Cours de Mathématiques : Nombres complexes — 2e BAC SM

À propos de ce cours : Ce chapitre est divisé en deux grandes parties. La première introduit la forme algébrique des nombres complexes, les opérations

Publicité

 

Cours de Mathématiques : Nombres complexes — 2e BAC SM

Niveau2e année du baccalauréat
FilièreSciences Mathématiques (SM)
MatièreMathématiques
ChapitreNombres complexes (Chapitre 7)
TypeCours complet (Forme algébrique & Trigonométrie)
ProgrammeProgramme officiel marocain
Mathématiques · 2BAC SM · Chapitre 7

Nombres complexes

De la forme algébrique aux équations et à la forme trigonométrique : maîtrisez l'ensemble des outils liés aux nombres complexes.

Ch. 7Chapitre du programme
2Grandes parties
SMFilière
Table des matières

À propos de ce cours : Ce chapitre est divisé en deux grandes parties. La première introduit la forme algébrique des nombres complexes, les opérations, le conjugué et le module, avec une interprétation géométrique. La seconde aborde la résolution d'équations dans \(\mathbb{C}\), le calcul des racines carrées, et la forme trigonométrique (argument, module, notation exponentielle).

Illustration du cours

Cours de Mathématiques : Nombres complexes — 2e BAC SM

I. Forme algébrique

2BAC-SM-MATH-C07

1. Introduction et définition

Définition

On appelle ensemble des nombres complexes, noté \(\mathbb{C}\), l'ensemble des nombres de la forme :

\[ z = a + bi \quad \text{avec } a, b \in \mathbb{R} \text{ et } i^2 = -1 \]

Le nombre \(i\) est appelé unité imaginaire.

  • \(a = \text{Re}(z)\) est la partie réelle de \(z\).
  • \(b = \text{Im}(z)\) est la partie imaginaire de \(z\).

L'écriture \(z = a + bi\) est la forme algébrique de \(z\).

Cas particuliers
  • Si \(b = 0\) : \(z = a\) est un nombre réel (\(\mathbb{R} \subset \mathbb{C}\)).
  • Si \(a = 0\) : \(z = bi\) est un imaginaire pur.
  • \(z = 0 \iff a = 0\) et \(b = 0\).
Égalité

Deux nombres complexes sont égaux si et seulement si ils ont même partie réelle et même partie imaginaire :

\[ a + bi = c + di \iff a = c \text{ et } b = d \]

2. Opérations sur les nombres complexes

Propriétés

Soient \(z_1 = a + bi\) et \(z_2 = c + di\) :

Addition : \(z_1 + z_2 = (a + c) + (b + d)i\)

Multiplication : \(z_1 \cdot z_2 = (ac - bd) + (ad + bc)i\)

On développe comme un produit de binômes en utilisant \(i^2 = -1\).

Puissances de \(i\)

\(i^0 = 1 \quad;\quad i^1 = i \quad;\quad i^2 = -1 \quad;\quad i^3 = -i \quad;\quad i^4 = 1\)

Le cycle se répète : \(i^n\) dépend du reste de la division de \(n\) par \(4\).

Exercice d'application

Calculer et mettre sous forme algébrique :

a) \((2 + 3i)(1 - 4i)\)

b) \(i^{2025}\)

Afficher la solution

a) \((2+3i)(1-4i) = 2 - 8i + 3i - 12i^2 = 2 - 5i + 12 = 14 - 5i\)

b) \(2025 = 4 \times 506 + 1\), donc \(i^{2025} = i^1 = i\).

3. Conjugué d'un nombre complexe

Définition

Le conjugué de \(z = a + bi\) est le nombre complexe :

\[ \overline{z} = a - bi \]

Propriétés
  • \(\overline{\overline{z}} = z\)
  • \(\overline{z_1 + z_2} = \overline{z_1} + \overline{z_2}\)
  • \(\overline{z_1 \cdot z_2} = \overline{z_1} \cdot \overline{z_2}\)
  • \(\overline{\left(\frac{z_1}{z_2}\right)} = \frac{\overline{z_1}}{\overline{z_2}}\) (si \(z_2 \neq 0\))
  • \(z + \overline{z} = 2\,\text{Re}(z)\)
  • \(z - \overline{z} = 2i\,\text{Im}(z)\)
  • \(z \cdot \overline{z} = a^2 + b^2 \geq 0\)
  • \(z \in \mathbb{R} \iff z = \overline{z}\)
  • \(z\) est imaginaire pur \(\iff z = -\overline{z}\)

4. Inverse et quotient

Propriété

Pour \(z = a + bi \neq 0\) :

\[ \frac{1}{z} = \frac{\overline{z}}{z \cdot \overline{z}} = \frac{a - bi}{a^2 + b^2} \]

Quotient

Pour calculer \(\frac{z_1}{z_2}\), on multiplie numérateur et dénominateur par \(\overline{z_2}\) :

\[ \frac{z_1}{z_2} = \frac{z_1 \cdot \overline{z_2}}{z_2 \cdot \overline{z_2}} = \frac{z_1 \cdot \overline{z_2}}{|z_2|^2} \]

Exercice d'application

Écrire sous forme algébrique : \(\frac{3 + 2i}{1 - i}\).

Afficher la solution

\(\frac{3+2i}{1-i} = \frac{(3+2i)(1+i)}{(1-i)(1+i)} = \frac{3+3i+2i+2i^2}{1+1}\)

\(= \frac{3 + 5i - 2}{2} = \frac{1 + 5i}{2} = \frac{1}{2} + \frac{5}{2}i\)

5. Module d'un nombre complexe

Définition

Le module de \(z = a + bi\) est le réel positif :

\[ |z| = \sqrt{a^2 + b^2} \]

On a : \(|z|^2 = z \cdot \overline{z} = a^2 + b^2\).

Propriétés
  • \(|z| = 0 \iff z = 0\)
  • \(|z| = |\overline{z}|\)
  • \(|z_1 \cdot z_2| = |z_1| \cdot |z_2|\)
  • \(\left|\frac{z_1}{z_2}\right| = \frac{|z_1|}{|z_2|}\) (si \(z_2 \neq 0\))
  • \(|z^n| = |z|^n\)
  • Inégalité triangulaire : \(|z_1 + z_2| \leq |z_1| + |z_2|\)
  • \(|\text{Re}(z)| \leq |z|\) et \(|\text{Im}(z)| \leq |z|\)

6. Représentation géométrique

Plan complexe

Le plan muni d'un repère orthonormé \((O, \vec{u}, \vec{v})\) est appelé plan complexe.

À tout nombre complexe \(z = a + bi\), on associe :

  • Le point \(M(a, b)\) appelé image de \(z\).
  • Le vecteur \(\vec{OM} = a\vec{u} + b\vec{v}\) appelé vecteur-image de \(z\).

On dit que \(z\) est l'affixe du point \(M\) ou du vecteur \(\vec{OM}\).

Interprétation géométrique
  • \(|z|\) est la distance du point \(M\) à l'origine : \(|z| = OM\).
  • \(|z_1 - z_2|\) est la distance entre les points d'affixes \(z_1\) et \(z_2\).
  • Le conjugué \(\overline{z}\) correspond au symétrique de \(M\) par rapport à l'axe des abscisses.
  • L'affixe du milieu du segment \([AB]\) est \(\frac{z_A + z_B}{2}\).
  • L'affixe du vecteur \(\vec{AB}\) est \(z_B - z_A\).
Exercice d'application

Soient les points \(A(2+i)\) et \(B(4-3i)\) du plan complexe.

a) Calculer \(AB\).

b) Déterminer l'affixe du milieu \(I\) de \([AB]\).

Afficher la solution

a) \(z_B - z_A = (4-3i) - (2+i) = 2 - 4i\).

\(AB = |z_B - z_A| = |2 - 4i| = \sqrt{4 + 16} = \sqrt{20} = 2\sqrt{5}\).

b) \(z_I = \frac{z_A + z_B}{2} = \frac{(2+i) + (4-3i)}{2} = \frac{6 - 2i}{2} = 3 - i\).

II. Équations et forme trigonométrique

2BAC-SM-MATH-C07

1. Équation du second degré dans \(\mathbb{C}\)

Théorème fondamental

Soit l'équation \(az^2 + bz + c = 0\) avec \(a, b, c \in \mathbb{R}\) et \(a \neq 0\).

On calcule le discriminant \(\Delta = b^2 - 4ac\).

  • Si \(\Delta > 0\), deux solutions réelles : \(z_{1,2} = \frac{-b \pm \sqrt{\Delta}}{2a}\)
  • Si \(\Delta = 0\), une solution double réelle : \(z_0 = \frac{-b}{2a}\)
  • Si \(\Delta < 0\), deux solutions complexes conjuguées : \(z_{1,2} = \frac{-b \pm i\sqrt{-\Delta}}{2a}\)

2. Racine carrée d'un nombre complexe

Note

Pour trouver les racines carrées d'un nombre complexe \(Z = x + iy\), on cherche \(z = a + bi\) tel que \(z^2 = Z\).

On résout le système :

\(\begin{cases} a^2 - b^2 = x \\ 2ab = y \end{cases}\)

3. Argument d'un nombre complexe

Définition

Soit \(z = a + bi\) non nul. On appelle argument de \(z\), noté \(\arg(z)\), toute mesure en radians de l'angle orienté \((\vec{u}, \vec{OM})\).

L'argument est défini modulo \(2\pi\).

4. Forme trigonométrique

Théorème

Tout nombre complexe non nul \(z\) peut s'écrire sous la forme :

\[ z = r(\cos\theta + i\sin\theta) \]

où \(r = |z|\) est le module et \(\theta = \arg(z)\) est un argument.

On note souvent cette forme \(z = [r, \theta]\).

5. Notation exponentielle et formule d'Euler

Formule d'Euler

Pour tout réel \(\theta\), on pose :

\[ e^{i\theta} = \cos\theta + i\sin\theta \]

La forme exponentielle d'un nombre complexe est donc \(z = r e^{i\theta}\).

Propriétés
  • \(e^{i\theta_1} \cdot e^{i\theta_2} = e^{i(\theta_1 + \theta_2)}\)
  • \(\frac{e^{i\theta_1}}{e^{i\theta_2}} = e^{i(\theta_1 - \theta_2)}\)
  • \((e^{i\theta})^n = e^{in\theta}\) (Formule de Moivre)

6. Ensembles de points dans le plan complexe

Exemples
  • \(|z - z_A| = r\) : cercle de centre \(A\) et de rayon \(r\).
  • \(|z - z_A| = |z - z_B|\) : médiatrice du segment \([AB]\).
  • \(\arg(z - z_A) = \theta\) : demi-droite d'origine \(A\) faisant un angle \(\theta\) avec l'axe des réels.

Questions fréquentes

Comment calculer l'inverse d'un nombre complexe ?

On utilise la formule \(\frac{1}{z} = \frac{\overline{z}}{|z|^2}\). Par exemple, pour \(z = 3 + 4i\), \(|z|^2 = 25\), donc \(\frac{1}{z} = \frac{3 - 4i}{25}\).

Que signifie la notation \(e^{i\theta}\) ?

C'est la notation exponentielle d'un nombre complexe de module 1 et d'argument \(\theta\). D'après la formule d'Euler, \(e^{i\theta} = \cos\theta + i\sin\theta\).

Résumé final

Les nombres complexes constituent un chapitre riche et fascinant. La forme algébrique permet les calculs de base (somme, produit, quotient) et donne une première interprétation géométrique via le module et le conjugué. La forme trigonométrique et exponentielle offrent des outils puissants pour les équations, les rotations et les calculs de puissances. Prenez le temps de maîtriser les deux formes et de passer de l'une à l'autre avec aisance.

Articles similaires

Publicité

À propos de l’auteur

Sif Elarab Ayyoub
Hello, I’m Sif El Arab, a Web Designer and SEO Specialist with expertise in Google optimization. I’m also a Moroccan finance student with a strong passion for writing. I enjoy creating impactful digital experiences, contributing to my community, and…

Enregistrer un commentaire