbb{U}=\{z\in\mathbb{C}\;:\;|z|=1\}.$$

Ses images forment le cercle de centre $O$ et de rayon $1$, le cercle trigonométrique.

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Propriété

Stabilité de $\mathbb{U}$

  • Si $z$ et $z'$ appartiennent à $\mathbb{U}$, alors $zz'\in\mathbb{U}$, car $|zz'|=|z|\,|z'|=1$.
  • Si $z\in\mathbb{U}$, alors $\dfrac{1}{z}\in\mathbb{U}$, car $\left|\dfrac{1}{z}\right|=\dfrac{1}{|z|}=1$. De plus $z\overline{z}=|z|^2=1$, donc $\dfrac{1}{z}=\overline{z}$.
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4.Forme trigonométrique et forme exponentielle

Définition

Argument

Soit $z$ un nombre complexe non nul et $M$ son image. On appelle argument de $z$ toute mesure, en radians, de l'angle orienté $(\vec{u},\overrightarrow{OM})$. On note $\arg(z)$ l'une de ces mesures.

Si $\theta$ est un argument de $z$, les autres sont les $\theta+2k\pi$, $k\in\mathbb{Z}$. On écrit $\arg(z)=\theta\;[2\pi]$ (« modulo $2\pi$ »).

Le nombre $0$ n'a pas d'argument.

Exemples : $\arg(3)=0\;[2\pi]$, $\arg(-2)=\pi\;[2\pi]$, $\arg(5i)=\dfrac{\pi}{2}\;[2\pi]$, $\arg(-i)=-\dfrac{\pi}{2}\;[2\pi]$.

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Propriété

Forme trigonométrique

Tout nombre complexe non nul $z$ de module $r$ et d'argument $\theta$ s'écrit

$$z=r(\cos\theta+i\sin\theta).$$

C'est une forme trigonométrique de $z$. Si $z=a+ib$, on a $a=r\cos\theta$, $b=r\sin\theta$, donc

$$\cos\theta=\frac{a}{r},\qquad \sin\theta=\frac{b}{r}.$$

Réciproquement, si $z=r(\cos\theta+i\sin\theta)$ avec $r>0$, alors $|z|=r$ et $\arg(z)=\theta\;[2\pi]$. Deux nombres complexes non nuls sont égaux si et seulement s'ils ont même module et des arguments égaux modulo $2\pi$.

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Méthode

Déterminer module et argument de $z=a+ib$

  1. On calcule $r=|z|=\sqrt{a^2+b^2}$.
  2. On calcule $\cos\theta=\dfrac{a}{r}$ et $\sin\theta=\dfrac{b}{r}$.
  3. On reconnaît sur le cercle trigonométrique un angle $\theta$ ayant ce cosinus et ce sinus. Le cosinus seul ne suffit pas : $\dfrac{\pi}{3}$ et $-\dfrac{\pi}{3}$ ont le même cosinus.
  4. On conclut : $z=r(\cos\theta+i\sin\theta)$.

Astuce : on peut mettre $r$ en facteur, $z=r\left(\dfrac{a}{r}+i\dfrac{b}{r}\right)$, et reconnaître les valeurs remarquables entre parenthèses.

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Exemple

Trois formes trigonométriques

  • $z_1=1+i$ : $r=\sqrt{2}$, $\cos\theta=\dfrac{1}{\sqrt{2}}=\dfrac{\sqrt{2}}{2}$, $\sin\theta=\dfrac{\sqrt{2}}{2}$, donc $\theta=\dfrac{\pi}{4}$ et $z_1=\sqrt{2}\left(\cos\dfrac{\pi}{4}+i\sin\dfrac{\pi}{4}\right)$.
  • $z_2=-1+i\sqrt{3}$ : $r=\sqrt{1+3}=2$, $\cos\theta=-\dfrac{1}{2}$, $\sin\theta=\dfrac{\sqrt{3}}{2}$, donc $\theta=\dfrac{2\pi}{3}$ et $z_2=2\left(\cos\dfrac{2\pi}{3}+i\sin\dfrac{2\pi}{3}\right)$.
  • $z_3=\sqrt{3}-i$ : $r=2$, $\cos\theta=\dfrac{\sqrt{3}}{2}$, $\sin\theta=-\dfrac{1}{2}$, donc $\theta=-\dfrac{\pi}{6}$ et $z_3=2\left(\cos\left(-\dfrac{\pi}{6}\right)+i\sin\left(-\dfrac{\pi}{6}\right)\right)$.
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Définition

Notation exponentielle

Pour tout réel $\theta$, on note

$$e^{i\theta}=\cos\theta+i\sin\theta.$$

$e^{i\theta}$ est le nombre complexe de module $1$ et d'argument $\theta$ ; son image est le point du cercle trigonométrique associé à $\theta$. Ainsi $\mathbb{U}=\{e^{i\theta},\;\theta\in\mathbb{R}\}$.

Tout nombre complexe non nul de module $r$ et d'argument $\theta$ s'écrit $z=re^{i\theta}$ : c'est une forme exponentielle de $z$.

Valeurs à connaître : $e^{i0}=1$, $e^{i\pi/2}=i$, $e^{i\pi}=-1$, $e^{-i\pi/2}=-i$, $e^{2i\pi}=1$.

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Propriété

Relation fondamentale

Pour tous réels $a$ et $b$ :

$$e^{ia}\times e^{ib}=e^{i(a+b)}.$$

Cette relation justifie la notation : $\theta\mapsto e^{i\theta}$ transforme les sommes en produits, comme la fonction exponentielle réelle.

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Remarque

Justification de la relation fondamentale

La relation équivaut à $\cos(a+b)=\cos a\cos b-\sin a\sin b$ et $\sin(a+b)=\sin a\cos b+\cos a\sin b$. On peut l'établir avec le produit scalaire de première : pour $\vec{w}_1(\cos a;\sin a)$ et $\vec{w}_2(\cos b;\sin b)$, unitaires et tels que $(\vec{w}_1,\vec{w}_2)=b-a\;[2\pi]$, on a $\vec{w}_1\cdot\vec{w}_2=\cos a\cos b+\sin a\sin b=\cos(b-a)$, d'où $\cos(a-b)$, puis les autres formules. Dans ce chapitre, on prend la relation fondamentale comme point de départ et on en déduit les formules de trigonométrie (section suivante).

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Propriété

Calculs en forme exponentielle

Pour $z=re^{i\theta}$ et $z'=r'e^{i\theta'}$ avec $r,r'>0$, et $n\in\mathbb{Z}$ :

Opération Forme exponentielle Module Argument
$zz'$ $rr'e^{i(\theta+\theta')}$ $rr'$ $\theta+\theta'$
$\dfrac{1}{z}$ $\dfrac{1}{r}e^{-i\theta}$ $\dfrac{1}{r}$ $-\theta$
$\dfrac{z}{z'}$ $\dfrac{r}{r'}e^{i(\theta-\theta')}$ $\dfrac{r}{r'}$ $\theta-\theta'$
$z^n$ $r^ne^{in\theta}$ $r^n$ $n\theta$
$\overline{z}$ $re^{-i\theta}$ $r$ $-\theta$

Les arguments sont donnés modulo $2\pi$. En résumé : $\arg(zz')=\arg z+\arg z'$, $\arg\left(\dfrac{z}{z'}\right)=\arg z-\arg z'$, $\arg(z^n)=n\arg z$, $\arg(\overline{z})=-\arg z\;[2\pi]$.

Justification : le produit découle de la relation fondamentale ; $e^{i\theta}e^{-i\theta}=e^{0}=1$ donne l'inverse ; le conjugué vient de $\cos(-\theta)=\cos\theta$ et $\sin(-\theta)=-\sin\theta$ ; la puissance s'obtient par récurrence.

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Méthode

Calculer une puissance

Pour calculer $z^n$ avec $n$ grand :

  1. On écrit $z$ sous forme exponentielle $re^{i\theta}$.
  2. On calcule $z^n=r^ne^{in\theta}$.
  3. On réduit $n\theta$ modulo $2\pi$ pour se ramener à un angle connu.
  4. On revient à la forme algébrique si on la demande.
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Exemple

Calcul de $(1+i)^{10}$ et de $\left(\dfrac{-1+i\sqrt3}{1+i}\right)$

$1+i=\sqrt{2}e^{i\pi/4}$, donc $(1+i)^{10}=\left(\sqrt{2}\right)^{10}e^{i10\pi/4}=32\,e^{i5\pi/2}$. Or $\dfrac{5\pi}{2}=\dfrac{\pi}{2}+2\pi$, donc $(1+i)^{10}=32e^{i\pi/2}=32i$.

Vérification : $(1+i)^2=2i$, donc $(1+i)^{10}=(2i)^5=32i^5=32i$.

Avec $-1+i\sqrt{3}=2e^{2i\pi/3}$ : $$\frac{-1+i\sqrt{3}}{1+i}=\frac{2e^{2i\pi/3}}{\sqrt{2}e^{i\pi/4}}=\sqrt{2}\,e^{i(2\pi/3-\pi/4)}=\sqrt{2}\,e^{5i\pi/12}.$$

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Attention

Le module est strictement positif

Dans $re^{i\theta}$, le réel $r$ doit être strictement positif. L'écriture $-2e^{i\pi/5}$ n'est pas une forme exponentielle. Comme $-1=e^{i\pi}$ :

$$-2e^{i\pi/5}=2e^{i\pi}e^{i\pi/5}=2e^{6i\pi/5}.$$

Son module est $2$ et un argument est $\dfrac{6\pi}{5}$ (ou $-\dfrac{4\pi}{5}$).

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Attention

Pas de règle pour la somme

Il n'existe aucune formule simple pour le module ou l'argument d'une somme : en général $|z+z'|\neq|z|+|z'|$ et $\arg(z+z')\neq\arg z+\arg z'$. Par exemple $|1+i|=\sqrt{2}$ alors que $|1|+|i|=2$. Pour une somme, on revient à la forme algébrique ou on utilise la méthode de l'angle moitié (section suivante).

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5.Formules de Moivre et d'Euler

Propriété

Formule de Moivre

Pour tout réel $\theta$ et tout entier $n\in\mathbb{Z}$ :

$$\left(e^{i\theta}\right)^n=e^{in\theta},\qquad\text{c'est-à-dire}\qquad(\cos\theta+i\sin\theta)^n=\cos(n\theta)+i\sin(n\theta).$$

Pour $n\in\mathbb{N}$, c'est une récurrence immédiate à partir de la relation fondamentale ; pour $n$ négatif, on utilise $\left(e^{i\theta}\right)^{-1}=e^{-i\theta}$.

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Démonstration

Formules d'addition et de duplication

Soient $a$ et $b$ réels. D'une part $e^{i(a+b)}=\cos(a+b)+i\sin(a+b)$. D'autre part :

$$\begin{aligned}e^{ia}e^{ib}&=(\cos a+i\sin a)(\cos b+i\sin b)\\&=(\cos a\cos b-\sin a\sin b)+i(\sin a\cos b+\cos a\sin b).\end{aligned}$$

Par la relation fondamentale, ces deux nombres sont égaux. On identifie parties réelles et imaginaires (les cosinus et sinus sont réels) :

$$\cos(a+b)=\cos a\cos b-\sin a\sin b,\qquad \sin(a+b)=\sin a\cos b+\cos a\sin b.$$

En remplaçant $b$ par $-b$, avec $\cos(-b)=\cos b$ et $\sin(-b)=-\sin b$ :

$$\cos(a-b)=\cos a\cos b+\sin a\sin b,\qquad \sin(a-b)=\sin a\cos b-\cos a\sin b.$$

En prenant $b=a$ (duplication) :

$$\cos(2a)=\cos^2a-\sin^2a=2\cos^2a-1=1-2\sin^2a,\qquad \sin(2a)=2\sin a\cos a.$$

Les deux dernières formes de $\cos(2a)$ viennent de $\cos^2a+\sin^2a=1$.

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Exemple

Exprimer $\cos(3\theta)$ et $\sin(3\theta)$

On note $c=\cos\theta$ et $s=\sin\theta$. Par la formule de Moivre puis celle du binôme :

$$\cos(3\theta)+i\sin(3\theta)=(c+is)^3=c^3+3c^2(is)+3c(is)^2+(is)^3=\left(c^3-3cs^2\right)+i\left(3c^2s-s^3\right).$$

On identifie, puis on utilise $s^2=1-c^2$ et $c^2=1-s^2$ :

$$\cos(3\theta)=c^3-3c(1-c^2)=4\cos^3\theta-3\cos\theta,$$ $$\sin(3\theta)=3(1-s^2)s-s^3=3\sin\theta-4\sin^3\theta.$$

Contrôle avec $\theta=0$ : $4-3=1=\cos 0$.

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Propriété

Formules d'Euler

Pour tout réel $\theta$ :

$$\cos\theta=\frac{e^{i\theta}+e^{-i\theta}}{2},\qquad \sin\theta=\frac{e^{i\theta}-e^{-i\theta}}{2i}.$$

En effet $e^{-i\theta}=\overline{e^{i\theta}}$, et pour tout complexe $z$ : $z+\overline{z}=2\mathrm{Re}(z)$, $z-\overline{z}=2i\,\mathrm{Im}(z)$. On applique ces relations à $z=e^{i\theta}$, de partie réelle $\cos\theta$ et de partie imaginaire $\sin\theta$.

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Méthode

Linéariser $\cos^n\theta$ ou $\sin^n\theta$

Linéariser, c'est écrire une puissance de $\cos\theta$ ou de $\sin\theta$ comme une somme de termes $\cos(k\theta)$ ou $\sin(k\theta)$ (utile pour calculer une primitive).

  1. On remplace $\cos\theta$ ou $\sin\theta$ par sa formule d'Euler.
  2. On développe avec la formule du binôme.
  3. On regroupe les termes deux par deux : $e^{ik\theta}$ avec $e^{-ik\theta}$.
  4. On applique Euler dans l'autre sens : $e^{ik\theta}+e^{-ik\theta}=2\cos(k\theta)$ et $e^{ik\theta}-e^{-ik\theta}=2i\sin(k\theta)$.
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Exemple

Linéarisation de $\cos^3\theta$

$$\begin{aligned}\cos^3\theta&=\left(\frac{e^{i\theta}+e^{-i\theta}}{2}\right)^3=\frac{1}{8}\left(e^{3i\theta}+3e^{i\theta}+3e^{-i\theta}+e^{-3i\theta}\right)\\&=\frac{1}{8}\left(2\cos(3\theta)+6\cos\theta\right)=\frac{1}{4}\cos(3\theta)+\frac{3}{4}\cos\theta.\end{aligned}$$

On retrouve la formule $\cos(3\theta)=4\cos^3\theta-3\cos\theta$. Application : une primitive de $\theta\mapsto\cos^3\theta$ est $\theta\mapsto\dfrac{1}{12}\sin(3\theta)+\dfrac{3}{4}\sin\theta$.

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Méthode

Factorisation par l'angle moitié

Pour écrire $e^{ia}+e^{ib}$ ou $e^{ia}-e^{ib}$ sous une forme où apparaissent module et argument :

  1. On met en facteur $e^{i\frac{a+b}{2}}$.
  2. Il reste $e^{i\frac{a-b}{2}}\pm e^{-i\frac{a-b}{2}}$, qu'on simplifie avec Euler :

$$e^{ia}+e^{ib}=2\cos\left(\frac{a-b}{2}\right)e^{i\frac{a+b}{2}},\qquad e^{ia}-e^{ib}=2i\sin\left(\frac{a-b}{2}\right)e^{i\frac{a+b}{2}}.$$

  1. On étudie le signe du facteur réel avant de lire module et argument.
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Exemple

Module et argument de $1+e^{i\theta}$

Soit $\theta\in\,]-\pi;\pi[$. On écrit $1=e^{i0}$ et on factorise par $e^{i\theta/2}$ :

$$1+e^{i\theta}=e^{i\theta/2}\left(e^{-i\theta/2}+e^{i\theta/2}\right)=2\cos\left(\frac{\theta}{2}\right)e^{i\theta/2}.$$

Comme $\dfrac{\theta}{2}\in\left]-\dfrac{\pi}{2};\dfrac{\pi}{2}\right[$, on a $\cos\dfrac{\theta}{2}>0$. C'est donc une forme exponentielle : $\left|1+e^{i\theta}\right|=2\cos\dfrac{\theta}{2}$ et $\arg\left(1+e^{i\theta}\right)=\dfrac{\theta}{2}\;[2\pi]$.

Si $\cos\dfrac{\theta}{2}$ était négatif, le module serait $-2\cos\dfrac{\theta}{2}$ et il faudrait ajouter $\pi$ à l'argument.

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6.Racines $n$-ièmes de l'unité

Définition

Racine $n$-ième de l'unité

Soit $n$ un entier naturel non nul. On appelle racine $n$-ième de l'unité tout nombre complexe $z$ tel que $z^n=1$. On note $\mathbb{U}_n$ l'ensemble de ces nombres.

Exemples : $\mathbb{U}_1=\{1\}$ ; $\mathbb{U}_2=\{-1\,;\,1\}$ ; $i\in\mathbb{U}_4$ car $i^4=1$.

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Théorème

Description de $\mathbb{U}_n$

Pour tout entier $n\geq 1$, il y a exactement $n$ racines $n$-ièmes de l'unité :

$$\mathbb{U}_n=\left\{e^{\frac{2ik\pi}{n}},\;k\in\{0,1,\dots,n-1\}\right\}.$$

En notant $\omega=e^{\frac{2i\pi}{n}}$, on a $\mathbb{U}_n=\{1,\omega,\omega^2,\dots,\omega^{n-1}\}$.

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Démonstration

Description de $\mathbb{U}_n$

Les éléments de $\mathbb{U}_n$ sont de module 1. Si $z^n=1$, alors $|z|^n=|z^n|=1$. Comme $|z|$ est un réel positif, $|z|=1$. On peut donc écrire $z=e^{i\theta}$ avec $\theta$ réel.

Équivalence. Pour $z=e^{i\theta}$ : $z^n=e^{in\theta}$, et $e^{in\theta}=1=e^{i0}$ équivaut à $n\theta=0\;[2\pi]$, c'est-à-dire à l'existence d'un entier $k$ tel que $n\theta=2k\pi$, soit $\theta=\dfrac{2k\pi}{n}$. Donc $\mathbb{U}_n=\left\{e^{\frac{2ik\pi}{n}},\;k\in\mathbb{Z}\right\}$.

On se ramène à $k\in\{0,\dots,n-1\}$. Soit $k\in\mathbb{Z}$ ; la division euclidienne donne $k=qn+r$ avec $0\leq r\leq n-1$. Alors $e^{\frac{2ik\pi}{n}}=e^{2iq\pi}e^{\frac{2ir\pi}{n}}=e^{\frac{2ir\pi}{n}}$.

Ces $n$ nombres sont distincts. Pour $0\leq k<k'\leq n-1$, les réels $\dfrac{2k\pi}{n}$ et $\dfrac{2k'\pi}{n}$ sont dans $[0;2\pi[$ et distincts, donc ne diffèrent pas d'un multiple de $2\pi$ : les points correspondants du cercle sont distincts.

$\mathbb{U}_n$ a donc exactement $n$ éléments. Enfin $e^{\frac{2ik\pi}{n}}=\left(e^{\frac{2i\pi}{n}}\right)^k=\omega^k$ par la formule de Moivre.

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Propriété

Propriétés de $\mathbb{U}_n$

  • Pour $n\geq 3$, les images des éléments de $\mathbb{U}_n$ sont les sommets d'un polygone régulier à $n$ côtés inscrit dans le cercle trigonométrique, dont un sommet est le point d'affixe $1$.
  • Le produit de deux éléments de $\mathbb{U}_n$ est dans $\mathbb{U}_n$ ; l'inverse et le conjugué d'un élément de $\mathbb{U}_n$ sont dans $\mathbb{U}_n$.
  • Pour $n\geq 2$, la somme des racines $n$-ièmes de l'unité est nulle : $$\sum_{k=0}^{n-1}\omega^k=1+\omega+\omega^2+\dots+\omega^{n-1}=0.$$
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Démonstration

Somme des racines $n$-ièmes

Soit $n\geq 2$ et $\omega=e^{\frac{2i\pi}{n}}$. Comme $0<\dfrac{2\pi}{n}<2\pi$, on a $\omega\neq 1$. La somme est celle des termes d'une suite géométrique de raison $\omega\neq 1$ (la formule reste valable dans $\mathbb{C}$, sa preuve n'utilisant que les règles de calcul) :

$$\sum_{k=0}^{n-1}\omega^k=\frac{1-\omega^n}{1-\omega}=\frac{1-1}{1-\omega}=0.$$

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Exemple

$\mathbb{U}_3$ et $\mathbb{U}_4$

$\mathbb{U}_3$. On note $j=e^{\frac{2i\pi}{3}}=-\dfrac{1}{2}+i\dfrac{\sqrt{3}}{2}$. Alors $\mathbb{U}_3=\{1\,;\,j\,;\,j^2\}$ avec $j^2=e^{\frac{4i\pi}{3}}=-\dfrac{1}{2}-i\dfrac{\sqrt{3}}{2}=\overline{j}$. On vérifie $1+j+j^2=1-\dfrac12-\dfrac12=0$. Les images forment un triangle équilatéral. On retrouve les solutions de $z^2+z+1=0$, puisque $z^3-1=(z-1)(z^2+z+1)$.

$\mathbb{U}_4$. Avec $\omega=e^{i\pi/2}=i$ : $\mathbb{U}_4=\{1\,;\,i\,;\,-1\,;\,-i\}$. Les images forment un carré et $1+i-1-i=0$.

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Méthode

Résoudre $z^n=a$ avec $a\neq 0$

  1. On écrit $a$ sous forme exponentielle : $a=\rho e^{i\alpha}$ avec $\rho>0$.
  2. On cherche $z$ sous la forme $re^{i\theta}$, $r>0$ ($z=0$ n'est pas solution). L'équation $r^ne^{in\theta}=\rho e^{i\alpha}$ équivaut à $r^n=\rho$ et $n\theta=\alpha\;[2\pi]$.
  3. Donc $r=\rho^{1/n}$ (unique réel positif dont la puissance $n$-ième vaut $\rho$) et $\theta=\dfrac{\alpha}{n}+\dfrac{2k\pi}{n}$.
  4. On obtient exactement $n$ solutions, pour $k\in\{0,\dots,n-1\}$ : $z_k=\rho^{1/n}e^{i\left(\frac{\alpha}{n}+\frac{2k\pi}{n}\right)}$.

Autre lecture : si $z_0$ est une solution, les solutions sont les $z_0\,u$ avec $u\in\mathbb{U}_n$.

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Exemple

Résoudre $z^3=8i$

$8i=8e^{i\pi/2}$. Avec $z=re^{i\theta}$ : $r^3=8$ donc $r=2$, et $3\theta=\dfrac{\pi}{2}\;[2\pi]$ donc $\theta=\dfrac{\pi}{6}+\dfrac{2k\pi}{3}$.

  • $k=0$ : $z_0=2e^{i\pi/6}=2\left(\dfrac{\sqrt3}{2}+\dfrac{i}{2}\right)=\sqrt{3}+i$ ;
  • $k=1$ : $z_1=2e^{5i\pi/6}=-\sqrt{3}+i$ ;
  • $k=2$ : $z_2=2e^{3i\pi/2}=-2i$.

Vérification : $(-2i)^3=-8i^3=8i$. L'ensemble des solutions est $\{\sqrt3+i\,;\,-\sqrt3+i\,;\,-2i\}$.

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7.Applications à la géométrie

Propriété

Distances et angles

Soient $A$, $B$, $C$, $D$ des points d'affixes $a$, $b$, $c$, $d$.

  • $AB=|b-a|$.
  • Si $A\neq B$ : $(\vec{u},\overrightarrow{AB})=\arg(b-a)\;[2\pi]$.
  • Si $A\neq B$ et $A\neq C$ : $$\frac{AC}{AB}=\left|\frac{c-a}{b-a}\right|\qquad\text{et}\qquad(\overrightarrow{AB},\overrightarrow{AC})=\arg\left(\frac{c-a}{b-a}\right)\;[2\pi].$$
  • Plus généralement, si $A\neq B$ et $C\neq D$ : $(\overrightarrow{AB},\overrightarrow{CD})=\arg\left(\dfrac{d-c}{b-a}\right)\;[2\pi]$.
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Démonstration

Angle et quotient

Le vecteur $\overrightarrow{AB}$ a pour affixe $b-a$. Le point $M$ tel que $\overrightarrow{OM}=\overrightarrow{AB}$ a donc pour affixe $b-a$, et $(\vec{u},\overrightarrow{AB})=(\vec{u},\overrightarrow{OM})=\arg(b-a)$. De même $(\vec{u},\overrightarrow{AC})=\arg(c-a)$.

Par la relation de Chasles sur les angles orientés : $$(\overrightarrow{AB},\overrightarrow{AC})=(\overrightarrow{AB},\vec{u})+(\vec{u},\overrightarrow{AC})=\arg(c-a)-\arg(b-a)=\arg\left(\frac{c-a}{b-a}\right)\;[2\pi].$$

Pour le module : $\left|\dfrac{c-a}{b-a}\right|=\dfrac{|c-a|}{|b-a|}=\dfrac{AC}{AB}$.

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Méthode

Reconnaître une configuration avec $Z=\dfrac{c-a}{b-a}$

On suppose $A$, $B$, $C$ distincts et on calcule $Z=\dfrac{c-a}{b-a}$ sous forme algébrique ou exponentielle.

Condition sur $Z$ Conclusion
$Z$ réel $A$, $B$, $C$ alignés
$Z$ imaginaire pur $(AB)\perp(AC)$ : triangle rectangle en $A$
$\lvert Z\rvert=1$ $AB=AC$ : triangle isocèle en $A$
$Z=i$ ou $Z=-i$ triangle rectangle isocèle en $A$
$Z=e^{i\pi/3}$ ou $Z=e^{-i\pi/3}$ triangle équilatéral

Justification : $Z$ réel non nul signifie $\arg Z=0$ ou $\pi\;[2\pi]$, donc $\overrightarrow{AB}$ et $\overrightarrow{AC}$ colinéaires ; $Z$ imaginaire pur non nul signifie $\arg Z=\pm\dfrac{\pi}{2}\;[2\pi]$. Pour l'équilatéral : $AB=AC$ et l'angle en $A$ mesure $\dfrac{\pi}{3}$ en valeur absolue, ce qui caractérise un triangle équilatéral.

Pour deux droites $(AB)$ et $(CD)$ : elles sont parallèles si $\dfrac{d-c}{b-a}$ est réel, perpendiculaires s'il est imaginaire pur.

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Exemple

Nature d'un triangle

Soient $A(1+i)$, $B(3+2i)$, $C(3i)$. On calcule $b-a=2+i$ et $c-a=-1+2i$, puis

$$Z=\frac{c-a}{b-a}=\frac{-1+2i}{2+i}=\frac{(-1+2i)(2-i)}{(2+i)(2-i)}=\frac{-2+i+4i-2i^2}{5}=\frac{5i}{5}=i.$$

$|Z|=1$ donne $AC=AB$ et $\arg Z=\dfrac{\pi}{2}\;[2\pi]$ donne $(\overrightarrow{AB},\overrightarrow{AC})=\dfrac{\pi}{2}\;[2\pi]$. Le triangle $ABC$ est rectangle isocèle en $A$.

Contrôle : $AB=|2+i|=\sqrt5$ et $AC=|-1+2i|=\sqrt5$.

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Exemple

Alignement

Soient $A(1)$, $B(2+i)$, $C(4+3i)$. Alors

$$\frac{c-a}{b-a}=\frac{3+3i}{1+i}=\frac{3(1+i)}{1+i}=3.$$

Ce quotient est réel, donc $A$, $B$, $C$ sont alignés. De plus $\overrightarrow{AC}=3\overrightarrow{AB}$.

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Méthode

Déterminer un ensemble de points

Pour trouver l'ensemble des points $M(z)$ vérifiant une condition :

  1. On repère des points fixes $A(a)$, $B(b)$ et on traduit en distances ou en angles :
    • $|z-a|=r$ ($r>0$) : cercle de centre $A$ et de rayon $r$ ;
    • $|z-a|=|z-b|$ ($a\neq b$) : $MA=MB$, médiatrice de $[AB]$ ;
    • $\dfrac{z-a}{z-b}$ réel ($M\neq B$) : $M$ sur la droite $(AB)$, privée de $B$ ;
    • $\dfrac{z-a}{z-b}$ imaginaire pur ($M\neq B$) : $\overrightarrow{MA}\perp\overrightarrow{MB}$ ou $M=A$, donc cercle de diamètre $[AB]$ privé de $B$.
  2. Si la condition ne se lit pas directement, on pose $z=x+iy$ et on obtient une équation cartésienne.
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Exemple

Ensemble défini par une égalité de modules

On cherche les points $M(z)$ tels que $|z-2i|=|z+1|$. Avec $A(2i)$ et $B(-1)$, l'égalité s'écrit $MA=MB$ : l'ensemble cherché est la médiatrice de $[AB]$.

Vérification par le calcul avec $z=x+iy$ : $x^2+(y-2)^2=(x+1)^2+y^2$, soit $-4y+4=2x+1$, c'est-à-dire $2x+4y-3=0$. Le milieu de $[AB]$, d'affixe $\dfrac{-1+2i}{2}$, soit $\left(-\dfrac12;1\right)$, vérifie bien $-1+4-3=0$.

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Remarque

Rotations et écriture complexe

Les transformations du plan ne figurent pas au programme de mathématiques expertes, mais des exercices guidés peuvent les utiliser. L'écriture $z'-\omega=e^{i\theta}(z-\omega)$ traduit : $\Omega M'=\Omega M$ et $(\overrightarrow{\Omega M},\overrightarrow{\Omega M'})=\theta\;[2\pi]$ (pour $M\neq\Omega$), c'est-à-dire que $M'$ est l'image de $M$ par la rotation de centre $\Omega(\omega)$ et d'angle $\theta$. C'est exactement la lecture de la méthode précédente avec $Z=\dfrac{z'-\omega}{z-\omega}=e^{i\theta}$.

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