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Montage préparé par : André Ross Professeur de mathématiques Cégep de Lévis-Lauzon André Ross Professeur de mathématiques Cégep de Lévis-Lauzon Nombres.

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1 Montage préparé par : André Ross Professeur de mathématiques Cégep de Lévis-Lauzon André Ross Professeur de mathématiques Cégep de Lévis-Lauzon Nombres complexes Nombres complexes

2 Nous allons amorcer l’étude des nombres complexes par leur représentation géométrique, soit comme des vecteurs, et nous allons définir les opérations d’addition et de multiplication par un scalaire. Introduction La notion de nombre complexe conjugué nous permettra d’illustrer comment les équations quadratiques admettent toutes deux solutions distinctes dans l’ensemble des nombres complexes. Nous définirons également une multiplication et une division sur les nombres com- plexes.

3 Nombre complexe Chaque nombre réel peut être représenté sur un axe horizontal en associant à ce nombre un segment de droite ou un point sur l’axe et, réciproquement, on peut associer un nombre réel à tout segment ou tout point de l’axe horizontal. On peut considérer chacun de ces segments de droite comme un vecteur dont la direction est l’axe horizontal et dont le sens est donné par le signe. S Considérons maintenant un opéra- teur qui a pour effet de faire subir une rotation de 90° (ou π/2 radian) de sens antihoraire. Cet opérateur sera représenté par la lettre i. Ainsi, le produit i  1, ou simplement i, est un vecteur unitaire obtenu par une rotation de 90° de sens antihoraire du vecteur unitaire horizontal. Son origine coïncide avec l’origine du système d’axes et son sens est défini par la direction positive de l’axe vertical. On note : i = 1  90° = 1  π/2 En considérant la base B = {1, i}, on peut, par combinaison linéaire, associer à chaque vecteur du plan un nombre de la forme a + bi que l’on appelle nombre complexe. Dans un nombre complexe z = a + bi, a est la partie réelle, notée Re(z), et b la partie imaginaire, notée Im(z). La forme a + bi est appelée forme cartésienne (ou forme rectangulaire) du nombre complexe. S

4 DÉFINITION Nombre complexe Nombre complexe On appelle nombre complexe toute expression de la forme a + bi, où a et b sont des nombres réels et i un opérateur dont l’effet est une rotation de 90° de sens antihoraire. Un nombre complexe a + bi est représenté par un vecteur dont les composantes sont a et b. Dans cette représentation graphique, l’axe horizontal est appelé axe des réels et l’axe vertical axe des imaginaires. On notera indifféremment bi ou ib. L’ensemble des nombres complexes est représenté par la lettre C. On remarquera que l’ensemble des réels est un sous-ensemble de C. En effet, lorsque b = 0, le nombre a + 0i est le nombre réel a. Lorsqu’on voudra désigner un nombre complexe par une seule lettre, on emploiera la lettre z ou la lettre u.

5 Égalité Égalité de nombres complexes Soit z 1 = a 1 + b 1 i et z 2 = a 2 + b 2 i, deux nombres complexes sous forme rectangulaire. On dit que ces nombres sont égaux si et seulement si : a1 a1 = a2 a2 et b1 b1 = b2b2 DÉFINITION Pour assurer la cohérence avec la représentation graphique, on doit poser que des nombres complexes sous forme rectangulaire sont égaux lorsqu’ils sont représentés par le même vecteur. Ils doivent donc avoir des composantes égales. Cela permet de poser la définition suivante. Deux nombres complexes sous forme rectangulaire sont donc égaux si et seulement si leurs parties réelles sont égales et leurs parties imaginaires sont égales.

6 L’opérateur i Considérons à nouveau l’opérateur i. On sait déjà que la multiplication par i a comme effet une rotation de 90° et que i est représenté par un vecteur unitaire dans la direction positive de l’axe vertical. Considérons maintenant i 2, soit le produit de i par i. On trouve donc : De la même façon, on a : i4 i4 = i3 i3  i = –i –i  i = 1, ainsi de suite. La définition de i comme opérateur dont l’effet est une rotation de 90° dans le sens antihoraire implique donc que i 2 = –1. C’est pourquoi on écrit parfois i = –1. Toutes les équations quadratiques ont alors deux racines dans l’ensemble des nombres complexes. C’est ce qu’illustre l’exemple suivant. i3 i3 = i2 i2  i = –1  i = –i–i i2 i2 = i  i =

7 Exemple S Trouver les racines de l’équation quadratique suivante : Les racines d’une équation quadratique ax 2 + bx + c = 0 sont données par : x 2 – 2x + 5 = 0 x = –b ± b2 b2 – 4ac 2a2a x = 2 ± 4 – 20 2 = 2 ± – Dans le cas présent, on a : S En considérant le radical comme un produit de radicaux, on a : –16 = –1 = 4= 4i4i Cela permet d’écrire : x = 2 ± –16 2 = 2 ± 4i4i 2 = 2(1 ± 2i) 2 = 1 ± 2i2i Par conséquent, l’équation quadratique x 2 – 2x + 5 = 0 a deux racines dans l’ensemble des nombres complexes; ce sont : x = 1 + 2i et x = 1 – 2i

8 Addition de nombres complexes Soit z 1 = a 1 + b 1 i et z 2 = a 2 + b 2 i, deux nombres complexes sous forme rec- tangulaire. DÉFINITION La somme de deux nombres complexes est donc obtenue en additionnant les parties réelles entre elles et les parties imaginaires entre elles. z 1 + z 2 = (a 1 + a 2 ) + (b 1 + b 2 )i L’addition de ces nombres, notée z 1 + z 2, est définie par l’égalité sui- vante :

9 Exemple S Additionner les nombres complexes z 1 = 5 – 2i et z 2 = 3 + 4i, et représenter graphiquement. Il faut additionner entre elles les parties réelles et les parties ima- ginaires, ce qui donne : z 1 + z 2 = (5 – 2i) + (3 + 4i) La représentation graphique illustre le fait que la somme de deux nombres complexes est représentée par la diagonale du parallélogramme. = (5 + 3) + (–2 + 4)i = 8 + 2i

10 Multiplication par un scalaire Un nombre complexe z = a + bi étant représenté par un vecteur, il a donc un module, noté ou r, qui est défini par : z a 2 + b 2 r =r =z= La multiplication par un scalaire aura pour effet de multiplier le module de ce vecteur en conservant la direction. Le sens du vecteur résultant dépendra du signe du scalaire.

11 Multiplication par un scalaire Multiplication d’un nombre complexe par un scalaire Soit z = a + bi, un nombre complexe sous forme rectangulaire. DÉFINITION cz = ca + cbi La multiplication de z par le scalaire c donne un nombre complexe, noté cz, défini par l’égalité suivante : •le vecteur représentant le nombre com- plexe cz a la même direction que celui représentant le nombre complexe z; •le module de cz est égal au produit de la valeur absolue de c par le module de z, soit : •le sens de cz est le même que celui de z si c > 0, et le sens est contraire si c < 0. cz = zc

12 Exemple S Soit le nombre z = 2 – i. a)Représenter graphiquement ce nombre complexe. b)Trouver et représenter graphique- ment le nombre 3z. c)Trouver et représenter graphique- ment le nombre –2z. b)Le nombre 3z est défini par 3z = 3 (2 – i) = 6 – 3i. Graphiquement, c’est un vecteur ayant même direction et même sens que z, mais son module est le triple du module de z. c)Le nombre –2z est défini par –2z = –2(2 – i) = –4 + 2i. Graphi- quement, c’est un vecteur dont le module est le double de celui de z; sa direction est la même que z, mais il est de sens contraire à z, puisque le scalaire est négatif.

13 Nombre conjugué Lorsqu’une équation quadratique à coefficients réels a des zéros com- plexes, ceux-ci ne diffèrent que par le signe de la partie imaginaire. De tels nombres sont dits conjugués. Graphiquement, ce sont des vecteurs symétriques par rapport à l’axe des réels. Nombre complexe conjugué Soit z = a + bi, un nombre complexe sous forme rectangulaire. DÉFINITION On appelle nombre complexe conjugué de z, noté z, le nombre complexe défini par : z = a – bi On trouve donc le nombre conjugué en changeant le signe de la partie imaginaire du nombre complexe.

14 Produit de nombres complexes S Pour multiplier deux nombres complexes, on procède comme pour le produit de deux binômes, puis on utilise le fait que i 2 = –1. Ainsi, pour effectuer le produit des nombres complexes z 1 = 2 – 3i et z 2 = 5 + 2i, on procède comme suit : (2 – 3i)(5 + 2i)= i – 15i – 6i 2, par distributivité; = i – 15i + 6, puisque i 2 = –1; = 16 – 11i pour multiplier deux nombres complexes sous forme rectangulaire 1.Multiplier les nombres comme s’ils étaient deux binômes. 2.Utiliser le fait que i 2 = –1 pour simplifier l’expression obtenue en regroupant les parties réelles et les parties imaginaires. Procédure

15 Exemple S Effectuer les multiplications suivantes : a)(–5 + 7i)(6 – 12i) a)(–5 + 7i)(6 – 12i) = – i + 42i – 84i 2, par distributivité; = – i + 84, puisque i 2 = –1; = i. b)i(2 + 3i)= 2i + 3i 2, par distributivité; = –3 + 2i, puisque i 2 = –1. c)3i(–5 + 2i)(6 – 3i)= (–15i + 6i 2 )(6 – 3i), par distributivité; = (–6 – 15i)(6 – 3i), puisque i 2 = –1; = – i – 90i + 45i 2, par distributivité; = –81 – 72i, puisque i 2 = –1. b) i(2 + 3i) c) 3i(–5 + 2i)(6 – 3i) SS

16 Produit de nombres complexes conjugués S = (a (a + bi)(a – bi) = a2 a2 – abi + – b 2 i 2, par distributivité; = a2 a2 + b 2, puisque i2 i2 = –1. zz Considérons z = a + bi, un nombre complexe quelconque. Alors, le conjugué de z est = a – bi. Le produit de z par son conjugué est alors : z Produit d’un nombre complexe et de son conjugué sous forme rectangulaire THÉORÈME Soit z = a + bi, un nombre complexe sous forme rectangulaire. Alors, le produit de z par son conjugué z est : zz = a 2 + b 2 Cela signifie que le produit d’un nombre complexe par son conjugué donne toujours un nombre réel.

17 Quotient de nombres complexes S Le quotient de deux nombres complexes est connu lorsqu’on a déterminé la partie réelle et la partie imaginaire du quotient. Pour y parvenir, on utilise le fait que le produit d’un nombre complexe par son conjugué donne un nombre réel. Ainsi, 2 – 3i 5 + 4i = 2 – 3i 5 + 4i = 5 – 4i  = 10 – 15i – 8i + 12i –2 – 23i 41 Le quotient est alors exprimé sous la forme a + bi, puisque : 2 – 3i 5 + 4i = – – i pour diviser deux nombres complexes sous forme rectangulaire 1.Multiplier le numérateur et le dénominateur par le conjugué du dénominateur. 2.Simplifier et écrire le résultat sous la forme a + bi. Procédure

18 Exemple S Effectuer les divisions suivantes : a)a) a)En multipliant le numérateur et le dénominateur par –4 – 3i, on obtient : b) Pour que le dénominateur soit un nombre réel, il suffit de multiplier le numérateur et le dénominateur par i, ce qui donne : c)Dans cette situation, il est préférable d’effectuer d’abord le produit au dénominateur. On obtient : b)b)c)c) SS 5 – 2i –4 + 3i 7 + 4i 3i –2 + 7i (4 – 3i)(3 + 5i) 5 – 2i –4 + 3i = 5 – 2i –4 + 3i = –4 – 3i  = – –20 – 15i + 8i + 6i – 7 25 i 7 + 4i 3i = 7 + 4i 3i = iiii  = 7i + 4i 2 3i – 7373 i= –4 +7i –3 –2 + 7i (4 – 3i)(3 + 5i) = –2 + 7i i = 27 – 11i  i

19 Exemple S Trouver z et u  C tels que : a) (2 – 3i)z = i a)On cherche z = a + bi tel que (2 – 3i)z = i. On a alors : b)b) S 3z + 2iu = 1 – 5i 4iz – 5u = 2 – 15i i 2 – 3i = i 2 – 3i = 2 + 3i  = – 3 + 4i i + 18i + 51i 2 13 z = b)On cherche des nombres complexes z = a + bi et u = c + di satis- faisant aux deux équations, soit : z u 1 – 5i 2 – 15i = Par la méthode de Cramer, on obtient : 32i2i 4i4i–5 = –15 – 8i2 8i2 = –7 ≠ 0 z = = –5 + 25i – (4i – 30i 2 ) –7 = – i –7 = 5 – 3i 3 4i4i 2i2i –5 2i2i 1 – 5i 2 – 15i –7 == –14 – 49i –7 = 2 + 7i u = 6 – 45i – (4i – 20i 2 ) –7 1 – 5i 2 – 15i 3 4i4i

20 Conclusion En introduisant un opérateur i dont l’effet est une rotation de 90°, on a développé un nouvel ensemble de nombres qui s’expriment comme combinaisons linéaires des vecteurs de la base B = {1, i}. Chaque nombre complexe, qui sous forme rectangulaire s’écrit z = a + bi, est représenté graphiquement par un vecteur dont les composantes sont a et b. En considérant tous les nombres complexes de la forme z = a + 0i, on obtient l’ensemble des nombres réels R qui est donc un sous- ensemble de l’ensemble C des nombres complexes. Toutes les équations quadratiques ont deux racines dans l’ensemble des nombres complexes. Les opérations d’addition et de multiplication par un scalaire tel que définies satisfont aux propriétés de la structure d’espace vectoriel. De plus, en considérant l’addition et la multiplication des nombres complexes, l’ensemble C a une structure de corps commutatif.

21 Exercices Algèbre linéaire et géométrie vectorielle avec applications en sciences de la nature, Section 8.2, p. 227 no. 1 à 14 Lecture Algèbre linéaire et géométrie vectorielle avec applications en sciences de la nature, Section 8.1, p. 219 à 226.


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