1.1 Un peu d'histoire
Les ensembles de nombres se sont agrandis pour résoudre des équations qui n'avaient pas de solution : x+1=0 n'a pas de solution dans N, mais en a une dans Z ; 2x=1 en a une dans Q ; x2=2 en a dans R. On obtient ainsi
N⊂Z⊂D⊂Q⊂R.
Mais x2=−1 n'a toujours pas de solution réelle, puisqu'un carré est positif.
Au XVIe siècle, des algébristes italiens (Cardan, puis Bombelli) calculent avec des « racines carrées de nombres négatifs » pour résoudre des équations du troisième degré, sans savoir ce qu'elles représentent. Euler introduit la notation i à la fin du XVIIIe siècle. Au début du XIXe siècle, Argand et Gauss représentent ces nombres par les points d'un plan : ils deviennent des outils pour la trigonométrie et la géométrie. C'est ce que ce chapitre va montrer.
1.2 Définition
Définition (existence admise). Il existe un ensemble noté C, appelé ensemble des nombres complexes, qui possède les propriétés suivantes :
- C contient R ;
- C est muni d'une addition et d'une multiplication qui prolongent celles de R et qui suivent les mêmes règles de calcul (commutativité, associativité, distributivité) ;
- C contient un nombre i tel que i2=−1 ;
- tout nombre complexe z s'écrit de façon unique z=a+ib, avec a et b réels.
Vocabulaire.
- L'écriture z=a+ib (a, b réels) est la forme algébrique de z.
- a est la partie réelle de z, notée Re(z) ; b est la partie imaginaire de z, notée Im(z). Ce sont deux réels : pour z=2−3i, Im(z)=−3, et non −3i.
- z est réel si b=0 ; z est imaginaire pur si a=0. Le nombre 0 est à la fois réel et imaginaire pur.
Égalité. Par unicité de l'écriture : a+ib=a′+ib′⟺a=a′ et b=b′. En particulier, a+ib=0⟺a=0 et b=0.
1.3 Calculs dans C
On calcule comme avec des réels, en remplaçant i2 par −1. Pour z=a+ib et z′=a′+ib′ :
z+z′=(a+a′)+i(b+b′)zz′=(aa′−bb′)+i(ab′+a′b).
Les puissances de i se répètent de quatre en quatre : i2=−1, i3=−i, i4=1, i5=i…
Les identités remarquables restent vraies : (a+ib)2=a2−b2+2iab et (a+ib)(a−ib)=a2+b2.
Exemple 1. Avec z1=2+3i et z2=1−i :
- z1+z2=3+2i ;
- z1z2=2−2i+3i−3i2=2+i+3=5+i ;
- (1+2i)2=1+4i+4i2=−3+4i et (1+i)2=1+2i−1=2i.
Produit nul. Comme dans R, un produit de complexes est nul si et seulement si l'un des facteurs est nul : zz′=0⟺z=0 ou z′=0.
1.4 Le conjugué
Définition. Le conjugué de z=a+ib est le nombre complexe z=a−ib.
Propriétés immédiates. Pour z=a+ib :
z+z=2a=2Re(z)z−z=2ib=2iIm(z)zz=a2+b2.
Le produit zz est donc un réel positif, nul seulement si z=0. On en déduit :
- z est réel ⟺z=z ;
- z est imaginaire pur ⟺z=−z.
Propriétés de calcul. Pour tous complexes z et z′, et tout entier naturel n :
z=zz+z′=z+z′zz′=zz′zn=zn
et, si z′=0 :
(z′1)=z′1(z′z)=z′z.
Démonstration pour le produit. zz′=(aa′−bb′)+i(ab′+a′b), donc zz′=(aa′−bb′)−i(ab′+a′b). Et zz′=(a−ib)(a′−ib′)=(aa′−bb′)−i(ab′+a′b) : c'est le même nombre. La propriété des puissances s'en déduit par récurrence.
1.5 Inverse et quotient
Propriété. Tout complexe z=a+ib non nul a un inverse :
z1=zzz=a2+b2a−ib.
Méthode. Pour écrire un quotient sous forme algébrique, on multiplie le numérateur et le dénominateur par le conjugué du dénominateur : le dénominateur devient un réel.
Exemple 2. i1=i×(−i)−i=1−i=−i.
Exemple 3. 1−2i3+i=(1−2i)(1+2i)(3+i)(1+2i)=1+43+6i+i+2i2=51+7i=51+57i.
1.6 Équations du premier degré
Exemple 4. Résoudre (1+i)z=3−i.
z=1+i3−i=(1+i)(1−i)(3−i)(1−i)=23−3i−i+i2=22−4i=1−2i.
Exemple 5 (équation avec z). Résoudre 2z+iz=3.
On ne peut pas isoler z directement. On pose z=x+iy, avec x et y réels : z=x−iy et
2z+iz=2x+2iy+ix−i2y=(2x+y)+i(x+2y).
Par identification des parties réelles et imaginaires : 2x+y=3 et x+2y=0. D'où x=2, y=−1, et z=2−i.
Vérification : 2(2−i)+i(2+i)=4−2i+2i−1=3.