Physique-chimie et mathématiquesChapitre 7

Nombres complexes : forme algébrique et forme trigonométrique

L'essentiel en 30 secondes

Un nombre complexe s'écrit sous forme algébrique z = a + ib, où a = Re(z), b = Im(z) et i² = −1. Dans un repère orthonormé direct, z est l'affixe du point M(a ; b) : le conjugué z̄ = a − ib est le symétrique par rapport à l'axe des abscisses, et le module |z| = √(a² + b²) est la distance OM. On additionne et multiplie les complexes comme des polynômes en remplaçant i² par −1 ; pour diviser, on multiplie par le conjugué du dénominateur. Le conjugué et le module se comportent bien avec les opérations (conjugué d'une somme, d'un produit, d'un quotient ; module d'un produit et d'un quotient). Un…

Les notions à connaître

Forme algébrique
Tout nombre complexe s'écrit de façon unique z=a+ibz = a + \mathrm{i}b avec aa et bb réels : a=Re(z)a = \text{Re}(z) est la partie réelle et b=Im(z)b = \text{Im}(z) la partie imaginaire (un nombre RÉEL, sans le i\mathrm{i}). Le nombre i\mathrm{i} vérifie i2=−1\mathrm{i}^2 = -1. Exemple : pour z=3−2iz = 3 - 2\mathrm{i}, Re(z)=3\text{Re}(z) = 3 et Im(z)=−2\text{Im}(z) = -2.
Affixe d'un point, d'un vecteur
Dans un repère orthonormé direct, au complexe z=a+ibz = a + \mathrm{i}b on associe le point M(a ;b)M(a\,;b) : zz est l'affixe de MM, et aussi celle du vecteur OM→\overrightarrow{OM}. Réciproquement, tout point du plan a une affixe. Exemple : le point M(2 ;−3)M(2\,;-3) a pour affixe zM=2−3iz_M = 2 - 3\mathrm{i}, et le vecteur AB→\overrightarrow{AB} a pour affixe zB−zAz_B - z_A.
Conjugué
Le conjugué de z=a+ibz = a + \mathrm{i}b est zˉ=a−ib\bar{z} = a - \mathrm{i}b : géométriquement, le point d'affixe zˉ\bar{z} est le symétrique de celui d'affixe zz par rapport à l'axe des abscisses. On a zzˉ=a2+b2=∣z∣2z\bar{z} = a^2 + b^2 = |z|^2, un réel positif. Exemple : 4+5i‾=4−5i\overline{4 + 5\mathrm{i}} = 4 - 5\mathrm{i} et (4+5i)(4−5i)=16+25=41(4 + 5\mathrm{i})(4 - 5\mathrm{i}) = 16 + 25 = 41.
Module
Le module de z=a+ibz = a + \mathrm{i}b est ∣z∣=a2+b2|z| = \sqrt{a^2 + b^2} : c'est la distance OMOM du point MM d'affixe zz à l'origine (et ∣zB−zA∣=AB|z_B - z_A| = AB). Exemple : ∣3+4i∣=9+16=25=5|3 + 4\mathrm{i}| = \sqrt{9 + 16} = \sqrt{25} = 5.
Opérations : somme, produit, quotient
On calcule comme avec des polynômes en remplaçant i2\mathrm{i}^2 par −1-1. Pour un quotient, on multiplie numérateur et dénominateur par le conjugué du dénominateur afin de rendre celui-ci réel. Exemple : 11−i=1+i(1−i)(1+i)=1+i2=12+12i\dfrac{1}{1 - \mathrm{i}} = \dfrac{1 + \mathrm{i}}{(1 - \mathrm{i})(1 + \mathrm{i})} = \dfrac{1 + \mathrm{i}}{2} = \dfrac{1}{2} + \dfrac{1}{2}\mathrm{i}.
Conjugué et opérations
Le conjugué est compatible avec les opérations : z+z′‾=zˉ+z′ˉ\overline{z + z'} = \bar{z} + \bar{z'}, z×z′‾=zˉ×z′ˉ\overline{z \times z'} = \bar{z} \times \bar{z'} et (zz′)‾=zˉz′ˉ\overline{\left(\dfrac{z}{z'}\right)} = \dfrac{\bar{z}}{\bar{z'}} (pour z′z' non nul). Exemple : (2+i)(3−i)‾=(2−i)(3+i)=6+2i−3i−i2=7−i\overline{(2 + \mathrm{i})(3 - \mathrm{i})} = (2 - \mathrm{i})(3 + \mathrm{i}) = 6 + 2\mathrm{i} - 3\mathrm{i} - \mathrm{i}^2 = 7 - \mathrm{i}.
Module et opérations
Le module d'un produit est le produit des modules : ∣z×z′∣=∣z∣×∣z′∣|z \times z'| = |z| \times |z'|, et le module d'un quotient est le quotient des modules : ∣zz′∣=∣z∣∣z′∣\left |\dfrac{z}{z'}\right | = \dfrac{|z|}{|z'|} (z′z' non nul). Attention : pas de formule simple pour ∣z+z′∣|z + z'|. Exemple : ∣(3+4i)(1−i)∣=5×2=52|(3 + 4\mathrm{i})(1 - \mathrm{i})| = 5 \times \sqrt{2} = 5\sqrt{2}.
Argument et forme trigonométrique
Pour zz non nul, un argument de zz est une mesure θ\theta de l'angle orienté entre l'axe des réels et OM→\overrightarrow{OM} ; on écrit alors la forme trigonométrique z=r(cos⁡θ+isin⁡θ)z = r(\cos\theta + \mathrm{i}\sin\theta) avec r=∣z∣r = |z|. On passe d'une forme à l'autre par a=rcos⁡θa = r\cos\theta et b=rsin⁡θb = r\sin\theta. Exemple : z=1+iz = 1 + \mathrm{i} a pour module 2\sqrt{2} et pour argument π4\dfrac{\pi}{4}, donc z=2(cos⁡π4+isin⁡π4)z = \sqrt{2}\left(\cos\dfrac{\pi}{4} + \mathrm{i}\sin\dfrac{\pi}{4}\right).

Les erreurs à éviter en physique-chimie et mathématiques

Sais-tu répondre à ces questions ?

Les corrigés détaillés sont dans le quiz du chapitre.

  1. Quelles sont la partie réelle et la partie imaginaire de z=3−2iz = 3 - 2\mathrm{i} ?
  2. Quel est le conjugué de z=4+5iz = 4 + 5\mathrm{i} ?
  3. Que vaut i2\mathrm{i}^2 ?
  4. Quel est le module de z=3+4iz = 3 + 4\mathrm{i} ?
  5. Développer et réduire : (2+i)(1−3i)(2 + \mathrm{i})(1 - 3\mathrm{i}).

Et maintenant ?

Lire ne suffit pas : c'est en cherchant qu'on retient.

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