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Licence 1 · Nombres complexes

Forme trigonométrique, exponentielle et formule de Moivre

Forme trigonométrique, exponentielle et formule de Moivre

### 1. Argument d'un nombre complexe non nul

Soit zCz \in \mathbb{C}^* d'image MM dans le plan complexe. Un argument de zz, noté arg(z)\arg(z), est une mesure en radians de l'angle orienté (u,OM)(\vec{u}, \overrightarrow{OM}). Il est défini modulo 2π2\pi : si θ0\theta_0 est un argument de zz, tous les arguments de zz sont θ0+2kπ\theta_0 + 2k\pi, kZk\in\mathbb{Z}.

Si z=a+ibz = a+ib a pour module r=zr=|z| et pour argument θ\theta, alors :

a=rcosθb=rsinθdonccosθ=ar,sinθ=bra = r\cos\theta \qquad b = r\sin\theta \qquad \text{donc} \qquad \cos\theta = \dfrac{a}{r}, \quad \sin\theta = \dfrac{b}{r}

Exemple résolu. Déterminer module et argument de z=3+iz = \sqrt{3}+i.

r=z=(3)2+12=3+1=2r = |z| = \sqrt{(\sqrt{3})^2+1^2} = \sqrt{3+1} = 2

cosθ=32,sinθ=12    θ=π6  (mod 2π)\cos\theta = \dfrac{\sqrt{3}}{2}, \quad \sin\theta = \dfrac{1}{2} \;\Longrightarrow\; \theta = \dfrac{\pi}{6} \;(\text{mod } 2\pi)

### 2. Forme trigonométrique

Tout nombre complexe non nul zz s'écrit :

z=r(cosθ+isinθ),r=z>0,  θ=arg(z)z = r(\cos\theta + i\sin\theta), \qquad r = |z| > 0,\; \theta = \arg(z)

C'est la forme trigonométrique (ou polaire) de zz. Elle est particulièrement adaptée à la multiplication.

Propriété (multiplication et division en forme polaire). Si z=r(cosθ+isinθ)z = r(\cos\theta+i\sin\theta) et z=r(cosθ+isinθ)z'=r'(\cos\theta'+i\sin\theta'), alors :

zz=rr(cos(θ+θ)+isin(θ+θ))zz=rr(cos(θθ)+isin(θθ))zz' = rr'\big(\cos(\theta+\theta') + i\sin(\theta+\theta')\big) \qquad \dfrac{z}{z'} = \dfrac{r}{r'}\big(\cos(\theta-\theta') + i\sin(\theta-\theta')\big)

On retrouve ainsi un résultat fondamental : les modules se multiplient (ou se divisent) et les arguments s'additionnent (ou se soustraient) :

zz=zzarg(zz)=arg(z)+arg(z)  (mod 2π)|zz'| = |z||z'| \qquad \arg(zz') = \arg(z)+\arg(z') \;(\text{mod } 2\pi)

arg(zz)=arg(z)arg(z)  (mod 2π)arg(z)=arg(z)  (mod 2π)\arg\left(\dfrac{z}{z'}\right) = \arg(z)-\arg(z') \;(\text{mod } 2\pi) \qquad \arg(\overline{z}) = -\arg(z) \;(\text{mod } 2\pi)

### 3. Notation exponentielle complexe

On définit, pour θR\theta \in \mathbb{R} :

eiθ:=cosθ+isinθe^{i\theta} := \cos\theta + i\sin\theta

Cette notation est cohérente avec les propriétés de l'exponentielle car elle vérifie la même règle fonctionnelle :

eiθeiθ=ei(θ+θ)e^{i\theta}\cdot e^{i\theta'} = e^{i(\theta+\theta')}

ce qui se vérifie directement à partir des formules d'addition trigonométriques :

(cosθ+isinθ)(cosθ+isinθ)=(cosθcosθsinθsinθ)+i(sinθcosθ+cosθsinθ)=cos(θ+θ)+isin(θ+θ)(\cos\theta+i\sin\theta)(\cos\theta'+i\sin\theta') = (\cos\theta\cos\theta'-\sin\theta\sin\theta') + i(\sin\theta\cos\theta'+\cos\theta\sin\theta') = \cos(\theta+\theta')+i\sin(\theta+\theta')

Tout complexe non nul s'écrit alors sous forme exponentielle :

z=reiθ,r=z,  θ=arg(z)z = re^{i\theta}, \qquad r=|z|, \; \theta=\arg(z)

Propriétés immédiates :

eiθ=1eiθ=eiθ=1eiθeiθ=eiθ    θθ  (mod 2π)|e^{i\theta}| = 1 \qquad \overline{e^{i\theta}} = e^{-i\theta} = \dfrac{1}{e^{i\theta}} \qquad e^{i\theta} = e^{i\theta'} \iff \theta \equiv \theta' \;(\text{mod } 2\pi)

### 4. Formule d'Euler

Directement issue de la définition eiθ=cosθ+isinθe^{i\theta}=\cos\theta+i\sin\theta et de son conjugué eiθ=cosθisinθe^{-i\theta}=\cos\theta-i\sin\theta, on obtient les formules d'Euler :

cosθ=eiθ+eiθ2sinθ=eiθeiθ2i\cos\theta = \dfrac{e^{i\theta}+e^{-i\theta}}{2} \qquad \sin\theta = \dfrac{e^{i\theta}-e^{-i\theta}}{2i}

Ces formules permettent de transformer puissances et produits de fonctions trigonométriques en sommes d'exponentielles complexes, technique appelée linéarisation.

### 5. Formule de Moivre

Pour θR\theta \in \mathbb{R} et nZn \in \mathbb{Z}, en élevant eiθe^{i\theta} à la puissance nn via (eiθ)n=einθ(e^{i\theta})^n = e^{in\theta}, on obtient la formule de Moivre :

(cosθ+isinθ)n=cos(nθ)+isin(nθ)(\cos\theta + i\sin\theta)^n = \cos(n\theta) + i\sin(n\theta)

Cette formule permet d'exprimer cos(nθ)\cos(n\theta) et sin(nθ)\sin(n\theta) en fonction de cosθ\cos\theta et sinθ\sin\theta (en développant le membre de gauche par le binôme de Newton), ou plus généralement de calculer des puissances de complexes écrits en forme trigonométrique.

Exemple résolu. Calculer (1+i)8(1+i)^8.

On met 1+i1+i sous forme exponentielle : 1+i=2|1+i|=\sqrt{2} et arg(1+i)=π4\arg(1+i)=\dfrac{\pi}{4}, donc 1+i=2eiπ/41+i = \sqrt{2}\,e^{i\pi/4}. Par suite :

(1+i)8=(2)8ei8π/4=24e2iπ=16×1=16(1+i)^8 = \left(\sqrt{2}\right)^8 e^{i\cdot 8\cdot \pi/4} = 2^4 e^{2i\pi} = 16 \times 1 = 16

### 6. Linéarisation trigonométrique

La linéarisation consiste à exprimer cosnθ\cos^n\theta ou sinnθ\sin^n\theta (ou leurs produits) comme combinaison linéaire de cos(kθ)\cos(k\theta), sin(kθ)\sin(k\theta), en utilisant les formules d'Euler puis le binôme de Newton.

Exemple résolu. Linéariser cos3θ\cos^3\theta.

D'après Euler, cosθ=eiθ+eiθ2\cos\theta = \dfrac{e^{i\theta}+e^{-i\theta}}{2}, donc :

cos3θ=(eiθ+eiθ2)3=18(e3iθ+3eiθ+3eiθ+e3iθ)\cos^3\theta = \left(\dfrac{e^{i\theta}+e^{-i\theta}}{2}\right)^3 = \dfrac{1}{8}\left(e^{3i\theta} + 3e^{i\theta} + 3e^{-i\theta} + e^{-3i\theta}\right)

en développant par le binôme de Newton (x+y)3=x3+3x2y+3xy2+y3(x+y)^3 = x^3+3x^2y+3xy^2+y^3 avec x=eiθx=e^{i\theta}, y=eiθy=e^{-i\theta}. On regroupe les termes conjugués :
cos3θ=18((e3iθ+e3iθ)+3(eiθ+eiθ))=18(2cos(3θ)+6cosθ)=cos(3θ)+3cosθ4\cos^3\theta = \dfrac{1}{8}\left(\left(e^{3i\theta}+e^{-3i\theta}\right) + 3\left(e^{i\theta}+e^{-i\theta}\right)\right) = \dfrac{1}{8}\big(2\cos(3\theta) + 6\cos\theta\big) = \dfrac{\cos(3\theta)+3\cos\theta}{4}

### 7. Application inverse : développement de cos(nθ)\cos(n\theta)

Réciproquement, la formule de Moivre permet de développer cos(nθ)\cos(n\theta) en fonction de cosθ\cos\theta.

Exemple résolu. Exprimer cos(3θ)\cos(3\theta) en fonction de cosθ\cos\theta.

Par Moivre : cos(3θ)+isin(3θ)=(cosθ+isinθ)3\cos(3\theta)+i\sin(3\theta) = (\cos\theta+i\sin\theta)^3. On développe le membre de droite :

(cosθ+isinθ)3=cos3θ+3icos2θsinθ3cosθsin2θisin3θ(\cos\theta+i\sin\theta)^3 = \cos^3\theta + 3i\cos^2\theta\sin\theta - 3\cos\theta\sin^2\theta - i\sin^3\theta

En identifiant la partie réelle (qui doit valoir cos(3θ)\cos(3\theta)) :
cos(3θ)=cos3θ3cosθsin2θ=cos3θ3cosθ(1cos2θ)=4cos3θ3cosθ\cos(3\theta) = \cos^3\theta - 3\cos\theta\sin^2\theta = \cos^3\theta - 3\cos\theta(1-\cos^2\theta) = 4\cos^3\theta - 3\cos\theta

### 8. Forme exponentielle et opérations géométriques

La forme exponentielle traduit immédiatement les transformations géométriques classiques :
- La rotation d'angle θ\theta et de centre OO envoie zz sur eiθze^{i\theta}z
- L'homothétie de rapport k>0k>0 et de centre OO envoie zz sur kzkz
- La similitude directe de centre OO, de rapport rr et d'angle θ\theta envoie zz sur reiθzre^{i\theta}z

### 9. Synthèse des formules essentielles

| Notion | Formule |
|---|---|
| Forme trigonométrique | z=r(cosθ+isinθ)z = r(\cos\theta+i\sin\theta) |
| Forme exponentielle | z=reiθz = re^{i\theta} |
| Formules d'Euler | cosθ=eiθ+eiθ2\cos\theta=\dfrac{e^{i\theta}+e^{-i\theta}}{2}, sinθ=eiθeiθ2i\sin\theta=\dfrac{e^{i\theta}-e^{-i\theta}}{2i} |
| Formule de Moivre | (cosθ+isinθ)n=cos(nθ)+isin(nθ)(\cos\theta+i\sin\theta)^n = \cos(n\theta)+i\sin(n\theta) |
| Produit | arg(zz)=arg(z)+arg(z)\arg(zz')=\arg(z)+\arg(z') |

Exercices de la leçon

Exercice 1

Quel est le module de z=2eiπ/3z = 2e^{i\pi/3} ?

Corrigé

Sous la forme exponentielle z=reiθz=re^{i\theta}, le module est rr. Ici r=2r=2.

Exercice 2

Déterminer l'argument de z=1z = -12π2\pi près).

Corrigé

1=1(cosπ+isinπ)-1 = 1\cdot(\cos\pi+i\sin\pi), donc arg(1)=π\arg(-1) = \pi.

Exercice 3

Donner la forme exponentielle de z=iz = i.

Corrigé

i=1|i|=1 et arg(i)=π/2\arg(i)=\pi/2 car i=cos(π/2)+isin(π/2)i = \cos(\pi/2)+i\sin(\pi/2). Donc i=eiπ/2i = e^{i\pi/2}.

Exercice 4

Vrai ou faux : eiθ=1|e^{i\theta}| = 1 pour tout θR\theta \in \mathbb{R}.

Corrigé

Vrai. eiθ2=cos2θ+sin2θ=1|e^{i\theta}|^2 = \cos^2\theta+\sin^2\theta = 1, donc eiθ=1|e^{i\theta}|=1 pour tout θ\theta.

Exercice 5

Quel est le module et l'argument de z=3+iz = \sqrt{3}+i ?

Corrigé

r=3+1=2r = \sqrt{3+1}=2. Puis cosθ=3/2\cos\theta=\sqrt{3}/2 et sinθ=1/2\sin\theta=1/2, donc θ=π/6\theta=\pi/6.

Exercice 6

Calculer eiπ/3×eiπ/6e^{i\pi/3} \times e^{i\pi/6} sous forme exponentielle.

Corrigé

Les arguments s'additionnent : π/3+π/6=2π/6+π/6=3π/6=π/2\pi/3+\pi/6 = 2\pi/6+\pi/6=3\pi/6=\pi/2. Donc le produit vaut eiπ/2e^{i\pi/2}.

Exercice 7

Calculer (1+i)8(1+i)^8 en utilisant la formule de Moivre.

Corrigé

1+i=2eiπ/41+i=\sqrt{2}e^{i\pi/4}. Donc (1+i)8=(2)8ei8π/4=16e2iπ=16(1+i)^8 = (\sqrt{2})^8 e^{i\cdot 8\pi/4} = 16\,e^{2i\pi} = 16.

Exercice 8

Vrai ou faux : pour tous z,zCz,z'\in\mathbb{C}^*, arg(zz)=arg(z)+arg(z)\arg(zz') = \arg(z)+\arg(z') (égalité exacte, sans modulo).

Corrigé

Faux. L'égalité n'est valable que modulo 2π2\pi : arg(zz)arg(z)+arg(z)  (mod 2π)\arg(zz') \equiv \arg(z)+\arg(z') \;(\text{mod } 2\pi). Sans cette précision, l'égalité peut être fausse car les arguments usuels sont choisis dans un intervalle de longueur 2π2\pi.

Exercice 9

Donner les formules d'Euler pour cosθ\cos\theta et sinθ\sin\theta.

Corrigé

En sommant eiθ=cosθ+isinθe^{i\theta}=\cos\theta+i\sin\theta et eiθ=cosθisinθe^{-i\theta}=\cos\theta-i\sin\theta, on obtient cosθ=eiθ+eiθ2\cos\theta=\dfrac{e^{i\theta}+e^{-i\theta}}{2}. En les soustrayant, sinθ=eiθeiθ2i\sin\theta=\dfrac{e^{i\theta}-e^{-i\theta}}{2i}.

Exercice 10

Calculer (1+i1i)2024\left(\dfrac{1+i}{1-i}\right)^{2024}.

Corrigé

1+i1i=eiπ/4eiπ/4=eiπ/2=i\dfrac{1+i}{1-i} = \dfrac{e^{i\pi/4}}{e^{-i\pi/4}} = e^{i\pi/2} = i. Comme 2024=4×5062024 = 4\times 506, on a i2024=(i4)506=1506=1i^{2024} = (i^4)^{506} = 1^{506} = 1.

Exercice 11

Linéariser sin3θ\sin^3\theta, c'est-à-dire l'exprimer comme combinaison linéaire de sin(θ)\sin(\theta) et sin(3θ)\sin(3\theta).

Corrigé

Linéarisation. D'après la formule d'Euler, sinθ=eiθeiθ2i\sin\theta = \dfrac{e^{i\theta}-e^{-i\theta}}{2i}. Donc :

sin3θ=(eiθeiθ2i)3=1(2i)3(eiθeiθ)3\sin^3\theta = \left(\dfrac{e^{i\theta}-e^{-i\theta}}{2i}\right)^3 = \dfrac{1}{(2i)^3}\left(e^{i\theta}-e^{-i\theta}\right)^3

On développe le cube avec (xy)3=x33x2y+3xy2y3(x-y)^3=x^3-3x^2y+3xy^2-y^3, x=eiθx=e^{i\theta}, y=eiθy=e^{-i\theta} :
(eiθeiθ)3=e3iθ3eiθ+3eiθe3iθ=(e3iθe3iθ)3(eiθeiθ)\left(e^{i\theta}-e^{-i\theta}\right)^3 = e^{3i\theta} - 3e^{i\theta} + 3e^{-i\theta} - e^{-3i\theta} = \left(e^{3i\theta}-e^{-3i\theta}\right) - 3\left(e^{i\theta}-e^{-i\theta}\right)

Or (2i)3=8i3=8i(2i)^3 = 8i^3 = -8i. On regroupe en facteurs 2i2i :
sin3θ=2isin(3θ)32isinθ8i=2i(sin(3θ)3sinθ)8i=3sinθsin(3θ)4\sin^3\theta = \dfrac{2i\sin(3\theta) - 3\cdot 2i\sin\theta}{-8i} = \dfrac{2i\big(\sin(3\theta)-3\sin\theta\big)}{-8i} = \dfrac{3\sin\theta - \sin(3\theta)}{4}
\square

Exercice 12

En utilisant la formule de Moivre avec n=3n=3, exprimer cos(3θ)\cos(3\theta) en fonction de cosθ\cos\theta.

Corrigé

En développant (cosθ+isinθ)3(\cos\theta+i\sin\theta)^3 et en identifiant la partie réelle à cos(3θ)\cos(3\theta), on obtient cos(3θ)=cos3θ3cosθsin2θ\cos(3\theta) = \cos^3\theta-3\cos\theta\sin^2\theta. Avec sin2θ=1cos2θ\sin^2\theta=1-\cos^2\theta : cos(3θ)=cos3θ3cosθ(1cos2θ)=4cos3θ3cosθ\cos(3\theta) = \cos^3\theta - 3\cos\theta(1-\cos^2\theta) = 4\cos^3\theta-3\cos\theta.

Exercice 13

Démontrer la formule de Moivre (cosθ+isinθ)n=cos(nθ)+isin(nθ)(\cos\theta+i\sin\theta)^n = \cos(n\theta)+i\sin(n\theta) pour nNn \in \mathbb{N}, par récurrence.

Corrigé

Démonstration par récurrence sur nNn \in \mathbb{N}.

Initialisation (n=0n=0) : (cosθ+isinθ)0=1=cos(0)+isin(0)(\cos\theta+i\sin\theta)^0 = 1 = \cos(0)+i\sin(0). La propriété est vraie.

Hérédité : supposons (cosθ+isinθ)n=cos(nθ)+isin(nθ)(\cos\theta+i\sin\theta)^n = \cos(n\theta)+i\sin(n\theta) pour un certain nNn\in\mathbb{N}. Alors :

(cosθ+isinθ)n+1=(cosθ+isinθ)n(cosθ+isinθ)=(cos(nθ)+isin(nθ))(cosθ+isinθ)(\cos\theta+i\sin\theta)^{n+1} = (\cos\theta+i\sin\theta)^n(\cos\theta+i\sin\theta) = \big(\cos(n\theta)+i\sin(n\theta)\big)(\cos\theta+i\sin\theta)

On développe :
=cos(nθ)cosθsin(nθ)sinθ+i(sin(nθ)cosθ+cos(nθ)sinθ)= \cos(n\theta)\cos\theta - \sin(n\theta)\sin\theta + i\big(\sin(n\theta)\cos\theta+\cos(n\theta)\sin\theta\big)

En reconnaissant les formules d'addition cos(A+B)=cosAcosBsinAsinB\cos(A+B)=\cos A\cos B-\sin A\sin B et sin(A+B)=sinAcosB+cosAsinB\sin(A+B)=\sin A\cos B+\cos A\sin B avec A=nθA=n\theta, B=θB=\theta :
=cos((n+1)θ)+isin((n+1)θ)= \cos\big((n+1)\theta\big) + i\sin\big((n+1)\theta\big)

La propriété est donc vraie au rang n+1n+1. Par le principe de récurrence, elle est vraie pour tout nNn\in\mathbb{N}. \square

Exercice 14

Soit z=eiπ/5z = e^{i\pi/5}. Combien de valeurs distinctes prend znz^n lorsque nn décrit Z\mathbb{Z} ?

Corrigé

zn=einπ/5z^n = e^{in\pi/5}. Deux valeurs znz^n et zmz^m coïncident si et seulement si nπ/5mπ/5  (mod 2π)n\pi/5 \equiv m\pi/5 \;(\text{mod } 2\pi), c'est-à-dire nm  (mod 10)n\equiv m \;(\text{mod } 10). Il y a donc exactement 1010 valeurs distinctes, atteintes pour n=0,1,,9n=0,1,\dots,9.

Exercice 15

Vrai ou faux : pour tout θR\theta\in\mathbb{R}, eiθ=eiθ\overline{e^{i\theta}} = e^{-i\theta}.

Corrigé

Vrai. eiθ=cosθ+isinθ=cosθisinθ=cos(θ)+isin(θ)=eiθ\overline{e^{i\theta}} = \overline{\cos\theta+i\sin\theta} = \cos\theta - i\sin\theta = \cos(-\theta)+i\sin(-\theta) = e^{-i\theta}, en utilisant la parité de cos\cos et l'imparité de sin\sin.

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