Formule de Moivre et d’Euler

#2bacsef

1) Formule de Moivre

Propriété (Formule de Moivre)
Soit nNn \in \mathbb{N}^*, pour tout xRx \in \mathbb{R} on a :

(eix)n=(cos(x)+isin(x))n=cos(nx)+isin(nx)(e^{ix})^n = (\cos(x) + i \sin(x))^n = \cos(nx) + i \sin(nx)

En effet : (eix)n=einx\left(e^{ix}\right)^n = e^{inx}


Application
Soit xRx \in \mathbb{R} et nNn \in \mathbb{N}^*.
L’objectif est d’exprimer cos(nx)\cos(nx) et sin(nx)\sin(nx) en fonction de cos(x)\cos(x) et sin(x)\sin(x).
D’après la formule de Moivre :

(cosx+isinx)n=cos(nx)+isin(nx)(\cos x + i \sin x)^n = \cos(nx) + i \sin(nx)

On développe le membre de gauche, puis on en déduit :

{cos(nx)=Re((cosx+isinx)n)sin(nx)=Im((cosx+isinx)n)\begin{cases} \cos(nx) = \operatorname{Re}\left((\cos x + i \sin x)^n\right) \\ \sin(nx) = \operatorname{Im}\left((\cos x + i \sin x)^n\right) \end{cases}

Exemple
Utilisons la formule de Moivre pour exprimer cos(2x)\cos(2x) :

(cosx+isinx)2=cos(2x)+isin(2x)(\cos x + i \sin x)^2 = \cos(2x) + i \sin(2x)

En développant :

(cosx+isinx)2=cos2x+2icosxsinxsin2x(\cos x + i \sin x)^2 = \cos^2 x + 2i \cos x \sin x - \sin^2 x

Donc :

cos(2x)=cos2xsin2x\cos(2x) = \cos^2 x - \sin^2 x

Puisque sin2x=1cos2x\sin^2 x = 1 - \cos^2 x, on obtient :

cos(2x)=2cos2x1\cos(2x) = 2 \cos^2 x - 1

Exercice
Exprimer cos(3x)\cos(3x) en fonction de cos(x)\cos(x), puis sin(3x)\sin(3x) en fonction de sin(x)\sin(x).


Correction

Rappel :

  • (a+b)3=a3+b3+3ab(a+b)(a + b)^3 = a^3 + b^3 + 3ab(a + b)
  • (ab)3=a3b33ab(ab)(a - b)^3 = a^3 - b^3 - 3ab(a - b)

Calculons (cosx+isinx)3=cos(3x)+isin(3x)(\cos x + i \sin x)^3 = \cos(3x) + i \sin(3x) :

(cosx+isinx)3=cos3x+i3sin3x+3icosxsinx(cosx+isinx)=cos3xisin3x+3icos2xsinx3cosxsin2x=cos3x3cosxsin2x+i(sin3x+3cos2xsinx)\begin{aligned} (\cos x + i \sin x)^3 &= \cos^3 x + i^3 \sin^3 x + 3i \cos x \sin x (\cos x + i \sin x) \\ &= \cos^3 x - i \sin^3 x + 3i \cos^2 x \sin x - 3 \cos x \sin^2 x \\ &= \cos^3 x - 3 \cos x \sin^2 x + i (-\sin^3 x + 3 \cos^2 x \sin x) \end{aligned}

D’où :

{cos(3x)=cos3x3cosxsin2xsin(3x)=sin3x+3cos2xsinx\begin{cases} \cos(3x) = \cos^3 x - 3 \cos x \sin^2 x \\ \sin(3x) = -\sin^3 x + 3 \cos^2 x \sin x \end{cases}

Or, on sait que cos2x+sin2x=1\cos^2 x + \sin^2 x = 1, donc :

{cos2x=1sin2xsin2x=1cos2x\begin{cases} \cos^2 x = 1 - \sin^2 x \\ \sin^2 x = 1 - \cos^2 x \end{cases}

Ainsi, on obtient :

{cos(3x)=4cos3x3cosxsin(3x)=3sinx4sin3x\begin{cases} \cos(3x) = 4 \cos^3 x - 3 \cos x \\ \sin(3x) = 3 \sin x - 4 \sin^3 x \end{cases}

2) Formule d’Euler

Activité

Soit θ\theta un nombre réel, posons : z=eiθz = e^{i\theta}

  1. Calculer z+zˉz + \bar{z} puis déduire cos(θ)\cos(\theta) en fonction de θ\theta
  2. Calculer zzˉz - \bar{z} puis déduire sin(θ)\sin(\theta) en fonction de θ\theta

Correction

  1. Calculons z+zˉz + \bar{z} :
z+zˉ=2Re(z)=2cosθz + \bar{z} = 2 \operatorname{Re}(z) = 2 \cos \theta

Donc :

cos(θ)=z+zˉ2=eiθ+eiθ2\cos(\theta) = \dfrac{z + \bar{z}}{2} = \dfrac{e^{i\theta} + e^{-i\theta}}{2}
  1. Calculons zzˉz - \bar{z} :
zzˉ=2iIm(z)=2isinθz - \bar{z} = 2i \operatorname{Im}(z) = 2i \sin \theta

Donc :

sin(θ)=zzˉ2i=eiθeiθ2i\sin(\theta) = \dfrac{z - \bar{z}}{2i} = \dfrac{e^{i\theta} - e^{-i\theta}}{2i}

Propriété

Soit θR\theta \in \mathbb{R}, on a :

{cos(θ)=eiθ+eiθ2 sin(θ)=eiθeiθ2i\begin{cases} \cos(\theta) = \dfrac{e^{i\theta} + e^{-i\theta}}{2}\\~\\ \sin(\theta) = \dfrac{e^{i\theta} - e^{-i\theta}}{2i} \end{cases}

Application : Linéarisation

La linéarisation consiste à transformer une fonction contenant des puissances de sinus et cosinus (cosn(x)\cos^n(x), sinm(x)\sin^m(x)) en une somme de fonctions de la forme cos(ax)\cos(ax) et sin(bx)\sin(bx) avec a,bNa,b \in \mathbb{N}.


Exemple

Linéarisons cos2(x)\cos^2(x) :
On utilise :

cos(x)=eix+eix2cos2(x)=(eix+eix2)2\cos(x) = \dfrac{e^{ix} + e^{-ix}}{2} \Rightarrow \cos^2(x) = \left(\dfrac{e^{ix} + e^{-ix}}{2}\right)^2

Développement :

cos2(x)=(eix+eix2)2=14(e2ix+2+e2ix)=12(e2ix+e2ix2+1)=12(cos(2x)+1)\begin{aligned} \cos^2(x) &= \left( \dfrac{e^{ix} + e^{-ix}}{2} \right)^2 \\&= \dfrac{1}{4} \left( e^{2ix} + 2 + e^{-2ix} \right) \\ &= \dfrac{1}{2} \left( \dfrac{e^{2ix} + e^{-2ix}}{2} + 1 \right) \\ &= \dfrac{1}{2} \left( \cos(2x) + 1 \right) \end{aligned}

Exercice

  1. Linéariser sin3(x)\sin^3(x)
  2. Linéariser cos(x)sin2(x)\cos(x)\sin^2(x)

Correction

1/ Linéarisation de sin3(x)\sin^3(x)

Rappel :
(a+b)3=a3+b3+3ab(a+b)\bullet(a + b)^3 = a^3 + b^3 + 3ab(a + b)

(ab)3=a3b33ab(ab)\bullet(a - b)^3 = a^3 - b^3 - 3ab(a - b)

sin3(x)=(eixeix2i)3=e3ixe3ix3eixeix(eixeix)8i=14(e3ixe3ix2i3eixeix2i)=14(sin(3x)3sin(x))=14sin(3x)+34sin(x)\begin{aligned} \sin^3(x) &= \left( \dfrac{e^{ix} - e^{-ix}}{2i} \right)^3 \\ &= \dfrac{e^{3ix} - e^{-3ix} - 3e^{ix}e^{-ix}(e^{ix} - e^{-ix})}{-8i} \\ &= -\dfrac{1}{4} \left( \dfrac{e^{3ix} - e^{-3ix}}{2i} - 3 \dfrac{e^{ix} - e^{-ix}}{2i} \right) \\ &= -\dfrac{1}{4} \left( \sin(3x) - 3 \sin(x) \right) \\ &= -\dfrac{1}{4} \sin(3x) + \dfrac{3}{4} \sin(x) \end{aligned}

2/ Linéarisation de cos(x)sin2(x)\cos(x)\sin^2(x)

cos(x)sin2(x)=(eix+eix2)(eixeix2i)2=(eix+eix2)((e2ix2+e2ix)4)=18(e3ix+2eix+1+2eix+e3ix)=14(cos(3x)+2cos(x)+1)\begin{aligned} \cos(x) \sin^2(x) &= \left( \dfrac{e^{ix} + e^{-ix}}{2} \right) \left( \dfrac{e^{ix} - e^{-ix}}{2i} \right)^2 \\ &= \left( \dfrac{e^{ix} + e^{-ix}}{2} \right) \left( -\dfrac{(e^{2ix} - 2 + e^{-2ix})}{4} \right) \\ &= \dfrac{1}{8} \left( e^{3ix} + 2e^{ix} + 1 + 2e^{-ix} + e^{-3ix} \right) \\ &= \dfrac{1}{4} \left( \cos(3x) + 2\cos(x) + 1 \right) \end{aligned}