ℂ Option Mathématiques expertes Terminale Générale · Chapitre 1

Nombres complexes : forme algébrique et équations

L'ensemble ? des nombres complexes : forme algébrique, partie réelle et partie imaginaire, calculs, conjugué, quotients, équations du second degré à coefficients réels et factorisation de polynômes.

1. L'ensemble ?

Définition · Nombre complexe

Il existe un ensemble $\mathbb{C}$, contenant $\mathbb{R}$, muni d'une addition et d'une multiplication qui prolongent celles des réels, et contenant un nombre $i$ tel que $i^2 = -1$. Tout nombre complexe s'écrit de façon unique $z = a + ib$ avec $a$ et $b$ réels : c'est sa forme algébrique. $a = \mathrm{Re}(z)$ est la partie réelle, $b = \mathrm{Im}(z)$ la partie imaginaire.

Si $b = 0$, $z$ est réel ; si $a = 0$, $z$ est imaginaire pur. Deux complexes sont égaux si et seulement s'ils ont même partie réelle et même partie imaginaire.

-3-2-1123-2-1120ReImM(z), z = a + ibM?(conjugué de z)ab
Le point M d'affixe z = a + ib et son symétrique par rapport à l'axe des réels, d'affixe le conjugué a ? ib.

2. Calculer avec la forme algébrique

On calcule comme avec des réels, en remplaçant $i^2$ par $-1$.

Exemple · Produit

$(2 + 3i)(1 - i) = 2 - 2i + 3i - 3i^2 = 2 + i + 3 = 5 + i$.

Propriété · Puissances de i

$i^2 = -1$, $i^3 = -i$, $i^4 = 1$ : les puissances de $i$ se répètent tous les 4. Par exemple $i^{2026} = i^{4 \times 506 + 2} = i^2 = -1$.

3. Conjugué

Définition · Conjugué

Le conjugué de $z = a + ib$ est $\overline{z} = a - ib$.

Propriété · Propriétés

$z + \overline{z} = 2\,\mathrm{Re}(z)$ ; $z - \overline{z} = 2i\,\mathrm{Im}(z)$ ; $z\,\overline{z} = a^2 + b^2$ (réel positif) ; $\overline{z + z'} = \overline{z} + \overline{z'}$ ; $\overline{z z'} = \overline{z}\,\overline{z'}$ ; $\overline{z^n} = \overline{z}^{\,n}$. Enfin $z$ est réel $\iff \overline{z} = z$ et $z$ est imaginaire pur $\iff \overline{z} = -z$.

Méthode · Écrire un quotient sous forme algébrique

On multiplie numérateur et dénominateur par le conjugué du dénominateur : $\dfrac{3 + i}{1 - 2i} = \dfrac{(3 + i)(1 + 2i)}{(1 - 2i)(1 + 2i)} = \dfrac{3 + 6i + i - 2}{1 + 4} = \dfrac{1 + 7i}{5}$.

4. Équations du second degré à coefficients réels

Propriété · Résolution dans ?

Soit $az^2 + bz + c = 0$ avec $a$, $b$, $c$ réels, $a \neq 0$, et $\Delta = b^2 - 4ac$.

  • Si $\Delta \geq 0$ : les solutions réelles habituelles.
  • Si $\Delta < 0$ : deux solutions complexes conjuguées $z_{1,2} = \dfrac{-b \pm i\sqrt{-\Delta}}{2a}$.

Dans tous les cas $az^2 + bz + c = a(z - z_1)(z - z_2)$, avec $z_1 + z_2 = -\dfrac{b}{a}$ et $z_1 z_2 = \dfrac{c}{a}$.

Exemple · z² ? 2z + 5 = 0

$\Delta = 4 - 20 = -16 = (4i)^2$, donc $z = \dfrac{2 \pm 4i}{2} = 1 \pm 2i$.

Méthode · Polynôme de degré 3 ayant une racine évidente

Si $P(z_0) = 0$, on factorise $P(z) = (z - z_0)Q(z)$ avec $Q$ de degré 2 (identification des coefficients), puis on résout $Q(z) = 0$.

Attention · Pas de comparaison

On ne compare pas deux nombres complexes non réels : écrire $1 + i > 1$ n'a aucun sens.

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Exercices corrigés

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1

Somme et produit

★☆☆

Écrire sous forme algébrique $(2 + 3i) + (4 - 5i)$ puis $(2 + 3i)(4 - 5i)$.

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2

Puissances de i

★☆☆

Calculer $i^3$, $i^4$, $i^{10}$ et $i^{2026}$.

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4

Conjugué d'un produit

★☆☆

Calculer $z = (3 - i)(2 + i)$ puis $\overline{z}$.

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5

Inverse

★☆☆

Écrire $\dfrac{1}{2 - i}$ sous forme algébrique.

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6

Quotient

★★☆

Écrire $\dfrac{1 + 3i}{1 + i}$ sous forme algébrique.

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7

Parties réelle et imaginaire

★★☆

Déterminer la partie réelle et la partie imaginaire de $z = \dfrac{2 + i}{3 - 4i}$.

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8

Équation avec conjugué

★★☆

Résoudre dans $\mathbb{C}$ : $z + 2\overline{z} = 3 - i$.

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13

Second degré (3)

★★☆

Résoudre $z^2 - 6z + 13 = 0$ puis factoriser $z^2 - 6z + 13$.

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14

Somme et produit des racines

★★☆

Vérifier, sans les calculer, que les solutions de $z^2 - 2z + 5 = 0$ ont pour somme $2$ et pour produit $5$, puis le confirmer avec $1 \pm 2i$.

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15

z³ = 1

★★★

Factoriser $z^3 - 1$ par $z - 1$, puis résoudre $z^3 = 1$ dans $\mathbb{C}$.

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16

Polynôme de degré 3

★★★

Soit $P(z) = z^3 - 3z^2 + 4z - 2$. Calculer $P(1)$, factoriser $P$ et résoudre $P(z) = 0$.

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17

Imaginaire pur

★★☆

Pour quels réels $x$ le nombre $(x + i)^2$ est-il imaginaire pur ?

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18

Puissances de 1 + i

★★☆

Calculer $(1 + i)^2$, puis en déduire $(1 + i)^4$ et $(1 + i)^8$.

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19

Produit par le conjugué

★☆☆

Montrer que pour $z = a + ib$, le nombre $z\,\overline{z}$ est un réel positif. Calculer-le pour $z = 3 + 4i$.

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20

Équation conjugué (2)

★★★

Résoudre $\overline{z} = 2z - 1 + 3i$.

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21

Complexes en Python

★☆☆

En Python, le nombre $i$ s'écrit 1j. Qu'affiche print((2+3j)*(4-5j)) ?

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