Lycée Paul Doumer 2013-2014 TS1 Cours Les nombres complexes Contents 1 Introduction - Une extension des ensembles de nombres 2 2 Forme algébrique d un nombre complexe 3 2.1 Définitions et vocabulaire.............................. 3 2.2 Opérations dans C.................................. 4 2.3 Conjugué d un nombre complexe.......................... 6 2.4 Représentation dans le plan clomplexe....................... 6 3 Forme trigonométrique 8 4 Notation exponentielle 8 1
1 Introduction - Une extension des ensembles de nombres Dans les années précédentes, on a manipulé différents types de nombres : d abord les entiers naturels (formant l ensemble N), puis les entiers relatifs (formant l ensemble Z), puis les nombres décimaux (formant l ensemble D), puis les nombres rationnels (formant l ensemble Q) et enfin les réels (formant l ensemble R). À chaque fois, l introduction d un nouvel ensemble de nombres était motivé par l insuffisance du précédent pour la résolution de certains problèmes mathématiques. D Q R 27 N 0 Z -6 0,72 1 6 π 2 On cherche à résoudre des équations du premier ou second degré dans ces différents ensembles. 1. (a) L équation x + 5 = 0 a-t-elle des solutions dans N? La résoudre dans Z. (b) Résoudre dans N, puis dans Z, l équation : x 2 9 = 0 2. (a) L équation 2x 1 = 0 a-t-elle des solutions dans Z? La résoudre dans Q. 2
(b) Résoudre dans Z, puis dans Q, l équation : x 2 25 9 = 0 3. (a) L équation x 2 2 = 0 a-t-elle des solutions dans Q? La résoudre dans R. (b) Résoudre dans Q, puis dans R, l équation : ( 3x 2 1 + 3 ) 3 x + 3 = 0 4. (a) L équation x 2 + 1 = 0 a-t-elle des solutions dans R? (b) On travaille dans un nouvel ensemble. On note i, première lettre du mot imaginaire, l une des solutions de l équation x 2 + 1 = 0. En utillisant les mêmes règles de calculs que dans R, résoudre les équaitons x 2 +1 = 0, x 2 = 2 et (x 2) 2 = 1. 2 Forme algébrique d un nombre complexe 2.1 Définitions et vocabulaire Théorème : Il existe un ensemble noté C, appelé ensemble des nombres complexes, qui possède les propriétés suivantes : L ensemble des nombres réels R est inclus dans C; l addition et la multiplication des nombres réels se prolongent aux nombres complexes et les règles de calculs restent les mêmes; C contient un nombre noté i tel que i 2 = 1; tout nombre complexe z s écrit de manière unique z = a+ib, avec a et b des réels. Définition : L écriture a = a + ib avec a et b réels est la forme (ou l écriture) algébrique du nombre complexe z. a est la partie réelle de z, elle est notée Re (z) b est la partie imaginaire de z, elle est notée Im (z) Exemple : Si z = 2 + 4i, alors Re(z) = 2 et Im(z) = 4 Si z = 3, alors Re(z) = 3 et Im(z) = 0 Remarque : Si z = 1 5 i, alors Re(z) = 0 et Im(z) = 1 5 3
Lorsque b = 0, z est un réel. Lorsque a = 0, z = ib (avec b réel) est un imaginaire pur. 0 est le seul complexe à la fois réel et imaginaire pur. 2.2 Opérations dans C Pour effectur des calculs dans C, il suffit d utilsier i 2 = 1 et les mêmes règles de calculs que dans R. Dans la suite, on considère deux nombres complexes écrits sous formes algébriques : z = a + ib et z = a + ib avec a, b, c, et d des réels Somme de deux nombres complexes z + z = (a + ib) + (a + ib ) = (a + a ) + i (b + b ) Produit de deux nombres complexes z z = (a + ib) (a + ib ) = aa bb + i (ab + ba ) Inverse de deux nombres complexes 1 z = 1 a + ib = a ib a 2 + b 2 Remarque : On retrouve ce résultat en multipliant le dénominateur par sa quantité conjuguée.. Quotient de deux nombres complexes z = a + ib = (a + ib) 1 z a + ib a + ib pour z non nul Remarque : Conséquence de la propriété i 2 = 1 En utilisant la propriété i 2 = 1, on peut déterminer la forme algébrique des nombres complexes. Exemple, (3i) 2 est un nombre complexe non présenté sous sa forme algébrique. Cependant : (3i) = 3 2 i 2 = 9 ( 1) = 9 4
Conséquence de l unicité de la forme algébrique 1. a + ib = 0 { a = 0 b = 0 ou encore z = 0 { Re(z) = 0 Im(z) = 0 2. Deux nombres complexes sont egaux, si et seulement si, ils ont la même partie réelle et la même partie imaginaire. Si z = a + ib et z = a + ib avec a, b, a et b des réels. Alors : { a = a z = z b = b { Re(z) = Re(z ) Im(z) = Im(z ) Exemple : Résoudre dans C l équation Remarque : i z 2 Donc Re(z) = +2 et Im(z) = 1 3. i z 2 = 3 = 3 i = 3 (z 2) z = 1 3 i + 2 Un nombre complexe est réel, si et seulement si, sa partie imaginaire est nulle. Un nombre complexe est imaginaire pur, si et seulement si, sa partie réelle est nulle. 5
2.3 Conjugué d un nombre complexe Définition : Soit z = a + ib un nombre complexe. Le nombre complexe a ib est appelé conjugué de z et est noté z. On a ainsi : z = a ib Exemples : 3 + 4i = 3 4i 1 i = 1 + i 7 = 7 i = i Soient z et z deux nombres complexes quelconques. 1. z + z = z + z 2. z z = z z 3. z n = z n pour tout entier naturel n ( ) 1 4. Si z 0, alors = 1z ( ) z z et = z z z 5. zz = a 2 + b 2 (avec z = a + ib). Le nombre zz est un réel positif ou nul. 6. z est un réel si, et seulement si, z = z 7. z est un imaginaire pur si, et seulement si, z = z Démonstration : Remarque : z = z Exemples : 2 3i 1 + i = 2 3i 1 + i = 2 + 3i 1 i (2 i) 2 = (2 + i) 2 2.4 Représentation dans le plan clomplexe Le plan est rapporté à un repère orthonormé direct (0; u ; v ). Il est ainsi appelé plan complexe. 6
Définition : Représentation géométrique d un nombre complexe À tout nombre complexe z = a + ib, avec a et b réels, on associe le point M (a; b) appelé point image de z. Réciproquement, à tout point M (a; b) du plan complexe, on associe le nombre complexe z = a + ib appelé affixe du point M. b M (a; b) L axe des abscisses est appelé axe des réels et l axe des ordonnées est apelé axe des imaginaires purs. v O u a Remarque : L affixe du point M se note z M. Exemple : le point A d affixe i a pour coordonnées (0; 1) le point B d affixe 2i a pour coordonnées (0; 2) le point C d affixe 1+i a pour coordonnées (1; 1) le point D d affixe 2 a pour coordonnées ( 2; 0) 1 A C v D 2 1 O 0 u 1 2 1 2 B Remarque : Soit M un point d affixe z. M appartient à l axe des abscisses Im(z) = 0. M appartient à l axe des ordonnées Re(z) = 0. Remarque : Les points d affixes z et z sont symétriques par rapport à l axe (O; u ). Définition : Affixe d un vecteur De même qu à ( un) point M (a; b), on associe son affixe z = a + ib, à tout vecteur w de a coordonnées ; on associe le nombre complexe z = a + ib appelé affixe de w. b 7
On a les résultats suivants : 1. z AB = z B z A 2. z w + w = z w + z w 3. z k w = kz w, avec k un réel 4. Soit I le milieu de [AB], alors z I = z A + z B 2 3 Forme trigonométrique 4 Notation exponentielle 8