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Nombres complexes et équations du second degré

Certaines équations comme x² + 1 = 0 n'ont aucune solution réelle, car aucun nombre réel n'a un carré négatif. On ajoute donc un nouveau nombre i tel que i² = −1. Un nombre complexe s'écrit z = a + ib : a est la partie réelle et b la partie imaginaire. On additionne, soustrait et multiplie les nombres complexes comme en algèbre, en remplaçant i² par −1. Pour diviser, on multiplie le haut et le bas par le conjugué. Dans le plan d'Argand, z = a + ib est le point (a, b). Le conjugué a − ib est son symétrique par rapport à l'axe réel, et le module √(a² + b²) est sa distance à l'origine. Toute équation ax² + bx + c = 0 avec D = b² − 4ac < 0 a deux racines complexes conjuguées l'une de l'autre.

🎬 L'histoire pas à pas

  1. Aucun nombre réel élevé au carré ne donne un résultat négatif. On invente donc i, avec i² = −1. Dans la 3D, la flèche 1 fait un quart de tour pour devenir i, et un autre quart de tour donne −1.
  2. Un nombre complexe z = a + ib est un point. Avance de a pas vers la droite sur l'axe réel, puis de b pas vers le haut sur l'axe imaginaire. Ici, z = 3 + 2i.
  3. Pour additionner, on met les flèches bout à bout. Les parties réelles s'additionnent, les parties imaginaires aussi : (3 + 2i) + (1 + 3i) = 4 + 5i.
  4. Multiplier par i fait tourner une flèche de 90°. Regarde les puissances : i, −1, −i, 1, puis le cycle recommence tous les 4 pas.
  5. Le conjugué z̄ = a − ib est le symétrique par rapport à l'axe réel. Le module |z| est la longueur de la flèche : pour 3 + 4i, il vaut 5.
  6. Jeu libre : choisis z₁ et z₂, puis additionne, soustrais, multiplie ou divise-les. Ou entre une équation du second degré avec D < 0 et regarde ses deux racines complexes.

Astuce : fais glisser la scène 3D pour la tourner. Utilise deux doigts pour zoomer.

🤔 Les doutes courants, éclaircis

Est-ce que i n'est qu'une astuce imaginaire sans signification ?

Non. i est un quart de tour. Dans la 3D, multiplier 1 par i fait tourner la flèche de 90° jusqu'à i, et un nouveau quart de tour arrive sur −1. C'est exactement i² = −1.

Pourquoi b s'appelle-t-il la partie imaginaire alors que c'est un nombre réel ?

b est bien réel ; il indique seulement de combien monter sur l'axe imaginaire. Dans la 3D, z = 3 + 2i, c'est 3 pas vers la droite et 2 pas vers le haut.

Pourquoi ne peut-on pas dire qu'un nombre complexe est plus grand qu'un autre ?

Les points d'un plan ne sont pas alignés sur une seule droite, donc il n'y a pas d'ordre de gauche à droite. On peut comparer leurs distances à O (les modules), montrées par l'anneau à l'étape 5.

Pourquoi additionner des nombres complexes ressemble-t-il à additionner des vecteurs ?

Parce que les parties réelles s'additionnent sur un axe et les parties imaginaires sur l'autre. Dans la 3D, la flèche rouge glisse jusqu'à la pointe de la bleue, et la flèche verte est la somme.

Comment trouver vite i à une grande puissance ?

Quatre quarts de tour te ramènent au départ, donc seul le reste de la division par 4 compte. Regarde la flèche faire un tour complet à l'étape 4.

Pourquoi les racines complexes d'une équation du second degré vont-elles par paires ?

Le ± de la formule donne p + iq et p − iq, symétriques par rapport à l'axe réel. En jeu libre, résous x² + 2x + 5 = 0 et regarde les deux flèches se refléter.

Pourquoi a-t-on besoin des nombres complexes ?

Élève au carré n'importe quel nombre réel : 3² = 9, (−3)² = 9, 0² = 0. Le résultat n'est jamais négatif. Donc x² = −1, ou x² + 1 = 0, n'a aucune solution réelle.

Les mathématiciens ont résolu ce problème en ajoutant un seul nouveau nombre, appelé iota et noté i, avec i² = −1. Ainsi √(−1) = i, et √(−9) = √9 · i = 3i.

Un nombre complexe est tout nombre z = a + ib où a et b sont réels. On appelle a la partie réelle, Re(z), et b la partie imaginaire, Im(z). Les nombres réels sont des nombres complexes avec b = 0 : on ne perd donc rien. Regarde l'étape 1 de la 3D : i est un quart de tour de 1.

Puissances de i

i¹ = i, i² = −1, i³ = i²·i = −i, i⁴ = (i²)² = 1. Ensuite, le motif se répète. Pour trouver iⁿ, divise n par 4 et utilise le reste : i⁴ᵏ = 1, i⁴ᵏ⁺¹ = i, i⁴ᵏ⁺² = −1, i⁴ᵏ⁺³ = −i. Exemple : i¹⁰² → 102 = 4 × 25 + 2, donc i¹⁰² = −1.

Attention : √a · √b = √(ab) n'est vrai que si a et b ne sont pas tous les deux négatifs. Par exemple √(−4)·√(−9) = 2i·3i = 6i² = −6, et non √36 = 6.

Calcul avec les nombres complexes

Les identités comme (z₁ + z₂)² = z₁² + 2z₁z₂ + z₂² restent valables pour les nombres complexes.

Conjugué et module

Le conjugué de z = a + ib est z̄ = a − ib (on change le signe de la partie imaginaire). Le module est |z| = √(a² + b²). Faits utiles : z · z̄ = |z|², |z₁z₂| = |z₁||z₂|, |z₁/z₂| = |z₁|/|z₂|, conj(z₁ + z₂) = z̄₁ + z̄₂, conj(z₁z₂) = z̄₁ z̄₂.

Entre deux nombres complexes non réels, il n'y a pas de « plus grand » ni de « plus petit » : 2 + i > 1 + 3i n'a aucun sens. On ne peut comparer que leurs modules.

Le plan d'Argand

Trace deux axes perpendiculaires. L'axe horizontal est l'axe réel et l'axe vertical est l'axe imaginaire. Le nombre z = a + ib est le point (a, b). Ce dessin s'appelle le plan d'Argand (ou plan complexe).

Équations du second degré à racines complexes

Pour ax² + bx + c = 0 (a, b, c réels), les racines sont x = (−b ± √D)/2a avec D = b² − 4ac.

Exemple : x² + 2x + 5 = 0. D = 4 − 20 = −16, √D = 4i, x = (−2 ± 4i)/2 = −1 ± 2i. Essaie en jeu libre.

Ce qui tombe à l'examen

L'algèbre vaut environ 25 points en Class 11. Dans ce chapitre, attends-toi à : puissances de i (1 point), écriture d'un quotient sous la forme a + ib (2 à 3 points), module, conjugué et inverse (2 points), et résolution d'équations du second degré avec D < 0 (2 à 3 points). Donne toujours la réponse finale sous la forme a + ib.

Formules et définitions clés

Exemples résolus

1. Trouve i⁵⁷ et i⁻³.

57 = 4 × 14 + 1, donc i⁵⁷ = i¹ = i. i⁻³ = 1/i³ = 1/(−i) = −1/i. Multiplie le haut et le bas par i : −i/i² = −i/(−1) = i. Donc i⁻³ = i.

2. Simplifie (5 − 3i) + (−2 + 7i) et (5 − 3i) − (−2 + 7i).

Somme : partie réelle 5 + (−2) = 3, partie imaginaire −3 + 7 = 4, donc 3 + 4i. Différence : partie réelle 5 − (−2) = 7, partie imaginaire −3 − 7 = −10, donc 7 − 10i.

3. Multiplie (2 + 3i)(4 − i).

2·4 + 2·(−i) + 3i·4 + 3i·(−i) = 8 − 2i + 12i − 3i². Pose i² = −1 : 8 + 3 + 10i = 11 + 10i.

4. Trouve le module, le conjugué et l'inverse de z = 3 − 4i.

|z| = √(9 + 16) = 5. z̄ = 3 + 4i. z⁻¹ = z̄/|z|² = (3 + 4i)/25 = 3/25 + (4/25)i. Vérification : (3 − 4i)(3 + 4i)/25 = 25/25 = 1.

5. Écris (1 + 2i)/(3 − i) sous la forme a + ib.

Multiplie le haut et le bas par 3 + i. Bas : 9 + 1 = 10. Haut : (1 + 2i)(3 + i) = 3 + i + 6i + 2i² = 1 + 7i. Réponse : 1/10 + (7/10)i.

6. Résous 2x² − 2x + 1 = 0.

a = 2, b = −2, c = 1. D = 4 − 8 = −4 < 0, donc √D = 2i. x = (2 ± 2i)/4 = 1/2 ± (1/2)i. Les racines 1/2 + i/2 et 1/2 − i/2 sont conjuguées.

7. Trouve les réels x et y tels que (x + 2y) + i(2x − y) = 5 + 5i.

Deux nombres complexes égaux ont les mêmes parties : x + 2y = 5 et 2x − y = 5. De la seconde, y = 2x − 5. Alors x + 4x − 10 = 5, donc x = 3 et y = 1.

8. Si (a + ib)/(c + id) = x + iy, montre que (a² + b²)/(c² + d²) = x² + y².

Prends le module des deux côtés : |a + ib|/|c + id| = |x + iy|. Donc √(a² + b²)/√(c² + d²) = √(x² + y²). En élevant au carré, on obtient le résultat.

Erreurs fréquentes

Quiz d'entraînement

1. i² est égal à :
2. Le conjugué de −2 + 5i est :
3. |6 − 8i| =
4. i¹⁰³ est égal à :
5. Les racines de x² + 9 = 0 sont :

Entraînement : réponds toi-même

Écris ou choisis ta réponse, puis appuie sur Vérifier. Prends un indice si tu bloques ; la solution complète s'affiche après ta réponse.

Questions fréquentes

Le plan d'Argand fait-il partie du programme CBSE 2026-27 de Class 11 ?

Oui. Le chapitre comprend le besoin des nombres complexes, leurs propriétés algébriques et le plan d'Argand. La forme polaire n'est pas au programme actuel, donc cette leçon se concentre sur la forme a + ib, le module et le conjugué.

Quelle est la valeur de iota ?

iota (i) est le nombre dont le carré vaut −1, donc i = √(−1). Ce n'est pas un nombre réel, et ses puissances se répètent : i, −1, −i, 1.

Comment diviser deux nombres complexes ?

Multiplie le haut et le bas par le conjugué du bas. Le bas devient le nombre réel c² + d², puis tu sépares la réponse en a + ib.

Où c'est enseigné

ItalySecondaria di secondo grado – classe 3ªArithmetic and algebra
ItalySecondaria di secondo grado – classe 4ªArithmetic and algebra
NetherlandsVWO 6 (eindexamenjaar)Complex numbers
RomaniaClasa a X-aSets of numbers
RomaniaClasa a X-aSets of numbers
Spain1º BachilleratoNumber Sense
Ukraine11 класAlgebra: complex numbers and polynomials (34 h)
CBSE (India)Class 11Algebra
England (GCSE, A level)Year 12B Complex numbers (part 1)
USA (Common Core, NGSS, AP)Grade 10Extending the number system
USA (Common Core, NGSS, AP)Grade 11Polynomial, rational and radical relationships
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USA (Common Core, NGSS, AP)Grade 12Complex numbers
Japan高校2年Various expressions
Japan高校3年Curves and the complex plane
South Korea고등학교 1학년Equations and inequalities
FrancePremièreMathematics
FranceTerminaleComplex numbers
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