Nombres complexes - IMJ-PRG

Table des mati`eres
1 Nombres complexes 1
1.1 Le corps des nombres complexes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1.1 Sommes et produits de nombres complexes . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1.2 Conjugu´eetmodule ............................... 2
1.2 Repr´esentation g´eom´etrique d’un nombre complexe . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2.1 Formecart´esienne ................................ 3
1.2.2 Forme trigonom´etrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2.3 Formeexponentielle ............................... 6
1.3 Solutions d’´equations polynomiales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.3.1 ´ Equations de premier degr´e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.3.2 Racinescarr´ees.................................. 8
1.3.3 ´ Equations du second degr´e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.3.4 Racines n-i`emes ................................. 11
1.4 Applications `a la trigonom´etrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.4.1 Formules d’Euler et de Moivre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.4.2 Formule du binˆome de Newton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.4.3 Applications ................................... 19
1.5 Exercices ......................................... 22
1.6 Exercices, sujets ann´ees ant´erieures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
1.7 Exercices, rappels et compl´ements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
1

Chapitre 1
Nombres complexes
D´esignons par Rl’ensemble des nombres r´eels. Le carr´e d’un nombre r´eel x∈Rest toujours
positif ou nul : x2≥0. Ainsi, l’´equation x2+ 1 = 0 n’admet pas de solution dans R. En fait, si
x∈R, alors x2+ 1 ≥1>0. Les nombres complexes, construits comme extension des nombres
r´eels, furent introduits afin que de telles ´equations aient des solutions.
Bien que des r´ef´erences aux racines des nombres n´egatifs soient d´ej`a apparues dans l’antiquit´e,
les nombres complexes furent introduits `a la fin du XVIe si`ecle par les math´ematiciens italiens,
et successivement formalis´es par l’´ecole fran¸caise.
1.1 Le corps des nombres complexes
Dans la suite, on note iun nombre imaginaire ayant la propri´et´e i2=−1. Le nombre i, dit
unit´e imaginaire, est l’une des deux solutions de l’´equation alg´ebrique x2+ 1 = 0.
D´efinition 1.1. Un nombre complexe zs’´ecrit de fa¸con unique sous la forme, dite cart´esienne,
suivante :
z=x+iy, avec x, y ∈R.(1.1)
Dans l’´equation (1.1), xs’appelle la partie r´eelle de z, not´ee x= Re(z) ; ys’appelle la partie
imaginaire de z, not´ee y= Im(z).
On d´esigne par Cl’ensemble des nombres complexes.
Notons qu’un nombre complexe z=x+iyest r´eel si et seulement si y= Im(z) = 0. Un nombre
zest dit imaginaire pur si x= Re(z) = 0.
1.1.1 Sommes et produits de nombres complexes
L’ensemble des nombres complexes est muni d’une somme et d’un produit (qui ´etendent somme
et produit usuels dans les nombres r´eels).
D´efinition 1.2. Soient z=x+iyet w=u+ivdeux nombres complexes. La somme z+west
donn´ee par
z+w= (x+iy)+(u+iv) := (x+u) + i(y+v).
Le produit zw est donn´e par
zw = (x+iy)(u+iv) = xu +iyu +ixv +i2yv := (xu −yv) + i(yu +xv).
1

CHAPITRE 1. NOMBRES COMPLEXES 2
Notons que 0 = 0 + i0 est l’´el´ement neutre de la somme :z+ 0 = 0 + z=z. De mˆeme 1 = 1 + i·0
est l’´el´ement neutre du produit :z·1=1·z=z.
Notons aussi que si λ∈Rest un nombre r´eel, le produit λz est donn´e par
λ(x+iy) = λx +iλy.
Pour tout z∈C, il existe un nombre complexe w:= −z, dit sym´etrique de z, tel que z+w= 0.
Si z=x+iy, alors −z=−x+i(−y).
Pour tout z∈C,z6= 0, il existe un nombre complexe w:= z−1, dit inverse de z, tel que
zw =wz = 1. Si z=x+iy, on peut montrer par calcul direct que z−1=x−iy
x2+y2.
1.1.2 Conjugu´e et module
D´efinition 1.3. Soit z=x+iy∈Cun nombre complexe.
Le conjugu´e zde zest donn´e par z=x−iy∈C.
Le module |z|de zest donn´e par |z|=px2+y2∈[0,+∞[.
Notons que |z|2=zz, ou de mˆeme z−1=z
|z|2.
`
A partir des d´efinitions, on obtient les relations suivantes :
Re(z) = z+z
2,Im(z) = z−z 2i.(1.2)
Propri´et´es du conjugu´e
Pour tous z,w∈C, on a
•z+w=z+w,
•zw =z·w,
•z=z(on dit que l’op´eration z7→ zest involutive),
•z∈Rest r´eel si et seulement si z=z,
•z∈iRest imaginaire pur si et seulement si z=−z.
Propri´et´es du module
Pour tous z,w∈C, on a
• |z|= 0 si et seulement si z= 0,
• |z|>0 pour tout z6= 0,
• |z|=|z|,
• |zw|=|z|·|w|,
• |Re(z)| ≤ |z|, avec ´egalit´e si et seulement si z∈R, et de mˆeme |Im(z)|≤|z|, avec ´egalit´e si et
seulement si z∈iR,
• |z+w|≤|z|+|w|(in´egalit´e triangulaire),
•z=|z|si et seulement si z∈[0,+∞[.
D´emonstration de l’in´egalit´e triangulaire. D’abord, notons que
|z+w|2= (z+w)(z+w) = zz +ww +zw +wz =|z|2+|w|2+ 2 Re(zw).
De plus, Re(zw)≤ |zw|=|z||w|. On en d´eduit
|z+w|2≤ |z|2+|w|2+ 2|z||w|= (|z|+|w|)2.
On conclut en utilisant la croissance sur [0,+∞[ de la fonction racine carr´ee.

CHAPITRE 1. NOMBRES COMPLEXES 3
1.2 Repr´esentation g´eom´etrique d’un nombre complexe
1.2.1 Forme cart´esienne
D´efinition 1.4. Consid´erons le plan cart´esien R2, rapport´e `a un rep`ere orthonormal (O, −→ i , −→ j)
donn´e. L’image d’un nombre complexe z=x+iydans le plan R2est le point Mde coordonn´ees
(x, y).
Le vecteur −−→ OM est le vecteur image de z. Le nombre complexe zs’appelle l’affixe du point M,
ou du vecteur −−→ OM.
•Le module |z|est la longueur du segment |OM|, c’est-`a-dire, la distance entre Oet M.
•L’image du conjugu´e zde zest le sym´etrique de l’image de zpar rapport `a l’axe des abscisses.
•L’image de −zest le sym´etrique de l’image de zpar rapport `a l’origine O.
•´ Etant donn´es deux nombres complexes z,w, l’image de la somme z+west donn´ee par la
somme des vecteurs images de zet w.
•Si λ∈Rest un nombre r´eel, l’image de λz est donn´ee par le vecteur image de zmultipli´e par
le scalaire λ.
Voir Figure 1.1 pour une repr´esentation g´eom´etrique de ces op´erations.
R
iRC
z
z
−z
z+w
w
λz
Figure 1.1 – Repr´esentation g´eom´etrique en forme cart´esienne, avec z,w∈C,λ > 1.
1.2.2 Forme trigonom´etrique
D´efinition 1.5. Lorsque z6= 0, l’image de zest distincte de l’origine O. On appelle argument
de z, not´e arg(z), une mesure αde l’angle (−→ i , −−→ OM) (avec signe), bien d´efini `a un multiple de 2π
pr`es. Si r=|z|est le module de z, on a donc
z=r(cos α+isin α),
dite forme trigonom´etrique, ou forme polaire, de z(voir la Figure 1.2 pour une repr´esentation
g´eom´etrique des nombres complexes sous formes cart´esienne et polaire).
Comme on vient de le dire l’argument d’un nombre complexe n’est bien d´efini qu’`a un multiple
de 2πpr`es. On aura donc besoin de la d´efinition suivante.

CHAPITRE 1. NOMBRES COMPLEXES 4
R
iR
C
α= arg(z)
z=x+iy
x= Re z
y= Im z
r=|z|
Figure 1.2 – Forme cart´esienne et polaire d’un nombre complexe.
D´efinition 1.6. Soient a,b∈Rdeux nombres r´eels, et h∈R∗=R r {0}un nombre r´eel
diff´erent de z´ero. On dit que a´equivaut `a bmodulo h, et on le note par a≡b(mod h), ou par
a=b(mod h), si a−best un multiple entier de h. Autrement dit
a≡b(mod h)d´ef ⇐⇒ ∃ k∈Ztel que a=b+kh.
Il y a une d´efinition analogue pour les nombres complexes (il suffit de remplacer Rpar C).
Proposition 1.7. Soient a,b∈R,h,λ∈R∗. Alors a≡b(mod h)si et seulement si λa ≡
λb (mod λh).
D´emonstration. On a :
a≡b(mod h)⇐⇒ ∃ k∈Z|a=b+kh ⇐⇒ ∃ k∈Z|λa =λb +kλh ⇐⇒ λa ≡λb (mod λh).
´
Etant donn´ee la forme trigonom´etrique d’un nombre complexe z=r(cos α+isin α), on retrouve
facilement la forme cart´esienne z=x+iy:
x= Re(z) = rcos α, y = Im(z) = rsin α.
D’autre part, ´etant donn´ee la forme cart´esienne z=x+iyd’un nombre complexe, on se ram`ene
`a la forme trigonom´etrique z=r(cos α+isin α) comme suit :
r=|z|=px2+y2,tan α=y
x.