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# ▷ Nombres complexes
> Page d'accueil de la compétence: [[Analyse et Données/Mathématiques/Nombres complexes/Nombres complexes|Nombres complexes]]
>[!example] Contenu de ce cours
> - L'ensemble $\mathbb{C}$
> - Représentation dans le plan complexe
> - Conjugué d'un nombre complexe
> - Module et argument
> - Forme trigonométrique et forme exponentielle
> - Application à la géométrie
> - Racines $n^{ièmes}$ de l'unité
> - Résolution d'équations du second degré
## Introduction Historique
Les nombres complexes prennent naissance au XVIème siècle lorsqu’un italien **Gerolamo Cardano** (1501-1576), au nom francisé de Jérôme Cardan, introduit $\sqrt{-15}$ pour résoudre des équations du troisième degré.
En 1572, **Rafaele Bombelli** publie *"Algebra"*, où il présente des nombres de la forme $a+ b\sqrt{-1}$. À cette époque, on manipule ces racines d’entiers négatifs sans les considérer comme de « vrais » nombres ; on les dit « imaginaires ».
La notation $i$ apparaît en 1777 avec **Leonhard Euler**. Au XIXe siècle, **Gauss** puis **Hamilton** posent les structures de l’ensemble $\mathbb{C}$. On qualifie les anciens nombres de « réels » par opposition à ces nouvelles créations de l’esprit.
## I. L'ensemble $\mathbb{C}$
### Définition
> [!definition] Définition
> Il existe un ensemble de nombres, noté $\mathbb{C}$, appelé **ensemble des nombres complexes** qui possède les propriétés suivantes :
> - $\mathbb{C}$ contient $\mathbb{R}$.
> - Dans $\mathbb{C}$, on définit une addition et une multiplication qui suivent les mêmes règles de calcul que dans $\mathbb{R}$.
> - Il existe dans $\mathbb{C}$ un nombre $i$ tel que $i^2 = -1$.
> - Tout élément $z$ de $\mathbb{C}$ s'écrit de manière unique sous la forme $z = a + ib$ avec $a$ et $b$ réels.
>[!example] Exemples :
$3 + 4i$ ; $-2 - i$ ; $\frac{i}{3}$ sont des complexes. Les réels $0$, $-2$ ou $\sqrt{3}$ sont également des complexes.
### Vocabulaire
- L'écriture $a + ib$ est appelée la **forme algébrique** de $z$.
- $a$ est la **partie réelle** : $Re(z) = a$.
- $b$ est la **partie imaginaire** : $Im(z) = b$.
**Remarques :**
- Si $b = 0$, $z$ est un **réel**.
- Si $a = 0$, $z$ est un **imaginaire pur**.
>[!example] Exemples
>Trouvons la forme algébrique des nombres complexes suivants :
>- **Soit $z_1=3-5i-(3i-4)$.**
> On simplifie $z_1=3-5i-3i+4=7-8i$. C'est la forme algébrique de $z_1$. La partie réelle est $Re(z_1)=7$ et la partie imaginaire est $Im(z_1)=-8$.
>
>- **Soit $z_2=(3-2i)(-1+5i)$.**
> On développe $z_2=-3+15i+2i-10i^2$ or $i^2=-1$ alors $z_2=-3+15i+2i+10=7+17i$. Ce qui donne $Re(z_2)=7$ et $Im(z_2)=17$.
>
>- **Soit $z_3=(2i)^{17}$.**
> On décompose la puissance comme suit $17=2\times 8 +1$. Par suite, $z_3=2^{17}i^{17}=2^{17}(i)^{2\times 8 +1}=131\, 072 \times (i^2)^{8}\times i=131\, 072 \times (-1)^8\times i=131\, 072 \,i$. Le nombre complexe $z_3$ est un imaginaire pur parce que sa partie réelle est nulle.
>
>- **Soit $z_4=(2-3i)^2$.**
> On applique l'identité remarquable $(a-b)^2=a^2-2ab+b^2$ : $z_4=4-12i+(3i)^2=4-12i+9i^2=4-12i-9=-5-12i$.
### Égalité de deux complexes
> [!note] Propriétés
> - Deux nombres complexes sont égaux si et seulement si ils ont la même partie réelle et la même partie imaginaire.
> - Un nombre complexe est nul si et seulement si $Re(z) = 0$ et $Im(z) = 0$.
## II. Conjugué d'un nombre complexe
### Définition
> [!definition] Définition
> Soit $z = a + ib$. On appelle **conjugué de $z$**, le nombre noté $\bar{z}$, égal à $a - ib$.
>[!example] Exemples
>- Le conjugué de $z=5-7i$ est $\overline{z}=\overline{5-7i}=5+7i$.
>- Le conjugué de $i$ est $-i$.
>- Le conjugué de $8$ est $8$.
### Propriétés des conjugués
Soit $z$ et $z'$ deux nombres complexes et $n \in \mathbb{N}^*$ :
- $\overline{\overline{z}} = z$
- $\overline{z + z'} = \bar{z} + \bar{z}'$
- $\overline{z \times z'} = \bar{z} \times \bar{z}'$
- $\overline{z^n} = (\bar{z})^n$
- $\overline{\left(\frac{1}{z}\right)} = \frac{1}{\bar{z}}$ et $\overline{\left(\frac{z}{z'}\right)} = \frac{\bar{z}}{\bar{z}'}$
### Caractérisation des réels et imaginaires purs
- $z$ est réel $\iff z = \bar{z}$
- $z$ est imaginaire pur $\iff z = -\bar{z}$
- $z \bar{z} = a^2 + b^2$ (Propriété fondamentale pour rendre réel un dénominateur)
>[!example] Exemple 1 :
>Trouvons la forme algébrique des nombres complexes suivants :
>- Soit $z_1=\frac{1}{4-2i}$. On multiplie la fraction par le conjugué du dénominateur : $z_1=\frac{1\times(4+2i)}{(4-2i)(4+2i)}=\frac{4+2i}{16+4}=\frac{4+2i}{20}=\frac{4}{20}+\frac{2}{20}i=\frac{1}{5}+\frac{1}{10}i$
>- Soit $z_6=\frac{1+i}{2-i}$. On procède de la même façon :
>$z_6=\frac{1+i}{2-i}=\frac{(1+i)(2+i)}{(2-i)(2+i)}=\frac{2+i+2i-i^2}{4+1}=\frac{1+3i}{5}=\frac{1}{5}+\frac{3}{5}i$
>[!example] Exemple 2 :
Trouvons le conjugué des nombres complexes suivants :
>- Soit $z_1=(7-i)(2-i)$. Le conjugué de $z_1$ est $\overline{z_1}=\overline{(7-i)(2-i)}=\overline{7-i}\times\overline{2-i}=(7+i)(2+i)=14+7i+2i+i^2=13+9i$
>- Soit $z_2=\frac{3-4i}{i}$. Le conjugué de $z_2$ est $\overline{z_2}=\overline{(\frac{3-4i}{i})}=\frac{\overline{3-4i}}{\overline{i}}=\frac{3+4i}{-i}=\frac{(3+4i)\times i}{-i\times i}=\frac{3i-4}{1}=-4+3i$
>[!example] Exemple
>Résoudre l'équation $5z-3=\overline{z}+2$
>L'équation relie $z$ et son conjugué $\overline{z}$. On pose $z=a+ib$. L'équation s'écrit alors :
>$5(a+ib)-3=a-ib+2$
>$ 5a+5ib-3-a+ib-2=0$
>$ 4a+6ib-5=0$
>$(4a-5)+6ib=0$
>Un nombre complexe $z$ est nul si $Re(z)=0$ et $Im(z)=0$. Alors,
>$4a-5=0$ et $6b \implies a=5/4$ et $b=0$.
>Donc, $z=5/4$.
## III. Représentation dans le plan complexe
### Définition
>[!définition] Définition
Le plan est muni d'un repère orthonormé direct $(O; \vec{u}, \vec{v})$.
>- À tout nombre complexe $z = a + ib$, on associe le point $M(a; b)$ appelé **image** de $z$.
>- $z$ est appelé **affixe** du point $M$, noté $M(z)$.
>[!example] Exemple
> Le nombre complexe $z=3+2i$ est l'affixe du point $M$ du plan de coordonnées $(3,2)$.
>
> ![[représentation graphique d'un nombre complexe.png||400]]
### Propriétés géométriques
- Le vecteur $\overrightarrow{MN}$ a pour affixe $z_N - z_M$ où $z_N$ est l'affixe du point $N$ et $z_M$ est celui du point $M$.
**Exemple** Soit $M$ d'affixe $z_M=1+2i$ et $N$ d'affixe $z_N=4-3i$. Le vecteur $\overrightarrow{MN}$ a pour affixe $z=z_N-z_M=4-3i-(1+2i)=3-5i$.
- Le milieu $I$ de $[MN]$ a pour affixe $z_I = \frac{z_M + z_N}{2}$.
**Exemple** L'affixe de $I$ milieu de $M(1,2)$ et $N(4,-5)$ est $z_I=\frac{1+2i+4-5i}{2}=\frac{5-3i}{2}$. Donc les coordonnées de $I$ sont $(\frac{5}{2},\frac{-3}{2})$.
![[affixe du milieu .png||250]]
- Les images de $z$ et $\bar{z}$ sont symétriques par rapport à l'axe des réels.
**Exemple** $M(1,2)$ et $N(1,-2)$ sont deux points d'affixes conjugués, symétriques par rapport à l'axe des réels.
![[représentation d'un conjugué.png||250]]
## IV. Module et argument
### Module
> [!definition] Définition
> Le module de $z = a + ib$ est le réel positif $|z| = \sqrt{a^2 + b^2}$.
> Géométriquement, $|z| = OM$.
![[module.png||300]]
**Propriétés :**
- $|z|^2 = z \bar{z}$
- $|z| = |\bar{z}| = |-z|$
- $|z z'| = |z| \times |z'|$
- $|z^n| = |z|^n$
- $|\frac{z}{z'}| = \frac{|z|}{|z'|}$
>[!example] Exemples :
>- $|3-2i|=\sqrt{3^2+(-2)^2}=\sqrt{13}$
>- $|\sqrt{5}+i|=\sqrt{(\sqrt{5})^2+1^2}=\sqrt{5+1}=\sqrt{6}$
>- $|\overline{-3i}|=|-3i|=|-3i||i|=3\times 1=3$
>- $|\frac{3i}{(\sqrt{5}+i)^2}|=\frac{|3i|}{|(\sqrt{5}+i)^2|}=\frac{3}{|\sqrt{5}+i|^2}=\frac{3}{(\sqrt{6})^2}=\frac{3}{6}=\frac{1}{2}$
### Argument
> [!definition] Définition
> Soit $M(z)$ avec $z \neq 0$. L'**argument** de $z$, noté $arg(z)$, est une mesure en radians de l'angle $(\vec{u}; \overrightarrow{OM})$.
![[argument.png||250]]
**Propriétés :**
- $z$ est un nombre réel $\iff arg(z)= 0\quad [\pi]$
- $z$ est un nombre complexe $\iff arg(z)=\frac{\pi}{2} \quad [\pi]$
- $arg(\bar{z}) = -arg(z) \quad [2\pi]$
- $arg(-z) = arg(z) + \pi \quad [2\pi]$
- $arg(z z') = arg(z) + arg(z') \quad [2\pi]$
- $arg(z^n) = n \times arg(z) \quad [2\pi]$
- $arg\left(\frac{z}{z'}\right) = arg(z) - arg(z') \quad [2\pi]$
- $arg(\frac{1}{z})=-arg(z)$
## V. Forme trigonométrique
### Définition
> [!definition] Définition
> Tout complexe $z \neq 0$ peut s'écrire :
> $z = r(\cos \theta + i \sin \theta) \quad \text{avec } r=|z| \quad \text{et}\quad \theta = arg(z)$
> C'est la **forme trigonométrique**.
On a les relations : $a = |z| \cos \theta$ et $b = |z| \sin \theta$.
>[!example] Exemples : Conversion de la forme trigonométrique en algébrique
Écrire les nombres complexes suivants sous forme algébrique :
>- $z_{1} = 3(\cos \pi + i \sin \pi)$
**Solution :**
On sait que $\cos \pi = -1$ et $\sin \pi = 0$.
$z_{1} = 3(-1 + i \times 0)$
$z_{1} = -3$
>- $z_{2} = \sqrt{3}\left(\cos\left(-\frac{\pi}{6}\right) + i \sin\left(-\frac{\pi}{6}\right)\right)$
**Solution :**
On sait que $\cos\left(-\frac{\pi}{6}\right) = \frac{\sqrt{3}}{2}$ et $\sin\left(-\frac{\pi}{6}\right) = -\frac{1}{2}$.
$z_{2} = \sqrt{3} \left( \frac{\sqrt{3}}{2} + i \left(-\frac{1}{2}\right) \right)$
$z_{2} = \frac{\sqrt{3} \times \sqrt{3}}{2} - i \frac{\sqrt{3}}{2}$
$z_{2} = \frac{3}{2} - \frac{\sqrt{3}}{2}i$
>[!example] Exemples : Conversion de la forme algébrique en trigonométrique
Écrire les nombres complexes suivants sous forme trigonométrique
>- $z_{3} = -5i$
**Solution :**
> * **Module :** $|z_{3}| = \sqrt{0^2 + (-5)^2} = \sqrt{25} = 5$
> * **Argument :** $z_{3}$ est un imaginaire pur négatif, donc son argument est $-\frac{\pi}{2}$ (ou $\frac{3\pi}{2}$).
>$z_{3} = 5 \left( \cos\left(-\frac{\pi}{2}\right) + i \sin\left(-\frac{\pi}{2}\right) \right)$
>- $z_{4} = \sqrt{3} + i$
**Solution :**
> * **Module :** $|z_{4}| = \sqrt{(\sqrt{3})^2 + 1^2} = \sqrt{3 + 1} = \sqrt{4} = 2$
> * **Argument ($\theta$) :** On cherche $\theta$ tel que :
>$\cos \theta = \frac{\text{partie réelle}}{\text{module}} = \frac{\sqrt{3}}{2}$
>$\sin \theta = \frac{\text{partie imaginaire}}{\text{module}} = \frac{1}{2}$
>Cela correspond à $\theta = \frac{\pi}{6}$.
>
>Donc,
>$z_{4} = 2 \left( \cos \frac{\pi}{6} + i \sin \frac{\pi}{6} \right)$
### Rappel de quelques formules trigonométriques
#### Formules d'addition
- $\cos(a-b) = \cos a \cos b + \sin a \sin b$
- $\cos(a+b) = \cos a \cos b - \sin a \sin b$
- $\sin(a-b) = \sin a \cos b - \cos a \sin b$
- $\sin(a+b) = \sin a \cos b + \cos a \sin b$
>[!example] Exemples :
>- Calcul de $\cos \frac{5 \pi}{12}$
>$\begin{aligned}
\cos \frac{5 \pi}{12} &= \cos \left(\frac{\pi}{4} + \frac{\pi}{6}\right) \\
&= \cos \frac{\pi}{4} \cos \frac{\pi}{6} - \sin \frac{\pi}{4} \sin \frac{\pi}{6} \\
&= \frac{\sqrt{2}}{2} \times \frac{\sqrt{3}}{2} - \frac{\sqrt{2}}{2} \times \frac{1}{2} \\
&= \frac{\sqrt{6} - \sqrt{2}}{4}
\end{aligned}$
>- Calcul de $\sin \frac{5 \pi}{12}$ $\begin{aligned}
\sin \frac{5 \pi}{12} &= \sin \left(\frac{\pi}{4} + \frac{\pi}{6}\right) \\
&= \sin \frac{\pi}{4} \cos \frac{\pi}{6} + \cos \frac{\pi}{4} \sin \frac{\pi}{6} \\
&= \frac{\sqrt{2}}{2} \times \frac{\sqrt{3}}{2} + \frac{\sqrt{2}}{2} \times \frac{1}{2} \\
&= \frac{\sqrt{6} + \sqrt{2}}{4}
\end{aligned}$
#### Formules de duplication
- $\cos(2a) = \cos^2 a - \sin^2 a = 2\cos^2 a - 1 = 1 - 2\sin^2 a$
- $\sin(2a) = 2 \cos a \sin a$
>[!example] Exemples :
Calculer $\cos \frac{\pi}{8}$ et $\sin \frac{\pi}{8}$
**Correction**
On utilise la formule de duplication du cosinus : $\cos(2a) = 2 \cos^2(a) - 1$.
En prenant $a = \frac{\pi}{8}$, on a :
$\cos \frac{\pi}{4} = \cos \left(2 \times \frac{\pi}{8}\right) = 2 \cos^2 \frac{\pi}{8} - 1$
**Calcul de $\cos \frac{\pi}{8}$ :**
D'après l'équation précédente :
$\cos^2 \frac{\pi}{8} = \frac{1}{2} \left(1 + \cos \frac{\pi}{4}\right) = \frac{1}{2} \left(1 + \frac{\sqrt{2}}{2}\right) = \frac{2 + \sqrt{2}}{4}$
Et donc :
$\cos \frac{\pi}{8} = \sqrt{\frac{2 + \sqrt{2}}{4}}$
car $\cos \frac{\pi}{8}$ est positif (puisque $\frac{\pi}{8}$ est dans le premier quadrant).
**Calcul de $\sin \frac{\pi}{8}$ :**
On utilise la relation fondamentale $\sin^2(a) + \cos^2(a) = 1$ :
$\sin^2 \frac{\pi}{8} = 1 - \cos^2 \frac{\pi}{8} = 1 - \frac{2 + \sqrt{2}}{4} = \frac{4 - (2 + \sqrt{2})}{4} = \frac{2 - \sqrt{2}}{4}$
Et donc :
$\sin \frac{\pi}{8} = \sqrt{\frac{2 - \sqrt{2}}{4}}$
car $\sin \frac{\pi}{8}$ est positif.
## VI. Forme exponentielle
### Définition
>[!definition] Définition
Pour tout réel $\theta$, on note $e^{i\theta} = \cos \theta + i \sin \theta$.
Tout complexe $z \neq 0$ s'écrit sous sa **forme exponentielle** :
$z = r e^{i\theta} \quad \text{où } r = |z| \text{ et } \theta = arg(z)$
**Valeurs particulières :** $e^{i\pi} = -1$ ; $e^{i\frac{\pi}{2}} = i$ ; $e^{i0} = 1$.
>[!example] Exemple : Algébrique -> Exponentielle
> Écrire les nombres complexes suivants sous la forme exponentielle :
>- **$z_1 = -2i$**
> **Module :**
$|z_1| = \sqrt{0^2 + (-2)^2} = \sqrt{4} = 2$
**Argument :**
Le point associé est situé sur la partie négative de l'axe des ordonnées (l'axe imaginaire pur), donc :
$\arg(z_1) = -\frac{\pi}{2} \pmod{2\pi}$
**Conclusion :**
$z_1 = 2e^{-i\frac{\pi}{2}}$
>- **$z_2 = -3$**
> **Module :**
$|z_2| = |-3| = 3$
**Argument :**
Le point associé est situé sur la partie négative de l'axe des abscisses (l'axe réel), donc :
$\arg(z_2) = \pi \pmod{2\pi}$
**Conclusion :**
$z_2 = 3e^{i\pi}$
>- **$z_3 = \sqrt{3} - 3i$**
>**Module :**
$|z_3| = \sqrt{(\sqrt{3})^2 + (-3)^2} = \sqrt{3 + 9} = \sqrt{12} = 2\sqrt{3}$
**Argument :**
On factorise par le module :
$z_3 = 2\sqrt{3} \left( \frac{\sqrt{3}}{2\sqrt{3}} - \frac{3}{2\sqrt{3}}i \right) = 2\sqrt{3} \left( \frac{1}{2} - \frac{\sqrt{3}}{2}i \right)$
On cherche $\theta$ tel que :
$\begin{cases} \cos\theta = \frac{1}{2} \\ \sin\theta = -\frac{\sqrt{3}}{2} \end{cases} \implies \theta = -\frac{\pi}{3} \pmod{2\pi}$
**Conclusion :**
$z_3 = 2\sqrt{3}e^{-i\frac{\pi}{3}}$
>[!example] Exemple : Exponentielle -> Algébrique
Écrire les nombres complexes suivants sous la forme algébrique :
>- **$z_4 = e^{i\frac{\pi}{6}}$**
> On utilise la formule d'Euler $e^{i\theta} = \cos\theta + i\sin\theta$ :
$z_4 = \cos\left(\frac{\pi}{6}\right) + i\sin\left(\frac{\pi}{6}\right)$
$z_4 = \frac{\sqrt{3}}{2} + \frac{1}{2}i$
>- **$z_5 = 4e^{i\frac{\pi}{4}}$**
> $z_5 = 4\left(\cos\left(\frac{\pi}{4}\right) + i\sin\left(\frac{\pi}{4}\right)\right)$
$z_5 = 4\left(\frac{\sqrt{2}}{2} + i\frac{\sqrt{2}}{2}\right)$
$z_5 = 2\sqrt{2} + 2\sqrt{2}i$
### Propriétés
Pour tous réels $\theta$ et $\theta'$ ,
- $e^{i\theta}e^{i\theta'}=e^{i(\theta+\theta')}$
- $\frac{1}{e^{i\theta}}=e^{-i\theta}$
- $\frac{e^{i\theta}}{e^{i\theta'}}=e^{i(\theta-\theta')}$
- $\overline{e^{i\theta}}=e^{-i\theta}$
> [!example] Exemple
> Soit $z = 2e^{i\frac{\pi}{3}}$.
> Donner la forme exponentielle de $iz$, $i\overline{z}$ et $-\frac{2i}{z}$.
>
**Forme exponentielle de $iz$ :**
$iz = e^{i\frac{\pi}{2}} \times 2e^{i\frac{\pi}{3}}$
$iz = 2e^{i\left(\frac{\pi}{2} + \frac{\pi}{3}\right)} =2e^{i\frac{5\pi}{6}}$
**Forme exponentielle de $i\overline{z}$ :**
Comme $z = 2e^{i\frac{\pi}{3}}$, on a :
$\overline{z} = 2e^{-i\frac{\pi}{3}}$
Alors :
$i\overline{z} = e^{i\frac{\pi}{2}} \times 2e^{-i\frac{\pi}{3}}$
$i\overline{z} = 2e^{i\left(\frac{\pi}{2} - \frac{\pi}{3}\right)}=2e^{i\frac{\pi}{6}}$
**Forme exponentielle de $-\frac{2i}{z}$ :**
On écrit le numérateur sous forme exponentielle :
$-2i = 2e^{-i\frac{\pi}{2}}$
On effectue le quotient :
$-\frac{2i}{z} = \frac{2e^{-i\frac{\pi}{2}}}{2e^{i\frac{\pi}{3}}}$
$-\frac{2i}{z} = \frac{2}{2} e^{i\left(-\frac{\pi}{2} - \frac{\pi}{3}\right)}=e^{-i\frac{5\pi}{6}}$
### Formules de Moivre et d'Euler
- **Moivre :** $(e^{i\theta})^n = e^{in\theta}$ soit $(\cos \theta + i \sin \theta)^n = \cos(n\theta) + i \sin(n\theta)$.
- **Euler :**
$\cos \theta = \frac{e^{i\theta} + e^{-i\theta}}{2} \quad ; \quad \sin \theta = \frac{e^{i\theta} - e^{-i\theta}}{2i}$
>[!example] Exemple : Linéarisation
>Linéariser l'expression $\cos^3(x)$. Cela consiste à ramener l'expression comme somme d'expressions du type $\cos(ax)$ et $\sin(ax)$.
On applique la formule d'Euler :
$\cos^3 x = \left(\frac{e^{ix} + e^{-ix}}{2}\right)^3$ $= \frac{1}{8}\left((e^{ix})^3 + 3(e^{ix})^2 e^{-ix} + 3e^{ix}(e^{-ix})^2 + (e^{-ix})^3\right),$ en appliquant la formule du binôme de Newton pour développer. Soit encore : $\begin{aligned} \cos^3 x &= \frac{1}{8}\left(e^{3ix} + 3e^{2ix}e^{-ix} + 3e^{ix}e^{-2ix} + e^{-3ix}\right) \\ &= \frac{1}{8}\left(e^{3ix} + 3e^{ix} + 3e^{-ix} + e^{-3ix}\right) \\ &= \frac{1}{8}(\cos 3x + i\sin 3x + 3\cos x + 3i\sin x + 3\cos x - 3i\sin x + \cos 3x - i\sin 3x) \\ &= \frac{1}{8}(\cos 3x + 3\cos x + 3\cos x + \cos 3x) \\ &= \frac{1}{8}(2\cos 3x + 6\cos x) \\ &= \frac{1}{4}(\cos 3x + 3\cos x) \end{aligned}$
## VII. Applications à la géométrie
Soient $A(a)$, $B(b)$ et $C(c)$ :
- Distance $AB = |b - a|$
- Angle $(\vec{u}; \overrightarrow{AB}) = arg(b - a) \quad [2\pi]$
- Angle $(\overrightarrow{AB}; \overrightarrow{AC}) = arg\left(\frac{c-a}{b-a}\right) \quad [2\pi]$
>[!example] Exemple :
On donne trois points $A$, $B$ et $C$ d'affixes :
>* $z_A = -2 - i$
>* $z_B = 1 - 2i$
>* $z_C = -1 + 2i$
>
**Démontrer que le triangle $ABC$ est isocèle en $A$**
Pour prouver que le triangle $ABC$ est isocèle en $A$, calculons les longueurs des côtés $AB$ et $AC$ :
Calcul de la distance $AB$ :
$AB = |z_B - z_A|$
$z_B - z_A = (1 - 2i) - (-2 - i) = 1 - 2i + 2 + i = 3 - i$
$AB = |3 - i| = \sqrt{3^2 + (-1)^2} = \sqrt{9 + 1} = \sqrt{10}$
Calcul de la distance $AC$ :
$AC = |z_C - z_A|$
$z_C - z_A = (-1 + 2i) - (-2 - i) = -1 + 2i + 2 + i = 1 + 3i$
$AC = |1 + 3i| = \sqrt{1^2 + 3^2} = \sqrt{1 + 9} = \sqrt{10}$
Puisque $AB = AC = \sqrt{10}$, **le triangle $ABC$ est isocèle en $A$**.
>
>**Démontrer que le triangle $ABC$ est rectangle en $A$**
L'angle orienté $(\vec{AB}, \vec{AC})$ est donné par l'argument du quotient $\dfrac{z_C - z_A}{z_B - z_A}$ :
$(\vec{AB}, \vec{AC}) = \arg\left(\frac{z_C - z_A}{z_B - z_A}\right)$
Calcul et simplification du quotient :
$\frac{z_C - z_A}{z_B - z_A} = \frac{1 + 3i}{3 - i}$
Multiplions le numérateur et le dénominateur par le conjugué du dénominateur $(3 + i)$ :
$\frac{1 + 3i}{3 - i} = \frac{(1 + 3i)(3 + i)}{(3 - i)(3 + i)}$
$\frac{(1 + 3i)(3 + i)}{(3 - i)(3 + i)} = \frac{3 + i + 9i + 3i^2}{3^2 - i^2}$
Comme $i^2 = -1$ :
$\frac{3 + 10i - 3}{9 - (-1)} = \frac{10i}{10} = i$
Calcul de l'angle :
$(\vec{AB}, \vec{AC}) = \arg(i) = \frac{\pi}{2} \pmod{2\pi}$
L'angle $\widehat{BAC}$ est donc un angle droit ($\frac{\pi}{2}\text{ rad} = 90^\circ$).
Par conséquent, **le triangle $ABC$ est rectangle en $A$**.
## VIII. Racines n-ièmes
### Racines n-ièmes de l'unité
>[!example] Définition
> Une racine n-ième de l'unité est un nombre complexe $z$ vérifiant $z^n=1$ avec $n\in\mathbb{N}^*$.
> [!theorem] Théorème
> L'ensemble $\mathbb{U}_n$ des racines n-ièmes de l'unité ($z^n = 1$) possède exactement $n$ racines :
> $w_k = e^{i\frac{2k\pi}{n}} \quad \text{pour } k \in \{0, 1, \dots, n-1\}$
Géométriquement, elles forment un polygone régulier à $n$ côtés inscrit dans le cercle unité.
- **n=3 :** Triangle équilatéral (racines $w_0=1, w_1=j, w_2=j^2$ avec $j = e^{i\frac{2\pi}{3}}$).
![[racines 3ème de l'unité.png||300]]
- **n=4 :** Carré (racines $w_0=1, w_1=i, w_2=-1, w_3=-i$).
![[racines 4ème de l'unité.png||300]]
>[!example] Exemple :
>Résoudre dans $\mathbb{C}$ :
>Résolution de $(z - 1)^3 = 1$
L'équation signifie que $(z - 1)$ est une racine 3-ième de l'unité (racine cubique de $1$).
>1. **Recherche des racines 3-ièmes :** $z - 1 = e^{i\frac{2k\pi}{3}} \quad \text{pour } k \in \{0, 1, 2\}$
>2. **Calcul des trois valeurs possibles :**
> - Pour $k = 0$ :
> $z - 1 = e^0 = 1 \implies z = 1 + 1 = 2$
> - Pour $k = 1$ :
> $z - 1 = e^{i\frac{2\pi}{3}} \implies z = 1 + e^{i\frac{2\pi}{3}}$
> - Pour $k = 2$ :
> $z - 1 = e^{i\frac{4\pi}{3}} = e^{-i\frac{2\pi}{3}} \implies z = 1 + e^{-i\frac{2\pi}{3}}$
>1. **Ensemble des solutions :**
$\mathcal{S} = \left\{ 2 \,;\, 1 + e^{i\frac{2\pi}{3}} \,;\, 1 + e^{-i\frac{2\pi}{3}} \right\}$
### Racines n-ièmes d'un nombre complexe quelconque
Soit $a\in\mathbb{C}^*$. On cherche les solutions de $z^n=a$.
Les étapes à faire sont les suivantes :
1. Ecrire $a$ sous forme exponentielle : $a=\rho e^{i\alpha}$ avec $\rho=|a|$ et $\alpha=\arg(a)$.
2. Poser $z=r e^{i\theta}$ et substituer : $r^ne^{in\theta}=\rho e^{i\alpha}$.
3. Identifier : $r=\rho^{1/n}$ et $\theta=\frac{\alpha+2k\pi}{n}$ , $k\in\mathbb{Z}$.
4. Lister les $n$ solutions distinctes :
$z_k=\rho^{1/n}e^{i(\alpha+2k\pi)/n}, \quad k\in\{0,1,\ldots,n-1\}$
>[!example] Exemple : Racines cubiques de -8
>1. $-8 = 8e^{i\pi}$donc $\rho = 8$ et $\alpha = \pi$.
>2. $r^3e^{i3\theta}= 8e^{i\pi}$
>3. $r = 8^{1/3} = 2$ et $\theta_k = \frac{\pi + 2k\pi}{3}$.
>4. $z_0 = 2e^{i\pi/3} = 2\left(\frac{1}{2} + i\frac{\sqrt{3}}{2}\right) = 1 + i\sqrt{3}$
$z_1 = 2e^{i\pi} = -2$
$z_2 = 2e^{5i\pi/3} = 1 - i\sqrt{3}$
## IX. Résolution des équations du second degré
Soit l'équation $az^2 + bz + c = 0$ avec $a, b, c \in \mathbb{R}$ ($a \neq 0$). Le discriminant est $\Delta = b^2 - 4ac$.
- **Si $\Delta > 0$ :** Deux racines réelles $z_1 = \frac{-b-\sqrt{\Delta}}{2a}$ et $z_2 = \frac{-b+\sqrt{\Delta}}{2a}$.
- **Si $\Delta = 0$ :** Une racine réelle $z_0 = -\frac{b}{2a}$.
- **Si $\Delta < 0$ :** Deux racines complexes conjuguées :
$z_1 = \frac{-b - i\sqrt{-\Delta}}{2a} \quad \text{et} \quad z_2 = \frac{-b + i\sqrt{-\Delta}}{2a}$
**Somme et Produit :** La somme $S$ et le produit $P$ des racines d'une équation du second degré sont donnés par : $S = z_1 + z_2 = -\frac{b}{a}$ et $P = z_1 z_2 = \frac{c}{a}$.
>[!example] Exemples
Résoudre dans $\mathbb{C}$ les équations suivantes :
a) $z^2 + 5 = 0$
b) $z^2 + 3z + 4 = 0$
**Correction**
**a) $z^2 + 5 = 0$**
On isole $z^2$ :
$z^2 = -5$
Comme on travaille dans les nombres complexes, on peut remplacer $-1$ par $i^2$ :
$z^2 = 5i^2$
Donc :
$z = i\sqrt{5} \quad \text{ou} \quad z = -i\sqrt{5}$
Les solutions sont donc $i\sqrt{5}$ et $-i\sqrt{5}$.
**b) $z^2 + 3z + 4 = 0$**
On calcule le discriminant $\Delta$ du trinôme avec $a=1$, $b=3$, $c=4$ :
$\Delta = b^2 - 4ac = 3^2 - 4 \times 1 \times 4 = 9 - 16 = -7$
$\Delta < 0$, donc l'équation admet deux solutions complexes conjuguées :$\begin{aligned}
z_1 &= \frac{-b + i\sqrt{|\Delta|}}{2a} & z_2 &= \frac{-b - i\sqrt{|\Delta|}}{2a} \\
z_1 &= \frac{-3 + i\sqrt{7}}{2} & z_2 &= \frac{-3 - i\sqrt{7}}{2} \\
z_1 &= -\frac{3}{2} + \frac{\sqrt{7}}{2}i & z_2 &= -\frac{3}{2} - \frac{\sqrt{7}}{2}i
\end{aligned}$
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- Rédigé par: [[Antonia JABBOUR]]
- Dernière MAJ: `27-juillet-2026`
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