Physique-chimie et mathématiquesChapitre 8

Nombres complexes : forme exponentielle et applications

L'essentiel en 30 secondes

En première, tu as vu les formes algébrique $z = a + ib$ et trigonométrique $z = r(\cos\theta + i\sin\theta)$. La terminale introduit l'EXPONENTIELLE COMPLEXE : $e^{i\theta} = \cos\theta + i\sin\theta$ (formule d'Euler), qui condense la forme trigonométrique en $z = r\,e^{i\theta}$ avec $r = |z|$ strictement positif et $\theta$ un argument. Cette écriture rend les calculs mécaniques : dans un produit les modules se multiplient et les arguments s'AJOUTENT ($r e^{i\theta} \times r' e^{i\theta'} = rr'\,e^{i(\theta+\theta')}$). On en déduit les formules d'addition et de duplication des sinus et…

Les notions à connaître

Exponentielle complexe (formule d'Euler)
Pour tout réel θ\theta, on pose eiθ=cos⁡θ+isin⁡θe^{i\theta} = \cos\theta + i\sin\theta : c'est un nombre complexe de module 11 situé sur le cercle trigonométrique. Les propriétés de l'exponentielle réelle s'étendent : eiθ×eiθ′=ei(θ+θ′)e^{i\theta} \times e^{i\theta'} = e^{i(\theta+\theta')}. Exemple : eiπ=cos⁡π+isin⁡π=−1e^{i\pi} = \cos\pi + i\sin\pi = -1 et eiπ/2=ie^{i\pi/2} = i.
Forme exponentielle d'un nombre complexe
Tout complexe non nul s'écrit z=r eiθz = r\,e^{i\theta} avec r=∣z∣r = |z| strictement positif (module) et θ\theta un argument de zz. Passage depuis la forme algébrique : r=a2+b2r = \sqrt{a^2+b^2}, puis cos⁡θ=ar\cos\theta = \dfrac{a}{r} et sin⁡θ=br\sin\theta = \dfrac{b}{r}. Exemple : z=1+iz = 1 + i donne r=2r = \sqrt{2} et θ=π4\theta = \dfrac{\pi}{4}, soit z=2 eiπ/4z = \sqrt{2}\,e^{i\pi/4}.
Produits, quotients et puissances en forme exponentielle
Les modules se multiplient et les arguments s'ajoutent : reiθ×r′eiθ′=rr′ ei(θ+θ′)r e^{i\theta} \times r' e^{i\theta'} = r r'\,e^{i(\theta + \theta')} ; pour un quotient, les modules se divisent et les arguments se soustraient ; pour une puissance, (reiθ)n=rneinθ\left(r e^{i\theta}\right)^n = r^n e^{in\theta}. Exemple : 2eiπ/6×3eiπ/3=6 eiπ/2=6i2e^{i\pi/6} \times 3e^{i\pi/3} = 6\,e^{i\pi/2} = 6i.
Formules d'addition et de duplication
En développant ei(a+b)=eiaeibe^{i(a+b)} = e^{ia}e^{ib} on obtient : cos⁡(a+b)=cos⁡acos⁡b−sin⁡asin⁡b\cos(a+b) = \cos a\cos b - \sin a\sin b et sin⁡(a+b)=sin⁡acos⁡b+cos⁡asin⁡b\sin(a+b) = \sin a\cos b + \cos a\sin b ; avec a=ba = b : cos⁡(2a)=cos⁡2a−sin⁡2a=2cos⁡2a−1=1−2sin⁡2a\cos(2a) = \cos^2 a - \sin^2 a = 2\cos^2 a - 1 = 1 - 2\sin^2 a et sin⁡(2a)=2sin⁡acos⁡a\sin(2a) = 2\sin a\cos a. Exemple : cos⁡π3=1−2sin⁡2π6=1−2×14=12\cos\dfrac{\pi}{3} = 1 - 2\sin^2\dfrac{\pi}{6} = 1 - 2 \times \dfrac{1}{4} = \dfrac{1}{2}.
Linéarisation de cos2s^2 et sin2n^2
En inversant les formules de duplication : cos⁡2θ=1+cos⁡(2θ)2\cos^2\theta = \dfrac{1 + \cos(2\theta)}{2} et sin⁡2θ=1−cos⁡(2θ)2\sin^2\theta = \dfrac{1 - \cos(2\theta)}{2}. Indispensable pour PRIMITIVER les carrés de sinusoïdes (puissance dissipée en électricité). Exemple : ∫0πsin⁡2θ dθ=∫0π1−cos⁡(2θ)2 dθ=π2\int_0^{\pi} \sin^2\theta\,d\theta = \int_0^{\pi} \dfrac{1 - \cos(2\theta)}{2}\,d\theta = \dfrac{\pi}{2}.
Transformation a⋅a\cdot cos(ωt)+b⋅(\omega t) + b\cdot sin(ωt)=A⋅(\omega t) = A\cdot cos(ωt+φ)(\omega t + \varphi )
La somme de deux sinusoïdes de même fréquence est une sinusoïde de même fréquence : acos⁡(ωt)+bsin⁡(ωt)=Acos⁡(ωt+φ)a\cos(\omega t) + b\sin(\omega t) = A\cos(\omega t + \varphi) avec A=a2+b2A = \sqrt{a^2 + b^2}, cos⁡φ=aA\cos\varphi = \dfrac{a}{A} et sin⁡φ=−bA\sin\varphi = -\dfrac{b}{A} (identification via la formule d'addition). Exemple : cos⁡(ωt)+sin⁡(ωt)=2cos⁡(ωt−π4)\cos(\omega t) + \sin(\omega t) = \sqrt{2}\cos\left(\omega t - \dfrac{\pi}{4}\right), d'amplitude 2≈1,41\sqrt{2} \approx 1{,}41.
Équations dans C : premier degré et z2=az^2 = a
Une équation du premier degré αz+β=0\alpha z + \beta = 0 se résout comme dans R\mathbb{R} : z=−βαz = -\dfrac{\beta}{\alpha} (calcul avec conjugué si besoin). Pour z2=az^2 = a avec aa réel : si aa est positif, z=±az = \pm\sqrt{a} ; si aa est négatif, z=±i∣a∣z = \pm i\sqrt{|a|} — dans C\mathbb{C}, tout réel a des racines carrées. Exemple : z2=−9z^2 = -9 a pour solutions z=3iz = 3i et z=−3iz = -3i.
Transformations géométriques et écriture complexe
L'application z↦z+bz \mapsto z + b est la TRANSLATION de vecteur d'affixe bb ; z↦azz \mapsto az est une HOMOTHÉTIE de centre O et de rapport aa quand aa est un réel non nul, et une ROTATION de centre O et d'angle θ\theta quand a=eiθa = e^{i\theta} (module 1). Exemple : z↦izz \mapsto iz est la rotation de centre O et d'angle π2\dfrac{\pi}{2} : le point d'affixe 22 est envoyé sur le point d'affixe 2i2i.

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. Que vaut eiπ/2e^{i\pi/2} ?
  2. Quel est le module du nombre complexe z=4 e−iπ/3z = 4\,e^{-i\pi/3} ?
  3. Quelle est la forme exponentielle de z=1+iz = 1 + i ?
  4. Calculer le produit z=2 eiπ/4×5 eiπ/4z = 2\,e^{i\pi/4} \times 5\,e^{i\pi/4}.
  5. Quelles sont les solutions dans C\mathbb{C} de l'équation z2=−25z^2 = -25 ?

Et maintenant ?

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

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