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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 d'image dans le plan complexe. Un argument de , noté , est une mesure en radians de l'angle orienté . Il est défini modulo : si est un argument de , tous les arguments de sont , .
Si a pour module et pour argument , alors :
Exemple résolu. Déterminer module et argument de .
### 2. Forme trigonométrique
Tout nombre complexe non nul s'écrit :
C'est la forme trigonométrique (ou polaire) de . Elle est particulièrement adaptée à la multiplication.
Propriété (multiplication et division en forme polaire). Si et , alors :
On retrouve ainsi un résultat fondamental : les modules se multiplient (ou se divisent) et les arguments s'additionnent (ou se soustraient) :
### 3. Notation exponentielle complexe
On définit, pour :
Cette notation est cohérente avec les propriétés de l'exponentielle car elle vérifie la même règle fonctionnelle :
ce qui se vérifie directement à partir des formules d'addition trigonométriques :
Tout complexe non nul s'écrit alors sous forme exponentielle :
Propriétés immédiates :
### 4. Formule d'Euler
Directement issue de la définition et de son conjugué , on obtient les formules d'Euler :
Ces formules permettent de transformer puissances et produits de fonctions trigonométriques en sommes d'exponentielles complexes, technique appelée linéarisation.
### 5. Formule de Moivre
Pour et , en élevant à la puissance via , on obtient la formule de Moivre :
Cette formule permet d'exprimer et en fonction de et (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 .
On met sous forme exponentielle : et , donc . Par suite :
### 6. Linéarisation trigonométrique
La linéarisation consiste à exprimer ou (ou leurs produits) comme combinaison linéaire de , , en utilisant les formules d'Euler puis le binôme de Newton.
Exemple résolu. Linéariser .
D'après Euler, , donc :
en développant par le binôme de Newton avec , . On regroupe les termes conjugués :
### 7. Application inverse : développement de
Réciproquement, la formule de Moivre permet de développer en fonction de .
Exemple résolu. Exprimer en fonction de .
Par Moivre : . On développe le membre de droite :
En identifiant la partie réelle (qui doit valoir ) :
### 8. Forme exponentielle et opérations géométriques
La forme exponentielle traduit immédiatement les transformations géométriques classiques :
- La rotation d'angle et de centre envoie sur
- L'homothétie de rapport et de centre envoie sur
- La similitude directe de centre , de rapport et d'angle envoie sur
### 9. Synthèse des formules essentielles
| Notion | Formule |
|---|---|
| Forme trigonométrique | |
| Forme exponentielle | |
| Formules d'Euler | , |
| Formule de Moivre | |
| Produit | |
Exercices de la leçon
Exercice 1
Quel est le module de ?
Corrigé
Sous la forme exponentielle , le module est . Ici .
Exercice 2
Déterminer l'argument de (à près).
Corrigé
, donc .
Exercice 3
Donner la forme exponentielle de .
Corrigé
et car . Donc .
Exercice 4
Vrai ou faux : pour tout .
Corrigé
Vrai. , donc pour tout .
Exercice 5
Quel est le module et l'argument de ?
Corrigé
. Puis et , donc .
Exercice 6
Calculer sous forme exponentielle.
Corrigé
Les arguments s'additionnent : . Donc le produit vaut .
Exercice 7
Calculer en utilisant la formule de Moivre.
Corrigé
. Donc .
Exercice 8
Vrai ou faux : pour tous , (égalité exacte, sans modulo).
Corrigé
Faux. L'égalité n'est valable que modulo : . Sans cette précision, l'égalité peut être fausse car les arguments usuels sont choisis dans un intervalle de longueur .
Exercice 9
Donner les formules d'Euler pour et .
Corrigé
En sommant et , on obtient . En les soustrayant, .
Exercice 10
Calculer .
Corrigé
. Comme , on a .
Exercice 11
Linéariser , c'est-à-dire l'exprimer comme combinaison linéaire de et .
Corrigé
Linéarisation. D'après la formule d'Euler, . Donc :
On développe le cube avec , , :
Or . On regroupe en facteurs :
Exercice 12
En utilisant la formule de Moivre avec , exprimer en fonction de .
Corrigé
En développant et en identifiant la partie réelle à , on obtient . Avec : .
Exercice 13
Démontrer la formule de Moivre pour , par récurrence.
Corrigé
Démonstration par récurrence sur .
Initialisation () : . La propriété est vraie.
Hérédité : supposons pour un certain . Alors :
On développe :
En reconnaissant les formules d'addition et avec , :
La propriété est donc vraie au rang . Par le principe de récurrence, elle est vraie pour tout .
Exercice 14
Soit . Combien de valeurs distinctes prend lorsque décrit ?
Corrigé
. Deux valeurs et coïncident si et seulement si , c'est-à-dire . Il y a donc exactement valeurs distinctes, atteintes pour .
Exercice 15
Vrai ou faux : pour tout , .
Corrigé
Vrai. , en utilisant la parité de et l'imparité de .
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