Aller au contenu

Leçon 5

Équations dans C\mathbb{C}

Vidéo 5 : Équations dans C · 4 min 24 s · sous-titres en français

Le cours écrit

5.1 Racines carrées d'un nombre complexe

Définition. Une racine carrée du complexe ZZ est un complexe zz tel que z2=Zz^2 = Z. Tout complexe non nul a exactement deux racines carrées, opposées (leçon 3).

Cas d'un réel. Si d>0d > 0, les racines carrées de dd sont d\sqrt d et −d-\sqrt d ; celles de −d-d sont idi\sqrt d et −id-i\sqrt d, car (id)2=−d\left(i\sqrt d\right)^2 = -d. Par exemple, les racines carrées de −9-9 sont 3i3i et −3i-3i.

Attention. L'écriture x\sqrt{\phantom{x}} est réservée aux réels positifs : on n'écrit jamais −9\sqrt{-9} ni 3+4i\sqrt{3 + 4i}.

Méthode algébrique. On cherche z=x+iyz = x + iy (xx, yy réels) tel que z2=Zz^2 = Z, avec Z=a+ibZ = a + ib.

  • z2=x2−y2+2ixyz^2 = x^2 - y^2 + 2ixy, donc par identification : x2−y2=ax^2 - y^2 = a et 2xy=b2xy = b.
  • De plus ∣z∣2=∣Z∣|z|^2 = |Z| : x2+y2=a2+b2x^2 + y^2 = \sqrt{a^2 + b^2}.
  • On obtient x2x^2 et y2y^2 en ajoutant et en retranchant les deux équations en x2x^2 et y2y^2. Le signe de xyxy, qui est celui de bb, permet de choisir les signes.

Exemple 1. Racines carrées de Z=8−6iZ = 8 - 6i. {x2−y2=8x2+y2=∣8−6i∣=102xy=−6\begin{cases} x^2 - y^2 = 8 \\ x^2 + y^2 = |8 - 6i| = 10 \\ 2xy = -6 \end{cases} On obtient x2=9x^2 = 9 et y2=1y^2 = 1, donc x=±3x = \pm 3 et y=±1y = \pm 1. Comme xy=−3<0xy = -3 < 0, xx et yy sont de signes contraires : les racines carrées de 8−6i8 - 6i sont 3−i3 - i et −3+i-3 + i.

Vérification : (3−i)2=9−6i+i2=8−6i(3 - i)^2 = 9 - 6i + i^2 = 8 - 6i.

5.2 Équation du second degré

Théorème. Soit l'équation az2+bz+c=0az^2 + bz + c = 0, où aa, bb, cc sont des complexes, a≠0a \neq 0. On pose Δ=b2−4ac\Delta = b^2 - 4ac.

  • Si Δ=0\Delta = 0, l'équation a une solution double : z0=−b2az_0 = -\dfrac{b}{2a}.
  • Si Δ≠0\Delta \neq 0, et si δ\delta est une racine carrée de Δ\Delta (δ2=Δ\delta^2 = \Delta), l'équation a deux solutions : z1=−b−δ2az2=−b+δ2a.z_1 = \frac{-b - \delta}{2a} \qquad z_2 = \frac{-b + \delta}{2a}.

Dans tous les cas, az2+bz+c=a(z−z1)(z−z2)az^2 + bz + c = a(z - z_1)(z - z_2), avec z1+z2=−baz_1 + z_2 = -\dfrac{b}{a} et z1z2=caz_1 z_2 = \dfrac{c}{a}.

Démonstration. Comme en Première, on écrit la forme canonique : az2+bz+c=a[(z+b2a)2−Δ4a2]=a[(z+b2a)2−(δ2a)2]=a(z+b−δ2a)(z+b+δ2a),az^2 + bz + c = a\left[\left(z + \frac{b}{2a}\right)^2 - \frac{\Delta}{4a^2}\right] = a\left[\left(z + \frac{b}{2a}\right)^2 - \left(\frac{\delta}{2a}\right)^2\right] = a\left(z + \frac{b - \delta}{2a}\right)\left(z + \frac{b + \delta}{2a}\right), et on conclut avec la règle du produit nul.

Coefficients réels. Si aa, bb, cc sont réels et Δ<0\Delta < 0, on prend δ=i−Δ\delta = i\sqrt{-\Delta} : les deux solutions sont conjuguées, z1=−b−i−Δ2az2=−b+i−Δ2a=z1‾.z_1 = \frac{-b - i\sqrt{-\Delta}}{2a} \qquad z_2 = \frac{-b + i\sqrt{-\Delta}}{2a} = \overline{z_1}.

Exemple 2. z2−2z+5=0z^2 - 2z + 5 = 0. Δ=4−20=−16=(4i)2\Delta = 4 - 20 = -16 = (4i)^2. Les solutions sont 2−4i2=1−2i\dfrac{2 - 4i}{2} = 1 - 2i et 1+2i1 + 2i.

Exemple 3 (coefficients complexes). z2−(1+3i)z−4+3i=0z^2 - (1 + 3i)z - 4 + 3i = 0.

Δ=(1+3i)2−4(−4+3i)=(1+6i−9)+16−12i=8−6i\Delta = (1 + 3i)^2 - 4(-4 + 3i) = (1 + 6i - 9) + 16 - 12i = 8 - 6i. D'après l'exemple 1, δ=3−i\delta = 3 - i convient. Donc z1=1+3i−(3−i)2=−2+4i2=−1+2iz2=1+3i+3−i2=4+2i2=2+i.z_1 = \frac{1 + 3i - (3 - i)}{2} = \frac{-2 + 4i}{2} = -1 + 2i \qquad z_2 = \frac{1 + 3i + 3 - i}{2} = \frac{4 + 2i}{2} = 2 + i. Contrôle : z1+z2=1+3iz_1 + z_2 = 1 + 3i et z1z2=(−1+2i)(2+i)=−2−i+4i−2=−4+3iz_1 z_2 = (-1 + 2i)(2 + i) = -2 - i + 4i - 2 = -4 + 3i.

Équations qui s'y ramènent. Une équation comme z4+4z2−5=0z^4 + 4z^2 - 5 = 0 se ramène au second degré en posant Z=z2Z = z^2 : Z2+4Z−5=0Z^2 + 4Z - 5 = 0 donne Z=1Z = 1 ou Z=−5Z = -5, puis z=±1z = \pm 1 ou z=±i5z = \pm i\sqrt5.

5.3 Factoriser un polynôme : l'équation du troisième degré

Propriété (admise). Si PP est un polynôme de degré 33 à coefficients complexes et si P(z0)=0P(z_0) = 0, alors il existe un polynôme QQ de degré 22 tel que, pour tout zz, P(z)=(z−z0) Q(z)P(z) = (z - z_0)\,Q(z).

Méthode (équation du troisième degré connaissant une racine).

  1. On vérifie que P(z0)=0P(z_0) = 0 (ou on cherche z0z_0 avec l'indication de l'énoncé).
  2. On écrit P(z)=(z−z0)(az2+bz+c)P(z) = (z - z_0)(az^2 + bz + c), on développe, et on identifie les coefficients (ou on utilise la méthode de Horner, vue en Première S1).
  3. On résout az2+bz+c=0az^2 + bz + c = 0.

Exemple 4. Résoudre dans C\mathbb{C} : z3−3z2+7z−5=0z^3 - 3z^2 + 7z - 5 = 0.

z0=1z_0 = 1 est solution : 1−3+7−5=01 - 3 + 7 - 5 = 0. On cherche aa, bb, cc tels que z3−3z2+7z−5=(z−1)(az2+bz+c)=az3+(b−a)z2+(c−b)z−c.z^3 - 3z^2 + 7z - 5 = (z - 1)(az^2 + bz + c) = az^3 + (b - a)z^2 + (c - b)z - c. Identification : a=1a = 1, b−a=−3b - a = -3, c−b=7c - b = 7, −c=−5-c = -5. D'où a=1a = 1, b=−2b = -2, c=5c = 5 (la troisième égalité sert de contrôle : 5−(−2)=75 - (-2) = 7).

Donc z3−3z2+7z−5=(z−1)(z2−2z+5)z^3 - 3z^2 + 7z - 5 = (z - 1)(z^2 - 2z + 5), et d'après l'exemple 2, les solutions sont 11, 1−2i1 - 2i et 1+2i1 + 2i.

Lire le cours complet du chapitre

Exercices 7 et 8

  • Exercice 7 : racines carrées et second degré
  • Exercice 8 : une équation du troisième degré

Exercices du chapitre (PDF, 465 Ko)

Corrigés

Cherche d'abord les exercices sur ta feuille, puis compare avec le corrigé détaillé.

Corrigés du chapitre (PDF, 833 Ko)

Tu es hors connexion. Les chapitres téléchargés restent disponibles dans Hors connexion.