QUELQUES APPLICATIONS DES
NOMBRES COMPLEXES
N.B : Ces applications sont à connaître.
1Linéarisation des polynômes trigonométriques.
1.1 Définition
On peut chercher à transformer un polynôme trigonométrique P en sin xet cos xen
une somme de termes du type sin nx et cos nx (nN). On dit alors qu’on linéarise
le polynôme P.
Exemple : Linéarisation de cos2x:
xR,cos 2x= 2 cos2x1⇔ ∀ xR,cos2x=1
2+1
2cos 2x.
1.2 Méthode générale
Il est possible de linéariser n’importe quel polynôme trigonométrique en appliquant
les formules d’Euler :
xR,cos x=eix +eix
2et xR,sin x=eix eix
2i.
La formule du binôme de Newton appliquée à (eix +eix)net à (eix eix)n
permet le développement de l’expression ainsi obtenue . En ordonnant convenable-
ment les termes du développement, l’expression obtenue peut être écrite sous la
forme d’une combinaison linéaire d’expressions de la forme (eikx +eikx)et
(eikx eikx)avec 1kn. La linéarisation s’obtient alors en réutilisant les
formules d’Euler :
xR, eikx +eikx = 2 cos kx et xR, eikx eikx = 2isin kx.
1
1.3 Exercice résolu
Linéariser l’expression : cos2xsin4x.
xR,cos2xsin4x=1
22(eix +eix)21
24i4(eix eix)4
xR,cos2xsin4x=1
26(e2ix e2ix)2(eix eix)2
xR,cos2xsin4x=1
26(e4ix +e4ix 2)(e2ix +e2ix 2)
xR,cos2xsin4x=1
26(e6ix e2ix 2e4ix e2ix +e6ix 2e4ix + 4)
xR,cos2xsin4x=1
26(e6ix +e6ix 2(e4ix +e4ix)(e2ix +e2ix) + 4)
xR,cos2xsin4x=1
26(2 cos 6x4 cos 4x2 cos 2x+ 4)
xR,cos2xsin4x=1
32(cos 6x2 cos 4xcos 2x+ 2)
1.4 Exercice
Montrer que :
xR,cos xsin4x=1
16(cos 5x3 cos 3x+ 2 cos x).
1.5 Exemple d’application
La linéarisation permet de trouver les primitives des polynômes trigonométriques :
Etant donné un polynôme trigonométrique P, une primitive de P est une
fonction F définie et dérivable sur Rtelle que F’=P.
Exemple : Cherchons une primitive sur Rdu polynôme trigonométrique tel :
xR, P (x) = cos2xsin4x.
La linéarisation obtenue dans la précédente section nous permet d’écrire :
xR, P (x) = 1
32 cos 6x1
16 cos 4x1
32 cos 2x+1
16
Sachant que : nN,xR,(sin nx)0=ncos(nx)et (cos nx)0=nsin(nx),
P admet pour primitive la fonction F définie sur Rpar :
xR, F (x) = 1
192 sin 6x1
64 sin 4x1
64 sin 2x+1
16x.
2
2Calcul de cos et sin .
Rappelons la formule de Moivre :
φR, Z,(cos φ+isin φ)n= cos +isin nφ.
Elle permet de trouver l’expression de cos et de sin en fonction de cos φet de
sin φ.
Exemple : n=2
φR,(cos φ+isin φ)2= cos2φsin2φ+ 2isin φcos φ= cos 2φ+isin 2φ
Donc :
φR,cos 2φ= cos2φsin2φ
et
φR,sin 2φ= 2 sin φcos φ.
Exercice 1. Calculer cos 5φet sin 5φen fonction de cos φet sin φ.
2. En déduire que :
cotan 5φ=110 tan2φ+ 5 tan4φ
5 tan φ10 tan3φ+ tan5φ.
3Formules trigonométriques.
Les formules de trigonométrie vues en 1ère S, et bien d’autres, peuvent être rapide-
ment démontrées en utilisant les complexes.
3.1 Exemples
Exemple n˚1 Soit à démontrer que :
(x;y)R2,cos xcos y=1
2(cos(x+y) + cos(xy)).
On utilise la même méthode vue dans 1.
(x;y)R2,cos xcos y=1
4eix +eixeiy +eiy
(x;y)R2,cos xcos y=1
4ei(x+y)+ei(xy)+ei(yx)+ei(x+y)
(x;y)R2,cos xcos y=1
4ei(x+y)+ei(x+y)+ei(xy)+ei(xy)
(x;y)R2,cos xcos y=1
4(2 cos(x+y) + 2 cos(xy))
Ce qui donne la formule demandée :
(x;y)R2,cos xcos y=1
2(cos(x+y) + cos(xy)).
3
Exemple n˚2 Soit à démontrer que :
(p;q)R2,cos p+ cos q= 2 cos p+q
2cos pq
2·
Cette égalité est une conséquence de l’exemple 1 précédent mais peut être démontrée
directement :
(p;q)R2,cos p+ cos q=1
2(eip +eip +eiq +eiq).
Or :
(p;q)R2, eip+eiq =e
ip+q
2
e
ipq
2+e
ipq
2
= 2e
ip+q
2cos pq
2
Par conséquent :
(p;q)R2,cos p+cos q=1
2(2ei(p+q
2)cos(pq
2)+2ei(p+q
2)cos(p+q
2))(1)
La fonction cosinus étant paire : cos pq
2= cos p+q
2nous avons :
(1) ⇔ ∀ (p;q)R2,cos p+ cos q= cos pq
2
ei(p+q
2)+ei(p+q
2)
(1) ⇔ ∀ (p;q)R2,cos p+ cos q= cos pq
22 cos p+q
2.
Ce qui prouve l’égalité.
3.2 Exercices
1. Démontrer que : xR,sin 3xcos 5x=1
2(sin 8xsin 2x).
2.a. Factoriser f(x) = sin x+ sin 2x+ sin 3x+ sin 4x.
b. En déduire le signe de f(x) sur ]π;π].
4
4Equations du second degré à coefficients complexes.
4.1 Etude d’un exemple
Définition :On appelle racine carrée du nombre complexe z=3 + 4itout nombre
complexe δtel que δ2=3+4i.
On pose δ=x+iy avec (x;y)R2.
1. Expliquer pourquoi x2+y2= 5
2. Résoudre le système
x2y2=3
x2+y2= 5
xy = 2
En déduire toutes les racines carrées de -3 +4i.
3. Déterminer la forme canonique du trinôme z2+z+1+i. En déduire une facto-
risation en utilisant les résultats de la question 2.
4. Résoudre dans Cl’équation z2+z+1+i= 0.
4.2 Généralisation
En admettant que tout nombre complexe possède une racine carrée , proposer et
démontrer une méthode de résolution des équations du second degré à coefficients
complexes.
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