Chapitre 4
Nombres complexes, fonctions et
formules trigonom´etriques
4.1 Nombres complexes
L’ensemble Cdes nombres complexes est
C={z=a+ib :a, b R}
o`u i2=1.
RC.
D´efinition 4.1.1. On dit que l’´ecriture z=a+ib o`u aet bR, est la forme alg´ebrique de
z. Cette ´ecriture est unique.
a=(z)est la partie r´eelle de zet b=(z)est la partie imaginaire de z.
Tout nombre complexe non nul tel que (z)=0est appel´e imaginaire pur.
Soient z=a+ib et z=a+ib(a, b, a,b
R) deux nombres complexes. z=z⇐⇒ a=
aet b=b.
Cest muni de deux lois de composition internes, l’addition + et la multiplication ×:
soient z=a+ib et z=a+ibC.
1. z+z=(a+a)+i(b+b)
2. zz=(aabb)+i(ab+ba)
D´efinition 4.1.2. Le module d’un nombre complexe zest : |z|=(z)2+(z)2R+.
Le conjugu´e d’un nombre complexe zest : ¯z=(z)i(z)C.
Proposition 4.1.1. z,zC, on a
1. zz=2(z),z¯z=2i(z)
2. z¯z=|z|2
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3. Si z=0,1
z=¯z
|z|2
4. Si z=0,z
z=z1
z=z¯
z
|z|2
5. z+zz+¯
z,zzz¯
z,(z
z)= ¯z
¯
z,
6. |zz|=|z|| z|
7. |z
z|=|z|
|z|
8. |z+z||z|+|z|(In´egalit´e triangulaire)
Exercice 4.1.1. Prouvez cette proposition. Et montrez que le module est une distance sur
C.
Quelles sont les parties r´eelles et imaginaires du complexe 1+i
2+3i?
4.1.1 Equations du second degr´e
Th´eor`eme 4.1.1. (de d’Alembert) Tout polynˆome `a coecient dans Cadmet au moins
une racine dans C.
On s’int´eresse aux ´equations du type ax2+bx +c=0(o`ua, b et cR,a=0).
P(x)=ax2+bx +cest un polynˆome du second degr´e.
Mise sous forme canonique :
P(x)=a[x2+b
ax=c
a]=a[(x+b
2a)2+c
ab2
4a2]=a[(x+b
2a)2
4a2],
o`u =b24ac.
P(x)=0⇐⇒ (x+b
2a)2=
4a2car a= 0. Les racines de Psont les solutions de l’´equation
P(x)=0.
1. Si <0,
4a2<0etPn’admet pas de racine dans R. Ses racines sont dans C\R.
(x+b
2a)2=
4a2=||
4a2=(i)2.(||
2a)2
⇐⇒ x+b
2a=i||
2aou i||
2a
⇐⇒ x=b
2a+i||
2aou b
2ai||
2a.
2. Si = 0, Padmet une unique racine dans R. On dit qu’elle est double ou de multiplicit´e
2.
x0=b
2a.
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3. Si >0,
4a2>0etPadmet deux racines distinctes dans R.
(x+b
2a)2=
4a2=(
2a)2
⇐⇒ x+b
2a=
2aou
2a
⇐⇒ x=b
2a+
2a:= x1ou b
2a
2a:= x2.
4. R´esoudre P(x) = 0 est ´equivalent `a r´esoudre le syst`eme suivant x+y=b
a
xy =c
a
.
Remarque 4.1.1. En pratique, pour factoriser un polynˆome et trouver ses racines, on com-
mence par chercher s’il a des racines ´evidentes : 0,1,1,.... Par exemple, 1 est ´evidemment
racine de P(x):=3x2+2x1, donc on commence par ´ecrire P(x)=(x+1)(px +q)avant
de d´eterminer pet q.
Exercice 4.1.2. 1) Tracez sch´ematiquement la courbe y=P(x) dans un rep`ere orthogonal
(xOy) de R2, dans les trois cas : = 0,>0,<0.
2) Etudiez le signe de P(x) sur R, dans les trois cas pr´ec´edents.
3) R´esoudre x+1=11 x.
Exercice 4.1.3. In´equations et syst`emes d’in´equations
R´esoudre dans C:
1. z2+3z<2,
2. 2z2+6z5=0.
4.1.2 Repr´esentation g´eom´etrique d’un nombre complexe
* Le nombre complexe z=a+ib est associ´e au point M=(a, b) du plan muni du rep`ere
orthonorm´e direct (O,
i,
j).
Ce point Mest appel´e point image de zet le vecteur
OM =(a, b) est appel´e vecteur image
de z, tandis que z=a+ib est l’axe du point Mou du vecteur
OM.
|z|=OM.
* Si les deux points Aet Bont pour axes les deux complexes zAet zB, alors zBzAest
l’axe du vecteur
AB =
AO +
OB =
OB
OA.
|zBzA|=||
AB ||.
* Si les deux points Aet Bont pour axes les deux complexes zAet zB, alors (zA+zB)/2
est l’axe du milieu du segment [AB].
* Soient M(a, b) le point d’axe zet kun r´eel non nul. Le produit kz est l’axe du point
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P(ka, kb) v´erifiant
OP =k
OM.Pest l’image de Mpar l’homoth´etie de centre Oet de
rapport k.
* Soient Mle point d’axe z. Alors le produit iz est l’axe du point N(b, a), image de M
dans la rotation de centre Oet d’angle π/2.
Exercice 4.1.4. D´eterminer l’ensemble des nombres complexes x+iy tels que :
1. x+2y4
xy<1.
2. x2<y
y<
x+3
2
.
4.1.3 Cercle trigonom´etrique et forme trigonom´etrique d’un nombre
complexe
Le cercle trigonom´etrique (ou cercle unit´e) Cest le sous ensemble de R2(identifi´e au
plan de coordonn´ees (xOy) muni d’un rep`ere orthonorm´e (O,
i,
j)) constitu´e des points `a
une distance 1 de l’origine : le cercle de centre Oet de rayon 1. Il peut ˆetre identifi´e au sous
ensemble de Csuivant
C={zC:|z|=1}.
Repr´esentez le sur votre feuille sans l’aide de votre calculatrice !
On note Ile point de coordonn´ees (1,0) et Jle point de coordonn´ees (0,1).
Rappels :
* Soit αRun angle. Soit Ale point du cercle trigonom´etrique tel que l’angle (
OI,
OA)=α.
On appelle cosinus et sinus de l’angle α, et l’on note cos α,sinα, les coodonn´ees du point A
dans le rep`ere (O,
i,
j).
*αR,cos
2α+sin
2α=1.
*1cos α1, 1sin α1.
*kZ,cos(α+2kπ)=cosα,sin(α+2kπ)=sinα.
* Si α=π
2+kπ,o`ukZ, alors cos α=0ettanα=sin α
cos α.
Placer dans le plan (xOy) le point Tde coordonn´ees (1,tan α).
V´erifier que Test le point d’intersection de la tangente `a Cen Iet de la droite (OA).
Soit Mun point de Cd’axe z. Alors z=cosθ+isin θ,o`uθR(en radians).
Soit z=x+iy C.r=|z|=x2+y2>0 son module. Alors z
rCet mˆeme |z
r|=1.
Donc il existe θ[0,2π[ tel que z
r=cosθ+isin θ. La forme trigonom´etrique de zest
z=|z|(cos θ+isin θ).
θest un argument de z.θ+2kπen sont d’autres (kZ).
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ATTENTION : l’origine On’a pas d’argument.
On ´ecrit (en l’admettant) la forme trigonom´etrique de z:z=|z|eiθ, o`u la fonction
e.est la fonction exponentielle.
Exercice 4.1.5. Donnez la forme exponentielle des nombres complexes 1 i,iet 1.
Notations. on ´ecrit que 2 r´eels xet ysont ´egaux modulo 2π
xy[2π]
s’il existe kZtel que x=y+2kπ.
Th´eor`eme 4.1.2. Deux nombres complexes non nuls sont ´egaux ssi ils ont mˆeme module et
des arguments ´egaux `a un multiple de 2πpr`es.
Proposition 4.1.2. argz)≡−arg(z),arg(z)π+arg(z),arg(zz)arg(z)+arg(z),
arg(1/z)≡−arg(z),arg(z/z)arg(z)arg(z)
Cela provient des r`egles de calcul de la fonctions exponentielle : eiθeiθ=ei(θ+θ),1/eiθ=
eiθ,eiθ
eiθ=ei(θθ),(eiθ)n=einθ.
Proposition 4.1.3. .
1. Formule de De Moivre.(cos θ+isin θ)n= cos(nθ)+isin(nθ).
2. Formules d’Euler.cos θ=eiθ+eiθ
2et sin θ=eiθeiθ
2i.
4.1.4 Nombres complexes et transformations du plan
Translation. Soient z, zet ades nombres complexes. La transformation du plan qui `a
tout point Md’axe zassocie le point Md’axe z=z+a, est la translation de vecteur
uayant pour axe a.
Montrez le.
Homoth´etie. Soient z, zet ωdes nombres complexes et kun r´eel non nul. La transformation
du plan qui `a tout point Md’axe zassocie le point Md’axe ztel que zω=k(zω),
est l’homoth´etie de rapport ket de centre le point d’axe ω.
Montrez le.
Rotation. Soient z, zet ωdes nombres complexes et αun r´eel. La transformation du plan
qui `a tout point Md’axe zassocie le point Md’axe ztel que zω=eiα(zω), est
la rotation d’angle αet de centre le point d’axe ω.
Montrez le.
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