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Calculer. Représenter . Transformer

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COURS 03 • NOMBRES COMPLEXES

Calculer.
Représenter. Transformer.

Les nombres complexes relient algèbre, trigonométrie et géométrie. Ce cours construit les méthodes indispensables pour manipuler les formes algébrique, trigonométrique et exponentielle, résoudre des équations et exploiter la géométrie du plan complexe.

1. FORME ALGÉBRIQUE

Entrer dans le plan complexe.

Définition

Un nombre complexe s’écrit :

z = a + ib

où a et b sont réels et i vérifie :

i² = -1

Parties réelle et imaginaire

Re(z)=a
Im(z)=b

Deux complexes sont égaux si et seulement si leurs parties réelle et imaginaire sont égales.

Conjugué

z̄ = a – ib

Le conjugué intervient dans les calculs de module, les quotients et certaines symétries.

z·z̄ est toujours réel et positif ou nul.

Module

|z| = √(a²+b²)

Géométriquement, le module représente la distance de l’origine au point d’affixe z.

2. FORME TRIGONOMÉTRIQUE

Module et argument.

Écriture polaire

Pour z non nul :

z = r(cos θ + i sin θ)

avec :

r = |z|

et θ argument de z.

Argument

Un argument de z est un angle θ permettant de repérer la direction du vecteur associé.

arg(z)=θ mod 2π
L’argument n’est défini qu’à 2π près.
3. FORME EXPONENTIELLE

La forme la plus efficace pour multiplier et élever à une puissance.

Formule d’Euler

e = cos θ + i sin θ

D’où :

z = re

Produit

r₁eiθ₁ · r₂eiθ₂ = r₁r₂ei(θ₁+θ₂)

Les modules se multiplient et les arguments s’additionnent.

Quotient

z₁/z₂ = (r₁/r₂)ei(θ₁-θ₂)

Les modules se divisent et les arguments se soustraient.

Puissances

(re)ⁿ = rⁿeinθ

C’est la forme idéale pour utiliser la formule de Moivre.

4. STRATÉGIE COMPLEXES

Choisir la bonne forme.

La difficulté n’est pas seulement de calculer, mais de choisir l’écriture la plus efficace.

01IDENTIFIER
02PASSER EN ALGÉBRIQUE
03CALCULER LE MODULE
04TROUVER L’ARGUMENT
05CHOISIR LA FORME
5. RACINES & ÉQUATIONS

Résoudre efficacement dans ℂ.

Équation z² = a

Dans ℂ, toute équation polynomiale non constante admet au moins une racine.

z² = -1 ⇒ z = ±i

Racines n-ièmes

Pour résoudre :

zⁿ = re

on obtient n solutions réparties régulièrement sur un cercle.

zₖ = r1/n ei(θ+2kπ)/n

Racines de l’unité

zⁿ = 1

Les solutions sont :

zₖ = e2ikπ/n

pour k = 0,1,…,n−1.

Interprétation géométrique

Les racines n-ièmes de l’unité sont les sommets d’un polygone régulier inscrit dans le cercle unité.

6. GÉOMÉTRIE COMPLEXE

Transformer les calculs en géométrie.

Distance

Si A et B ont pour affixes zA et zB :

AB = |zB – zA|

Angle

arg((zC-zA)/(zB-zA))

permet de mesurer un angle orienté entre deux directions.

Alignement

Des points A, B et C sont alignés lorsque :

(zC-zA)/(zB-zA) ∈ ℝ

Orthogonalité

Deux directions sont perpendiculaires lorsque leur quotient a un argument égal à π/2 modulo π.

7. EXERCICES PROGRESSIFS

Passer du calcul à la stratégie.

NIVEAU 1

Exercice 1 — Forme algébrique

Calculer :

(2+3i)(1-i)
Développez comme avec des nombres réels puis utilisez i² = -1.
NIVEAU 2

Exercice 2 — Module

Déterminer le module de :

z = 3 – 4i
Utilisez |z| = √(a²+b²).
NIVEAU 3

Exercice 3 — Forme exponentielle

Écrire sous forme exponentielle :

z = 1 + i
Calculez d’abord le module, puis repérez l’argument dans le premier quadrant.
NIVEAU PRÉPA

Exercice 4 — Racines

Résoudre dans ℂ :

z³ = 8
Écrivez 8 sous forme exponentielle, puis utilisez les racines cubiques.
8. PROBLEM LAB

Mission : géométrie complexe.

Mission

On considère trois points A, B et C d’affixes respectives :

zA = 0
zB = 1
zC = i

Montrer que le triangle ABC est rectangle isocèle en A en utilisant uniquement des outils complexes.

Comparez |zB-zA| et |zC-zA|, puis étudiez l’argument de (zC-zA)/(zB-zA).
Montrez d’abord AB = AC avec les modules. Ensuite, montrez que l’angle BAC vaut π/2 en calculant l’argument du quotient des deux directions.
9. QCM DE VALIDATION

Testez votre maîtrise des complexes.

Le score est affiché sans correction détaillée.

1. Si z = a + ib, alors son conjugué est :
2. Le module de z = 3 + 4i vaut :
3. La forme exponentielle d’un complexe non nul est :
4. Les solutions de zⁿ = 1 sont :
5. Géométriquement, |zB-zA| représente :
🌀

Les complexes deviennent un langage de transformation.

Une fois les différentes formes maîtrisées, les calculs deviennent plus courts, les équations plus naturelles et la géométrie beaucoup plus puissante.

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