PCSI1 LES NOMBRES COMPLEXES - résumé de cours 2016-2017
LES NOMBRES COMPLEXES
I - Le corps des nombres complexes :
Les nombres complexes sont les nombres s’écrivant 𝑥+𝑖𝑦, où 𝑥et 𝑦sont des réels (𝑥,𝑦)
et 𝑖une quantité vérifiant l’égalité 𝑖2=1.
Cette écriture est unique sous cette forme : autrement dit, si 𝑥+𝑖𝑦 =𝑥+𝑖𝑦avec 𝑥, 𝑦, 𝑥, 𝑦
réels, alors nécessairement 𝑥=𝑥et 𝑦=𝑦. Attention, on «n’identifie pas» si le caractère réel des
quantités n’est pas assuré : par exemple, 1+0.𝑖 = 0 + 𝑏.𝑖 est vrai pour 𝑏=𝑖 /.
L’ensemble des nombres réels est noté ={𝑧=𝑥+𝑖𝑦 𝑥, 𝑦 }.
Si 𝑧=𝑥+𝑖𝑦 (avec 𝑥,𝑦réels), on note
𝑥=Re(𝑧)et 𝑦=Im(𝑧)(parties réelle et imaginaire du nombre complexe 𝑧).
Calculs dans : si 𝑧=𝑥+𝑖𝑦 et 𝑧=𝑥+𝑖𝑦alors
𝑧+𝑧= (𝑥+𝑥) + 𝑖(𝑦+𝑦)et 𝑧𝑧= (𝑥𝑥𝑦𝑦) + 𝑖(𝑥𝑦+𝑥𝑦).
Muni de ces lois, on dit que l’ensemble , muni des lois +et ×est un corps. L’ensemble contient
(le corps des nombres réels) : un nombre réel est un nombre complexe (réciproque fausse en général,
bien entendu).
Parmi les complexes, les nombres de la forme 𝑦.𝑖 (avec 𝑦réel) sont appelés des imaginaires purs.
Dans le plan muni d’un repère orthonormé direct (𝑂, ⃗𝑒1, ⃗𝑒2), si 𝑀est un point de coordonnées (𝑥, 𝑦),
on dit que 𝑧=𝑧𝑀=𝑥+𝑖𝑦 est l’affixe du point 𝑀. Dans ce cas, la longueur 𝑂𝑀 =
𝑂𝑀
i.e la
norme du vecteur
𝑂𝑀, vaut 𝑂𝑀 =𝑥2+𝑦2. On a la même définition pour un vecteur 𝑣 =𝑥𝑒1+𝑦 ⃗𝑒2
du plan. On note 𝑀(𝑧)(ou 𝑣(𝑧)).
Remarque : l’affixe du vecteur
𝐴𝐵 est 𝑧
𝐴𝐵 =𝑧𝐵𝑧𝐴, et sa norme
𝐴𝐵
=𝑧𝐵𝑧𝐴.
II - Module et conjugué d’un nombre complexe
Si 𝑧=𝑥+𝑖𝑦 (avec 𝑥,𝑦réels), alors on note
¯𝑧=𝑥𝑖𝑦 : le conjugué du complexe 𝑧(c’est un complexe).
∙ ∣𝑧=𝑥2+𝑦2: le module du nombre complexe 𝑧(c’est un réel positif : 𝑧∣ ∈ +).
Remarque 1 :𝑧ׯ𝑧= (𝑥+𝑖𝑦)(𝑥𝑖𝑦) = 𝑥2+𝑦2: ainsi, 𝑧2=𝑧¯𝑧.
Remarque 2 :
𝑧+ ¯𝑧= (𝑥+𝑖𝑦)+(𝑥𝑖𝑦) = 2𝑥= 2Re(𝑧)et 𝑧¯𝑧= (𝑥+𝑖𝑦)(𝑥𝑖𝑦)=2𝑖𝑦 = 2𝑖Im(𝑧).
On en tire les caractérisations suivantes : si 𝑧est un nombre complexe, alors
(𝑧est un réel)(Im(𝑧)=0)(𝑧¯𝑧= 0)(¯𝑧=𝑧)
–1/8– Lycée Faidherbe, Lille
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et
(𝑧est un imaginaire pur)(Re(𝑧) = 0)(𝑧+ ¯𝑧= 0)(¯𝑧=𝑧)
Si Ωest un point d’affixe 𝜔, et 𝑟un réel strictement positif, alors l’ensemble des points 𝑀(𝑧)
tels que 𝑧𝜔=𝑟(i.e
Ω𝑀
= Ω𝑀=𝑟)est le cercle de centre Ω, rayon 𝑟(on obtient le
disque correspondant avec 𝑧𝜔𝑟).
Propriétés : pour (𝑧, 𝑧)2, on a
(𝑧= 0) (Re(𝑧) = Im(𝑧) = 0) (𝑧= 0)
∙ ∣𝑧=¯𝑧
𝑧+𝑧= ¯𝑧+¯
𝑧,𝑧×𝑧= ¯𝑧ׯ
𝑧
∙ ∣𝑧×𝑧=𝑧∣×∣𝑧
si 𝑧= 0, alors 1
𝑧=¯𝑧
𝑧¯𝑧=¯𝑧
𝑧2
ATTENTION : l’égalité 𝑧+𝑧=𝑧+𝑧est FAUSSE en général.
III - L’inégalité triangulaire et ses conséquences
Pour tout (𝑧, 𝑧)2, on a l’inégalité
𝑧+𝑧𝑧+𝑧
La preuve sera faite en cours. Elle utilise notamment les résultats simples suivants :
Si 𝑎et 𝑏sont des réels positifs, alors on a l’équivalence (𝑎𝑏)(𝑎2𝑏2).
Si 𝑧est un nombre complexe, on a : Re(𝑧)Re(𝑧)𝑧.
Conséquences de l’inégalité triangulaire : pour tout (𝑧, 𝑧)2, on a
∙ ∣𝑧∣−∣𝑧𝑧+𝑧𝑧+𝑧
∙ ∣𝑧∣−∣𝑧𝑧𝑧𝑧+𝑧
d’où ∣ ∣𝑧∣−∣𝑧∣ ∣ 𝑧±𝑧𝑧+𝑧
pour tout 𝜔:𝑧𝑧𝑧𝜔+𝑧𝜔
pour tout entier 𝑛2pour tous 𝑧1, 𝑧2, . . . , 𝑧𝑛dans :𝑧1+𝑧2++𝑧𝑛𝑧1+𝑧2++𝑧𝑛.
Cas d’égalité dans l’inégalité triangulaire : pour tout (𝑧, 𝑧)2, on a
(𝑧+𝑧=𝑧+𝑧)𝑧= 0 ou 𝑧= 0 ou 𝑧
𝑧est un réel positif
On a aussi : (𝑧+𝑧=𝑧+𝑧)(𝑧= 0 ou 𝑧= 0 ou arg(𝑧) = arg(𝑧)[2𝜋]) .
Le cas d’égalité correspond donc au cas où, soit l’un des vecteurs 𝑣(𝑧)ou
𝑣(𝑧)est nul, soit ces deux
vecteurs sont colinéaires et de même sens.
–2/8– Lycée Faidherbe, Lille
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IV - Une formule TRES importante (somme des termes d’une suite géométrique)
Si 𝑞est une constante complexe, et 𝑛un entier naturel, alors
𝑛
𝑘=0
𝑞𝑘= 1 + 𝑞+𝑞2+𝑞3++𝑞𝑛=
𝑛+ 1 si 𝑞= 1
1𝑞𝑛+1
1𝑞si 𝑞= 1
V - Une autre formule importante (formule du binôme de Newton)
Factorielle d’un entier naturel :
0! = 1 (convention)
si 𝑛1:𝑛! = 1 ×2×3× ⋅⋅ × 𝑛=
𝑛
𝑘=1
𝑘
Propriété : (𝑛+ 1)! = (𝑛+ 1) ×𝑛!d’où (𝑛+ 1)!
𝑛!=𝑛+ 1 . De même : (𝑛+ 1)!
𝑛+ 1 =𝑛!.
Coefficient binomial 𝑛
𝑘, «𝑘parmi 𝑛» :
Pour des entiers vérifiant 0𝑘𝑛, on pose 𝑛
𝑘=𝑛!
𝑘!(𝑛𝑘)! .
Il représente le nombre de façons de choisir 𝑘éléments dans un ensemble à 𝑛éléments.
Remarque : par convention, si 0𝑘𝑛n’est pas vérifié, on pose 𝑛
𝑘= 0 .
Propriétés : 𝑛
𝑘=𝑛
𝑛𝑘et 𝑛
𝑘=𝑛
𝑘𝑛1
𝑘1(si 1𝑘𝑛).
𝑛
0=𝑛
𝑛= 1,𝑛
1=𝑛,𝑛
2=𝑛(𝑛1)
2.1,𝑛
3=𝑛(𝑛1)(𝑛2)
3.2.1.
Formule générale : 𝑛
𝑘=𝑛
𝑘×𝑛1
𝑘1×𝑛2
𝑘2× ⋅⋅ × 𝑛𝑘+ 2
2×𝑛𝑘+ 1
1.
Exemples : 17
3=17
3×16
2×15
1.
si 0𝑘𝑛1:𝑛
𝑘+𝑛
𝑘+ 1=𝑛+ 1
𝑘+ 1(«formule de Pascal»).
On en déduit la construction du triangle de Pascal :
1
1 1
1 2 1
1 3 3 1
1 4 6 4 1
1 5 10 10 5 1
1 6 15 20 15 6 1
, etc....
–3/8– Lycée Faidherbe, Lille
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«Formule du binôme de Newton ».
Si 𝑎et 𝑏sont des nombres complexes, et 𝑛un entier naturel, alors :
(𝑎+𝑏)𝑛=
𝑛
𝑘=0 𝑛
𝑘𝑎𝑘𝑏𝑛𝑘=𝑛
0𝑏𝑛+𝑛
1𝑎𝑏𝑛1+𝑛
2𝑎2𝑏𝑛2++𝑛
𝑛1𝑎𝑛1𝑏+𝑛
𝑛𝑎𝑛
i.e (𝑎+𝑏)𝑛=𝑏𝑛+𝑛𝑎𝑏𝑛1+𝑛(𝑛1)
2𝑎2𝑏𝑛2++𝑛(𝑛1)
2𝑎𝑛2𝑏2+𝑛𝑎𝑛1𝑏+𝑎𝑛.
Remarque : 𝑎et 𝑏jouant des rôles symétriques dans l’expression (𝑎+𝑏)𝑛, on a également la
formule : (𝑎+𝑏)𝑛=
𝑛
𝑘=0 𝑛
𝑘𝑎𝑛𝑘𝑏𝑘.
Quelques exemples : (𝑎+𝑏)2=𝑎2+ 2𝑎𝑏 +𝑏2,(𝑎+𝑏)3=𝑎3+ 3𝑎2𝑏+ 3𝑎𝑏2+𝑏3,
(𝑎+𝑏)4=𝑎4+ 4𝑎3𝑏+ 6𝑎2𝑏2+ 4𝑎𝑏3+𝑏4,(𝑎+𝑏)5=𝑎5+ 5𝑎4𝑏+ 10𝑎3𝑏2+ 10𝑎2𝑏3+ 5𝑎𝑏4+𝑏5,
(𝑎+𝑏)6=𝑎6+ 6𝑎5𝑏+ 15𝑎4𝑏2+ 20𝑎3𝑏3+ 15𝑎2𝑏4+ 6𝑎𝑏5+𝑏6,
(𝑎+𝑏)7=𝑎7+ 7𝑎6𝑏+ 21𝑎5𝑏2+ 35𝑎4𝑏3+ 35𝑎3𝑏4+ 21𝑎2𝑏5+ 7𝑎𝑏6+𝑏7...
Remarque : en remplaçant 𝑏par 𝑏dans cette dernière formule, on récupère :
(𝑎𝑏)𝑛=
𝑛
𝑘=0 𝑛
𝑘(1)𝑘𝑎𝑛𝑘𝑏𝑘i.e
(𝑎𝑏)𝑛=𝑎𝑛𝑛𝑎𝑛1𝑏+𝑛(𝑛1)
2𝑎𝑛2𝑏2++(1)𝑛2𝑛(𝑛1)
2𝑎2𝑏𝑛2+(1)𝑛1𝑛𝑎𝑏𝑛1+(1)𝑛𝑏𝑛.
Exemples :
(𝑎𝑏)4=𝑎44𝑎3𝑏+ 6𝑎2𝑏24𝑎𝑏3+𝑏4,(𝑎𝑏)5=𝑎55𝑎4𝑏+ 10𝑎3𝑏210𝑎2𝑏3+ 5𝑎𝑏4𝑏5.
Un cas particulier :
(1 + 𝑧)𝑛=
𝑛
𝑘=0 𝑛
𝑘𝑧𝑘=𝑛
0+𝑛
1𝑧+𝑛
2𝑧2++𝑛
𝑛1𝑧𝑛1+𝑛
𝑛𝑧𝑛i.e
(1 + 𝑧)𝑛= 1 + 𝑛𝑧 +𝑛(𝑛1)
2𝑧2++𝑛𝑧𝑛1+𝑧𝑛.
Exemples : (1 + 𝑧)4= 1 + 4𝑧+ 6𝑧2+ 4𝑧3+𝑧4,(1 + 𝑧)5= 1 + 5𝑧+ 10𝑧2+ 10𝑧3+ 5𝑧4+𝑧5.
VI - Paramétrage du cercle trigonométrique
𝕌={𝑧∣ ∣𝑧= 1}=ensemble des nombres complexes de module 1.
(𝑧𝕌)(il existe 𝑡tel que 𝑧= cos(𝑡) + 𝑖sin(𝑡) = 𝑒𝑖𝑡 ).
Remarque : (𝑧𝕌)(𝑧¯𝑧=𝑧2= 1 i.e ¯𝑧=1
𝑧).
Propriété : pour 𝑡et 𝑡réels, on a 𝑒𝑖𝑡 =𝑒𝑖𝑡 =1
𝑒𝑖𝑡 , et 𝑒𝑖(𝑡+𝑡)=𝑒𝑖𝑡 ×𝑒𝑖𝑡.
D’où l’on déduit les formules :
cos(𝑎+𝑏) = cos(𝑎) cos(𝑏)sin(𝑎) sin(𝑏)et cos(𝑎𝑏) = cos(𝑎) cos(𝑏) + sin(𝑎) sin(𝑏)
sin(𝑎+𝑏) = sin(𝑎) cos(𝑏) + sin(𝑏) cos(𝑎)et sin(𝑎𝑏) = sin(𝑎) cos(𝑏)sin(𝑏) cos(𝑎)
cos(2𝑥) = cos2(𝑥)sin2(𝑥) = 2 cos2(𝑥)1et sin(2𝑥) = 2 sin(𝑥) cos(𝑥)
–4/8– Lycée Faidherbe, Lille
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cos(𝑎) cos(𝑏) = 1
2(cos(𝑎+𝑏) + cos(𝑎𝑏)) d’où cos(𝑝) + cos(𝑞) = 2 cos 𝑝+𝑞
2cos 𝑝𝑞
2.
sin(𝑎) sin(𝑏) = 1
2(cos(𝑎+𝑏)cos(𝑎𝑏)) d’où cos(𝑝)cos(𝑞) = 2 sin 𝑝+𝑞
2sin 𝑝𝑞
2.
sin(𝑎) cos(𝑏) = 1
2(sin(𝑎+𝑏) + sin(𝑎𝑏)) d’où sin(𝑝) + sin(𝑞) = 2 sin 𝑝+𝑞
2cos 𝑝𝑞
2.
cos(𝑎) sin(𝑏) = 1
2(sin(𝑎+𝑏)sin(𝑎𝑏)) d’où sin(𝑝)sin(𝑞) = 2 cos 𝑝+𝑞
2sin 𝑝𝑞
2.
En définissant tan(𝑥) = sin(𝑥)
cos(𝑥)pour 𝑥=±𝜋
2[2𝜋], on a
tan(𝑎+𝑏) = tan(𝑎) + tan(𝑏)
1tan(𝑎) tan(𝑏),tan(𝑎𝑏) = tan(𝑎)tan(𝑏)
1 + tan(𝑎) tan(𝑏),tan(2𝑥) = 2 tan(𝑥)
1tan2(𝑥).
Formules d’Euler : cos(𝑡) = 𝑒𝑖𝑡 +𝑒𝑖𝑡
2et sin(𝑡) = 𝑒𝑖𝑡 𝑒𝑖𝑡
2𝑖.
Application : linéarisation. Exemple : cos3(𝑡) = 1
4(cos(3𝑡) + 3 cos(𝑡)).
Factorisation d’une somme de deux complexes de module 1
𝑒𝑖𝑎 +𝑒𝑖𝑏 = 2 cos 𝑎𝑏
2𝑒𝑖𝑎+𝑏
2et 𝑒𝑖𝑎 𝑒𝑖𝑏 = 2𝑖sin 𝑎𝑏
2𝑒𝑖𝑎+𝑏
2
D’où l’on tire : 1 + 𝑒𝑖𝑡 = 2 cos 𝑡
2𝑒𝑖𝑡
2et 1𝑒𝑖𝑡 =2𝑖sin 𝑡
2𝑒𝑖𝑡
2.
Puis 1 + cos(𝑡) = 2 cos2(𝑡
2)et 1cos(𝑡) = 2 sin2(𝑡
2).
Formules de Moivre : pour tout entier 𝑛et 𝑡réel,
(cos(𝑡) + 𝑖sin(𝑡))𝑛= cos(𝑛𝑡) + 𝑖sin(𝑛𝑡), i.e 𝑒𝑖𝑡𝑛=𝑒𝑖𝑛𝑡 !
Application (avec 𝑛= 3) : cos(3𝑡) = 4 cos3(𝑡)3 cos(𝑡)et sin(3𝑡) = 3 sin(𝑡)4 sin3(𝑡).
Rappel : pour tout réel 𝑡,1
𝑒𝑖𝑡 =𝑒𝑖𝑡 =𝑒𝑖𝑡 .
Formules qu’il faut savoir retrouver : pour 𝑡réel et 𝑛,
𝑛
𝑘=0
cos(𝑘𝑡) = 1 + cos(𝑡) + + cos(𝑛𝑡) =
𝑛+ 1 si 𝑡= 0[2𝜋]
sin 𝑛+1
2𝑡
sin 𝑡
2cos 𝑛𝑡
2si 𝑡= 0[2𝜋]
𝑛
𝑘=1
sin(𝑘𝑡) = sin(𝑡) + sin(2𝑡) + + sin(𝑛𝑡) =
0si 𝑡= 0[2𝜋]
sin 𝑛+1
2𝑡
sin 𝑡
2sin 𝑛𝑡
2si 𝑡= 0[2𝜋]
Méthode : remarquer
𝑛
𝑘=0
cos(𝑘𝑡) = Re 𝑛
𝑘=0
𝑒𝑖𝑘𝑡=Re 𝑛
𝑘=0 𝑒𝑖𝑡𝑘, et
𝑛
𝑘=0
𝑞𝑘=
Transformation 𝑎cos(𝑥) + 𝑏sin(𝑥)en 𝐴cos(𝑥𝜑).
Méthode : on pose 𝐴=𝑎2+𝑏2, puis 𝑎cos(𝑥) + 𝑏sin(𝑥) = 𝐴𝑎
𝐴cos(𝑥) + 𝑏
𝐴sin(𝑥), où
(𝑎
𝐴)2+ ( 𝑏
𝐴)2= 1, donc il existe 𝜑tel que cos(𝜑) = 𝑎
𝐴et sin(𝜑) = 𝑏
𝐴.
Enfin : 𝑎cos(𝑥) + 𝑏sin(𝑥) = 𝐴[cos(𝜑) cos(𝑥) + sin(𝜑) sin(𝑥)] = 𝐴cos(𝑥𝜑).
Remarque : il s’agit tout simplement de voir 𝑎cos(𝑥) + 𝑏sin(𝑥)comme la partie réelle du
–5/8– Lycée Faidherbe, Lille
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