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Chapitre 12 – Nombres complexes

BTS — Groupements B1, B2, C1

Dernière mise à jour : 21 octobre 2026

Avant de commencer, tu dois savoir…

Ces outils sont réinvestis dans les chapitres Fonctions d'une variable réelle et Fonctions pour le traitement du signal.

Je vais apprendre à :
Comprendre avec quatre animations

Manipule les figures et mets les animations en pause pour relier les calculs aux images.

Situation professionnelle

Analyse d'un circuit électrique RLC

Un objectif pour la fin du chapitre : il n’est pas nécessaire de savoir utiliser les formules électriques ci-dessous pour commencer. Nous allons d’abord apprendre à représenter et à calculer avec les complexes, puis revenir à ce circuit en section 7.

Un technicien en électrotechnique étudie un circuit RLC série, en régime sinusoïdal permanent. La bobine et le condensateur sont supposés idéaux.

GrandeurValeur
Résistance \(R\)\(100\;\Omega\)
Inductance \(L\)\(0{,}2\;\text{H}\)
Capacité \(C\)\(10\;\mu\text{F}\)
Fréquence \(f\)\(50\;\text{Hz}\)
Tension efficace \(U_{\mathrm{eff}}\)\(230\;\text{V}\)

Problème : Comment déterminer le courant dans le circuit et le déphasage entre tension et courant ? La réponse passe par les nombres complexes et la notation \(Z = R + jL\omega - \dfrac{j}{C\omega}\).

1. Forme algébrique et représentation géométrique

1.1 L'unité imaginaire \(j\)

Définition — Unité imaginaire
On introduit un nombre \(j\), appelé unité imaginaire, tel que : \[\boxed{j^2 = -1}\]

Notation : l'unité imaginaire est habituellement notée \(i\) en mathématiques. Dans cette leçon, on utilise \(j\), comme en électricité, pour éviter la confusion avec l'intensité du courant.

Définition — Nombre complexe, forme algébrique
Un nombre complexe est un nombre de la forme : \[z = a + jb\] où \(a\) et \(b\) sont des réels. On note \(\mathbb{C}\) l'ensemble des nombres complexes.
Attention
La partie imaginaire de \(z = 3 + 5j\) est \(5\) (un réel), et non \(5j\). On écrit \(\text{Im}(z) = 5\).
Propriété — Égalité de deux complexes
Deux nombres complexes sont égaux si et seulement si leurs parties réelles sont égales et leurs parties imaginaires sont égales : \[a + jb = c + jd \iff a = c \;\text{ et }\; b = d\]

1.2 Plan complexe et affixe

Définition — Plan complexe, affixe
Le plan complexe est le plan muni d'un repère orthonormé direct \((O\,;\,\vec{u}\,,\,\vec{v})\) : les axes sont perpendiculaires, portent la même unité et le quart de tour de \(\vec{u}\) vers \(\vec{v}\) est dans le sens trigonométrique. Tout nombre complexe \(z = a + jb\) est représenté par le point \(M(a\,;\,b)\).
Exemple — Placer des nombres complexes

Représentons dans le plan complexe : \(z_1 = 3 + 2j\), \(z_2 = -2 + 4j\), \(z_3 = -3 - j\), \(z_4 = 1 - 3j\).

Application — Parties réelle et imaginaire, affixe

a) Donner \(\text{Re}(z)\), \(\text{Im}(z)\) et les coordonnées du point image \(M\) pour \(z = -4 + 7j\).

b) Déterminer les réels \(x\) et \(y\) tels que \((x - 1) + j(y + 2) = 3 - 5j\).

a) Dans \(z=-4+7j\), on lit \(a=-4\) et \(b=7\). Ainsi \(\operatorname{Re}(z)=-4\), \(\operatorname{Im}(z)=7\) et \(M(-4;7)\).

b) On identifie séparément les parties réelles et imaginaires :

\[\begin{aligned}x-1&=3\\x&=3+1=4,\\y+2&=-5\\y&=-5-2=-7.\end{aligned}\]

Vérification :

\[\begin{aligned}(4-1)+j(-7+2)&=3+j(-5)\\&=3-5j.\end{aligned}\]

Réponse : \(\boxed{x=4\text{ et }y=-7}\).

1.3 Conjugué

Définition — Conjugué
Le conjugué du nombre complexe \(z = a + jb\) est le nombre : \[\boxed{\bar{z} = a - jb}\] Géométriquement, \(\bar{z}\) est le symétrique de \(z\) par rapport à l'axe réel.
Propriétés du conjugué
Pour tous \(z, z_1, z_2 \in \mathbb{C}\) :
Méthode — Extraire partie réelle et imaginaire

Pour \(z=a+jb\), le conjugué est \(\bar z=a-jb\). On additionne ou on soustrait :

\[\begin{aligned}z+\bar z&=(a+jb)+(a-jb)\\&=a+a+jb-jb=2a,\\z-\bar z&=(a+jb)-(a-jb)\\&=a-a+jb+jb=2jb.\end{aligned}\]

On divise la première égalité par 2 et la seconde par \(2j\neq0\) :

\[\operatorname{Re}(z)=\frac{z+\bar z}{2},\qquad \operatorname{Im}(z)=\frac{z-\bar z}{2j}.\]

Exemple : pour \(z=3+5j\), \(\bar z=3-5j\).

\[\begin{aligned}\operatorname{Re}(z)&=\frac{(3+5j)+(3-5j)}2\\&=\frac62=3,\\\operatorname{Im}(z)&=\frac{(3+5j)-(3-5j)}{2j}\\&=\frac{10j}{2j}=5.\end{aligned}\]

La partie imaginaire est bien le nombre réel 5.

1.4 Module

Définition — Module
Le module de \(z = a + jb\) est le réel positif : \[\boxed{|z| = \sqrt{a^2 + b^2}}\] Géométriquement, \(|z|\) est la distance du point \(M\) à l'origine \(O\).
Propriétés du module
Exemple — Calculs de modules

On repère d’abord \(a\) et \(b\), puis on applique \(|z|=\sqrt{a^2+b^2}\). Cette formule vient de Pythagore dans le repère orthonormé : \(OM^2=a^2+b^2\).

1. Pour \(z_1=3+4j\) : \(a=3\), \(b=4\).

\[|z_1|=\sqrt{3^2+4^2}=\sqrt{9+16}=\sqrt{25}=5.\]

2. Pour \(z_2=-1+j\) : \(a=-1\), \(b=1\), car \(j=1j\).

\[|z_2|=\sqrt{(-1)^2+1^2}=\sqrt{1+1}=\sqrt2.\]

Les parenthèses sont essentielles : \((-1)^2=(-1)\times(-1)=1\).

3. Pour \(z_3=6j=0+6j\) : \(a=0\), \(b=6\).

\[|z_3|=\sqrt{0^2+6^2}=\sqrt{0+36}=\sqrt{36}=6.\]
1Mini-exercice — Module et conjugué

Soit \(z = -5 + 12j\). Calculer \(\bar{z}\), \(|z|\) et \(z \cdot \bar{z}\).

1. Conjugué : on conserve la partie réelle et on change le signe de la partie imaginaire : \(\bar z=-5-12j\).

2. Module : \(a=-5\), \(b=12\).

\[\begin{aligned}|z|&=\sqrt{(-5)^2+12^2}\\&=\sqrt{25+144}\\&=\sqrt{169}=13.\end{aligned}\]

3. Produit : la propriété donne \(z\bar z=|z|^2=13^2=169\). On peut vérifier en développant :

\[\begin{gathered}(-5+12j)(-5-12j)\\=25+60j-60j-144j^2\\=25-144\times(-1)\\=25+144=169.\end{gathered}\]

Les termes en \(j\) s’annulent : le résultat est réel.

1.5 Calculer en forme algébrique

Méthode — Somme, différence et produit

Avec \(z_1=2+3j\) et \(z_2=1-j\), on procède comme avec une expression algébrique, en utilisant \(j^2=-1\).

Somme : on regroupe les réels, puis les termes en \(j\).

\[\begin{aligned}z_1+z_2&=(2+3j)+(1-j)\\&=(2+1)+(3-1)j\\&=\boxed{3+2j}.\end{aligned}\]

Différence : le signe « moins » devant la deuxième parenthèse change les deux signes.

\[\begin{aligned}z_1-z_2&=(2+3j)-(1-j)\\&=2+3j-1+j\\&=(2-1)+(3+1)j\\&=\boxed{1+4j}.\end{aligned}\]

Produit : on distribue chacun des deux termes de la première parenthèse.

\[\begin{aligned}z_1z_2&=(2+3j)(1-j)\\&=2(1-j)+3j(1-j)\\&=2-2j+3j-3j^2\\&=2+j-3\times(-1)\\&=2+j+3=\boxed{5+j}.\end{aligned}\]

Le produit \(3j\times(-j)\) vaut \(-3j^2=3\), et non \(-3j\).

Méthode — Quotient et conjugué

Pour diviser par \(c+jd\neq0\), on multiplie le numérateur et le dénominateur par le même nombre, le conjugué \(c-jd\). La valeur du quotient ne change pas.

Pourquoi ce choix ? Les termes imaginaires du dénominateur s’annulent :

\[\begin{aligned}(c+jd)(c-jd)&=c^2-cjd+cjd-j^2d^2\\&=c^2-(-1)d^2=c^2+d^2.\end{aligned}\]

Ce nombre est strictement positif car \(c\) et \(d\) ne sont pas tous les deux nuls. D’où :

\[\frac{a+jb}{c+jd}=\frac{(a+jb)(c-jd)}{c^2+d^2}.\]

Exemple : \(\dfrac{2+3j}{1-j}\).

1. Choisir le conjugué : celui de \(1-j\) est \(1+j\).

\[\frac{2+3j}{1-j}=\frac{(2+3j)(1+j)}{(1-j)(1+j)}.\]

2. Développer le numérateur :

\[\begin{aligned}(2+3j)(1+j)&=2+2j+3j+3j^2\\&=2+5j+3(-1)\\&=2+5j-3=-1+5j.\end{aligned}\]

3. Développer le dénominateur :

\[\begin{aligned}(1-j)(1+j)&=1+j-j-j^2\\&=1-(-1)=2.\end{aligned}\]

4. Diviser chaque terme par 2 :

\[\frac{-1+5j}{2}=\frac{-1}{2}+\frac{5j}{2}=\boxed{-\frac12+\frac52j}.\]

5. Contrôler en multipliant par le dénominateur initial :

\[\begin{gathered}\left(-\frac12+\frac52j\right)(1-j)\\=-\frac12+\frac12j+\frac52j-\frac52j^2\\=-\frac12+3j+\frac52\\=2+3j.\end{gathered}\]
Application — Un quotient algébrique

Écrire \(\dfrac{3+j}{1+j}\) sous forme algébrique.

1. Le conjugué de \(1+j\) est \(1-j\). On multiplie en haut et en bas par \(1-j\).

\[\frac{3+j}{1+j}=\frac{(3+j)(1-j)}{(1+j)(1-j)}.\]

2. Au numérateur :

\[\begin{gathered}(3+j)(1-j)\\=3-3j+j-j^2\\=3-2j+1=4-2j.\end{gathered}\]

3. Au dénominateur :

\[\begin{gathered}(1+j)(1-j)\\=1-j+j-j^2\\=1+1=2.\end{gathered}\]

4. On sépare les deux termes :

\[\frac{4-2j}{2}=\frac42-\frac22j=\boxed{2-j}.\]

Vérification :

\[\begin{gathered}(2-j)(1+j)\\=2+2j-j-j^2\\=2+j+1=3+j.\end{gathered}\]

2. Équations du second degré à coefficients réels

Propriété — Discriminant négatif
Soit l'équation \(az^2 + bz + c = 0\) avec \(a, b, c \in \mathbb{R}\) et \(a \neq 0\).

Si le discriminant \(\Delta = b^2 - 4ac < 0\), l'équation admet deux solutions complexes conjuguées :

\[\boxed{\begin{aligned}z_1&=\frac{-b+j\sqrt{|\Delta|}}{2a},\\z_2&=\frac{-b-j\sqrt{|\Delta|}}{2a}=\bar z_1.\end{aligned}}\]
Attention
Pour \(k>0\), les solutions de \(z^2=-k\) sont \(j\sqrt{k}\) et \(-j\sqrt{k}\), car \((\pm j\sqrt{k})^2=-k\). Dans cette leçon, le symbole \(\sqrt{\phantom{k}}\) reste réservé à la racine carrée d'un réel positif ou nul : on écrit \(j\sqrt{|\Delta|}\), sans placer le discriminant négatif sous la racine.
Méthode — Résoudre dans \(\mathbb{C}\) une équation du 2nd degré
  1. Calculer \(\Delta = b^2 - 4ac\)
  2. Si \(\Delta > 0\) : deux solutions réelles \(\dfrac{-b-\sqrt{\Delta}}{2a}\) et \(\dfrac{-b+\sqrt{\Delta}}{2a}\). Si \(\Delta=0\) : une solution double \(-\dfrac{b}{2a}\).
  3. Si \(\Delta < 0\) : poser \(\Delta' = |\Delta|\) et écrire : \[z_1 = \frac{-b + j\sqrt{\Delta'}}{2a}, \quad z_2 = \frac{-b - j\sqrt{\Delta'}}{2a}\]
  4. Vérifier que \(z_1\) et \(z_2\) sont bien conjugués
Exemple résolu — Équation du 2nd degré

Résoudre \(z^2-4z+13=0\).

1. Identifier les coefficients : en comparant avec \(az^2+bz+c=0\), on lit \(a=1\), \(b=-4\), \(c=13\).

2. Calculer le discriminant :

\[\begin{aligned}\Delta&=b^2-4ac\\&=(-4)^2-4\times1\times13\\&=16-52=-36.\end{aligned}\]

3. Comme \(\Delta\lt0\), il y a deux solutions complexes conjuguées. On calcule \(|\Delta|=36\), puis \(\sqrt{|\Delta|}=\sqrt{36}=6\).

4. Remplacer dans les formules : \(-b=-(-4)=4\) et \(2a=2\times1=2\).

\[\begin{aligned}z_1&=\frac{4+6j}{2}=\frac42+\frac62j=\boxed{2+3j},\\z_2&=\frac{4-6j}{2}=\frac42-\frac62j=\boxed{2-3j}.\end{aligned}\]

5. Vérifier dans l’équation :

\[\begin{gathered}(2+3j)^2=4+12j+9j^2\\=4+12j-9=-5+12j,\\z_1^2-4z_1+13\\=(-5+12j)-4(2+3j)+13\\=-5+12j-8-12j+13=0.\end{gathered}\] \[\begin{gathered}(2-3j)^2=4-12j+9j^2\\=4-12j-9=-5-12j,\\z_2^2-4z_2+13\\=-5-12j-8+12j+13=0.\end{gathered}\]

Autre contrôle, avec la somme et le produit : en développant :

\[\begin{gathered}a(z-z_1)(z-z_2)\\=a(z^2-zz_2-z_1z+z_1z_2)\\=az^2-a(z_1+z_2)z+az_1z_2.\end{gathered}\]

En comparant avec \(az^2+bz+c\), on obtient \(-a(z_1+z_2)=b\) et \(az_1z_2=c\). En divisant par \(a\neq0\), on trouve \(z_1+z_2=-b/a\) et \(z_1z_2=c/a\).

Ici, la somme vaut \((2+3j)+(2-3j)=4\), ce qui est bien \(-b/a=-(-4)/1=4\). Pour le produit :

\[\begin{gathered}(2+3j)(2-3j)\\=4-6j+6j-9j^2\\=4+9=13.\end{gathered}\]

On retrouve \(c/a=13/1=13\).

2Mini-exercice — Équation du 2nd degré

Résoudre dans \(\mathbb{C}\) : \(z^2 + 2z + 5 = 0\).

1. Coefficients : \(a=1\), \(b=2\), \(c=5\).

\[\begin{aligned}\Delta&=b^2-4ac\\&=2^2-4\times1\times5\\&=4-20=-16.\end{aligned}\]

2. \(\Delta\lt0\), donc on utilise \(j\sqrt{|\Delta|}\). Ici \(|\Delta|=16\) et \(\sqrt{16}=4\).

3. On calcule \(-b=-2\) et \(2a=2\).

\[\begin{aligned}z_1&=\frac{-2+4j}{2}=-1+2j,\\z_2&=\frac{-2-4j}{2}=-1-2j.\end{aligned}\]

Dans chaque fraction, on divise la partie réelle et le coefficient de \(j\) par 2. Les solutions sont conjuguées.

Vérification :

\[\begin{gathered}(-1+2j)^2=1-4j+4j^2\\=1-4j-4=-3-4j,\\z_1^2+2z_1+5\\=-3-4j-2+4j+5=0.\end{gathered}\]\[\begin{gathered}(-1-2j)^2=1+4j+4j^2\\=1+4j-4=-3+4j,\\z_2^2+2z_2+5\\=-3+4j-2-4j+5=0.\end{gathered}\]

3. Forme trigonométrique et exponentielle

Rappel — Radians, angles et tours complets

Un tour complet représente \(360°=2\pi\) radians ; un demi-tour représente \(180°=\pi\) radians. Pour passer des degrés aux radians, on multiplie par \(\pi/180\).

\[\begin{aligned}60°&\longrightarrow60\times\frac\pi{180}=\frac\pi3,\\90°&\longrightarrow90\times\frac\pi{180}=\frac\pi2,\\135°&\longrightarrow135\times\frac\pi{180}=\frac{3\pi}4.\end{aligned}\]

Inversement, \(\frac\pi4\) rad correspond à \(\frac\pi4\times\frac{180}\pi=45°\). Un angle positif tourne dans le sens inverse des aiguilles d’une montre ; un angle négatif tourne dans l’autre sens.

« Modulo \(2\pi\) » signifie « à un nombre entier de tours près ». Par exemple \(\frac\pi4\), \(\frac\pi4+2\pi=\frac{9\pi}4\) et \(\frac\pi4-2\pi=-\frac{7\pi}4\) donnent la même direction. On écrit \(\theta=\frac\pi4\;[2\pi]\).

Angles remarquables du premier quadrant
\(\theta\)Degrés\(\cos\theta\)\(\sin\theta\)
\(0\)0°10
\(\pi/6\)30°\(\sqrt3/2\)\(1/2\)
\(\pi/4\)45°\(\sqrt2/2\)\(\sqrt2/2\)
\(\pi/3\)60°\(1/2\)\(\sqrt3/2\)
\(\pi/2\)90°01

Pour les autres quadrants, on utilise la symétrie du cercle : à gauche, le cosinus est négatif ; sous l’axe réel, le sinus est négatif.

3.1 Argument d'un nombre complexe

Définition — Argument
L'argument d'un nombre complexe non nul \(z\), noté \(\arg(z)\), est l'angle \(\theta\) (en radians) entre l'axe réel positif et le vecteur \(\overrightarrow{OM}\), mesuré dans le sens trigonométrique.

L'argument est défini modulo \(2\pi\).

Si \(z = a + jb\) avec \(|z| = r\), alors : \[\cos\theta = \frac{a}{r}, \quad \sin\theta = \frac{b}{r}\]

Méthode — Trouver l'argument
  1. Calculer \(|z| = r\)
  2. Calculer \(\cos\theta = \frac{a}{r}\) et \(\sin\theta = \frac{b}{r}\)
  3. Déterminer \(\theta\) à l'aide du cercle trigonométrique (attention au quadrant !)
Application — Module et argument

Déterminer le module et un argument de \(z = -2 + 2j\).

1. Module : \(a=-2\), \(b=2\).

\[\begin{aligned}r&=\sqrt{(-2)^2+2^2}=\sqrt{4+4}\\&=\sqrt8=\sqrt{4\times2}=2\sqrt2.\end{aligned}\]

2. Cosinus et sinus : on divise chaque coordonnée par \(r\).

\[\begin{aligned}\cos\theta&=\frac{-2}{2\sqrt2}=-\frac1{\sqrt2}=-\frac{\sqrt2}{2},\\\sin\theta&=\frac2{2\sqrt2}=\frac1{\sqrt2}=\frac{\sqrt2}{2}.\end{aligned}\]

Pour simplifier, on a utilisé \(\frac1{\sqrt2}=\frac{\sqrt2}{\sqrt2\times\sqrt2}=\frac{\sqrt2}{2}\).

3. Angle : les valeurs absolues correspondent à \(\pi/4\). Comme le point est à gauche et en haut, il est dans le deuxième quadrant :

\[\theta=\pi-\frac\pi4=\frac{4\pi}4-\frac\pi4=\frac{3\pi}4.\]

Réponse : \(|z|=2\sqrt2\approx2{,}828\) ; un argument est \(\frac{3\pi}4\approx2{,}356\) rad, soit \(\frac{3\pi}4\times\frac{180}\pi=135°\).

3.2 Forme trigonométrique

Définition — Forme trigonométrique
Tout nombre complexe non nul \(z\) peut s'écrire sous forme trigonométrique : \[\boxed{z = r(\cos\theta + j\sin\theta)}\] où \(r = |z|\) (module) et \(\theta = \arg(z)\) (argument).

3.3 Forme exponentielle et formule d'Euler

À retenir — Formule d'Euler
\[\boxed{e^{j\theta} = \cos\theta + j\sin\theta}\] Cette formule permet de passer de la forme trigonométrique à la forme exponentielle. Ici, \(e^{j\theta}\) représente le point du cercle unité de coordonnées \((\cos\theta;\sin\theta)\) : son module vaut 1 et un argument est \(\theta\). Multiplier par \(r\) fixe ensuite la distance à l’origine.
Définition — Forme exponentielle
Tout nombre complexe non nul \(z\) peut s'écrire sous forme exponentielle : \[\boxed{z = r\,e^{j\theta}}\] où \(r = |z| > 0\) et \(\theta = \arg(z)\).
Conséquences de la formule d'Euler

Remplacer l’angle dans la formule :

\[\begin{aligned}e^{j\pi}&=\cos\pi+j\sin\pi=-1+j\times0=-1,\\e^{j\pi/2}&=\cos(\pi/2)+j\sin(\pi/2)\\&=0+j\times1=j.\end{aligned}\]

Pour un angle négatif, \(\cos(-\theta)=\cos\theta\) et \(\sin(-\theta)=-\sin\theta\), donc :

\[e^{-j\theta}=\cos\theta-j\sin\theta.\]

Retrouver cosinus et sinus : en additionnant les deux écritures, les termes en \(j\) s’annulent ; en les soustrayant, les cosinus s’annulent.

\[\begin{aligned}e^{j\theta}+e^{-j\theta}&=2\cos\theta,\\e^{j\theta}-e^{-j\theta}&=2j\sin\theta.\end{aligned}\]

On divise respectivement par 2 et par \(2j\) :

\[\cos\theta=\frac{e^{j\theta}+e^{-j\theta}}2,\qquad\sin\theta=\frac{e^{j\theta}-e^{-j\theta}}{2j}.\]
Application — De la forme exponentielle à la forme algébrique

Écrire \(z = 4\,e^{-j\pi/3}\) sous forme algébrique.

1. On lit \(r=4\) et \(\theta=-\pi/3\). La formule d’Euler donne :

\[z=4\left(\cos\left(-\frac\pi3\right)+j\sin\left(-\frac\pi3\right)\right).\]

2. Le cosinus est inchangé lorsqu’on change le signe de l’angle, et le sinus change de signe :

\[\begin{aligned}\cos(-\pi/3)&=\frac12,\\\sin(-\pi/3)&=-\frac{\sqrt3}2.\end{aligned}\]

3. On distribue le facteur 4 :

\[\begin{aligned}z&=4\left(\frac12-j\frac{\sqrt3}2\right)\\&=4\times\frac12-4\times\frac{\sqrt3}2j\\&=\boxed{2-2\sqrt3\,j}\approx2-3{,}46j.\end{aligned}\]

4. Contrôle : \((-2\sqrt3)^2=(-2)^2(\sqrt3)^2\), soit \(4\times3=12\).

\[\begin{aligned}|z|&=\sqrt{2^2+(-2\sqrt3)^2}\\&=\sqrt{4+12}=\sqrt{16}=4.\end{aligned}\]

3.4 Passage entre les trois formes

Résumé — Les 3 formes d'un nombre complexe
FormeÉcritureParamètres
Algébrique\(z = a + jb\)\(a = \text{Re}(z)\), \(b = \text{Im}(z)\)
Trigonométrique\(z = r(\cos\theta + j\sin\theta)\)\(r = |z|\), \(\theta = \arg(z)\)
Exponentielle\(z = r\,e^{j\theta}\)\(r = |z|\), \(\theta = \arg(z)\)

Conversions :

Exemple résolu — Passage entre formes

a) Écrire \(z=1+j\) sous forme exponentielle.

On lit \(a=1\), \(b=1\), puis on calcule le module :

\[r=\sqrt{1^2+1^2}=\sqrt{1+1}=\sqrt2.\]

On divise les coordonnées par ce module :

\[\cos\theta=\sin\theta=\frac1{\sqrt2}=\frac{\sqrt2}{2}.\]

Les deux coordonnées sont positives : le point est dans le premier quadrant. Le tableau des angles remarquables donne \(\theta=\pi/4\), donc :

\[\boxed{z=\sqrt2\,e^{j\pi/4}}.\]

b) Écrire \(z=3e^{j\pi/3}\) sous forme algébrique.

On lit \(r=3\), \(\theta=\pi/3\). Comme \(\cos(\pi/3)=1/2\) et \(\sin(\pi/3)=\sqrt3/2\) :

\[\begin{aligned}z&=3\left(\cos\frac\pi3+j\sin\frac\pi3\right)\\&=3\left(\frac12+j\frac{\sqrt3}2\right)\\&=3\times\frac12+3\times\frac{\sqrt3}2j\\&=\boxed{\frac32+\frac{3\sqrt3}2j}.\end{aligned}\]
3Mini-exercice — Formes d'un complexe

Écrire \(z = -\sqrt{3} + j\) sous forme trigonométrique puis exponentielle.

1. On lit \(a=-\sqrt3\), \(b=1\). Attention : \((-\sqrt3)^2=(-1)^2(\sqrt3)^2=3\).

\[\begin{aligned}r&=\sqrt{(-\sqrt3)^2+1^2}\\&=\sqrt{3+1}=\sqrt4=2.\end{aligned}\]

2. On calcule \(\cos\theta=-\sqrt3/2\) et \(\sin\theta=1/2\). Les valeurs absolues correspondent à l’angle \(\pi/6\).

3. Le cosinus est négatif et le sinus positif : on est dans le deuxième quadrant, donc :

\[\theta=\pi-\frac\pi6=\frac{6\pi}6-\frac\pi6=\frac{5\pi}6.\]

4. On remplace \(r\) et \(\theta\) dans les deux écritures :

\[\boxed{z=2\left(\cos\frac{5\pi}6+j\sin\frac{5\pi}6\right)}\] \[\boxed{z=2e^{j5\pi/6}}.\]

Contrôle : \(2(-\sqrt3/2)+2(1/2)j=-\sqrt3+j\).

3.5 Vérifier à la calculatrice

Méthode — Mode complexe et unité d'angle
  1. Choisir le mode complexe et l'affichage algébrique. La calculatrice utilise généralement \(i\) : saisir \(i\) à la place du \(j\) du cours.
  2. Pour un quotient, entourer chaque complexe de parenthèses. Saisir \((2+3i)/(1-i)\) : on doit obtenir \(-0{,}5+2{,}5i\).
  3. Choisir l'unité radian pour les arguments du cours. Utiliser la fonction module (souvent appelée « Abs » ou « module »), puis la fonction argument (« arg » ou « argument »). Les menus dépendent du modèle.
  4. Pour \(-2+2i\), vérifier un module proche de \(2{,}828\) et un argument proche de \(2{,}356\;\text{rad}\), soit \(3\pi/4\). Un affichage de \(135\) correspond à des degrés.
  5. Pour revenir à la forme algébrique, calculer \(r\cos\theta\) et \(r\sin\theta\), avec la même unité d'angle. Vérifier les signes et le quadrant.

Attention : \(\arctan(b/a)\) seul ne donne pas toujours le bon quadrant ; il est aussi inutilisable si \(a=0\). Zéro n'a pas d'argument.

4. Opérations en forme exponentielle

Dans cette section, les complexes utilisés sont non nuls, avec \(r_1,r_2,r>0\). Les égalités d'arguments se lisent modulo \(2\pi\).

Propriété — Produit
Si \(z_1 = r_1\,e^{j\theta_1}\) et \(z_2 = r_2\,e^{j\theta_2}\), alors : \[\boxed{z_1 \cdot z_2 = r_1 r_2 \, e^{j(\theta_1 + \theta_2)}}\]
Propriété — Quotient
\[\boxed{\frac{z_1}{z_2} = \frac{r_1}{r_2}\,e^{j(\theta_1 - \theta_2)}}\]
Propriété — Puissance
\[\boxed{z^n = r^n\,e^{jn\theta}}\] Pour tout entier \(n\in\mathbb{Z}\), le module est élevé à la puissance \(n\), l'argument est multiplié par \(n\).
Exemple résolu — Opérations

Soient \(z_1=2e^{j\pi/6}\) et \(z_2=3e^{j\pi/4}\). On sépare toujours le calcul du module et celui de l’angle.

1. Produit : le module vaut \(2\times3=6\). On met les angles au même dénominateur :

\[\frac\pi6+\frac\pi4=\frac{2\pi}{12}+\frac{3\pi}{12}=\frac{5\pi}{12}.\]

Ainsi \(\boxed{z_1z_2=6e^{j5\pi/12}}\).

2. Quotient : le module vaut \(2/3\). On soustrait l’angle du dénominateur :

\[\frac\pi6-\frac\pi4=\frac{2\pi}{12}-\frac{3\pi}{12}=-\frac\pi{12}.\]

Ainsi \(\boxed{z_1/z_2=\frac23e^{-j\pi/12}}\).

3. Puissance : le module vaut \(2^3=2\times2\times2=8\). L’angle vaut \(3\times\frac\pi6=\frac{3\pi}6=\frac\pi2\).

\[\begin{aligned}z_1^3&=8e^{j\pi/2}\\&=8(\cos(\pi/2)+j\sin(\pi/2))\\&=8(0+j)=\boxed{8j}.\end{aligned}\]
4Mini-exercice — Calcul en forme exponentielle

Soient \(z_1 = 4\,e^{j\pi/3}\) et \(z_2 = 2\,e^{-j\pi/6}\). Calculer \(z_1 \cdot z_2\), \(\dfrac{z_1}{z_2}\) et \(z_2^4\).

1. Produit : module \(4\times2=8\) ; angle :

\[\frac\pi3+\left(-\frac\pi6\right)=\frac{2\pi}6-\frac\pi6=\frac\pi6.\]

Donc \(\boxed{z_1z_2=8e^{j\pi/6}}\).

2. Quotient : module \(4/2=2\) ; angle :

\[\frac\pi3-\left(-\frac\pi6\right)=\frac{2\pi}6+\frac\pi6=\frac{3\pi}6=\frac\pi2.\]

Soustraire un nombre négatif revient à l’ajouter. Ainsi \(z_1/z_2=2e^{j\pi/2}=2(0+j)=\boxed{2j}\).

3. Puissance : module \(2^4=2\times2\times2\times2=16\) ; angle \(4\times(-\pi/6)=-4\pi/6=-2\pi/3\).

\[\boxed{z_2^4=16e^{-j2\pi/3}}.\]

Pour la forme algébrique, l’angle \(2\pi/3=\pi-\pi/3\) a pour cosinus \(-1/2\) et pour sinus \(\sqrt3/2\). En changeant le signe de l’angle, seul le sinus change de signe :

\[\begin{aligned}z_2^4&=16\left(-\frac12-j\frac{\sqrt3}2\right)\\&=-\frac{16}2-\frac{16\sqrt3}2j\\&=\boxed{-8-8\sqrt3\,j}.\end{aligned}\]

5. Ensembles de points dans le plan complexe

5.1 Partie réelle ou imaginaire fixée

Propriété — Droites parallèles aux axes

Pour un point \(M(x;y)\) d'affixe \(z=x+jy\) et un réel \(k\) :

Pour construire la droite, placer ce point puis tracer la parallèle à l'axe correspondant. Par exemple, \(\operatorname{Re}(z)=2\) donne \(x=2\) et \(\operatorname{Im}(z)=-1\) donne \(y=-1\).

Application — Identifier une droite

Décrire et tracer sur un repère la droite définie par \(\operatorname{Im}(z)=2\). Le point d'affixe \(3+2j\) lui appartient-il ?

C'est la droite horizontale \(y=2\), passant par \((0;2)\). Le point \((3;2)\) lui appartient car sa partie imaginaire vaut 2.

5.2 Module ou argument fixé

Propriété — Cercle
L'ensemble des points \(M\) d'affixe \(z\) tels que : \[\boxed{|z - a| = k \quad (k > 0)}\] est le cercle de centre \(A\) (d'affixe \(a\)) et de rayon \(k\).

En effet, \(|z - a|\) représente la distance \(AM\).

Si \(k=0\), l'ensemble se réduit au point \(A\). Si \(k<0\), l'ensemble est vide.

Propriété — Demi-droite
L'ensemble des points \(M\) d'affixe \(z\) (\(z \neq a\)) tels que : \[\boxed{\arg(z - a) = \alpha\;[2\pi]}\] est la demi-droite d'origine \(A\), privée de \(A\) (d'affixe \(a\)), faisant un angle orienté \(\alpha\) avec l'axe réel positif. L'origine est exclue car zéro n'a pas d'argument.
Exemple — Ensembles de points

a) \(|z-3|=2\). On compare avec \(|z-a|=k\) : \(a=3=3+0j\), \(k=2\). La distance à \(A(3;0)\) vaut 2 : c’est le cercle de centre \(A\) et de rayon 2.

b) \(|z+1-2j|=4\). Il faut faire apparaître « \(z\) moins une affixe » :

\[z+1-2j=z-(-1+2j).\]

En effet, le signe moins devant la parenthèse donne \(-(-1+2j)=1-2j\). On lit donc \(a=-1+2j\), \(k=4\) : cercle de centre \(B(-1;2)\) et de rayon 4.

c) \(\arg(z-1)=\pi/4\;[2\pi]\). Ici \(a=1=1+0j\). Le vecteur d’affixe \(z-1\) part de \(C(1;0)\) et a pour direction l’angle \(\pi/4\).

\[\frac\pi4\times\frac{180}\pi=\frac{180}4=45°.\]

C’est la demi-droite d’origine \(C\), orientée à 45° par rapport à l’axe réel positif, privée de \(C\) : pour \(z=1\), \(z-1=0\) n’a pas d’argument.

Méthode — Construire un ensemble

Module fixé : écrire \(|z-a|=k\), placer \(A\), puis tracer le cercle au compas pour \(k>0\).

Argument fixé : placer \(A\), reporter l'angle orienté à partir de la direction réelle positive et tracer la demi-droite. Un petit cercle non rempli à l'origine indique que \(A\) est exclu.

5Mini-exercice — Ensembles de points

Décrire géométriquement les ensembles suivants :

a) \(|z - 2 + 3j| = 5\)   b) \(|z| = |z - 4|\)   c) \(\arg(z + 1) = \frac{\pi}{3}\)

a) Mettre sous la forme \(|z-a|=k\).

\[z-2+3j=z-(2-3j),\]

car \(-(2-3j)=-2+3j\). On lit \(a=2-3j\) et \(k=5\) : cercle de centre \((2;-3)\) et de rayon 5.

b) Traduire l’égalité des distances. \(|z|=OM\) et \(|z-4|=AM\), avec \(A(4;0)\). Les points équidistants de \(O\) et de \(A\) sont sur la médiatrice de \([OA]\).

On peut retrouver son équation par le calcul. On pose \(z=x+jy\) :

\[\begin{gathered}|z|=|z-4|\\\iff\sqrt{x^2+y^2}=\sqrt{(x-4)^2+y^2}\\\iff x^2+y^2=(x-4)^2+y^2.\end{gathered}\]

On peut élever au carré car les deux membres sont positifs ou nuls. On développe \((x-4)^2=x^2-8x+16\), puis on simplifie :

\[\begin{aligned}x^2+y^2&=x^2-8x+16+y^2\\0&=-8x+16\\8x&=16\\x&=16/8=2.\end{aligned}\]

La coordonnée \(y\) est libre : c’est la droite verticale \(\boxed{x=2}\).

c) On écrit \(z+1=z-(-1)\). L’origine de la demi-droite est donc le point d’affixe \(-1=-1+0j\), soit \((-1;0)\).

L’angle vaut \(\frac\pi3\times\frac{180}\pi=60°\). La demi-droite est privée de son origine, car \(z=-1\) donne \(z+1=0\), dont l’argument n’est pas défini.

6. Transformations du plan complexe

Définition — Translation
La translation de vecteur \(\vec{w}\) (d'affixe \(b\)) est la transformation \(z \mapsto z' = z + b\).

Chaque point se déplace du même vecteur.

Définition — Rotation-homothétie
La transformation \(z \mapsto z' = a \cdot z\), avec \(a = r\,e^{j\alpha}\neq0\) et \(r>0\), est une transformation de centre \(O\) :
Définition — Symétrie par rapport à l'axe réel
La transformation \(z \mapsto z' = \bar{z}\) est la symétrie par rapport à l'axe réel (axe des abscisses).
Définition — Passage à l'inverse
La transformation \(z \mapsto z' = \dfrac{1}{z}\), définie pour \(z \neq 0\), associe à chaque complexe non nul son inverse.

En forme exponentielle : si \(z = r\,e^{j\theta}\), alors \(\frac{1}{z} = \frac{1}{r}\,e^{-j\theta}\).

Le module devient \(1/r\) et l'argument devient \(-\theta\). Géométriquement, on compose l'inversion de centre \(O\) et de puissance 1 avec la symétrie par rapport à l'axe réel. L'inversion géométrique seule s'écrit \(z\mapsto1/\bar z\).

Exemple — Rotation d'un motif

Un agenceur fait tourner un motif de 90° autour de l’origine. Un sommet a pour affixe \(z=3+2j\).

1. Convertir l’angle : \(90\times\pi/180=\pi/2\) rad.

2. Trouver le multiplicateur : \(e^{j\pi/2}=\cos(\pi/2)+j\sin(\pi/2)=0+j=j\).

3. Multiplier et utiliser \(j^2=-1\) :

\[\begin{aligned}z'&=j(3+2j)\\&=3j+2j^2\\&=3j+2(-1)\\&=\boxed{-2+3j}.\end{aligned}\]

Le point \((3;2)\) a pour image \((-2;3)\) : un quart de tour dans le sens trigonométrique. La distance à l’origine reste la même :

\[\begin{aligned}|z|&=\sqrt{3^2+2^2}=\sqrt{13},\\|z'|&=\sqrt{(-2)^2+3^2}=\sqrt{13}.\end{aligned}\]
Application — Similitude directe \(z \mapsto a\,z\)

On applique au point d'affixe \(z = 3\,e^{j\pi/6}\) la transformation \(z \mapsto z' = a\,z\) avec \(a = 2\,e^{j\pi/3}\).

Préciser la nature de la transformation, puis calculer \(z'\) sous forme exponentielle et algébrique.

1. Nature : \(a=2e^{j\pi/3}\) a pour module 2 et pour argument \(\pi/3\), soit \(\frac\pi3\times\frac{180}\pi=60°\). On effectue une rotation de centre \(O\) de 60° et une homothétie de centre \(O\) de rapport 2 : c’est une similitude directe.

2. Module du produit : \(|z'|=|a|\,|z|=2\times3=6\).

3. Argument du produit :

\[\frac\pi3+\frac\pi6=\frac{2\pi}6+\frac\pi6=\frac{3\pi}6=\frac\pi2.\]

4. Formes exponentielle et algébrique :

\[\begin{aligned}z'&=6e^{j\pi/2}\\&=6(\cos(\pi/2)+j\sin(\pi/2))\\&=6(0+j\times1)=\boxed{6j}.\end{aligned}\]

Le point image a pour coordonnées \((0;6)\). Son module vaut \(\sqrt{0^2+6^2}=6\), ce qui confirme le résultat.

Explorer l'image d'une droite avec un logiciel

Manipulation — Du point mobile à son image

Dans un logiciel de géométrie dynamique, choisir un repère orthonormé et tracer la droite \(d\) d'équation \(x=1\). Créer un point \(M\) contraint à cette droite, de coordonnées \((1;t)\).

  1. Pour la transformation \(z\mapsto2z+1\), définir un point \(P\) de coordonnées \((2x_M+1;2y_M)\). Déplacer \(M\) et activer la trace de \(P\) : on observe la droite \(x=3\).
  2. Pour \(z\mapsto1/z\), définir un point \(N\) de coordonnées \(\left(\dfrac{x_M}{x_M^2+y_M^2};\dfrac{-y_M}{x_M^2+y_M^2}\right)\). Le dénominateur est non nul puisque \(x_M=1\).
  3. Déplacer \(M\), activer la trace de \(N\) et comparer avec le cercle de centre \((1/2;0)\) et de rayon \(1/2\). Tester \(t=0\), \(t=1\), \(t=-1\), puis augmenter \(|t|\).

Ces formules définissent des points dépendant de \(M\) : saisir ses coordonnées variables dans le logiciel, et non les valeurs d'une seule position.

D’où viennent les coordonnées à saisir ?

Pour \(z=x+jy\), on distribue le facteur 2 :

\[2z+1=2(x+jy)+1=(2x+1)+j(2y).\]

La partie réelle est \(2x+1\) et la partie imaginaire \(2y\). Sur la droite \(x=1\), on a \(2x+1=2\times1+1=3\) et \(y=t\), donc \(P(3;2t)\). Comme \(t\) parcourt tous les réels, \(2t\) aussi : l’image est toute la droite \(x=3\).

Pour l’inverse, avec \(z\neq0\), on utilise le conjugué :

\[\begin{aligned}\frac1{x+jy}&=\frac{x-jy}{(x+jy)(x-jy)}\\&=\frac{x-jy}{x^2+y^2}\\&=\frac{x}{x^2+y^2}+j\frac{-y}{x^2+y^2}.\end{aligned}\]

On lit séparément les deux coordonnées de \(N\). Sur \(x=1\), le dénominateur \(1+t^2\) est toujours strictement positif.

Exemple expliqué — L'image de la droite par le passage à l'inverse

1. Calculer l’inverse. Pour \(z=1+jt\), on multiplie par le conjugué \(1-jt\) :

\[\begin{aligned}w=\frac1{1+jt}&=\frac{1-jt}{(1+jt)(1-jt)},\\(1+jt)(1-jt)&=1-jt+jt-j^2t^2\\&=1+t^2.\end{aligned}\]

On sépare les parties réelle et imaginaire :

\[w=\frac1{1+t^2}+j\frac{-t}{1+t^2}.\]

Donc \(u=1/(1+t^2)\) et \(v=-t/(1+t^2)\).

2. Tester des positions.

3. Vérifier l’équation du cercle. On calcule d’abord :

\[\begin{aligned}u^2+v^2&=\frac1{(1+t^2)^2}+\frac{t^2}{(1+t^2)^2}\\&=\frac{1+t^2}{(1+t^2)^2}\\&=\frac1{1+t^2}=u.\end{aligned}\]

On développe ensuite le carré :

\[\begin{aligned}\left(u-\frac12\right)^2+v^2&=u^2-u+\frac14+v^2\\&=(u^2+v^2)-u+\frac14\\&=u-u+\frac14=\frac14.\end{aligned}\]

L’équation \((u-h)^2+(v-k)^2=R^2\) décrit un cercle de centre \((h;k)\) et de rayon \(R\). Ici \(h=1/2\), \(k=0\) et \(R^2=1/4\), donc \(R=1/2\).

4. Exclure l’origine. Pour tout réel \(t\), \(u=1/(1+t^2)\gt0\). On ne peut donc jamais obtenir \(w=0\). Quand \(|t|\) grandit, \(u\) et \(v\) se rapprochent de 0, sans que \(N\) atteigne \(O\).

5. Vérifier que tout autre point du cercle est obtenu. Prenons un point \(w=u+jv\neq0\) du cercle. En développant son équation :

\[\begin{aligned}\left(u-\frac12\right)^2+v^2&=\frac14\\u^2-u+\frac14+v^2&=\frac14\\u^2+v^2&=u.\end{aligned}\]

Comme \(w\neq0\), \(u^2+v^2\gt0\), donc \(u\gt0\). Son inverse est :

\[\begin{aligned}\frac1w&=\frac{u-jv}{u^2+v^2}\\&=\frac{u-jv}{u}\\&=1+j\left(-\frac vu\right).\end{aligned}\]

En posant \(t=-v/u\), on retrouve un point \(z=1+jt\) de la droite initiale, dont l’inverse est \(w\). L’image de la droite entière est donc le cercle de centre \((1/2;0)\) et de rayon \(1/2\), privé de \(O\).

La trace dans l’animation permet d’observer ce résultat ; le calcul précise l’ensemble exact.

Pour manipuler également la somme, le produit et la conjugaison, utiliser la simulation du plan complexe : fixer le deuxième nombre à \(j\) et observer la rotation d'un quart de tour donnée par le produit.

7. Applications professionnelles

7.1 Impédance complexe en électricité

À retenir — Impédance complexe
En régime sinusoïdal permanent de pulsation \(\omega = 2\pi f>0\), les impédances des dipôles idéaux sont :

Circuit RLC série :

\[\boxed{\underline{Z} = R + jL\omega - \frac{j}{C\omega} = R + j\!\left(L\omega - \frac{1}{C\omega}\right)}\]
Comprendre le signe de l’impédance du condensateur

Pour supprimer \(j\) au dénominateur, on multiplie par \(-j\) en haut et en bas :

\[\frac1j=\frac{-j}{j(-j)}=\frac{-j}{-j^2}=\frac{-j}{1}=-j.\]

Donc \(\underline Z_C=\frac1{C\omega}\times\frac1j=-\frac{j}{C\omega}\). En série, on additionne les trois impédances :

\[\begin{aligned}\underline Z&=\underline Z_R+\underline Z_L+\underline Z_C\\&=R+jL\omega-j\frac1{C\omega}\\&=R+j\left(L\omega-\frac1{C\omega}\right).\end{aligned}\]

On note \(X=L\omega-1/(C\omega)\) la réactance, en ohms. Ainsi \(\underline Z=R+jX\) a la même forme que \(z=a+jb\), avec \(a=R\) et \(b=X\).

Propriété — Module et argument de l'impédance
Exemple résolu — Circuit RLC (situation de départ)

Reprenons \(R=100\;\Omega\), \(L=0{,}2\;\mathrm H\), \(C=10\;\mu\mathrm F\), \(f=50\;\mathrm{Hz}\) et \(U_{\mathrm{eff}}=230\;\mathrm V\).

1. Convertir la capacité en farads. Le préfixe micro signifie \(10^{-6}\) :

\[C=10\times10^{-6}\;\mathrm F=10^{-5}\;\mathrm F=0{,}00001\;\mathrm F.\]

2. Calculer la pulsation.

\[\begin{aligned}\omega&=2\pi f=2\pi\times50\\&=100\pi\;\mathrm{rad/s}\\&\approx314{,}159\;\mathrm{rad/s}.\end{aligned}\]

3. Calculer séparément les deux réactances. Pour la bobine :

\[L\omega=0{,}2\times100\pi=20\pi\;\Omega\approx62{,}832\;\Omega.\]

Pour le condensateur, on calcule d’abord le produit au dénominateur :

\[\begin{aligned}C\omega&=10^{-5}\times100\pi\\&=10^{-5}\times10^2\pi=10^{-3}\pi,\\\frac1{C\omega}&=\frac1{10^{-3}\pi}=\frac{1000}\pi\;\Omega\\&\approx318{,}310\;\Omega.\end{aligned}\]

4. Former l’impédance.

\[\begin{aligned}X&=L\omega-\frac1{C\omega}\\&=20\pi-\frac{1000}\pi\;\Omega\\&\approx62{,}832-318{,}310\;\Omega\\&\approx-255{,}478\;\Omega.\end{aligned}\] \[\begin{aligned}\underline Z&=100+j\left(20\pi-\frac{1000}\pi\right)\;\Omega\\&\approx(100-255{,}5j)\;\Omega.\end{aligned}\]

5. Calculer le module. Comme pour tout complexe, on utilise la racine de la somme des carrés :

\[\begin{aligned}|\underline Z|&=\sqrt{R^2+X^2}\\&=\sqrt{100^2+\left(20\pi-\frac{1000}\pi\right)^2}\\&\approx\sqrt{10\,000+65\,269{,}025}\\&\approx\sqrt{75\,269{,}025}\\&\approx\boxed{274{,}4\;\Omega}.\end{aligned}\]

Les décimales affichées sont arrondies pour la lecture ; dans la calculatrice, on conserve \(X=20\pi-1000/\pi\) jusqu’au résultat final.

6. Trouver l’argument. \(R\gt0\) et \(X\lt0\) placent le vecteur dans le quatrième quadrant. On choisit \(\varphi\) entre \(-\pi/2\) et 0 ; l’arctangente donne alors directement l’angle voulu :

\[\begin{aligned}\tan\varphi&=\frac XR=\frac{20\pi-1000/\pi}{100}\\&\approx-2{,}554780,\\\varphi&=\arctan\left(\frac{20\pi-1000/\pi}{100}\right)\\&\approx-1{,}197706\;\mathrm{rad}.\end{aligned}\]

Pour convertir en degrés :

\[\varphi\times\frac{180}\pi\approx-68{,}6235°\approx\boxed{-68{,}6°}.\]

Interprétation : \(X\lt0\), donc le circuit est capacitif : l’effet du condensateur domine. L’argument de \(\underline Z\) est la phase de la tension moins celle du courant ; il est négatif, donc le courant est en avance sur la tension.

7. Calculer le courant efficace. On utilise les valeurs efficaces pour la tension et le courant. La loi d’Ohm donne :

\[\underline U_{\mathrm{eff}}=\underline Z\,\underline I_{\mathrm{eff}},\qquad\underline I_{\mathrm{eff}}=\frac{\underline U_{\mathrm{eff}}}{\underline Z}.\]

On prend la tension comme référence de phase : \(\underline U_{\mathrm{eff}}=230e^{j0}\;\mathrm V\), et \(\underline Z=|\underline Z|e^{j\varphi}\). Pour un quotient, on divise les modules et on soustrait les arguments :

\[\underline I_{\mathrm{eff}}=\frac{230}{|\underline Z|}e^{j(0-\varphi)}\;\mathrm A.\] \[\begin{aligned}I_{\mathrm{eff}}&=\frac{230}{\sqrt{100^2+(20\pi-1000/\pi)^2}}\\&\approx0{,}838339\;\mathrm A\approx\boxed{0{,}838\;\mathrm A}.\end{aligned}\]

La phase du courant vaut \(0-\varphi\approx0-(-1{,}197706)=+1{,}197706\) rad, soit \(+68{,}6°\). Ainsi :

\[\boxed{\underline I_{\mathrm{eff}}\approx0{,}838e^{j1{,}198}\;\mathrm A}.\]

7.2 Représentation de signaux sinusoïdaux

Propriété — Signal sinusoïdal et notation complexe
Un signal sinusoïdal \(u(t) = U_m \cos(\omega t + \varphi)\) est représenté par le nombre complexe : \[\underline{U} = U_m\,e^{j\varphi}\] La valeur instantanée se retrouve par : \(u(t) = \text{Re}\!\left(\underline{U}\,e^{j\omega t}\right)\).

Convention de cette section : le module est l'amplitude \(U_m\), avec \(U_m=\sqrt2\,U_{\mathrm{eff}}\). Dans la section précédente, les complexes \(\underline U_{\mathrm{eff}}\) et \(\underline I_{\mathrm{eff}}\) utilisent les valeurs efficaces. Les deux conventions donnent la même impédance si tension et courant suivent la même convention.

Cette représentation simplifie considérablement les calculs de circuits en régime sinusoïdal (diagrammes de Nyquist, Bode).

Pourquoi prendre la partie réelle ?

On multiplie le complexe fixe \(\underline U=U_me^{j\varphi}\) par le facteur de rotation \(e^{j\omega t}\) :

\[\begin{aligned}\underline Ue^{j\omega t}&=U_me^{j\varphi}e^{j\omega t}\\&=U_me^{j(\omega t+\varphi)}.\end{aligned}\]

La formule d’Euler donne :

\[\underline Ue^{j\omega t}=U_m\cos(\omega t+\varphi)+jU_m\sin(\omega t+\varphi).\]

La partie réelle est le terme sans \(j\), donc \(u(t)=U_m\cos(\omega t+\varphi)\). C’est ce que montre l’animation du vecteur tournant.

Application — Notation complexe d'un signal sinusoïdal

Une tension s'écrit \(u(t) = 12\cos\!\left(\omega t + \dfrac{\pi}{3}\right)\) (en volts).

Donner le complexe associé \(\underline{U}\) sous forme exponentielle, puis sous forme algébrique.

1. Identifier les données : on compare \(u(t)=12\cos(\omega t+\pi/3)\) avec \(u(t)=U_m\cos(\omega t+\varphi)\). Ainsi \(U_m=12\;\mathrm V\), \(\varphi=\pi/3\), donc \(\underline U=12e^{j\pi/3}\;\mathrm V\).

2. Utiliser Euler et les valeurs remarquables :

\[\begin{aligned}\underline U&=12\left(\cos\frac\pi3+j\sin\frac\pi3\right)\\&=12\left(\frac12+j\frac{\sqrt3}2\right)\\&=12\times\frac12+j\,12\times\frac{\sqrt3}2\\&=\boxed{6+6\sqrt3\,j}\;\mathrm V\\&\approx(6+10{,}39j)\;\mathrm V.\end{aligned}\]

3. Vérifier le module : \((6\sqrt3)^2=6^2(\sqrt3)^2=36\times3=108\).

\[\begin{aligned}|\underline U|&=\sqrt{6^2+(6\sqrt3)^2}\\&=\sqrt{36+108}\\&=\sqrt{144}=12\;\mathrm V.\end{aligned}\]

Attention à la convention : ces 12 V sont l’amplitude. La valeur efficace vaut \(U_{\mathrm{eff}}=U_m/\sqrt2\), donc \(U_{\mathrm{eff}}=12/\sqrt2\). En multipliant en haut et en bas par \(\sqrt2\), on obtient \(12\sqrt2/2=6\sqrt2\approx8{,}49\;\mathrm V\).

7.3 Géométrie et transformations

Exemple — Rotation d'un panneau en agencement

Un panneau rectangulaire a pour sommets les affixes \(z_1=0\), \(z_2=4\), \(z_3=4+2j\), \(z_4=2j\). Il tourne de 30° autour de l’origine.

1. Écrire le multiplicateur. \(30\times\pi/180=\pi/6\) rad, donc :

\[\begin{aligned}q&=e^{j\pi/6}\\&=\cos(\pi/6)+j\sin(\pi/6)\\&=\frac{\sqrt3}2+\frac j2.\end{aligned}\]

2. Multiplier chaque affixe par \(q\). Le sommet à l’origine reste fixe : \(z'_1=q\times0=0\).

\[\begin{aligned}z'_2&=4\left(\frac{\sqrt3}2+\frac j2\right)\\&=\frac{4\sqrt3}2+\frac42j\\&=2\sqrt3+2j\approx3{,}46+2j.\end{aligned}\] \[\begin{aligned}z'_3&=(4+2j)\left(\frac{\sqrt3}2+\frac j2\right)\\&=2\sqrt3+2j+\sqrt3j+j^2\\&=(2\sqrt3-1)+(2+\sqrt3)j\\&\approx2{,}46+3{,}73j.\end{aligned}\] \[\begin{aligned}z'_4&=2j\left(\frac{\sqrt3}2+\frac j2\right)\\&=\sqrt3j+j^2\\&=-1+\sqrt3j\approx-1+1{,}73j.\end{aligned}\]

3. Vérifier les longueurs. Le multiplicateur a pour module :

\[\begin{aligned}|q|&=\sqrt{(\sqrt3/2)^2+(1/2)^2}\\&=\sqrt{3/4+1/4}=\sqrt1=1.\end{aligned}\]

Pour deux sommets \(z_k\) et \(z_\ell\), la distance après rotation vaut :

\[\begin{aligned}|z'_k-z'_\ell|&=|qz_k-qz_\ell|\\&=|q(z_k-z_\ell)|\\&=|q|\,|z_k-z_\ell|\\&=1\times|z_k-z_\ell|.\end{aligned}\]

Toutes les distances sont conservées : le panneau tourne sans se déformer.

6Mini-exercice — Impédance complexe

Un circuit série RL comporte \(R = 47\;\Omega\) et \(L = 0{,}15\;\text{H}\). La fréquence est \(f = 50\;\text{Hz}\).

a) Écrire l'impédance complexe \(\underline{Z}\).

b) Calculer \(|\underline{Z}|\) et \(\varphi = \arg(\underline{Z})\).

a) Calculer l’impédance. Pour un circuit RL série, il n’y a pas de condensateur : \(\underline Z=R+jL\omega\).

\[\begin{aligned}\omega&=2\pi f=2\pi\times50=100\pi\;\mathrm{rad/s},\\L\omega&=0{,}15\times100\pi=15\pi\;\Omega\\&\approx47{,}1239\;\Omega.\end{aligned}\]

Ainsi \(\boxed{\underline Z=(47+15\pi j)\;\Omega}\), soit environ \((47+47{,}1j)\;\Omega\).

b) Module : partie réelle \(47\), partie imaginaire \(15\pi\).

\[\begin{aligned}|\underline Z|&=\sqrt{47^2+(15\pi)^2}\\&=\sqrt{2209+225\pi^2}\\&\approx\sqrt{2209+2220{,}661}\\&\approx\sqrt{4429{,}661}\\&\approx\boxed{66{,}6\;\Omega}.\end{aligned}\]

Argument : les deux parties sont positives, donc le vecteur est dans le premier quadrant. On choisit \(0\lt\varphi\lt\pi/2\).

\[\begin{aligned}\tan\varphi&=\frac{15\pi}{47}\approx1{,}002636,\\\varphi&=\arctan\left(\frac{15\pi}{47}\right)\\&\approx0{,}786714\;\mathrm{rad},\\\varphi\times\frac{180}\pi&\approx45{,}0754°\approx\boxed{45{,}1°}.\end{aligned}\]

On garde \(15\pi\) dans la calculatrice jusqu’à l’arrondi final. Comme \(\varphi\gt0\), la tension est en avance sur le courant : le circuit est inductif.

Synthèse — Choisir la bonne méthode