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Nombres complexes

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Cours complet

Contenu du cours

L'ensemble des nombres complexes

Il existe un ensemble contenant , muni d'une addition et d'une multiplication qui prolongent celles de , et possédant un élément tel que . Tout élément s'écrit de manière unique sous la forme avec .

Forme algébrique

L'écriture () est la forme algébrique de . L'unicité signifie : et . En particulier et .

Partie réelle et partie imaginaire

On note la partie réelle et la partie imaginaire (qui est un réel). est réel ; est imaginaire pur . Exemple : pour , et .

Conjugué et propriétés

Le conjugué de est . Propriétés : , , , et . On a , et . De plus et imaginaire pur .

Module et propriétés

Le module de est . On a , . Propriétés multiplicatives : , , . Inégalité triangulaire : . Le module mesure la distance de l'affixe à l'origine.

Argument

Pour , un argument de est une mesure de l'angle est le point d'affixe . On note . Il est défini modulo : et . Propriétés : , , .

Forme trigonométrique et exponentielle

Pour de module et d'argument : forme trigonométrique et forme exponentielle , avec la notation . Exemple : . La forme exponentielle simplifie les produits, quotients et puissances.

Formules de Moivre et d'Euler

Moivre : pour tout , , soit . Euler : et . Ces formules servent à la linéarisation et au calcul de , .

Équations dans (second degré à coefficients réels)

Soit avec , , et . Si , racines réelles usuelles. Si , deux racines complexes conjuguées : . Exemple : donne et .

Racines -ièmes

Les racines -ièmes de l'unité sont les solutions de : pour . Elles forment un polygone régulier inscrit dans le cercle unité. Plus généralement, les racines -ièmes de sont .

Interprétation géométrique (affixe, transformations)

Au point on associe son affixe . La distance et . La translation de vecteur d'affixe s'écrit ; l'homothétie de centre (affixe ) et de rapport : ; la rotation de centre et d'angle : .

✍️ Exemples résolus & démonstrations

Exemple 1 — Passer de la forme algébrique à la forme exponentielle (module et argument)

Énoncé. On considère le nombre complexe . Déterminer son module et un argument, puis écrire sous forme exponentielle. En déduire la forme exponentielle de et de .

Solution.

  1. Module. Pour avec et , le module vaut :
  2. Forme trigonométrique partielle. On factorise par le module : On cherche un réel tel que et .
  3. Argument. Le cosinus est négatif et le sinus positif : est dans le deuxième quadrant. Les valeurs et correspondent à . Donc .
  4. Forme exponentielle. On écrit donc
  5. Conjugué. Le conjugué a le même module et l'argument opposé : . (On vérifie : , ce qui est cohérent.)
  6. Inverse. Pour l'inverse, on inverse le module et on oppose l'argument : On peut le vérifier en forme algébrique : , dont le module est bien .

Exemple 2 — Résoudre une équation du second degré dans

Énoncé. Résoudre dans l'équation . Donner les solutions sous forme algébrique, puis sous forme exponentielle.

Solution.

  1. Discriminant. L'équation est de la forme avec , , . On calcule
  2. Discriminant négatif. Comme , l'équation n'a pas de racine réelle mais deux racines complexes conjuguées. On écrit , donc une racine carrée de est .
  3. Racines. Les solutions sont données par : Les solutions sont donc et .
  4. Module commun. Pour la forme exponentielle de :
  5. Argument. On a et : est dans le premier quadrant, . Ainsi Numériquement rad.

Exemple 3 — Formule de Moivre et application géométrique

Énoncé. (a) À l'aide de la formule de Moivre, exprimer en fonction de . (b) Dans le plan complexe, on donne les points d'affixe et d'affixe . Calculer ... non : déterminer la nature du triangle est l'origine, en utilisant le module et l'argument de .

Solution.

  1. (a) Formule de Moivre. Elle affirme que . On développe le membre de gauche avec le binôme :
  2. Comme et , on regroupe partie réelle et partie imaginaire :
  3. On identifie la partie réelle : . En remplaçant :
  4. (b) Quotient des affixes. On calcule en multipliant par le conjugué du dénominateur :
  5. Module du quotient. On a . Or ce module vaut ; comme , on a : le triangle n'est pas isocèle en .
  6. Argument du quotient. L'argument de mesure l'angle . Pour : et , soit rad. Cet angle n'est ni ni : le triangle n'est ni rectangle en , ni dégénéré. C'est un triangle quelconque, et le quotient décrit la similitude directe (rapport , angle ) qui envoie sur .

🔑 Formules clés à retenir

  • , donc et
  • , ,
  • ,
  • , ,
  • pour
  • avec ,
  • ,
  • Moivre :
  • Euler : ,
  • Si :
  • Racines -ièmes de l'unité : ,
  • et
⚠️

Astuces & Pièges à éviter

Les erreurs classiques — à lire avant les exercices !

  • Argument modulo : l'argument n'est jamais unique, il est défini à près. Toujours écrire et penser à réduire le résultat dans l'intervalle demandé (souvent ).
  • seul ne suffit pas : pour déterminer , utiliser simultanément et . Avec seul on confond et .
  • Argument de : n'existe pas (et n'a pas de forme exponentielle). Toujours supposer avant de parler d'argument.
  • Conjugué d'un quotient : , ne pas oublier de conjuguer aussi le dénominateur.
  • Diviser par un complexe : ne jamais laisser un au dénominateur. Multiplier numérateur et dénominateur par le conjugué : .
  • et : , mais en général. Confondre les deux est une erreur classique.
  • Module d'une somme : en général (seulement ). L'égalité n'a lieu que si et ont le même argument.
✏️

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