Notes sur les nombres complexes et la trigonométrie Table des mati

L.E.G.T.A. Le Chesnoy TB2 2010-2011
D. Blotti`ere Math´ematiques
Notes sur les nombres complexes et la trigonom´etrie
Table des mati`eres
1 Trois aspects des nombres complexes 2
2 Passage d’un aspect `a l’autre 2
3 Formules de trigonom´etrie et propri´et´es de θ7→ e2
4 Conjugaison complexe 3
5 Nombres complexes et vecteurs du plan 4
6 Propri´et´es du module 4
7 Propri´et´es de l’argument 4
8 Remarque sur la forme trigonom´etrique d’un produit ou d’un quotient 4
9 Formules de Moivre et formules d’Euler 5
10 R´esolution dans Cdes ´equations du second degr´e `a coefficients r´eels 5
11 Somme et produit des racines d’un trinˆome du second degr´e 6
12 ´
Equations trigonom´etriques 6
1
1 Trois aspects des nombres complexes
On fixe un rep`ere (O;
u ,
v) du plan et on oriente le plan dans le sens direct. Un nombre complexe za trois
aspects distincts (forme alg´ebrique, forme trigonom´etrique, interpr´etation g´eom´etrique) et pourtant tr`es li´es.
Forme alg´ebrique : Tout nombre complexe zs’´ecrit de fa¸con unique sous la forme z=a+ib, avec a, b R.
aest appel´e partie r´eelle de zet bpartie imaginaire de z.
Forme trigonom´etrique : Tout nombre complexe znon nul s’´ecrit de fa¸con unique sous la forme z=re,
o`u rR+et θ]π;π]. eest d´efini par l’´egalit´e e= cos(θ) + isin(θ). rest appel´e module de zet est not´e
|z|,θest appel´e argument de zet est not´e arg(z).
Interpr´etation g´eom´etrique : `
A chaque point Mdu plan, on fait correspondre un unique nombre complexe
z, appel´e affixe de M. De plus, tout nombre complexe est l’affixe d’un unique point du plan.
2 Passage d’un aspect `a l’autre
y
x
Forme alg´ebrique :z=x+iy, avec xet yr´eels
Point Md’affixe z
xest l’abscisse de M
yest l’ordonn´ee de M
Forme polaire :z=re,
avec run eel positif et θdans ] π;π]
Interpr´etation g´eom´etrique
r=OM
θ= (
u;
OM ) [2π]
x=rcos(θ)
y=rsin(θ)
r=a2+b2
θest solution dans ] π;π] de
cos(θ) = a
a2+b2=a
r
sin(θ) = a
a2+b2=b
r
O
u
v
M
r
θ
Remarque : Pour d´eterminer la forme trigonom´etrique d’un nombre complexe donn´e sous forme alg´ebrique,
il est utile de bien connaˆıtre les valeurs des cosinus et sinus des angles remarquables (e.g. : π
2,π
3,π
4,π
6) ou de
savoir les retrouver `a l’aide du cercle trigonom´etrique.
3 Formules de trigonom´etrie et propri´et´es de θ7→ e
Cons´equences de la d´efinition de cosinus et sinus
1. θR1cos(θ)1 et 1sin(θ)1
2. θR, k Zcos(θ+ 2kπ) = cos(θ) et sin(θ+ 2kπ) = sin(θ)
3. θRcos(θ) = cos(θ) et sin(θ) = sin(θ)
4. θRcos2(θ) + sin2(θ) = 1.
Formules d’addition
1. θ1, θ2Rcos(θ1+θ2) = cos(θ1) cos(θ2)sin(θ1) sin(θ2)
2
2. θ1, θ2Rcos(θ1θ2) = cos(θ1) cos(θ2) + sin(θ1) sin(θ2)
3. θ1, θ2Rsin(θ1+θ2) = sin(θ1) cos(θ2) + cos(θ1) sin(θ2)
4. θ1, θ2Rsin(θ1θ2) = sin(θ1) cos(θ2)cos(θ1) sin(θ2)
Formules de duplication
1. θRcos(2θ) = cos2(θ)sin2(θ)
2. θRsin(2θ) = 2 sin(θ) cos(θ)
Les formules de duplication se d´eduisent des formules d’addition (en posant θ=θ1=θ2dans la formule ad hoc).
Transformation d’un cosinus en sinus et r´eciproquement
1. θRcos π
2θ= sin(θ)
2. θRsin π
2θ= cos(θ)
Ces formules de transformation peuvent se eduire des formules d’addition (en posant θ1=π
2et θ2=θdans
la formule ad hoc). On peut les retrouver en utilisant le cercle trigonom´etrique.
Propri´et´es de θ7→ e
1. θ1, θ2Re1.e2=ei(θ1+θ2).
2. θR, n Z(e)n=einθ .
Remarque : La formule 1 ci-dessus se eduit directement des formules d’addition.
e1.e2= (cos(θ1) + isin(θ1))(cos(θ2) + isin(θ2)) (d´efinition de e1et e2)
= [cos(θ1) cos(θ2)sin(θ1) sin(θ2)] + i[cos(θ2) sin(θ1) + cos(θ1) sin(θ2)]
= cos(θ1+θ2) + isin(θ1+θ2) (formules 1 et 3 de duplication)
=ei(θ1+θ2)(d´efinition de ei(θ1+θ2))
4 Conjugaison complexe
D´efinition : Soit z=a+ib un nombre complexe, avec a, b R. Le conjugu´e de z, not´e z, est le nombre
complexe efini par z=aib.
Propri´et´es alg´ebriques de la conjugaison
1. zCz=zsi zR, en particulier 0 = 0 et 1 = 1.
2. zCz=z.
3. z1, z2Cz1=z2z1=z2
4. z1, z2Cz1+z2=z1+z2.
5. z1, z2Cz1.z2=z1.z2.
6. z1C, z2Cz1
z2=z1
z2
.
7. zC, n Zzn= (z)n.
8. θRe=e.
Caract´erisation des r´eels et des imaginaires purs
1. zCzRz=z.
2. zCzimaginaire pur (i.e. z=ib o`u bR)⇒ −z=z.
Conjugaison et sym´etrie par rapport `a l’axe des abscisses
Soit Mun nombre complexe d’affixe z. Alors le point du plan d’affixe zest le sym´etrique de Mpar rapport `a
l’axe des abscisses.
3
5 Nombres complexes et vecteurs du plan
D´efinition (affixe d’un vecteur) : Soit
wun vecteur du plan et soient Aet Bdeux points du plan tels que
AB =
w. On note zAet zBles affixes respectives de Aet B. L’affixe de
w, not´ee z
w, est le nombre complexe
efini par
z
w=zBzA.
Ce nombre complexe est ind´ependant du choix de Aet B. On a en particulier
z
AB =zBzA.
6 Propri´et´es du module
Module et op´erations dans C
1. z1, z2C|z1+z2| ≤ |z1|+|z2|(in´egalit´e triangulaire)
2. z1, z2C|z1.z2|=|z1|.|z2|
3. z1C,z2C
z1
z2
=|z1|
|z2|
4. zC, n Z|zn|=|z|n
Module et longueurs
1. Soit
wun vecteur du plan. Alors ||
w|| =|z
w|.
2. Soient M1et M2deux points du plan d’affixes respectives z1et z2, alors M1M2=||
M1M2|| =|z2z1|.
7 Propri´et´es de l’argument
Exemples d’arguments
1. arg(1) = arg(8) = arg(2) = 0 et plus en´eralement arg(a) = 0 si aR+
2. arg(3) = arg(9) = arg(13) = πet plus en´eralement arg(a) = πsi aR−∗
3. arg(i) = π
2et arg(i) = π
2
Argument et op´erations dans C
1. z1, z2Carg(z1.z2) = arg(z1) + arg(z2) [2π]
2. zC, n Zarg(zn) = narg(z) [2π]
3. z1, z2Carg z1
z2= arg(z1)arg(z2) [2π]
Argument et angles
1. Soient
w1et
w2deux vecteurs non nuls d’affixes respectives z
w1et z
w2. Alors (
w1;
w2) = arg z
w2
z
w1[2π].
2. Soient A,B,Cdes points du plan, tels que A6=Bet A6=C, d’affixes respectives zA,zB,zC. Alors
(
AB;
AC) = arg zCzA
zBzA[2π].
8 Remarque sur la forme trigonom´etrique d’un produit ou d’un quo-
tient
Si z1et z2sont des nombres complexes non nuls ayant comme formes polaires z1=r1e1et z2=r2e2, alors
la forme polaire de z1z2est r1r2ei(θ1+θ2),
la forme polaire de 1
z2
est 1
r2
e2,
donc la forme polaire de z1
z2
est r1
r2
ei(θ1θ2).
La forme polaire est bien adapt´ee aux probl`emes qui comportent des multiplications ou des divisions de nombres
complexes.
4
9 Formules de Moivre et formules d’Euler
Formules de Moivre
1. θR, n Z(cos(θ) + isin(θ))n= cos() + isin()
2. θR, n Z(cos(θ)isin(θ))n= cos()isin()
Formules d’Euler
1. θRcos(θ) = e+e
2
2. θRsin(θ) = ee
2i
Toutes ces formules se d´eduisent imm´ediatement des relations e= cos(θ) + isin(θ) et (e)n=einθ , o`u
θR, n Z.
Une application des formules d’Euler : la lin´earisation de polynˆomes trigonom´etriques
Les formules d’Euler permettent de lin´eariser des produits du type cosn(θ), sinm(θ) ou cosn(θ) sinm(θ), o`u θR,
n, m N, c’est-`a-dire de les transformer en somme de termes du type acos(αθ) ou bsin(βθ), o`u a, b, α, β R.
Ces transformations sont particuli`erement pr´ecieuses dans la recherche de primitives.
Exemple de lin´earisation :
cos4(θ) = e+e
24
(formule d’Euler)
=1
24(e+e)4
=1
24(ei4θ+ 4ei2θ+ 6 + 4ei2θ+ei4θ) (formule du binˆome)
=1
24(ei4θ+ei4θ+ 4(ei2θ+ei2θ) + 6)
=1
24(2 cos(4θ) + 4 ×2 cos(2θ) + 6) (formule d’Euler)
=1
8cos(4θ) + 1
2cos(2θ) + 3
8.
10 R´esolution dans Cdes ´equations du second degr´e `a coefficients
r´eels
Th´eor`eme (solution(s) dans Cde ax2+bx +c= 0)
Soit un trinˆome du second dege `a coefficients r´eels ax2+bx +c(avec a, b, c Ret a6= 0 donc), et soit
∆ = b24ac son discriminant.
Si ∆ = 0, alors l’´equation ax2+bx +c= 0 a une unique solution : b
2a.
Si >0, alors l’´equation ax2+bx +c= 0 a deux solutions eelles : b
2aet b+
2a.
Si ∆ <0, alors l’´equation ax2+bx +c= 0 a deux solutions complexes conjugu´ees : bi
2aet
b+i
2a.
Application : L´equation x2+x+ 1 = 0 a deux solutions dans C:j=1
2+i3
2et j.
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