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Tle expertes · Chapitre 3 · Nombres complexes

Équations polynomiales

30 exercices corrigés

Cours

À quoi ça sert ?

C'est en cherchant à résoudre des équations du troisième degré que les mathématiciens du XVIe siècle ont inventé les nombres complexes. Aujourd'hui, les racines d'un polynôme servent à étudier la stabilité d'un pont, d'un circuit électronique ou d'un système de régulation : selon que les racines sont réelles ou complexes, le système oscille ou non. Avec ce chapitre, tu sauras :

  • résoudre toute équation du second degré à coefficients réels, même quand le discriminant est négatif ;
  • factoriser un polynôme dont on connaît une racine ;
  • résoudre une équation de degré \(3\) dont une racine est connue ;
  • savoir qu'un polynôme de degré \(n\) a au plus \(n\) racines.

Dans ce chapitre, un polynôme est une fonction \(P(z) = a_n z^n + \cdots + a_1 z + a_0\), avec \(a_n \ne 0\) ; \(n\) est son degré. On admet que si un polynôme est nul pour tout \(z\), tous ses coefficients sont nuls. Une racine de \(P\) est un complexe \(z_0\) tel que \(P(z_0) = 0\).

1 L'équation z² = a, avec a réel

En première, l'équation \(x^2 = -9\) n'avait pas de solution. Dans \(\mathbb{C}\), elle en a deux.

L'intuition

\((3i)^2 = 9i^2 = -9\) et \((-3i)^2 = -9\) aussi. Un réel négatif a deux « racines carrées » imaginaires pures.

Propriété

Soit \(a\) un réel.

  • si \(a > 0\), l'équation \(z^2 = a\) a deux solutions réelles : \(\sqrt{a}\) et \(-\sqrt{a}\) ;
  • si \(a = 0\), une seule solution : \(0\) ;
  • si \(a < 0\), deux solutions imaginaires pures : \(i\sqrt{-a}\) et \(-i\sqrt{-a}\).
Pourquoi c'est vrai ?

L'idée en une phrase : on factorise avec \(a^2 - b^2\), en écrivant \(-a = \left(\sqrt{-a}\right)^2\).

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Étape 1 — Si \(a < 0\). \(z^2 - a = z^2 + \left(\sqrt{-a}\right)^2 = z^2 - \left(i\sqrt{-a}\right)^2\), car \(i^2 = -1\).

Étape 2 — Factoriser. \(z^2 - \left(i\sqrt{-a}\right)^2 = \left(z - i\sqrt{-a}\right)\left(z + i\sqrt{-a}\right)\), nul si, et seulement si, \(z = i\sqrt{-a}\) ou \(z = -i\sqrt{-a}\) (produit nul, valable dans \(\mathbb{C}\)) ✓.

Exemple guidé — \(z^2 = -4\)

Étape 1 — Le signe. \(-4 < 0\) : les solutions sont imaginaires pures.

Étape 2 — Conclure. \(z = 2i\) ou \(z = -2i\).

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

Erreurs fréquentes
  • ❌ Écrire \(z = \sqrt{-4}\). ✅ On n'écrit jamais \(\sqrt{}\) d'un nombre négatif : \(z = \pm 2i\).
  • ❌ Oublier la solution \(-2i\). ✅ Il y a toujours deux solutions quand \(a \ne 0\).
À toi !

Résous \(z^2 = -7\).

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\(-7 < 0\), donc \(z = i\sqrt{7}\) ou \(z = -i\sqrt{7}\).

À retenir

\(z^2 = a\) avec \(a < 0\) : \(z = \pm i\sqrt{-a}\).

2 Équation du second degré à coefficients réels

Avec \(i\), le discriminant négatif ne bloque plus : on obtient deux solutions complexes conjuguées.

Théorème

Soient \(a\), \(b\), \(c\) réels avec \(a \ne 0\), et \(\Delta = b^2 - 4ac\). L'équation \(az^2 + bz + c = 0\) a :

  • si \(\Delta > 0\) : deux solutions réelles \(\dfrac{-b - \sqrt{\Delta}}{2a}\) et \(\dfrac{-b + \sqrt{\Delta}}{2a}\) ;
  • si \(\Delta = 0\) : une solution réelle \(-\dfrac{b}{2a}\) ;
  • si \(\Delta < 0\) : deux solutions complexes conjuguées \[z_1 = \frac{-b - i\sqrt{-\Delta}}{2a} \qquad \text{et} \qquad z_2 = \frac{-b + i\sqrt{-\Delta}}{2a}.\] Dans tous les cas, \(az^2 + bz + c = a(z - z_1)(z - z_2)\).
Pourquoi c'est vrai ?

L'idée en une phrase : la forme canonique de première reste valable dans \(\mathbb{C}\), et on utilise la partie 1.

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Étape 1 — Forme canonique. \(az^2 + bz + c = a\left[\left(z + \dfrac{b}{2a}\right)^2 - \dfrac{\Delta}{4a^2}\right]\) (même calcul qu'en première, valable pour \(z\) complexe).

Étape 2 — Si \(\Delta < 0\). L'équation revient à \(\left(z + \dfrac{b}{2a}\right)^2 = \dfrac{\Delta}{4a^2}\), avec \(\dfrac{\Delta}{4a^2} < 0\). D'après la partie 1, \(z + \dfrac{b}{2a} = \pm i\dfrac{\sqrt{-\Delta}}{2a}\) (car \(\sqrt{4a^2} = 2|a|\) et le signe \(\pm\) couvre les deux cas).

Étape 3 — Conclure. \(z = \dfrac{-b \pm i\sqrt{-\Delta}}{2a}\) ✓. Ces deux nombres sont conjugués, car \(a\), \(b\) et \(\Delta\) sont réels.

Exemple guidé — \(z^2 - 2z + 5 = 0\)

Étape 1 — Le discriminant. \(\Delta = (-2)^2 - 4 \times 1 \times 5 = 4 - 20 = -16 < 0\).

Étape 2 — Les solutions. \(\sqrt{-\Delta} = \sqrt{16} = 4\), donc \(z = \dfrac{2 \pm 4i}{2}\), soit \(\boxed{z_1 = 1 - 2i \text{ et } z_2 = 1 + 2i}\).

🔍 Vérification : \((1 + 2i)^2 - 2(1 + 2i) + 5 = (1 + 4i - 4) - 2 - 4i + 5 = 0\) ✓.

Erreurs fréquentes
  • ❌ Conclure « pas de solution » quand \(\Delta < 0\). ✅ Dans \(\mathbb{C}\), il y en a deux, conjuguées.
  • ❌ Écrire \(\dfrac{-b \pm \sqrt{\Delta}}{2a}\) avec \(\Delta < 0\). ✅ On écrit \(i\sqrt{-\Delta}\) (\(\sqrt{-\Delta}\) est un réel positif).
  • ❌ Appliquer ces formules à une équation à coefficients complexes. ✅ Le théorème suppose \(a\), \(b\), \(c\) réels (voir l'exercice 25 pour un cas complexe).
À toi !

Résous \(z^2 + 6z + 10 = 0\).

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\(\Delta = 36 - 40 = -4\), \(\sqrt{-\Delta} = 2\), donc \(z = \dfrac{-6 \pm 2i}{2}\) : \(z = -3 - i\) ou \(z = -3 + i\).

À retenir

\(\Delta < 0\) → \(z = \dfrac{-b \pm i\sqrt{-\Delta}}{2a}\), deux solutions conjuguées ; \(az^2 + bz + c = a(z - z_1)(z - z_2)\).

3 Factorisation de zⁿ − aⁿ

La différence de deux puissances \(n\)-ièmes se factorise toujours par la différence des nombres.

L'intuition

\(z^2 - a^2 = (z - a)(z + a)\) et \(z^3 - a^3 = (z - a)(z^2 + az + a^2)\). Le second facteur contient toutes les puissances « mélangées » de \(z\) et \(a\).

Propriété

Pour tout complexe \(a\) et tout entier \(n \geqslant 1\), \[z^n - a^n = (z - a)\left(z^{n-1} + az^{n-2} + a^2z^{n-3} + \cdots + a^{n-2}z + a^{n-1}\right).\]

Pourquoi c'est vrai ?

L'idée en une phrase : on développe le membre de droite et presque tout se simplifie.

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Étape 1 — Développer. \((z - a)\left(z^{n-1} + az^{n-2} + \cdots + a^{n-1}\right) = \left(z^n + az^{n-1} + \cdots + a^{n-1}z\right) - \left(az^{n-1} + a^2z^{n-2} + \cdots + a^n\right)\).

Étape 2 — Simplifier. Chaque terme \(a^kz^{n-k}\) (pour \(1 \leqslant k \leqslant n - 1\)) apparaît une fois avec le signe \(+\) et une fois avec le signe \(-\) : il disparaît. Il reste \(z^n - a^n\) ✓.

Exemple guidé — résoudre \(z^3 = 8\)

Étape 1 — Factoriser. \(z^3 - 8 = z^3 - 2^3 = (z - 2)(z^2 + 2z + 4)\).

Étape 2 — Produit nul. \(z = 2\), ou \(z^2 + 2z + 4 = 0\) : \(\Delta = 4 - 16 = -12\), \(\sqrt{12} = 2\sqrt{3}\), donc \(z = -1 \pm i\sqrt{3}\).

Étape 3 — Conclure. \(\boxed{z \in \left\{2 \,;\, -1 - i\sqrt{3} \,;\, -1 + i\sqrt{3}\right\}}\).

🔍 Vérification : \(|-1 + i\sqrt{3}| = 2\) et \(\arg = \dfrac{2\pi}{3}\), donc \(\left(-1 + i\sqrt{3}\right)^3 = 8\,e^{2i\pi} = 8\) ✓.

Erreurs fréquentes
  • ❌ \(z^3 - 8 = (z - 2)^3\). ✅ \((z - 2)^3 = z^3 - 6z^2 + 12z - 8\) : ce n'est pas la même chose.
À toi !

Factorise \(z^4 - 16\) par \(z - 2\).

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\(z^4 - 2^4 = (z - 2)(z^3 + 2z^2 + 4z + 8)\).

À retenir

\(z^n - a^n = (z - a)(z^{n-1} + az^{n-2} + \cdots + a^{n-1})\).

4 Racine et factorisation

Connaître une racine d'un polynôme permet de le factoriser, donc de baisser son degré.

Théorème

Soit \(P\) un polynôme de degré \(n \geqslant 1\) et \(a\) un complexe. Si \(P(a) = 0\), alors il existe un polynôme \(Q\) de degré \(n - 1\) tel que, pour tout \(z\), \[P(z) = (z - a)\,Q(z).\]

Pourquoi c'est vrai ?

L'idée en une phrase : on écrit \(P(z) = P(z) - P(a)\) et on utilise la partie 3 pour chaque puissance.

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Étape 1 — Soustraire. Comme \(P(a) = 0\) : \(P(z) = P(z) - P(a) = a_n(z^n - a^n) + a_{n-1}(z^{n-1} - a^{n-1}) + \cdots + a_1(z - a)\), car les termes constants \(a_0\) s'éliminent.

Étape 2 — Factoriser chaque terme. Chaque \(z^k - a^k\) se factorise par \(z - a\) (partie 3). On met donc \(z - a\) en facteur dans toute la somme : \(P(z) = (z - a)Q(z)\).

Étape 3 — Le degré. Le terme de plus haut degré de \(Q\) vient de \(a_n z^{n-1}\) : \(Q\) est de degré \(n - 1\) ✓.

Méthode — trouver \(Q\) par identification

On écrit \(P(z) = (z - a)(\alpha z^2 + \beta z + \gamma)\) (pour \(P\) de degré \(3\)), on développe, et on égale les coefficients des mêmes puissances de \(z\).

Exemple guidé — \(P(z) = z^3 - 3z^2 + 4z - 2\)

Étape 1 — Une racine évidente. \(P(1) = 1 - 3 + 4 - 2 = 0\).

Étape 2 — Identifier. \((z - 1)(\alpha z^2 + \beta z + \gamma) = \alpha z^3 + (\beta - \alpha)z^2 + (\gamma - \beta)z - \gamma\). On égale à \(z^3 - 3z^2 + 4z - 2\) : \(\alpha = 1\), \(\beta - \alpha = -3\) donc \(\beta = -2\), et \(-\gamma = -2\) donc \(\gamma = 2\) (et on contrôle \(\gamma - \beta = 4\) ✓).

Étape 3 — Conclure. \(P(z) = (z - 1)(z^2 - 2z + 2)\). Le second facteur a pour discriminant \(4 - 8 = -4\) : racines \(1 \pm i\). Donc \(\boxed{P(z) = 0 \iff z \in \{1 \,;\, 1 - i \,;\, 1 + i\}}\).

🔍 Vérification : \((1 + i)^3 = -2 + 2i\), et \((-2 + 2i) - 3(2i) + 4(1 + i) - 2 = 0\) ✓.

Erreurs fréquentes
  • ❌ Oublier le coefficient de contrôle dans l'identification. ✅ Il y a une équation de plus que d'inconnues : elle sert de vérification.
  • ❌ Chercher une racine « évidente » au hasard. ✅ On teste d'abord \(1\), \(-1\), \(2\), \(-2\), \(i\), \(-i\)… ou on utilise la racine donnée par l'énoncé.
À toi !

Résous \(z^3 + z^2 + z + 1 = 0\), sachant que \(-1\) est racine.

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\(z^3 + z^2 + z + 1 = (z + 1)(z^2 + 1)\), donc \(z = -1\), \(z = i\) ou \(z = -i\).

À retenir

\(P(a) = 0 \iff P(z) = (z - a)Q(z)\), avec \(Q\) de degré \(n - 1\) ; on trouve \(Q\) par identification.

5 Nombre de racines

Un polynôme ne peut pas avoir « trop » de racines.

Théorème

Un polynôme de degré \(n \geqslant 1\) admet au plus \(n\) racines.

Pourquoi c'est vrai ?

L'idée en une phrase : par récurrence sur le degré, en factorisant par une racine.

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Étape 1 — Degré \(1\). \(a_1z + a_0 = 0\) a une seule solution \(-\dfrac{a_0}{a_1}\) ✓.

Étape 2 — Hérédité. Supposons le résultat vrai au degré \(n\), et soit \(P\) de degré \(n + 1\). S'il n'a aucune racine, c'est fini. Sinon, soit \(a\) une racine : \(P(z) = (z - a)Q(z)\) avec \(Q\) de degré \(n\).

Étape 3 — Compter. Si \(P(b) = 0\), alors \((b - a)Q(b) = 0\), donc \(b = a\) ou \(Q(b) = 0\). Or \(Q\) a au plus \(n\) racines : \(P\) en a au plus \(n + 1\) ✓.

Conséquence

Si un polynôme à coefficients réels a une racine complexe \(z_0\), alors \(\overline{z_0}\) est aussi racine (car \(P\left(\overline{z_0}\right) = \overline{P(z_0)} = 0\), les coefficients étant réels). Les racines non réelles vont par paires conjuguées.

Exemple guidé — une équation bicarrée

Résoudre \(z^4 + 3z^2 - 4 = 0\).

Étape 1 — Changement d'inconnue. On pose \(Z = z^2\) : \(Z^2 + 3Z - 4 = 0\), de discriminant \(9 + 16 = 25\), donc \(Z = 1\) ou \(Z = -4\).

Étape 2 — Revenir à \(z\). \(z^2 = 1\) donne \(z = \pm 1\) ; \(z^2 = -4\) donne \(z = \pm 2i\).

Étape 3 — Conclure. Quatre solutions : \(\boxed{1,\ -1,\ 2i,\ -2i}\) (le maximum pour un degré \(4\)).

🔍 Vérification : \((2i)^4 + 3(2i)^2 - 4 = 16 - 12 - 4 = 0\) ✓.

Erreurs fréquentes
  • ❌ Croire qu'un polynôme de degré \(3\) a toujours trois racines distinctes. ✅ « Au plus » : \((z - 1)^3\) n'a qu'une racine.
À toi !

Un polynôme à coefficients réels de degré \(3\) admet \(2\) et \(1 + i\) pour racines. Quelle est sa troisième racine ?

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Les coefficients étant réels, \(\overline{1 + i} = 1 - i\) est aussi racine ; c'est la troisième (un degré \(3\) en a au plus \(3\)).

À retenir

Degré \(n\) → au plus \(n\) racines ; coefficients réels → racines non réelles conjuguées deux à deux.


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