L'ensemble C

#2bacsef

1) Aspet Algébrique

On désigne par i\bf i le nombre imaginaire tel que i2=1i^2 =-1 , et on appelle nombre complexe tout nombre zz ayant une écriture du type

z=a+ib\bf z=a+ib

où a et b sont des nombres réels. Cette écriture est appelée forme algeˋbrique{\bf\text{forme algèbrique}}, du nombre complexe zz, et les nombres aa et bb sont respectivement appelés partie reˊelle{\bf \text{partie réelle}} et partie imaginaire{\bf \text{partie imaginaire}} du nombre complexe zz. On note :

a=Re(z)   et   b=Im(z)a=\mathcal{R}e(z)~~~ et~~~ b=\mathcal{I}m(z)

On désigne par C\mathbb{C} l’ensemble des nombres complexes. Il contient l’ensemble R\R des nombres réels (on note RC\R\subset \mathbb{C})

C={z=a+ib/a,bR}\bf \mathbb{C}=\{z=a+ib / a,b\in\R\}

Exemples

  1. Les nombres 1+i1+i ; 3+5i-3+5i ; 2i2i ; 13i1-\sqrt{3}i sont des nombres complexes
  2. Dans chacun des exemples suivants, donner la partie réelle et la partie imaginaire de zz:
  • z=2+3iz=2+3i
  • z=1+12iz=-1+\dfrac{1}{2}i
  • z=iz=-i
  • z=2z=2
  • z=4i13z=4i-\dfrac{1}{3}

Correction

  • z=2+3iz=2+3i alors :

    Re(z)=2\mathcal{R}e(z)=2 et Im(z)=3\mathcal{I}m(z)=3

  • z=1+12iz=-1+\dfrac{1}{2}i alors :

    Re(z)=1\mathcal{R}e(z)=-1 et Im(z)=12\mathcal{I}m(z)=\dfrac12

  • z=i=0+(1)iz=-i=0+(-1)i alors :

Re(z)=0\mathcal{R}e(z)=0 et Im(z)=1\mathcal{I}m(z)=-1

  • z=2=2+0.iz=2=2+0.i alors :

Re(z)=2\mathcal{R}e(z)=2 et Im(z)=0\mathcal{I}m(z)=0

  • z=4i13=13+4iz=4i-\dfrac{1}{3}=-\dfrac13+4i alors :

Re(z)=13\mathcal{R}e(z)=-\dfrac13 et Im(z)=4\mathcal{I}m(z)=4

2) Aspet Géométrique

Le plan (P)\mathcal{(P)} est rapporté à un repère orthonormé direct (O,u,v)(O,\vec{u},\vec{v})

  • à tout nombre complexe z=x+yiz=x+yi, on lui fait correspondre un point M(x,y)M(x,y), on dit

que MM est l’image du nombre complexe zz, et on écrit M(z)M(z)

  • on dit que zz est l’affixe du point MM, et on écrit zMz_M ou z=aff(M)z=aff(M)
  • on dit que zz est l’affixe du vecteur OM\overrightarrow{OM}, et on écrit zOM=zz_{\overrightarrow{OM}}=z
  • Le plan (P\mathcal{P}) est appelé le plan complexe
0uvxyx+iyRiR
  • Le point O est l’image du nombre 0.
  • L’axe des abscisses (O,u)(O,\vec{u}) est dit axe réel;
  • l’axe des ordonnées (O,v)(O,\vec{v}) est dit axe des imaginaires

Application

Place dans le plan complexe les points MiM_i d’affixes ziz_i :

  • z1=2+3iz_1=2+3i
  • z2=3+iz_2=3+i
  • z3=1+2iz_3=-1+2i
  • z4=2iz_4=2-i
  • z5=iz_5=i
  • z6=2iz_6=-2i
  • z7=2z_7=-2
  • z8=i3z_8=-i-3

Correction

OuvM1M2M3M4M5M6M7M8

3) Propriétés

Proposition:

Deux nombres complexes sont égaux si et seulement si ils ont la même partie réelle et la même partie imaginaire :

z=z    a+ib=a+ib    a=a et b=b.\begin{aligned} z=z' \quad &\iff \quad a+ib=a'+ib' \\ \quad &\iff \quad a=a' \text{ et } b=b'. \end{aligned}

Cas particulier : a+ib=0    a=0 et b=0a+ib=0 \iff a=0 \text{ et } b=0

Proposition:

On pose z=a+ibz=a+ib, z=a+ibz'=a'+ib' et kRk\in\R, on a :

  • z+z=(a+a)+i(b+b)z+z'=(a+a')+i(b+b'),
  • zz=(aa)+i(bb)z-z'=(a-a')+i(b-b'),
  • kz=ka+ikbkz=ka+ikb,
  • zz=(aabb)+i(ab+ab)zz'=(aa'-bb')+i(ab'+a'b).

Preuve:

z.z=(a+ib)(a+ib)=aa+iab+iab+i2bb=(aabb)+i(ab+ab)\begin{aligned} z.z'&=(a+ib)(a'+ib')\\&=aa'+iab'+ia'b+i^2bb'\\&=(aa'-bb')+i(ab'+a'b) \end{aligned}

Proposition:

Soient zz et zz' deux complexes.

  • zz est un réel si et seulement si Im(z)=0\mathcal{I}m(z)=0
  • zz est un imaginaire pur si et seulement si Re(z)=0\mathcal{R}e(z)=0
  • z=z{Re(z)=Re(z) et Im(z)=Im(z)z=z' \Leftrightarrow \left\{\begin{matrix}\mathcal{R}e(z)=\mathcal{R}e(z')\\ \text{ et } \mathcal{I}m(z)=\mathcal{I}m(z')\end{matrix}\right.

Exercice:

  1. Ecrire sous forme algébrique les nombres complexes suivants :

    • a=(1+2i)2a=(1+2i)^2
    • b=(5+i)(32i)b=(5+i)(3-2i)
    • c=5i(3+2i)c=5i(3+2i)
  2. Soit xx un nombre réel posons : z=x+1+i(x2x)z=x+1+i(x^2-x)

a) Déterminer x pour que z soit réel

b) Déterminer x pour que z soit imaginaire pur.

Correction:

1.

a=(1+2i)2=12+2×1×2i+(2i)2=1+4i4=3+4ib=(5+i)(32i)=1510i+3i2i2=157i+2=177ic=5i(3+2i)=15i+10i2=10+15i\begin{aligned} a&=(1+2i)^2=1^2+2\times1\times2i+(2i)^2\\&=1+4i-4=-3+4i\\ b&=(5+i)(3-2i)\\&=15-10i+3i-2i^2\\&=15-7i+2=17-7i\\ c&=5i(3+2i)=15i+10i^2\\&=-10+15i \end{aligned}

  1. Soit xRx\in\R ; z=x+1+i(x2x)z=x+1+i(x^2-x)

a/

zRIm(z)=0x2x=0x(x1)=0x=0 ou x=1\begin{aligned} z\in\R &\Longleftrightarrow \mathcal{I}m(z)=0 \\ &\Longleftrightarrow x^2-x=0 \\ &\Longleftrightarrow x(x-1)=0 \\ &\Longleftrightarrow x=0 \text{ ou } x=1 \end{aligned}

b/

ziRRe(z)=0x+1=0x=1\begin{aligned} z\in i\R &\Longleftrightarrow \mathcal{R}e(z)=0 \\ &\Longleftrightarrow x+1=0 \\ &\Longleftrightarrow x=-1 \end{aligned}

Proposition:

Si AA, BB et CC trois points du plan complexe (P) d’affixes respectivement,zAz_A, zBz_B et zCz_C, alors :

  1. l’affixe du vecteur AB\overrightarrow{AB} est : zBzAz_B-z_A et on a AB=AB=zBzAAB=||\overrightarrow{AB}||=|z_B-z_A|
  2. l’affixe de II, milieu de [AB][AB] est : zI=zA+zB2z_I=\dfrac{z_A+z_B}{2}
  3. Si ACA\ne C. les points AA,BB et CC sont alignés si et seulement si zBzAzCzAR\dfrac{z_B-z_A}{z_C-z_A}\in\R

Preuve:

AB=OBOA    zAB=zBzA\overrightarrow{AB}=\overrightarrow{OB}-\overrightarrow{OA} \implies z_{\overrightarrow{AB}}=z_B-z_A

II est milieu de [AB][AB] alors

    IA+IB=0    zAzI+zBzI=0    2zI=zA+zB\begin{aligned} &\implies\overrightarrow{IA}+\overrightarrow{IB}=\vec{0}\\ &\implies z_A-z_I+z_B-z_I=0\\& \implies 2z_I=z_A+z_B \end{aligned}
les points A,B et C sont aligneˊ    kR : AB=kAC\begin{align*} &\text{les points A,B et C sont alignés }\\ &\iff \exists k \in \R ~ : ~ \overrightarrow{AB}=k\overrightarrow{AC} \end{align*}
AB=kAC    zBzA=k(zCzA)    zBzAzCzA=k    zBzAzCzAR\begin{align*} \overrightarrow{AB}=k\overrightarrow{AC}&\iff z_B-z_A=k(z_C-z_A)\\ &\iff \dfrac{z_B-z_A}{z_C-z_A}=k\\ &\iff \dfrac{z_B-z_A}{z_C-z_A}\in \R \end{align*}

Exercice: Soient A et B et C trois points dont les affixes respectivement sont : zA=1+i   ,   zB=2i    et    zC=22iz_A=-1+i~~~,~~~ z_B=2i ~~~ \text{ et } ~~~ z_C=2-2i

  1. Déterminer l’affixe de II milieu de [BC][BC]
  2. Les points AA, BB et CC sont ils alignés?
  3. Calculer zAzB|z_A-z_B| , zAzC|z_A-z_C| et zCzB|z_C-z_B| puis conculre.

Correction:

  1. zI=zB+zC2=2i+22i2=1z_I=\dfrac{z_B+z_C}{2}=\dfrac{2i+2-2i}{2}=1
zBzAzCzA=2i+1i22i+1i=i+133i=(i+1)(3+3i)(33i)(3+3i)=3i3+3+3i32(3i)2=6i9+9=13i\begin{align*} \dfrac{z_B-z_A}{z_C-z_A}&=\dfrac{2i+1-i}{2-2i+1-i}\\ &=\dfrac{i+1}{3-3i}=\dfrac{(i+1)(3+3i)}{(3-3i)(3+3i)} \\&=\dfrac{3i-3+3+3i}{3^2-(3i)^2} \\&=\dfrac{6i}{9+9}=\dfrac13 i \end{align*}

Comme zBzAzCzAR\dfrac{z_B-z_A}{z_C-z_A}\notin\R,alors les points AA, BB et CC ne sont pas alignés

zAzB=1+i2i=1i=(1)2+(1)2=2\begin{align*} |z_A-z_B|&=|-1+i-2i|\\&=|-1-i|\\&=\sqrt{(-1)^2+(-1)^2}\\&=\sqrt{2}\\ \end{align*}
zAzC=1+i2+2i=3+3i=(3)2+(3)2=18\begin{align*} |z_A-z_C|&=|-1+i-2+2i|\\&=|-3+3i|\\&=\sqrt{(-3)^2+(3)^2}\\&=\sqrt{18} \end{align*}
zCzB=22i2i=24i=(2)2+(4)2=20\begin{align*} |z_C-z_B|&=|2-2i-2i|\\&=|2-4i|\\&=\sqrt{(2)^2+(-4)^2}\\&=\sqrt{20} \end{align*}

Conclusion :

  • AB=zAzB=2AB=|z_A-z_B|=\sqrt{2}
  • AC=zAzC=18AC=|z_A-z_C|=\sqrt{18}
  • BC=zCzB=20BC=|z_C-z_B|=\sqrt{20}

Donc AB2=2AB^2=2 et AC2=18AC^2=18 et BC2=20BC^2=20

Alors AB2+AC2=BC2AB^2+AC^2=BC^2

D’aprés la réciproque de Pythagore le triangle ABCABC est rectangle en AA

4) Conjugué d’un nombre complexe

Définition

Le conjugueˊ\bf \text{conjugué} de z=a+ibz = a + i b est zˉ=aib\bar{z} = a - i b

OvuM(z)M(z)ab-ba

Proposition : Soit z=x+iyz=x+iy un nombre complexe tel que xx et yy sont des réels.

  • zˉˉ=z\bar{\bar{z}}=z
  • z+zˉ=2Re(z)z+\bar{z}=2\mathcal{R}e(z) et zzˉ=2iIm(z)z-\bar{z}=2i\mathcal{I}m(z)
  • z.zˉ=x2+y2z.\bar{z}=x^2+y^2
  • zRz=zˉz\in\R \Leftrightarrow z=\bar{z}
  • ziRz=zˉz\in i\R \Leftrightarrow z=-\bar{z}

Preuve :

Soit z=x+iyz=x+iy alors zˉ=xiy\bar{z}=x-iy

zˉˉ=xiy=x+i(y)=xi(y)=x+iy=z\begin{aligned} \quad\bullet \quad \bar{\bar{z}}&=\overline{x-iy}=\overline{x+i(-y)}\\&=x-i(-y)=x+iy=z \end{aligned}

z+zˉ=x+iy+xiy=2x=2Re(z)\begin{aligned} \quad\bullet \quad z+\bar{z}&=x+iy+x-iy\\&=2x=2\mathcal{R}e(z) \end{aligned}

zzˉ=x+iy(xiy)=x+iyx+iy=2iy=2iIm(z)\begin{aligned} \quad\bullet \quad z-\bar{z}&=x+iy-(x-iy)\\&=x+iy-x+iy\\&=2iy=2i\mathcal{I}m(z) \end{aligned}

z.zˉ=(x+iy)(xiy)=x2ixy+ixyi2y2=x2+y2\begin{aligned} \quad\bullet \quad z.\bar{z}&=(x+iy)(x-iy)\\&=x^2-ixy+ixy-i^2y^2\\&=x^2+y^2 \end{aligned}

z=zˉx+iy=xiy2iy=0y=0Im(z)=0zR\begin{aligned} \quad\bullet \quad z=\bar{z} &\Leftrightarrow x+iy=x-iy \\&\Leftrightarrow 2iy=0 \\&\Leftrightarrow y=0 \\ &\Leftrightarrow \mathcal{I}m(z)=0 \\ &\Leftrightarrow z\in\R \end{aligned}

z=zˉx+iy=x+iy2x=0x=0Re(z)=0ziR\begin{aligned} \quad\bullet \quad z=-\bar{z} &\Leftrightarrow x+iy=-x+iy \\ &\Leftrightarrow 2x=0\\ &\Leftrightarrow x=0 \\ &\Leftrightarrow \mathcal{R}e(z)=0\\ &\Leftrightarrow z\in i\R \end{aligned}

Proposition : Soient zz et zz' deux nombres complexes, et nn un entier naturel :

  • z+z=zˉ+zˉ\overline{z+z'}=\bar{z}+\bar{z'}
  • z.z=zˉ.zˉ\overline{z.z'}=\bar{z}.\bar{z'}
  • zn=(zˉ)n\overline{z^n}=(\bar{z})^n
  • (zz)=zˉzˉ\overline{(\dfrac{z}{z'})}=\dfrac{\bar{z}}{\bar{z'}} avec z0z'\ne0

Exercice : Ecrire sous forme algébrique les nombres complexes suivants : a=23+2i   ;;   b=1+i53ia=\dfrac{2}{3+2i} ~~~ ;; ~~~ b=\dfrac{1+i}{5-3i}

Correction :

a=23+2i=2(32i)(3+2i)(32i)=64i32(2i)2=64i9(4)=64i13=613413i\begin{aligned} a&=\dfrac{2}{3+2i}=\dfrac{2(3-2i)}{(3+2i)(3-2i)}\\&=\dfrac{6-4i}{3^2-(2i)^2}=\dfrac{6-4i}{9-(-4)}\\&=\dfrac{6-4i}{13}=\dfrac{6}{13}-\dfrac{4}{13}i \end{aligned}
b=1+i53i=(1+i)(5+3i)(53i)(5+3i)=5+3i+5i+3i252(3i)2=5+8i325(9)=2+8i34=234+834i=117+417i\begin{aligned} b&=\dfrac{1+i}{5-3i}=\dfrac{(1+i)(5+3i)}{(5-3i)(5+3i)}\\ &=\dfrac{5+3i+5i+3i^2}{5^2-(3i)^2}\\ &=\dfrac{5+8i-3}{25-(-9)}=\dfrac{2+8i}{34}\\ &=\dfrac{2}{34}+\dfrac{8}{34}i=\dfrac{1}{17}+\dfrac{4}{17}i \end{aligned}