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Tle expertes · Chapitre 1 · Nombres complexes

Nombres complexes : forme algébrique

30 exercices corrigés

Cours

À quoi ça sert ?

L'équation \(x^2 = -1\) n'a pas de solution réelle : aucun carré n'est négatif. Au XVIe siècle, des mathématiciens italiens qui cherchaient les solutions d'équations du troisième degré ont osé calculer avec une « racine de \(-1\) »… et ils trouvaient les bonnes solutions réelles à la fin. Aujourd'hui, les nombres complexes servent partout : en électricité (courant alternatif), en traitement du signal (son, image, téléphone), en mécanique quantique, en géométrie. Avec ce chapitre, tu sauras :

  • calculer avec ces nouveaux nombres comme avec des réels, en sachant que \(i^2 = -1\) ;
  • utiliser le conjugué pour diviser et pour reconnaître un réel ;
  • résoudre des équations du premier degré, y compris avec \(z\) et son conjugué ;
  • développer \((a + b)^n\) dans les complexes grâce à la formule du binôme.

1 L'ensemble des nombres complexes

On ajoute aux nombres réels un nombre nouveau, noté \(i\), dont le carré vaut \(-1\). Puis on calcule avec lui en gardant toutes les règles habituelles.

L'intuition

Sur la droite des réels, multiplier par \(-1\), c'est faire un demi-tour. Le nombre \(i\) est « un quart de tour » : faire deux quarts de tour, c'est faire un demi-tour, d'où \(i \times i = -1\). Les nombres complexes ne vivent plus sur une droite, mais dans un plan (on le verra au chapitre suivant).

−2 −1 1 2 −2 −1 1 2 O 1 i −1 −i × i × i × i × i
Multiplier par i, c'est tourner d'un quart de tour : 1, puis i, puis −1, puis −i, puis de nouveau 1.
Définition

Il existe un ensemble \(\mathbb{C}\), appelé ensemble des nombres complexes, qui contient \(\mathbb{R}\), qui contient un nombre \(i\) tel que \(i^2 = -1\), et dans lequel l'addition et la multiplication suivent les mêmes règles que dans \(\mathbb{R}\). Forme algébrique : tout nombre complexe \(z\) s'écrit de façon unique \(z = a + ib\), avec \(a\) et \(b\) réels.

  • \(a\) est la partie réelle de \(z\), notée \(\operatorname{Re}(z)\) ;
  • \(b\) est la partie imaginaire de \(z\), notée \(\operatorname{Im}(z)\) (c'est un réel : on ne met pas le \(i\)).
Propriété — égalité de deux complexes

Deux nombres complexes sont égaux si, et seulement si, ils ont la même partie réelle et la même partie imaginaire. En symboles : \(a + ib = a' + ib' \iff a = a' \text{ et } b = b'\) (avec \(a\), \(b\), \(a'\), \(b'\) réels). En mots : une égalité entre complexes donne deux égalités entre réels. C'est l'outil de base pour résoudre des équations.

Cas particuliers

Si \(b = 0\), \(z = a\) est un réel ; si \(a = 0\), \(z = ib\) est un imaginaire pur. Le nombre \(0\) est les deux à la fois.

Exemple guidé — lire les parties réelle et imaginaire

Étape 1 — Écrire sous la forme \(a + ib\). \(z_1 = 3 - 2i = 3 + i \times (-2)\) ; \(z_2 = 5i = 0 + i \times 5\) ; \(z_3 = -4 = -4 + i \times 0\).

Étape 2 — Lire. \(\operatorname{Re}(z_1) = 3\) et \(\operatorname{Im}(z_1) = -2\) ; \(\operatorname{Re}(z_2) = 0\) et \(\operatorname{Im}(z_2) = 5\) (imaginaire pur) ; \(\operatorname{Re}(z_3) = -4\) et \(\operatorname{Im}(z_3) = 0\) (réel).

🔍 Vérification : on reconstruit \(3 + i \times (-2) = 3 - 2i\) ✓.

Erreurs fréquentes
  • ❌ \(\operatorname{Im}(3 - 2i) = -2i\). ✅ La partie imaginaire est le réel \(-2\).
  • ❌ « \(i\) est un réel très spécial. » ✅ \(i\) n'est pas réel : aucun réel n'a un carré négatif.
  • ❌ Écrire \(\sqrt{-1} = i\) et calculer \(\sqrt{-1} \times \sqrt{-1} = \sqrt{1} = 1\). ✅ La règle \(\sqrt{a}\sqrt{b} = \sqrt{ab}\) n'est valable que pour \(a, b \geqslant 0\) ; on n'écrit jamais \(\sqrt{-1}\).
À toi !

Donne la partie réelle et la partie imaginaire de \(z = \dfrac{1}{2} - \dfrac{3}{4}i\), puis de \(w = -7i\).

Voir la réponseMasquer la réponse

\(\operatorname{Re}(z) = \dfrac{1}{2}\) et \(\operatorname{Im}(z) = -\dfrac{3}{4}\) ; \(\operatorname{Re}(w) = 0\) et \(\operatorname{Im}(w) = -7\) (\(w\) est imaginaire pur).

À retenir

\(i^2 = -1\) ; \(z = a + ib\) de façon unique, avec \(\operatorname{Re}(z) = a\) et \(\operatorname{Im}(z) = b\) réels. Une égalité de complexes = deux égalités de réels.

2 Opérations

On additionne et on multiplie exactement comme avec des expressions littérales en \(i\), puis on remplace \(i^2\) par \(-1\).

L'intuition

Calcule \((3 + 2i)(1 - 5i)\) comme tu calculerais \((3 + 2x)(1 - 5x)\) : on développe. Le seul changement, c'est qu'à la fin \(i^2\) devient \(-1\), ce qui fait « tomber » le terme en \(i^2\) dans la partie réelle.

Propriété — somme et produit

Pour \(z = a + ib\) et \(z' = a' + ib'\), \[z + z' = (a + a') + i(b + b'), \qquad z \times z' = (aa' - bb') + i(ab' + a'b).\] En mots : pour la somme, on ajoute les parties réelles entre elles et les parties imaginaires entre elles. Pour le produit, on développe et on utilise \(i^2 = -1\) : il n'est pas utile d'apprendre la formule.

Pourquoi c'est vrai ?

L'idée en une phrase : on développe, puis on regroupe.

Voir la démonstration pas à pasMasquer la démonstration

Étape 1 — Développer. \((a + ib)(a' + ib') = aa' + iab' + ia'b + i^2 bb'\), par double distributivité (les règles de calcul de \(\mathbb{R}\) restent valables).

Étape 2 — Remplacer \(i^2\). Comme \(i^2 = -1\), le dernier terme vaut \(-bb'\).

Étape 3 — Regrouper. On obtient \((aa' - bb') + i(ab' + a'b)\), qui est bien une forme algébrique ✓.

Puissances de \(i\)

\(i^1 = i\), \(i^2 = -1\), \(i^3 = i^2 \times i = -i\), \(i^4 = (i^2)^2 = 1\). Ensuite, tout recommence : les puissances de \(i\) se répètent tous les \(4\). Pour calculer \(i^n\), on cherche le reste de la division de \(n\) par \(4\).

Exemple guidé 1 — somme et produit

\(z = 3 + 2i\) et \(z' = 1 - 5i\).

Étape 1 — La somme. \(z + z' = (3 + 1) + i(2 - 5) = 4 - 3i\).

Étape 2 — Le produit. \(z z' = 3 \times 1 + 3 \times (-5i) + 2i \times 1 + 2i \times (-5i) = 3 - 15i + 2i - 10i^2\).

Étape 3 — Remplacer \(i^2\) et regrouper. \(-10i^2 = -10 \times (-1) = 10\), donc \(z z' = (3 + 10) + (-15 + 2)i = \boxed{13 - 13i}\).

🔍 Vérification : avec la formule, \(aa' - bb' = 3 - (2)(-5) = 13\) et \(ab' + a'b = 3 \times (-5) + 1 \times 2 = -13\) ✓.

Exemple guidé 2 — une identité remarquable et une grande puissance

Étape 1 — \((2 + i)^2\). \((2 + i)^2 = 2^2 + 2 \times 2 \times i + i^2 = 4 + 4i - 1 = 3 + 4i\).

Étape 2 — \(i^{2026}\). \(2026 = 4 \times 506 + 2\), donc \(i^{2026} = (i^4)^{506} \times i^2 = 1 \times (-1) = \boxed{-1}\).

🔍 Vérification : \((3 + 4i)\) a bien pour partie réelle \(2^2 - 1^2 = 3\) ✓ ; et \(i^2 = -1\) ✓.

Erreurs fréquentes
  • ❌ \((2 + i)^2 = 4 + i^2 = 3\). ✅ On n'oublie pas le double produit : \((2 + i)^2 = 4 + 4i + i^2 = 3 + 4i\).
  • ❌ \((a + ib)(a' + ib') = aa' + ibb'\). ✅ On développe tous les termes (quatre produits).
  • ❌ \(i^3 = 1\) ou \(i^3 = -1\). ✅ \(i^3 = i^2 \times i = -i\).
À toi !

Calcule \((1 + i)^2\), puis \((1 + i)^4\), puis \((1 - 2i)(3 + i)\).

Voir la réponseMasquer la réponse

\((1 + i)^2 = 1 + 2i + i^2 = 2i\). Donc \((1 + i)^4 = \left((1 + i)^2\right)^2 = (2i)^2 = 4i^2 = -4\). Enfin \((1 - 2i)(3 + i) = 3 + i - 6i - 2i^2 = 3 - 5i + 2 = 5 - 5i\).

À retenir

On développe comme d'habitude et on remplace \(i^2\) par \(-1\). \(i^n\) dépend du reste de \(n\) dans la division par \(4\) : \(1\), \(i\), \(-1\), \(-i\).

3 Le conjugué

Changer le signe de la partie imaginaire donne un nouveau complexe, le conjugué. Il sert à diviser et à reconnaître les réels.

L'intuition

\((4 - 3i)(4 + 3i) = 16 - 9i^2 = 16 + 9 = 25\). Le produit est réel ! C'est l'identité \((a - b)(a + b) = a^2 - b^2\) avec \(b^2 = (3i)^2 = -9\) : le signe moins devient un plus.

Définition

Le conjugué de \(z = a + ib\) (avec \(a\), \(b\) réels) est le nombre complexe \(\overline{z} = a - ib\). En mots : on garde la partie réelle et on change le signe de la partie imaginaire.

Propriétés

Pour tous complexes \(z = a + ib\) et \(z'\),

  • \(z + \overline{z} = 2a = 2\operatorname{Re}(z)\) et \(z - \overline{z} = 2ib = 2i\operatorname{Im}(z)\) ;
  • \(z\,\overline{z} = a^2 + b^2\) : c'est un réel positif ;
  • \(z\) est réel si, et seulement si, \(\overline{z} = z\) ; \(z\) est imaginaire pur si, et seulement si, \(\overline{z} = -z\) ;
  • \(\overline{z + z'} = \overline{z} + \overline{z'}\), \(\overline{z z'} = \overline{z}\;\overline{z'}\), \(\overline{z^n} = \left(\overline{z}\right)^n\) pour tout entier naturel \(n\), et, si \(z' \ne 0\), \(\overline{\left(\dfrac{1}{z'}\right)} = \dfrac{1}{\overline{z'}}\). En mots : le conjugué d'une somme, d'un produit, d'une puissance ou d'un inverse s'obtient en conjuguant chaque morceau.
Pourquoi c'est vrai ?

L'idée en une phrase : on calcule les deux membres sous forme algébrique et on compare ; pour les puissances, on enchaîne le cas du produit.

Voir la démonstration pas à pasMasquer la démonstration

Étape 1 — \(z\,\overline{z}\). \((a + ib)(a - ib) = a^2 - (ib)^2 = a^2 - i^2b^2 = a^2 + b^2\), car \(i^2 = -1\). C'est une somme de carrés de réels, donc un réel positif.

Étape 2 — Conjugué d'un produit. Avec \(z' = a' + ib'\) : \(z z' = (aa' - bb') + i(ab' + a'b)\), donc \(\overline{z z'} = (aa' - bb') - i(ab' + a'b)\). De l'autre côté, \(\overline{z}\;\overline{z'} = (a - ib)(a' - ib') = aa' - iab' - ia'b + i^2bb' = (aa' - bb') - i(ab' + a'b)\). Les deux résultats sont égaux ✓.

Étape 3 — Conjugué d'une puissance. On raisonne par récurrence sur \(n\). Pour \(n = 0\) : \(\overline{z^0} = \overline{1} = 1 = \left(\overline{z}\right)^0\). Si \(\overline{z^n} = \left(\overline{z}\right)^n\) pour un certain \(n\), alors \(\overline{z^{n+1}} = \overline{z^n \times z} = \overline{z^n} \times \overline{z}\) (étape 2) \(= \left(\overline{z}\right)^n \times \overline{z} = \left(\overline{z}\right)^{n+1}\) ✓.

Étape 4 — Conjugué d'un inverse. Si \(z' \ne 0\), on applique l'étape 2 à \(z' \times \dfrac{1}{z'} = 1\) : \(\overline{z'} \times \overline{\left(\dfrac{1}{z'}\right)} = \overline{1} = 1\). Donc \(\overline{\left(\dfrac{1}{z'}\right)}\) est l'inverse de \(\overline{z'}\) ✓ (\(\overline{z'} \ne 0\) car \(z' \ne 0\)).

Étape 5 — Réel et imaginaire pur. \(\overline{z} = z \iff a - ib = a + ib \iff 2ib = 0 \iff b = 0\) ; de même, \(\overline{z} = -z \iff a - ib = -a - ib \iff a = 0\) ✓.

Exemple guidé — prouver qu'un nombre est réel

Soit \(z\) un complexe quelconque. Montrer que \(Z = z^2 + \overline{z}^2\) est réel.

Étape 1 — Calculer le conjugué. \(\overline{Z} = \overline{z^2} + \overline{\overline{z}^2} = \overline{z}^2 + z^2\), car le conjugué d'une puissance est la puissance du conjugué, et le conjugué de \(\overline{z}\) est \(z\).

Étape 2 — Comparer. \(\overline{Z} = \overline{z}^2 + z^2 = Z\).

Étape 3 — Conclure. \(Z\) est égal à son conjugué, donc \(Z\) est réel ✓.

🔍 Vérification : avec \(z = 1 + 2i\), \(z^2 = -3 + 4i\) et \(\overline{z}^2 = -3 - 4i\) : la somme vaut \(-6\), qui est bien réel ✓.

Erreurs fréquentes
  • ❌ \(\overline{3 - 2i} = -3 + 2i\). ✅ On ne change que la partie imaginaire : \(\overline{3 - 2i} = 3 + 2i\).
  • ❌ \(z\,\overline{z} = a^2 - b^2\). ✅ \(z\,\overline{z} = a^2 + b^2\) : le signe moins disparaît car \(i^2 = -1\).
À toi !

Soit \(z = 4 - 3i\). Calcule \(\overline{z}\), \(z + \overline{z}\) et \(z\,\overline{z}\).

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\(\overline{z} = 4 + 3i\) ; \(z + \overline{z} = 8 = 2\operatorname{Re}(z)\) ; \(z\,\overline{z} = 4^2 + 3^2 = 25\).

À retenir

\(\overline{a + ib} = a - ib\) ; \(z\,\overline{z} = a^2 + b^2\) réel positif ; \(z\) réel \(\iff \overline{z} = z\). Le conjugué « passe » à travers les sommes, produits, puissances et inverses.

4 Inverse et quotient

Pour écrire \(\dfrac{1}{3 + 4i}\) sous forme algébrique, il faut se débarrasser du \(i\) au dénominateur. Le conjugué fait exactement cela.

L'intuition

C'est la même idée que pour \(\dfrac{1}{\sqrt{2} + 1}\), qu'on multiplie en haut et en bas par \(\sqrt{2} - 1\) pour obtenir un dénominateur sans racine. Ici, on multiplie en haut et en bas par le conjugué du dénominateur : le dénominateur devient le réel \(a^2 + b^2\).

Propriété — inverse

Tout nombre complexe \(z = a + ib\) non nul a un inverse : \[\frac{1}{z} = \frac{\overline{z}}{z\,\overline{z}} = \frac{a - ib}{a^2 + b^2}.\] En mots : on multiplie le numérateur et le dénominateur par le conjugué du dénominateur. Comme \(z \ne 0\), \(a^2 + b^2 \ne 0\) : la division est permise.

Méthode — écrire un quotient \(\dfrac{z}{z'}\) sous forme algébrique

On multiplie le numérateur et le dénominateur par \(\overline{z'}\) ; on développe le numérateur ; le dénominateur vaut \(a'^2 + b'^2\) ; on sépare partie réelle et partie imaginaire.

Exemple guidé — deux quotients

Étape 1 — L'inverse de \(3 + 4i\). \(\dfrac{1}{3 + 4i} = \dfrac{3 - 4i}{(3 + 4i)(3 - 4i)} = \dfrac{3 - 4i}{9 + 16} = \dfrac{3}{25} - \dfrac{4}{25}i\).

Étape 2 — Le quotient \(\dfrac{2 + i}{1 - i}\). On multiplie par \(\overline{1 - i} = 1 + i\) : \(\dfrac{(2 + i)(1 + i)}{(1 - i)(1 + i)} = \dfrac{2 + 2i + i + i^2}{1 + 1} = \dfrac{1 + 3i}{2} = \boxed{\dfrac{1}{2} + \dfrac{3}{2}i}\).

🔍 Vérification : \((1 - i)\left(\dfrac{1}{2} + \dfrac{3}{2}i\right) = \dfrac{1}{2} + \dfrac{3}{2}i - \dfrac{1}{2}i - \dfrac{3}{2}i^2 = \dfrac{1}{2} + \dfrac{3}{2} + i = 2 + i\) ✓.

Erreurs fréquentes
  • ❌ Multiplier seulement le dénominateur par le conjugué. ✅ On multiplie en haut et en bas, sinon on change la valeur de la fraction.
  • ❌ \(\dfrac{1}{3 + 4i} = \dfrac{1}{3} + \dfrac{1}{4i}\). ✅ L'inverse d'une somme n'est pas la somme des inverses.
À toi !

Écris sous forme algébrique \(\dfrac{1}{1 + 2i}\) et \(\dfrac{5 + 5i}{2 - i}\).

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\(\dfrac{1}{1 + 2i} = \dfrac{1 - 2i}{1 + 4} = \dfrac{1}{5} - \dfrac{2}{5}i\). Puis \(\dfrac{(5 + 5i)(2 + i)}{(2 - i)(2 + i)} = \dfrac{10 + 5i + 10i + 5i^2}{5} = \dfrac{5 + 15i}{5} = 1 + 3i\).

À retenir

Pour diviser, on multiplie en haut et en bas par le conjugué du dénominateur ; le dénominateur devient \(a^2 + b^2\).

5 Équations du premier degré

Une équation d'inconnue complexe se résout soit comme dans \(\mathbb{R}\) (on isole \(z\)), soit en posant \(z = x + iy\) quand le conjugué \(\overline{z}\) apparaît.

L'intuition

\((2 + i)z = 3 - i\) se résout comme \(2z = 6\) : on divise. Mais \(z + 2\overline{z} = 6 - i\) mélange \(z\) et \(\overline{z}\), qu'on ne sait pas regrouper directement : on écrit \(z = x + iy\) et on obtient deux équations réelles grâce à l'égalité des parties réelles et imaginaires.

Propriété — équation \(az = b\)

Si \(a \ne 0\), l'équation \(az = b\) a une unique solution dans \(\mathbb{C}\) : \(z = \dfrac{b}{a}\).

Méthode — équation avec \(z\) et \(\overline{z}\)
  • on pose \(z = x + iy\) avec \(x\), \(y\) réels, donc \(\overline{z} = x - iy\) ;
  • on écrit le premier membre sous forme algébrique ;
  • on identifie parties réelles et parties imaginaires : on obtient un système de deux équations réelles ;
  • on résout, puis on vérifie.
Exemple guidé 1 — \((2 + i)z = 3 - i\)

Étape 1 — Isoler \(z\). \(2 + i \ne 0\), donc \(z = \dfrac{3 - i}{2 + i}\).

Étape 2 — Forme algébrique. \(z = \dfrac{(3 - i)(2 - i)}{(2 + i)(2 - i)} = \dfrac{6 - 3i - 2i + i^2}{5} = \dfrac{5 - 5i}{5} = \boxed{1 - i}\).

🔍 Vérification : \((2 + i)(1 - i) = 2 - 2i + i - i^2 = 3 - i\) ✓.

Exemple guidé 2 — \(z + 2\overline{z} = 6 - i\)

Étape 1 — Poser \(z = x + iy\). Alors \(z + 2\overline{z} = x + iy + 2(x - iy) = 3x - iy\).

Étape 2 — Identifier. \(3x - iy = 6 - i \iff 3x = 6\) et \(-y = -1\) (même partie réelle, même partie imaginaire).

Étape 3 — Résoudre. \(x = 2\) et \(y = 1\) : l'unique solution est \(\boxed{z = 2 + i}\).

🔍 Vérification : \(2 + i + 2(2 - i) = 2 + i + 4 - 2i = 6 - i\) ✓.

Erreurs fréquentes
  • ❌ « \(z + 2\overline{z} = 3z\). » ✅ \(z\) et \(\overline{z}\) sont deux nombres différents (sauf si \(z\) est réel) : on ne peut pas les additionner comme des termes semblables.
  • ❌ Oublier que \(x\) et \(y\) doivent être réels pour identifier. ✅ L'identification n'est valable qu'avec des parties réelles et imaginaires réelles.
À toi !

Résous \((1 - i)z = 2i\).

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\(z = \dfrac{2i}{1 - i} = \dfrac{2i(1 + i)}{(1 - i)(1 + i)} = \dfrac{2i + 2i^2}{2} = \dfrac{-2 + 2i}{2} = -1 + i\). Vérification : \((1 - i)(-1 + i) = -1 + i + i - i^2 = 2i\) ✓.

À retenir

\(az = b\) avec \(a \ne 0\) donne \(z = \dfrac{b}{a}\). Avec \(\overline{z}\), on pose \(z = x + iy\) et on identifie : deux équations réelles.

6 La formule du binôme dans ℂ

Pour développer \((1 + i)^5\), on pourrait multiplier cinq fois. La formule du binôme, vue en spécialité avec les coefficients binomiaux, reste vraie dans \(\mathbb{C}\).

L'intuition

\((a + b)^2 = a^2 + 2ab + b^2\) et \((a + b)^3 = a^3 + 3a^2b + 3ab^2 + b^3\). Les coefficients \(1\), \(2\), \(1\) puis \(1\), \(3\), \(3\), \(1\) sont ceux du triangle de Pascal : ce sont les coefficients binomiaux \(\dbinom{n}{k}\).

Théorème — formule du binôme

Pour tous nombres complexes \(a\) et \(b\) et tout entier naturel \(n\), \[(a + b)^n = \sum_{k=0}^{n} \binom{n}{k} a^{n-k} b^k = \binom{n}{0}a^n + \binom{n}{1}a^{n-1}b + \cdots + \binom{n}{n}b^n.\] En mots : on écrit tous les produits \(a^{n-k}b^k\) (les exposants font toujours \(n\)), chacun multiplié par le coefficient binomial \(\dbinom{n}{k}\) lu dans le triangle de Pascal.

Pourquoi c'est vrai ?

L'idée en une phrase : on raisonne par récurrence sur \(n\), et la relation de Pascal fait apparaître les coefficients de la ligne suivante.

Voir la démonstration pas à pasMasquer la démonstration

Étape 1 — Initialisation. Pour \(n = 0\) : \((a + b)^0 = 1\) et \(\dbinom{0}{0}a^0b^0 = 1\) ✓.

Étape 2 — Hérédité : multiplier par \(a + b\). Supposons la formule vraie au rang \(n\). Alors \((a + b)^{n+1} = (a + b)\displaystyle\sum_{k=0}^{n} \binom{n}{k} a^{n-k} b^k = \sum_{k=0}^{n} \binom{n}{k} a^{n+1-k} b^k + \sum_{k=0}^{n} \binom{n}{k} a^{n-k} b^{k+1}\), en distribuant (règles de calcul valables dans \(\mathbb{C}\)).

Étape 3 — Regrouper les termes en \(a^{n+1-k}b^k\). Dans la seconde somme, on pose \(j = k + 1\) : elle devient \(\displaystyle\sum_{j=1}^{n+1} \binom{n}{j-1} a^{n+1-j} b^j\). Pour \(1 \leqslant k \leqslant n\), le terme en \(a^{n+1-k}b^k\) a donc pour coefficient \(\dbinom{n}{k} + \dbinom{n}{k-1} = \dbinom{n+1}{k}\) (relation de Pascal). Les termes extrêmes sont \(a^{n+1}\) et \(b^{n+1}\), de coefficient \(1 = \dbinom{n+1}{0} = \dbinom{n+1}{n+1}\).

Étape 4 — Conclure. \((a + b)^{n+1} = \displaystyle\sum_{k=0}^{n+1} \binom{n+1}{k} a^{n+1-k} b^k\) : la formule est vraie au rang \(n + 1\), donc pour tout \(n\) ✓.

Exemple guidé — développer \((1 + i)^5\)

Étape 1 — Les coefficients. Ligne \(5\) du triangle de Pascal : \(1\), \(5\), \(10\), \(10\), \(5\), \(1\).

Étape 2 — Les puissances de \(i\). \(i^0 = 1\), \(i^1 = i\), \(i^2 = -1\), \(i^3 = -i\), \(i^4 = 1\), \(i^5 = i\).

Étape 3 — Écrire la somme (avec \(a = 1\), toutes les puissances de \(a\) valent \(1\)) : \((1 + i)^5 = 1 + 5i + 10i^2 + 10i^3 + 5i^4 + i^5 = 1 + 5i - 10 - 10i + 5 + i\).

Étape 4 — Regrouper. Partie réelle : \(1 - 10 + 5 = -4\) ; partie imaginaire : \(5 - 10 + 1 = -4\). Donc \(\boxed{(1 + i)^5 = -4 - 4i}\).

🔍 Vérification : \((1 + i)^4 = -4\) (partie 2), donc \((1 + i)^5 = -4(1 + i) = -4 - 4i\) ✓.

Erreurs fréquentes
  • ❌ \((a + b)^n = a^n + b^n\). ✅ Il manque tous les termes « mélangés » : \((1 + i)^2 = 2i\), pas \(1 + i^2 = 0\).
  • ❌ Oublier de mettre \(b\) entre parenthèses quand il est négatif ou imaginaire. ✅ \((2 - i)^3\) : on prend \(b = -i\), et \(b^2 = (-i)^2 = -1\).
À toi !

Développe \((2 - i)^3\) avec la formule du binôme.

Voir la réponseMasquer la réponse

Avec \(a = 2\), \(b = -i\) et les coefficients \(1\), \(3\), \(3\), \(1\) : \((2 - i)^3 = 8 + 3 \times 4 \times (-i) + 3 \times 2 \times (-i)^2 + (-i)^3 = 8 - 12i - 6 + i = 2 - 11i\) (car \((-i)^2 = -1\) et \((-i)^3 = i\)).

À retenir

\((a + b)^n = \displaystyle\sum_{k=0}^{n} \binom{n}{k} a^{n-k} b^k\), vraie dans \(\mathbb{C}\). Avec \(b = i\), on remplace les puissances de \(i\) par \(1\), \(i\), \(-1\), \(-i\).

Chapitre suivant

On représente les complexes par des points du plan. On verra le module \(|z| = \sqrt{a^2 + b^2}\) (le \(z\,\overline{z}\) de la partie 3 en est le carré) et l'argument, qui mesure un angle.


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