Nombres complexes. Les Nombres Complexes

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1 Introduction : Historique : Les Nombres Complexes Au début du XVI ème siècle, le mathématicien Scipione dal Ferro, propose une formule donnant une solution de l'équation du 3 ème degré : A la fin du XVI ème siècle, le mathématicien Bombelli applique cte formule à l'équation littéralement : Il obtient Cte écriture n'a, a priori, pas de sens puisqu'on ne sait pas ce que représente le symbole noté va plus loin Il remarque, en utilisant les règles usuelles de calcul que : Mais Bombelli donc bien qu'il obtient finalement : Or, bien une solution de l'équation Il quand même étrange à partir d une écriture qui n a, a priori, pas de sens, de trouver une solution de l équation Une quion naturelle s' alors posée : peut-on légitimement calculer avec des symboles imaginaires comme cidessus? C' ainsi qu' née la théorie des nombres complexes Nécessité de nouveaux nombres : activité 1 du livre, page 198 I L ensemble C des nombres complexes Définition : L ensemble C des nombres complexes l ensemble qui contient tous les nombres réels, muni des opérations addition multiplication, pour lesquelles les règles de calcul sont les mêmes que dans R, contient un nombre noté tel que, constitué de tous les nombres, où sont des réels Exemples sont des nombres complexes II La forme algébrique d un nombre complexe 1 / Partie réelle, partie imaginaire Définition 1: L écriture sous la forme, où sont des réels, unique elle appelée forme algébrique de Exemples : ; sont des formes algébriques de nombres complexes ; Attention : 4 + n en pas une Définition 2 : un nombre complexe qui s écrit, où sont des réels, alors la partie réelle de, notée, la partie imaginaire de, notée Remarques : la partie réelle la partie imaginaire de sont des nombres réels si un nombre réel (Remarque : R C ; ex : si un nombre imaginaire pur ; ex : i Soit 1

2 Propriété : Deux nombres complexes sont égaux si, seulement si, ils ont la même partie réelle la même partie imaginaire Autrement dit, soit des réels, on a : si, seulement si, Remarques : si, seulement si, réel si, seulement si, imaginaire pur si, seulement si, 2 / Calculs dans l ensemble C Addition multiplication : tous les résultats démontrés dans R, à partir des propriétés de ces opérations sont valables dans C ( à savoir : commutativité, associativité, distributivité de la multiplication par rapport à l addition ) Soit avec réels zz Résultat important : ( ce nombre un réel ) Les identités remarquables vues dans R sont valables dans C Exercice 1 : soit Calculer, (écrire les résultats sous forme algébrique) Exercice 2 : Soit, écrire sous forme algébrique Inverse d un nombre complexe non nul : Soit, avec réels, Quotient de deux nombres complexes : Soit avec réels,, Exercice 3 : soit, calculer Exercice 4 : Soit, où un nombre réel 1 / Ecrire sous forme algébrique 2 / A quelle condition sur le nombre -il réel? Que vaut alors? 3 / A quelle condition sur le nombre -il imaginaire pur? Que vaut alors? Travail en autonomie : savoir-faire 1 2 page 201 ; exercice 60 page 213 III Conjugué d un nombre complexe 1 / Définition Soit le nombre complexe, où sont des réels, le nombre complexe, noté, appelé nombre conjugué de Exemples : soit alors ; soit alors soit alors ; soit alors 2 / Conséquences de la définition Le conjugué de ; on dit que sont des complexes conjugués, où sont des réels, alors ( remarque : ) 2

3 TS Pour tout nombre complexe, Un nombre complexe réel si, seulement si, Un nombre complexe imaginaire pur si, seulement si, Démonstrations : sur feuille annexe 3 / Opérations sur les nombres conjugués Pour tous nombres complexes (, pour tout entier naturel Pour tous nombres complexes Démonstrations : Exercice 5 ( un seul cas, sur feuille annexe) Compléter : ℂ Exercice 6 Résoudre, dans ℂ, les deux équations proposées ; on commencera par écrire 1 2 avec réels 4 / Equations du second degré à coefficients réels Propriété : Soit l équation, d inconnue, où sont des réels, avec Soit le discriminant de cte équation, le nombre réel égal à l équation adm deux solutions réelles distinctes, l équation adm une solution double réelle, l équation adm deux solutions complexes conjuguées, Démonstration (sur feuille annexe) Les cas ont été démontrés en première, on ne démontrera que les résultats du cas Exemple : Résoudre dans ℂ l équation suivante, l équation adm donc deux solutions : L ensemble des solutions Exercice 7 : Résoudre dans ℂ les équations suivantes 1 Exercice 8 : ( logique) ; La condition 2 -elle une condition nécessaire /ou suffisante pour que soit solution de l équation Travail en autonomie : savoir-faire 4 p 203, exercice 83 p 214 3

4 TS IV Affixe, module arguments d un nombre complexe 1 / Représentation géométrique d un nombre complexe On munit le plan d un repère orthonormé direct Définition : A chaque point Le plan alors appelé plan complexe (ou plan de Cauchy ) de coordonnées z appelé l affixe du point on associe l unique nombre complexe ou du vecteur réciproquement, à tout nombre complexe on dit alors que l image de ; on associe un point un seul, de coordonnées y Représentation : 4 Placer dans le plan les points A, B, C E d affixes respectives 3 2 L axe l axe L axe l axe x -1 Remarque : Deux points sont confondus si, seulement si, ils ont la même affixe Deux vecteurs sont égaux si, seulement si, ils ont la même affixe -2-3 Propriétés : En notant 0-4 l affixe d un point (1) l affixe du milieu de (2) l affixe du vecteur (3) l affixe du vecteur celle d un vecteur, on a : ( réel) (4) l affixe du vecteur Démonstrations : à l aide des coordonnées de points ou de vecteurs 2 / Module arguments d un nombre complexe a Définitions : Soit, où sont des réels, Le module de, noté le point d affixe la distance OM, c'-à-dire le nombre réel un argument de, noté une mesure, en radians, de l angle orienté Exemples : Remarques : si, seulement si une mesure de l angle orienté, les autres mesures de c angle sont Un nombre complexe non nul a une infinité d arguments Le module d un nombre réel égal à sa valeur absolue 4

5 TS b Forme trigonométrique d un nombre complexe non nul le plan rapporté à un repère orthonormé direct Propriété-Définition : Soit un nombre complexe non nul, peut s écrire sous la forme Cte écriture la forme trigonométrique de Propriété :, avec, De plus, si réels avec alors réels, alors, où ℝ Démonstrations : sur feuille annexe Exemple : Soit Soit, un argument de ; on a donc la forme trigonométrique de Exercice 9 : Soit, écrire la forme trigonométrique de ce complexe Exercice 10 : Soit le nombre complexe de module 3 d argument, écrire sous forme trigonométrique, puis sous forme algébrique Exercice 11 : Soit, -ce la forme trigonométrique de? non, trouver cte forme c Propriétés des modules des arguments Propriété 1 Soit un nombre complexe non nul un réel si, seulement si, un imaginaire pur si, seulement si, Propriété 2 Pour tout nombre complexe, si, si La propriété 1 résulte directement de la définition de La propriété 2 résulte de symétries par rapport à l axe ; à Propriété 3 Pour tout nombre complexe, Démonstration : sur feuille annexe Propriété 4 calculs produit puissance inverse quotient Module d une somme : Pour tous nombres complexes Démonstrations : sur feuille annexe (inégalité triangulaire ) 5

6 V La notation exponentielle d un nombre complexe 1 / Définitions Soit la fonction qui, à tout réel associe le nombre complexe ce nombre de module 1 d argument La propriété du produit démontrée dans le IV ( propriété 4 ) perm d écrire que a pour module 1 pour argument, ainsi vérifie la relation fonctionnelle des exponentielles : l on étend la notion de dérivée à C, Ainsi Ces analogies conduisent à adopter la notation suivante : Définition : Pour tout réel, on pose ( Notation due à Euler) Exemples : Propriété- Définition : Soit un nombre complexe non nul, de module r d argument s écrit Cte écriture la forme exponentielle de Réciproquement, si avec 2 / Propriétés de calcul Pour tous réels, tout entier naturel (1) ; (2) (3) ; (4) (formule de Moivre ) Application : rrouver des formules de trigonométrie ( sur feuille annexe ) Formules d addition :, à l aide de, sous forme algébrique Formules de duplication : à l aide de, sous forme algébrique Exercice 12 : 1 Ecrire sous forme algébrique les nombres complexes, 2 Ecrire sous forme exponentielle les nombres complexes, En déduire un argument de 6

7 VI géométrie Le plan muni d un repère orthonormé direct Propriété : Soit deux points distincts d affixes respectives, la distance égale à Application : On donne les points arg( ) Soit trois points distincts d affixes respectives, alors Démonstration : sur feuille annexe d affixes respectives 1 Ecrire les affixes des vecteurs, 2 Calculer la distance 3 Exprimer les distances 4 Quel l ensemble des points du plan, tels que? (Point-Méthode) 5 Quel l ensemble des points du plan, tels que? (Point-Méthode) 1 Affixe de 2 Affixe de Affixe de 3 Expressions de : 4 5 Exercice 13 : 1 Soit trois points d affixes respectives, Déterminer la mesure principale de l angle 2 Soit trois points d affixes respectives, démontrer que le triangle ABC isocèle rectangle en A Quelques cas classiques : réel ( non nul différent de 1 ) ssi imaginaire pur (non nul) ssi égal à ssi 7

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