Forme exponentielle, formule de Moivre, racines n-ièmes
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Le cours écrit
3.1 La notation eiθ
Notation (programme officiel). Pour tout réel θ, on note
eiθ=cosθ+isinθ.
C'est le complexe de module 1 et d'argument θ : son image est le point du cercle trigonométrique associé à θ.
Exemple 1.ei0=1, ei2π=i, eiπ=−1, e−i2π=−i, e2iπ=1, ei3π=21+i23.
Propriété fondamentale. Pour tous réels θ et θ′ :
eiθ×eiθ′=ei(θ+θ′).
Démonstration. On développe, puis on reconnaît les formules d'addition de Première :
(cosθ+isinθ)(cosθ′+isinθ′)=(cosθcosθ′−sinθsinθ′)+i(sinθcosθ′+cosθsinθ′)=cos(θ+θ′)+isin(θ+θ′).
Conséquences. Pour tous réels θ, θ′ et tout entier n :
eiθ1=e−iθ=eiθeiθ′eiθ=ei(θ−θ′)(eiθ)n=einθ.
Ces règles sont celles des puissances : c'est ce qui justifie la notation.
3.2 La forme exponentielle
Définition. Tout complexe non nul z, de module r et d'argument θ, s'écrit
z=reiθ,r>0.
C'est la forme exponentielle de z (notation reiθ du programme).
Exemple 2.1+i3=2ei3π, −1+i=2ei43π, −3=3eiπ, 3−i=2e−i6π.
Propriétés. Si z=reiθ et z′=r′eiθ′, alors, pour tout entier n :
zz′=rr′ei(θ+θ′)z′z=r′rei(θ−θ′)zn=rneinθz=re−iθ.
Autrement dit, les modules se multiplient et les arguments s'ajoutent :
arg(zz′)=argz+argz′argz′z=argz−argz′arg(zn)=nargz[2π].
Exemple 3 (une formule de trigonométrie). Soit z1=1+i=2ei4π et z2=3−i=2e−i6π.
Forme exponentielle : z1z2=22ei(4π−6π)=22ei12π.
Forme algébrique : z1z2=(1+i)(3−i)=3−i+i3−i2=(3+1)+i(3−1).
En identifiant les parties réelles et imaginaires de 22(cos12π+isin12π) :
cos12π=223+1=46+2sin12π=223−1=46−2.
3.3 La formule de Moivre
Théorème (formule de Moivre). Pour tout réel θ et tout entier n :
(cosθ+isinθ)n=cos(nθ)+isin(nθ),c’est-aˋ-dire(eiθ)n=einθ.
Démonstration. Pour n entier naturel, par récurrence à partir de la propriété fondamentale : (eiθ)n+1=(eiθ)neiθ=einθeiθ=ei(n+1)θ. Pour n négatif, on passe à l'inverse.
Méthode. Pour calculer une puissance, on passe par la forme exponentielle.
Exemple 4.(1+i)8=(2ei4π)8=(2)8ei48π=16e2iπ=16.
Exemple 5. Pour quels entiers naturels n le nombre (1+i3)n est-il réel ?
(1+i3)n=2nei3nπ. Un complexe non nul est réel si et seulement si un de ses arguments est un multiple de π. Il faut donc 3nπ=kπ, avec k entier, c'est-à-dire n multiple de 3. Par exemple (1+i3)3=8eiπ=−8 et (1+i3)6=64.
3.4 Racines n-ièmes de l'unité
Définition. Soit n un entier, n≥2. On appelle racine n-ième de l'unité tout complexe z tel que zn=1.
Théorème. Il y a exactement n racines n-ièmes de l'unité :
ωk=ein2kπ,k=0,1,…,n−1.
Démonstration.z=0 n'est pas solution. On écrit z=reiθ avec r>0. Alors
zn=1⟺rneinθ=1ei0⟺rn=1 et nθ=0[2π]⟺r=1 et θ=n2kπ,k∈Z.
Quand k augmente de n, θ augmente de 2π et on retrouve le même complexe : il suffit de prendre k=0,1,…,n−1, qui donnent n points distincts du cercle trigonométrique.
Interprétation géométrique. Les images des racines n-ièmes de l'unité sont les sommets d'un polygone régulier à n côtés, inscrit dans le cercle trigonométrique, dont un sommet est le point d'affixe 1 : deux sommets consécutifs sont séparés d'un angle n2π.
Exemple 6 (n=3). Les racines cubiques de l'unité sont 1, j=ei32π=−21+i23 et j2=ei34π=−21−i23=j. Leurs images forment un triangle équilatéral. On vérifie que 1+j+j2=0.
Exemple 7 (n=4). Les racines quatrièmes de l'unité sont 1, i, −1, −i : un carré.
3.5 Racines n-ièmes d'un nombre complexe
Théorème. Soit Z=Reiα un complexe non nul (R>0) et n≥2. L'équation zn=Z a exactement n solutions :
zk=nRei(nα+n2kπ),k=0,1,…,n−1,
où nR=Rn1 est la racine n-ième du réel positif R (chapitre 3).
Démonstration. Avec z=reiθ : rneinθ=Reiα⟺rn=R et nθ=α[2π]⟺r=nR et θ=nα+n2kπ.
Les images des zk sont les sommets d'un polygone régulier à n côtés, inscrit dans le cercle de centre O et de rayon nR. Si z0 est l'une des racines, les autres s'obtiennent en multipliant z0 par les racines n-ièmes de l'unité.
Exemple 8. Racines cubiques de 8i. On a 8i=8ei2π, donc r=38=2 et θ=6π+32kπ :
z0=2ei6π=3+iz1=2ei65π=−3+iz2=2ei23π=−2i.
Vérification : (−2i)3=−8i3=8i. Les trois points forment un triangle équilatéral inscrit dans le cercle de centre O et de rayon 2.
Cas n=2. Les deux racines carrées de Z=Reiα sont Rei2α et son opposé −Rei2α. Quand l'argument de Z n'est pas un angle remarquable, on utilise la méthode algébrique de la leçon 5.