Fiche de mathématiques
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Les nombres complexes

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Définitions
Tout nombre complexe z s'écrit de manière unique z=x+iy avec x et y réels et i^2=-1

Cette écriture x+iy s'appelle l'écriture algébrique de z

x s'appelle la partie réelle de z ; y s'appelle la partie imaginaire de z



Remarque : la partie imaginaire est y et non iy.

Notations : on note Re(z) et Im(z) les parties réelle et respectivement imagnaire de z.

Cas particuliers : si Im(z)=0 on dit que z est réel pur ; si Re(z)=0 , on dit que z est imaginaire pur.

Propriété
Deux nombres complexes sont égaux s'ils ont même partie réelle et même partie imaginaire.


Cette propriété est très utilisée dans les exercices.
En particulier x et y étant réels, x+iy=0 équivaut à dire que x=0 \text{ et } y=0.

Définition
Soit z=x+iy avec x et y réels
On appelle conjugué du complexe z le complexe x-iy que l'on note \bar z



Exemples : \overline{4-5i}=4+5i \quad ; \quad \bar 3 = 3 \quad ; \quad \overline{2i}= -2i

Conséquences

\bullet \overline{ \overline z}=z (on dit que "prendre le conjugué de" est une opération involutive )
\bullet z\times \bar z = x^2+y^2
\bullet z+\bar z = 2\; \text{Re}(z)
\bullet z-\bar  z = 2i \;\text{Im}(z)



Définition
On appelle module du complexe z le réel \sqrt{x^2+y^2} \text{ noté } |z|

On a donc : |z|=\sqrt{x^2+y^2}
Remarque 1 : le module d'un complexe est un réel positif ou nul.
Remarque 2 : |z|^2= x^2+y^2= z.\overline z (très utile dans les exercices)



Exemple : si z=3-4i \quad \text{ alors } \quad |z|=\sqrt{3^3+(-4)^2 }= 5

Interprétation géométrique d'un nombre complexe : l'affixe
Dans tout ce qui suit, le plan est rapporté à un repère orthonormé (0\;; \vec u \;,\vec v)

\bullet A tout complexe z=x+iy, avec x et y réels, on associe le point M du plan de coordonnées (x\;; y).
On dit que z est l'affixe de M, ou que z est l'affixe du vecteur \overrightarrow{OM}


Nombres complexes : image 1


Interprétation géométrique d'un nombre complexe : le module
|z|=\sqrt{x^2+y^2}=OM
Remarque : un module est un réel positif ou nul.


Nombres complexes : image 6


Interprétation géométrique d'un nombre complexe : le conjugué
Les points M d'affixe z et M' d'affixe \bar z sont symétriques par rapport à l'axe des abscisses


Nombres complexes : image 3


Propriétés (à connaître sans hésitation) :
\bullet\;1. Le conjugué de la somme est la somme des conjugués soit \overline{z+z'}=\overline z + \overline {z'}
\bullet\; 2. Le conjugué d'un produit est le produit des conjugués soit \overline{z.z'}=\overline z . \overline z'
\bullet\; 3.  pour z\neq 0 , le conjugué de l'inverse est l'inverse du conjugué soit \overline{ \left(\dfrac 1 z \right)} = \left(\dfrac {1}{\overline z} \right)
\bullet\; 4.  pour z\neq 0 , le conjugué d'un quotient est le quotient des conjugués
soit \overline{ \left(\dfrac {z'}{ z} \right)} = \left(\dfrac {\overline{z'}}{\overline z} \right)
\bullet \; 5.\; z est réel équivaut à \bar z = z
\bullet \; 6. \; z est imaginaire pur équivaut à \bar z = - z



Exemple d'utilisation : On pose Z_1=\dfrac {2-i}{3+i} \text{ et } Z_2=\dfrac {2+i}{3-i}
Montrer sans calculs que Z_1-Z_2 est imaginaire pur.
dans le but d'utiliser le résultat (6) donné ci-dessus, j'évalue \overline{Z_1-Z_2}.

\overline{Z_1-Z_2}=\overline{Z_1}-\overline{Z_2}=  \overline{\left(\dfrac {2-i}{3+i}\right)}-\overline{\left(\dfrac {2+i}{3-i}\right)}=  \dfrac {\overline{2-i}}{\overline{3+i}}-\dfrac {\overline{2+i}}{\overline{3-i}}=  \dfrac {2+i}{3-i}-\dfrac {2-i}{3+i}=Z_2-Z_1=-(Z_1-Z_2)
Z_1-Z_2 est donc imaginaire pur.

Propriétés du module
\bullet\; 1. Pour tous nombres complexes z et z', |z+z'|\le |z|+|z'| (appelée inégalité triangulaire)

\bullet\; 2. Le module d'un produit est égal au produit des modules soit |z.z'|=|z|.|z'|

\bullet\; 3. Pour z\neq 0 \;\;, \left|\dfrac{z'}{z}\right|= \dfrac{|z'|}{|z|}

\bullet\; 4. Si n\in \textbf N\;\;\;|z^n|=|z|^n



Arguments d'un complexe non nul
Dans le plan complexe, soit z non nul, affixe du point M.
On appelle argument de z toute mesure en radians de l'angle \widehat{(\overrightarrow {u} \;; \overrightarrow{OM})}
Tout nombre complexe non nul a donc une infinité d'arguments (définis à 2\pi près).


Nombres complexes : image 7

Dans cet exemple, arg(z)=\theta \; (2\pi)

On en déduit la forme trigonométrique d'un complexe non nul.
Nombres complexes : image 4

Tout point M(z) du plan, distinct de l'origine, est repéré par sa distance à l'origine OM et par l'angle \widehat{(\overrightarrow {u} \;; \overrightarrow{OM})}
On peut donc écrire :
\boxed{z=x+iy=|z|\left(\cos (\theta)+i \sin (\theta)\right)}

Cette écriture z=|z|\left(\cos (\theta)+i \sin (\theta)\right) s'appelle l'écriture ou la forme trigonométrique du complexe z. On l'écrit également z=[|z|\;; \theta]

Exemple : Donner la forme trigonométrique du complexe z=-2\left(\cos \left(\dfrac{\pi}{4}\right)+i\sin \left(\dfrac{\pi}{4}\right)\right) et placer le point M d'affixe z dans le plan complexe.

Le réel -2 étant négatif, ceci n'est pas une écriture trigonométrique.
z=-2\left(\cos \left(\dfrac{\pi}{4}\right)+i\sin \left(\dfrac{\pi}{4}\right)\right)=2\left((-1)\cos \left(\dfrac{\pi}{4}\right)+i(-1)\sin \left(\dfrac{\pi}{4}\right)\right)
Or on sait que \cos \left(\dfrac{5\pi}{4}\right)=-\cos \left(\dfrac{\pi}{4}\right) et \sin \left(\dfrac{5\pi}{4}\right)=-\sin \left(\dfrac{\pi}{4}\right)
donc la forme trigonométrique de z est : z=2\left(\cos \left(\dfrac{5\pi}{4}\right)+i\sin \left(\dfrac{5\pi}{4}\right)\right)
Nombres complexes : image 2

Quelques résultats utiles

z réel non nul équivaut à dire arg(z)=0 +k\pi \; \;, k\in \textbf Z
z imaginaire pur non nul équivaut à dire arg(z)=\dfrac{\pi}{2}+k\pi \; \;, k\in \textbf Z



Conséquence :
Si A et B sont deux points du plan d'affixes respectives a et b (avec a differentb)
Nombres complexes : image 5

AB=|b-a|
(\overrightarrow {u} \;; \overrightarrow{AB})=arg(b-a)\;\;(2\pi)

Propriétés des arguments
Soient z et z' deux complexes non nuls. On montre que :
arg(z.z')=arg(z)+arg(z')\;\;(2\pi)
arg\left(\dfrac{z}{z'}\right)=arg(z)-arg(z')\;\;(2\pi)
si n\in \textbf N\;\;\;arg(z^n)=n.arg(z) \;\;(2\pi)



Conséquence :
Si A(a), B(b) avec AdifferentB et C(c) et D(d) avec CdifferentD alors :

(\overrightarrow {AB} \;; \overrightarrow{CD})=\arg\left(\dfrac{d-c}{b-a}\right)\;\;(2\pi)

Nota : regardez bien la place des lettres dans cette expression afin de la retenir sans erreur.
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