Les nombres complexes
1 R´evisions
1.1 Repr´esentation des nombres complexes
1.1.1 ´
Ecriture alg´ebrique
1.1.2 Parties r´eelle et imaginaire
On invente un objet not´e itel que i2=1 et on appelle nombres complexes les objets de la forme a+bi. Leur
ensemble est not´e C. Pour tout nombre complexe z, le couple (a,b) tel que z=a+bi est unique.
as’appelle la partie r´eelle de zet se note Re(z).
bs’appelle la partie imaginaire de zet se note Im(z).
1.2 Op´erations
1.2.1 Additions, produit, quotient
Les op´erations sont d´efinies pour prolonger celles des nombres r´eels.
Ainsi, pour z=a+bi et z=a+bi, on a z+z= (a+a) + (b+b)iet zz= (aabb) + (ab+ab)i.
On voit alors que lors zest diff´erent de 0 c’est-`a-dire lorsque (a,b)6= (0,0), on peut d´efinir 1
z=a
a2+b2+b
a2+b2i.
On peut alors aussi d´efinir le quotient de deux nombres complexes d`es que le d´enominateur est non nul.
1.2.2 Propri´et´es
Elles prolongent celles des op´erations analogues dans R.
L’addition est :
associative :(z, z, z′′)C3,(z+z) + z′′ =z+ (z+z′′ )
commutative :(z,z)C2, z +z=z+z.
Elle admet un ´el´ement neutre : 0. On a donc : zC, z + 0 = 0 + z=z.
Tout ´el´ement admet un sym´etrique appel´e oppos´e : zC,zC, z +z=z+z= 0.On note z=z.
Le produit est :
associatif :(z,z,z′′ )C3,(zz)z′′ =z(zz′′)
commutatif :(z,z)C2, zz=zz.
Il admet un ´el´ement neutre not´e 1 : zC, z.1 = 1.z =z
Il est distributif par rapport `a l’addition : (z,z,z′′ )C3, z(z+z′′ ) = zz+zz′′ et (z+z′′ )z=zz+z′′z.
Tout ´el´ement znon nul admet un sym´etrique appel´e inverse et not´e 1
zou z1.
1.3 Conjugaison
1.3.1 D´efinition
Pour tout nombre complexe z=a+bi avec c(a,b)R2, on pose z=abi. c’est le conjugu´e de z.
1.3.2 Propri´et´es
La conjugu´ee d’une somme est la somme des conjugu´ees : (z,z)C2,z+z=z+z.
Le conjugu´e d’un produit est le produit des conjugu´es : (z,z)C2,zz=z×z.
Le conjugu´e de l’inverse est l’inverse du conjugu´e, le conjugu´e d’un quotient est le quotient des conjugu´es.
1.3.3 Lien avec les parties r´eelle et imaginaire
On obtient facilement les relations : zC,Re(z) = z+z
2,Im(z) = zz
2i
1
1.4 Repr´esentation dans le plan
1.4.1 Affixe d’un point, d’un vecteur
Le plan usuel ´etant muni d’un rep`ere orthonorm´e direct (O;~ı,~), on associe `a tout point Mde coordonn´ees (x,y)
son affixe z(M) = x+iy.
`
A tout vecteur
ude coordonn´ees (x,y) dans la base (~ı,~), on associe son affixe z(
u) = x+iy.
1.4.2 Lien avec l’addition et la soustraction
Pour deux vecteurs
uet
ud’affixe respectives zet z, on v´erifie imm´ediatement que
u+
ua pour affixe z+z.
Si deux points Met Mont pour affixe respectives zet z, alors
MMa pour affixe zz.
1.5 Module
1.5.1 D´efinition et expressions
On observe que, pour tout nombre complexe z=a+bi avec (a,b)R2, le nombre zׯzest un eel positif ; en
effet : zׯz= (a+bi)(abi) = a2(bi)2=a2(b2) = a2+b2. On peut donc poser
|z|=z¯z=pa2+b2
On voit alors imm´ediatement que : zC,|¯z|=|z|et que |Re(z)|6|z|et |Im(z)|6|z|.
1.5.2 Propri´et´es
zC,|z|= 0 z= 0 (´evident)
(z,z)C2,|zz|=|z| × |z|car |zz|2= (zz)zz=zz ×zz=|z|2|z|2.
(z,z)C2,|z+z|6|z|+|z|(In´egalit´e triangulaire). En effet :
|z+z|2= (z+z)(z+z) = zz +zz+zz+zz=|z|2+ 2Re(zz) + |z|2d’une part et, d’autre part :
(|z|+|z|)2=|z|2±2|z|z|+|z|2. Or Re(zz)6|Re(zz)|6|zz|=|z| × |z|d’o`u l’in´egalit´e annonc´ee.
(z,z)C2,|z |z|6| |z| − |z| |.
Le montrer en exercice :
1.5.3 Interpr´etation g´eom´etrique
Si ~u a pour affixe zalors |z|=k~uk.
1. ´
Etablir |z|6|zz|+|z|.
2. ´
Echanger les rˆoles de zet z.
3. Se rappeler que la valeur absolue d’un r´eel xest le plus grand des deux nombres xet x.
1.5.4 Distance de deux complexes
On d´efinit la distance de deux complexes zet zpar d(z,z) = |zz|.
Elle erifie les propri´et´es suivantes :
(z,z)C2,d(z,z) = 0 z=z.
(z,z)C2,d(z,z) = d(z,z)
(z,z,z′′ )C3,d(z,z′′ )6d(z,z) + d(z,z′′ ) C’est l’in´egalit´e triangulaire pour les distances.
2 Calcul dans C
2.1 Manipulation de sommes
2.1.1 Le symboles P
´
Etant donn´ee une liste (ui)m6i6nde complexes, la somme des uise note
n
X
i=m
ui.
2
Il faut penser qu’on prend le premier terme um, on lui ajoute le suivant um+1 puis on ajoute um+2 etc jusqu’`a un.
L’indice in’est qu’un compteur ; il n’a pas de valeur d´etermin´ee et ne doit pas apparaˆıtre dans la somme finale ;
par exemple
n
X
i=1
i=n(n+ 1)
2.
On peut d´ecider d’additionner `a partir du dernier terme :
n
X
i=m
ui=
nm
X
i=0
uniSi l’on a deux listes (ui)m6i6net
(vi)m6i6nalors
n
X
i=m
(ui+vi) =
n
X
i=m
ui+
n
X
i=m
vi
2.1.2 T´elescopage
Lorsque les termes uise pr´esentent comme diff´erences de deux termes cons´ecutifs d’une autre suite, on peut
calculer les sommes par elescopage:
Supposons en effet qu’il existe une suite (vi)iNtelle que, pour tout iN, ui=vi+1 vi.
Pour nN, calculons
n
X
i=0
uien d´etaillant `a partir du dernier terme.
n
X
i=0
ui=un+un1+un2+···+u2+u1+u0
= (vn+1 vn) + (vnvn1) + (vn1vn2) + ···+ (v3v2) + (v2v1) + (v1v0).
On voit ainsi que tous les termes s’´eliminent sauf vn+1 et v0. On a donc
n
X
i=0
ui=vn+1 v0.
C’est ce qu’on appelle le t´elescopage.
Pour le d´emontrer plus rigoureusement, on proc`ede ainsi :
n
X
i=0
ui=
n
X
i=0
(vi+1 vi=
n
X
i=0
vi+1
n
X
i=0
vi=
n+1
X
i=1
vi
n
X
i=0
vi= n
X
i=1
vi!+vn+1 v0 n
X
i=1
vi!=vn+1 v0
Le clou de la d´emonstration est le passage
n
X
i=0
vi+1 =
n+1
X
i=1
vi.
Dans le membre de gauche, on additionne les termes vi+1 pour ide 0 `a nautrement dit on additionne v1, v2, . . . , vn+1
ce qui donne bien le membre de droite.
2.1.3 Sommes index´ees par un rectangle
On se donne un tableau rectangulaire `a mlignes index´ees par iallant de 1 `a met ncolonnes index´ees par jallant
de 1 `a no`u met nsont deux entiers strictement positifs. Dans chaque case du tableau on met un nombre que
l’on rep`ere par le couple (i,j) form´e par son num´ero de ligne et de colonne ; on note ai,j le nombre `a l’intersection
de la i-`eme ligne et de la j-`eme colonne.
Pour additionner tous les nombres du tableau, on peut d´ecider de faire les sommes des termes de chaque ligne
puis d’additionner les r´esultats obtenus. La somme des termes de i-`eme ligne est
n
X
j=1
ai,j et la somme des sommes
est
m
X
i=1
n
X
j=1
ai,j
.
Si l’on d´ecide de faire les sommes partielles des termes de chaque colonne puis d’additionner ces r´esultats, on
obtiendra
n
X
j=1 m
X
i=1
ai,j !. Il en r´esulte la formule d’´echange :
m
X
i=1
n
X
j=1
ai,j
=
n
X
j=1 m
X
i=1
ai,j !
3
2.1.4 Sommes index´ees par un triangle
Examinons le cas d’une famille de nombres index´ee par un triangle c’est–`a-dire, par exemple de (ai,j )16i6n
16j6i
. Pour
chaque valeur de i, il y a, dans la ligne i, les termes ai,j pour 1 6j6n; la somme des termes de la i-`eme ligne
est donc
n
X
j=1
ai,j et la somme totale est donc
n
X
i=1
i
X
j=1
ai,j
.
Si on d´ecide d’additionner les termes figurant dans la j-`eme colonne, il faut voir que, dans celle-ci, l’indice ivarie
entre jet n. La somme des termes de la j-`eme colonne est donc
n
X
i=j
ai,j et la somme totale :
n
X
j=1
n
X
i=j
ai,j
d’o`u
la relation :
n
X
i=1
i
X
j=1
ai,j
=
n
X
j=1
n
X
i=j
ai,j
Exercice 1
Faire le mˆeme travail sur une famille index´ee par {(i,j)N2, i 6n, j 6n, i +j>n}.
2.1.5 Somme index´ees par un ensemble fini quelconque
Pour tout ensemble fini I, on peut d´efinir des familles index´ees par iI. Un telle famille est alors not´ee (xi)iI
et la somme de ses termes : X
iI
xi.
2.2 Produit
2.2.1 Le symbole Q
Si (ui)m6i6nest une famille de complexes, le produit u1×u2× ··· × un1×unde ces complexes se note
n
Y
i=m
ui.
2.2.2 elescopage multiplicatif
Lorsque chaque terme uise pr´esente comme quotient de deux termes cons´ecutifs d’une autre suite (vi)m6i6n+1
c’est-`a-dire lorsqu’il existe une suite finie (vi)m6i6n+1 ne s’annulant pas et telle que i[[m,n]], ui=vi+1
vi
, on
peut faire du elescopage multiplicatif :
n
Y
i=m
ui=um×um+1 × ··· × un2×un1×un
=vm+1
vm×vm+2
vm+1 × ··· × vn2
vn1×vn1
vn×vn+1
vn
=vn+1
vm
2.3 Les formules de Newton et de Bernoulli
2.3.1 Les coefficients du binˆome
Rappels : On pose 0! = 1 (lire factorielle z´ero) et, pour tout n>1, n! = 1 ×2×3× ··· × (n2) ×(n1) ×n.
Pour tout entier naturel net tout entier naturel p6n, on pose n
p=n!
p!(np)!.
n
pse lit pparmi n. Il repr´esente le nombre de parties `a p´el´ements d’un ensemble `a n´el´ements.
Pour une raison qui viendra plus tard, les n
psont aussi appel´es : coefficients du binˆome.
Il convient de connaˆıtre les propri´et´es suivantes :
4
nN,p[[0,n]],n
p=n
np
nN,p[[1,n 1]],n1
p1+n1
p=n
p(Relation de Pascal).
Il faut aussi connaˆıtre les valeurs particuli`eres : nN,n
0=n
n= 1,n
1=n
n1=net, plus
g´en´eralement, en observant que :
n!
(np)! =n(n1) ···(np+ 2)(np+ 1)(np)(np1) ···2×1
(np)(np1) ···2×1=n(n1) ···(np+ 2)(np+ 1), on
peut ´enoncer :
n
p=Produit des pentiers cons´ecutifs en descendant `a partir de n
p!
Exercice 2
Utiliser l’expression ci-dessus pour donner n
2,n
3et n
4sans utiliser de factorielles.
2.3.2 Newton
Quels que soient x, y appartenant `a C, quel que soit nappartenant `a N,
(x+y)n=
n
X
k=0 n
kxkynk=
n
X
k=0 n
kxnkyk
Premi`ere emonstration : ecurrence.
Au rang 0, la propri´et´e est triviale ainsi qu’au rang 1. Soit n>2. Supposons que la propri´et´e est vraie au rang
n1 alors
(x+y)n= (x+y)×(x+y)n1= (x+y)×
n1
X
k=0 n1
kxkyn1k
=
n1
X
k=0 n1
kxk+1yn1k+
n1
X
k=0 n1
kxkynk=
n
X
k=1 n1
k1xkynk+
n1
X
k=0 n1
kxkynk
=xn+
n1
X
k=1 n1
k1xkynk+
n1
X
k=1 n1
kxkynk+yn=xn+
n1
X
k=1 n1
k1+n1
kxkynk+yn
=n
nxny0+
n1
X
k=1 n
kxkynk+n
0x0yn=
n
X
k=0 n
kxkynk
Exercice important : rep´erer, dans cette d´emonstration, les ´etapes o`u la commutativit´e du produit a ´et´e essen-
tielle.
Deuxi`eme d´emonstration :
On d´eveloppe (x+y)(x+y)···(x+y) en somme de 2ntermes. Du fait de la commutativit´e du produit dans C,
on obtient des termes pouvant tous s’´ecrire xkynk. Pour kfix´e, on obtient un terme xkynken multipliant xpris
dans kdes nfacteurs par ypris dans les nkrestants. Or il y a n
kfa¸cons de choisir kfacteurs parmi n. Il y a
donc n
ktermes xkynkd’o`u le r´esultat.
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