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Nombres complexes : forme exponentielle et applications

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Le chapitre en bref

Ce que tu vas savoir faire

  • Connaître la notation eiθe^{i\theta} et écrire un complexe non nul sous la forme reiθre^{i\theta}.
  • Passer de la forme algébrique à la forme exponentielle, et inversement ; calculer produits, quotients et puissances.
  • Démontrer et utiliser les formules d'addition et de duplication.
  • Linéariser cos⁡2θ\cos^{2}\theta et sin⁡2θ\sin^{2}\theta et en déduire des primitives.
  • Transformer acos⁡(ωt)+bsin⁡(ωt)a\cos(\omega t) + b\sin(\omega t) en Acos⁡(ωt+φ)A\cos(\omega t + \varphi), et inversement.
  • Résoudre dans ℂ une équation du premier degré ou du type z2=az^{2} = a (a réel) ; interpréter translations, homothéties et rotations.

Le plan du chapitre

  1. 1La forme exponentielle
  2. 2Calculer avec la forme exponentielle
  3. 3Formules d'addition et linéarisation
  4. 4Somme de signaux sinusoïdaux
  5. 5Équations et transformations du plan

À retenir

  • eiθ=cos⁡θ+isin⁡θe^{i\theta} = \cos\theta + i\sin\theta ; tout z≠0z \neq 0 s'écrit reiθre^{i\theta} avec r=∣z∣>0r = |z| > 0.
  • eiθeiθ′=ei(θ+θ′)e^{i\theta}e^{i\theta'} = e^{i(\theta + \theta')} : produit → modules multipliés, arguments additionnés ; (eiθ)n=einθ(e^{i\theta})^{n} = e^{in\theta}.
  • eiπ/2=ie^{i\pi/2} = i ; eiπ=−1e^{i\pi} = -1 ; eiθ‾=e−iθ\overline{e^{i\theta}} = e^{-i\theta}.
  • cos⁡(a+b)=cos⁡acos⁡b−sin⁡asin⁡b\cos(a + b) = \cos a\cos b - \sin a\sin b ; sin⁡(a+b)=sin⁡acos⁡b+cos⁡asin⁡b\sin(a + b) = \sin a\cos b + \cos a\sin b.
  • sin⁡2a=2sin⁡acos⁡a\sin 2a = 2\sin a\cos a ; cos⁡2a=1+cos⁡2a2\cos^{2} a = \frac{1 + \cos 2a}{2} ; sin⁡2a=1−cos⁡2a2\sin^{2} a = \frac{1 - \cos 2a}{2}.
  • acos⁡ωt+bsin⁡ωt=Acos⁡(ωt+φ)a\cos\omega t + b\sin\omega t = A\cos(\omega t + \varphi) avec A=a2+b2A = \sqrt{a^{2} + b^{2}}, cos⁡φ=aA\cos\varphi = \frac{a}{A}, sin⁡φ=−bA\sin\varphi = -\frac{b}{A}.

Les questions éclair

Que vaut eiθe^{i\theta} ?

cos θ + i sin θ, le complexe de module 1 et d'argument θ.

Comment multiplie-t-on deux complexes sous forme exponentielle ?

On multiplie les modules et on additionne les arguments.

Quelle est la formule de cos(a + b) ?

cos a cos b − sin a sin b.

Comment linéarise-t-on cos² a ?

cos² a = (1 + cos 2a) / 2.

Quelle transformation est associée à z′=eiθzz' = e^{i\theta} z ?

La rotation de centre O et d'angle θ.

Le sais-tu ?

À la fin du XIXe siècle, la « guerre des courants » opposa Thomas Edison, partisan du courant continu, à Nikola Tesla et George Westinghouse, défenseurs du courant alternatif. Le courant alternatif l'emporta, notamment parce qu'on peut modifier sa tension avec des transformateurs et le transporter sur de longues distances. Mais ses calculs, remplis de déphasages, étaient redoutables… jusqu'à ce que l'ingénieur Charles Steinmetz montre qu'avec les nombres complexes, un circuit alternatif se calcule presque comme un circuit continu. Aujourd'hui, tout le réseau électrique mondial est conçu avec ces outils.