1. Nombres complexes : forme algébrique et représentation géométrique

Définition — Nombre complexe, notation j

On admet l'existence d'un ensemble de nombres, noté \(\mathbb{C}\), contenant \(\mathbb{R}\) et un nombre noté \(j\) (et non \(i\) : en électronique et en Automatique, la lettre i est déjà réservée à l'intensité électrique — le programme officiel de BTS le signale explicitement) tel que \(j^2=-1\). Tout élément \(z\) de \(\mathbb{C}\) s'écrit de façon unique sous forme algébrique \(z=a+jb\), où \(a=\mathrm{Re}(z)\) est la partie réelle et \(b=\mathrm{Im}(z)\) la partie imaginaire (un réel — pas \(jb\)). Si \(a=0\) (et \(b\neq0\)), \(z\) est dit imaginaire pur.

Opérations sur les nombres complexes

Avec \(z=a+jb\) et \(z'=a'+jb'\), on calcule comme avec les réels en remplaçant \(j^2\) par \(-1\) : somme \(z+z'=(a+a')+j(b+b')\) ; produit \(z\times z'=(aa'-bb')+j(ab'+a'b)\) ; conjugué \(\mathrm{conj}(z)=a-jb\) (traditionnellement noté aussi \(\overline{z}\)) ; quotient en multipliant numérateur et dénominateur par \(\mathrm{conj}(z')\), ce qui rend le dénominateur réel car \(z'\times\mathrm{conj}(z')=a'^2+b'^2\).

Exemple guidé — calculs algébriques

Avec \(z_1=2+3j\) et \(z_2=1+j\) : somme \(z_1+z_2=3+4j\) ; produit \(z_1\times z_2=(2+3j)(1+j)=2+5j-3=-1+5j\) ; conjugué \(\mathrm{conj}(z_1)=2-3j\) ; quotient \(\dfrac{z_1}{z_2}=\dfrac{(2+3j)(1-j)}{(1+j)(1-j)}=\dfrac{5+j}{2}=2{,}5+0{,}5j\).

1Calculs algébriques de base · Socle

On donne \(z_1=4-j\) et \(z_2=-2+3j\). Calculer, sous forme algébrique :

1. \(z_1+z_2\) et \(z_1-z_2\).
2. \(z_1\times z_2\).
3. \(\mathrm{conj}(z_2)\), le conjugué de \(z_2\).

Voir la correction

1. \(z_1+z_2=(4-2)+j(-1+3)=\)2 + 2j ; \(z_1-z_2=(4+2)+j(-1-3)=\)6 − 4j.

2. \(z_1\times z_2=(4-j)(-2+3j)=-8+12j+2j-3j^2=-8+14j+3=\)−5 + 14j.

3. \(\mathrm{conj}(z_2)=\)−2 − 3j (on change le signe de la partie imaginaire).

Équation du second degré à coefficients réels : le cas \(\Delta < 0\)

Pour \(az^2+bz+c=0\) (a, b, c réels, \(a\neq0\)), on calcule \(\Delta=b^2-4ac\) comme au lycée. Si \(\Delta \geqslant 0\), solutions réelles usuelles. Si \(\Delta < 0\), l'équation admet deux solutions complexes conjuguées : \(z=\dfrac{-b\pm j\sqrt{-\Delta}}{2a}\).

Exemple guidé — racines complexes conjuguées

Résolvons \(z^2-4z+13=0\) (a = 1, b = −4, c = 13). \(\Delta=(-4)^2-4\times1\times13=16-52=-36 < 0\) : deux solutions complexes conjuguées. Comme \(-\Delta=36\) et \(\sqrt{36}=6\) : \(z=\dfrac{4\pm j6}{2}=2\pm3j\). Les deux solutions, \(2+3j\) et \(2-3j\), sont conjuguées l'une de l'autre : elles se représentent par deux points symétriques par rapport à l'axe des réels.

2Racines complexes d'une équation du second degré · Consolidation

Résoudre dans \(\mathbb{C}\) l'équation \(z^2+2z+10=0\) (on calculera d'abord \(\Delta\)).

Voir la correction

\(\Delta=2^2-4\times1\times10=4-40=-36 < 0\) : deux solutions complexes conjuguées.

\(-\Delta=36\), \(\sqrt{36}=6\), donc \(z=\dfrac{-2\pm j6}{2}=\)−1 ± 3j.

3Retrouver le régime oscillant amorti du chapitre 8 Application CIRA· Approfondissement

Au chapitre 8, un système de régulation vérifiant une équation \(ay''+by'+cy=d(t)\) admettait, lorsque le discriminant de son équation caractéristique était négatif, un régime oscillant amorti — un fait admis à l'époque, faute de savoir résoudre une équation à discriminant négatif. On peut maintenant le vérifier, avec l'équation caractéristique \(r^2+4r+13=0\).

1. Calculer \(\Delta\), puis résoudre dans \(\mathbb{C}\).
2. Les solutions s'écrivent \(\alpha\pm j\omega\) : identifier \(\alpha\) (amortissement) et \(\omega\) (pseudo-pulsation, rad/s).
3. Pourquoi un \(\alpha\) négatif correspond-il à un régime qui s'amortit ?

Voir la correction

1. \(\Delta=4^2-4\times1\times13=16-52=-36\). \(-\Delta=36\), \(\sqrt{36}=6\) : \(r=\dfrac{-4\pm j6}{2}=\)−2 ± 3j.

2. \(\alpha=\)−2 (taux d'amortissement) et \(\omega=\)3 rad/s (pseudo-pulsation).

3. La solution générale d'une telle équation contient un facteur \(e^{\alpha t}\) : avec \(\alpha < 0\), ce facteur tend vers 0 quand \(t\) augmente, ce qui amortit progressivement les oscillations. Un \(\alpha>0\) ferait au contraire croître l'amplitude indéfiniment (système instable).

Représentation géométrique

Dans le plan complexe (axe des réels horizontal, axe des imaginaires vertical), tout nombre \(z=a+jb\) est associé à un unique point \(M(a\,;\,b)\), son image ; \(z\) est l'affixe de \(M\) (ou du vecteur \(\overrightarrow{OM}\)). Le point d'affixe \(\mathrm{conj}(z)\) est le symétrique du point d'affixe \(z\) par rapport à l'axe des réels.

Point M d'affixe 4+3j et son symetrique M' d'affixe conjuguee 4-3j par rapport a l'axe des reels
En instrumentation : l'affixe d'une impédance

En électricité, l'impédance complexe d'une bobine associée à une résistance s'écrit \(Z=R+jL\omega\). Pour \(R=50\,\Omega\), \(L=0{,}2\) H et \(\omega=100\) rad/s : \(L\omega=20\,\Omega\), donc \(Z=50+j20\) — représenté par le point (50 ; 20) dans le plan complexe.

Ensembles de points

L'ensemble des points \(M(z)\) tels que \(\mathrm{Re}(z)=3\) est la droite verticale \(x=3\) ; l'ensemble des points tels que \(\mathrm{Im}(z)=-2\) est la droite horizontale \(y=-2\).

2. Forme trigonométrique et forme exponentielle

Module et argument d'un nombre complexe

Pour \(z=a+jb\) non nul d'image \(M\) : le module \(|z|\) (souvent noté \(r\)) est la longueur \(OM\) ; l'argument \(\arg(z)\) est une mesure en radians de l'angle (axe des réels ; \(OM\)), défini à \(2\pi\) près. Avec \(\theta=\arg(z)\) : forme trigonométrique \(z=r(\cos\theta+j\sin\theta)\) ; forme exponentielle \(z=re^{j\theta}\) (notation d'Euler, admise).

Exemple guidé — de la forme algébrique à la forme exponentielle

Reprenons \(z=4+3j\). Son module est \(r=\sqrt{4^2+3^2}=\sqrt{25}=5\).

Vecteur OM pour z=4+3j avec module r=5 et argument theta environ 36,9 degres

Son argument vérifie \(\cos\theta=4/5\), \(\sin\theta=3/5\), soit \(\theta\approx36{,}9°\) (\(\approx0{,}644\) rad) à la calculatrice. D'où la forme exponentielle \(z=5e^{j\theta}\) avec \(\theta\approx36{,}9°\).

Exemple guidé — de la forme exponentielle à la forme algébrique

Convertissons \(z=2e^{j\pi/3}\). Comme \(\cos(\pi/3)=1/2\) et \(\sin(\pi/3)=\dfrac{\sqrt3}{2}\) : \(z=2\times\dfrac12+j\times2\times\dfrac{\sqrt3}{2}=1+j\sqrt3\).

4Module et argument de nombres complexes simples · Socle

Pour chacun, calculer le module \(r\) et un argument \(\theta\) (en degrés), puis donner la forme exponentielle :

1. \(z=1+j\sqrt3\) ;
2. \(z=-3\) ;
3. \(z=2j\).

Voir la correction

1. \(r=\sqrt{1+3}=2\) ; \(\cos\theta=1/2\), \(\sin\theta=\sqrt3/2\) donc \(\theta=\)60° (π/3) : \(z=2e^{j\pi/3}\).

2. \(z=-3\) est réel négatif : \(r=3\), \(\theta=\)180° (π) : \(z=3e^{j\pi}\).

3. \(z=2j\) est imaginaire pur positif : \(r=2\), \(\theta=\)90° (π/2) : \(z=2e^{j\pi/2}\).

Produit et quotient : modules et arguments

Pour \(z\) et \(z'\) non nuls : \(|z\times z'|=|z|\times|z'|\) et \(\arg(z\times z')=\arg(z)+\arg(z')\) (à \(2\pi\) près). De même \(|z/z'|=|z|/|z'|\) et \(\arg(z/z')=\arg(z)-\arg(z')\) : c'est ce qui rend la forme exponentielle si pratique pour multiplier ou diviser.

5Produit et quotient en forme exponentielle · Consolidation

On donne \(z_1=3e^{j\pi/3}\) et \(z_2=2e^{j\pi/6}\).

1. Module et argument de \(z_1\times z_2\), puis forme exponentielle.
2. Module et argument de \(z_1/z_2\), puis forme exponentielle.

Voir la correction

1. Module \(3\times2=6\) ; argument \(\pi/3+\pi/6=\)π/2 : \(z_1\times z_2=\)\(6e^{j\pi/2}\).

2. Module \(3/2=1{,}5\) ; argument \(\pi/3-\pi/6=\)π/6 : \(z_1/z_2=\)\(1{,}5e^{j\pi/6}\).

6Gain en décibels et déphasage d'un système Application CIRA

En Automatique, une fonction de transfert complexe \(H(j\omega)\) décrit le comportement d'un système en régime sinusoïdal. En notant \(r(\omega)=|H(j\omega)|\) : gain \(G(\omega)=20\log_{10}(r(\omega))\) (dB), déphasage \(\varphi(\omega)=\arg(H(j\omega))\). On considère \(H(j\omega)=\dfrac{10}{2+j\omega}\) à \(\omega=2\) rad/s.

1. Écrire \(2+j2\) sous forme exponentielle.
2. En déduire \(r(2)\) et \(\varphi(2)\).
3. Calculer \(G(2)\) en dB, arrondi au dixième.

Voir la correction

1. \(|2+j2|=\sqrt{2^2+2^2}=2\sqrt2\), \(\arg(2+j2)=45°\) (car partie réelle = partie imaginaire = 2) : \(2+j2=\)\(2\sqrt2\,e^{j\pi/4}\).

2. \(r(2)=\dfrac{10}{2\sqrt2}=\dfrac{5}{\sqrt2}\approx\)3,54 ; \(\varphi(2)=\arg(10)-\arg(2+j2)=0-45°=\)−45° (−π/4 rad).

3. \(G(2)=20\log_{10}(3{,}54)\approx\)11,0 dB (plus précisément 10,97 dB).

3. Transformations géométriques d'écritures complexes

Quatre transformations à connaître

Toujours associées à l'image d'un point ou d'une droite (logiciel de géométrie dynamique, aucune démonstration exigée) : \(z\mapsto z+b\) (translation de vecteur d'affixe \(b\)) ; \(z\mapsto az\), \(a\) réel (homothétie de rapport \(a\)) ; \(z\mapsto1/z\) (inversion) ; \(z\mapsto\dfrac{az+b}{cz+d}\) (transformation homographique, cas particulier du précédent).

Exemple guidé — images de deux points

Soit \(A\) d'affixe \(3+2j\). Son image par \(z\mapsto2z-1\) : \(2(3+2j)-1=6+4j-1=5+4j\).

Soit \(B\) d'affixe \(1+j\). Son image par \(z\mapsto1/z\) : \(\dfrac{1}{1+j}=\dfrac{1-j}{2}=0{,}5-0{,}5j\).

Cinq points de la droite Re(z)=1 et leurs images par z vers 1/z formant un arc de cercle

Le graphique montre cinq points A, B, C, D, E de la droite \(\mathrm{Re}(z)=1\) — le point D, d'affixe \(1+j\), est le point B de cet exemple — et leurs images par \(z\mapsto1/z\). On constate, sans le démontrer, que les cinq images semblent alignées sur un même arc de cercle.

—Le lieu de Nyquist : une transformation au service de l'Automatique Application CIRA

Le programme officiel signale explicitement l'usage de ces transformations pour les diagrammes de Nyquist ou de Bode. Pour \(H(j\omega)\), le lieu de Nyquist est l'ensemble des points d'affixe \(H(j\omega)\) quand \(\omega\) varie de 0 à \(+\infty\). On le construit point par point, jamais par démonstration théorique.

7Images de points par des transformations données · Socle · Consolidation

Calculer l'affixe de l'image de chaque point par la transformation indiquée :

1. \(M\) d'affixe \(2+j\), par \(z\mapsto z+(-3+2j)\) (translation).
2. \(N\) d'affixe \(4j\), par \(z\mapsto3z\) (homothétie).
3. \(P\) d'affixe \(2-j\), par \(z\mapsto1/z\) (inversion).

Voir la correction

1. \((2+j)+(-3+2j)=\)−1 + 3j.

2. \(3\times4j=\)12j.

3. \(\dfrac{1}{2-j}=\dfrac{2+j}{(2-j)(2+j)}=\dfrac{2+j}{5}=\)0,4 + 0,2j.

8Construire quelques points d'un lieu de Nyquist Application CIRA· Approfondissement

On considère \(H(j\omega)=\dfrac{1}{2+j\omega}\).

1. Calculer l'affixe de \(H(j\omega)\) pour \(\omega=0\), \(\omega=2\) rad/s et \(\omega=4\) rad/s.
2. Placer les trois points dans le plan complexe.
3. Quelle courbe semblent-ils esquisser ? (aucune démonstration demandée)

Voir la correction

1. \(\omega=0\) : \(H=\dfrac12=\)0,5. \(\omega=2\) : \(H=\dfrac{1}{2+j2}=\dfrac{2-j2}{8}=\)0,25 − 0,25j. \(\omega=4\) : \(H=\dfrac{1}{2+j4}=\dfrac{2-j4}{20}=\)0,1 − 0,2j.

2. Les trois points sont (0,5 ; 0), (0,25 ; −0,25) et (0,1 ; −0,2).

3. Ils semblent s'aligner sur un arc de cercle passant par (0,5 ; 0) et se rapprochant de l'origine — même type de courbe que pour l'exemple guidé de la section précédente.

Application finale — Synthèse CIRA

9Le lieu de Nyquist du système du premier ordre : clôture du tronc CIRA1 Application CIRA· Défi CIRA

Depuis le chapitre 8, un même système du premier ordre — constante de temps \(\tau=5\) s — a traversé trois chapitres : l'équation différentielle \(y'=\dfrac{1-y}{\tau}\) (chapitre 8), le développement limité de \(y(t)=1-e^{-t/\tau}\) (chapitre 9), la suite géométrique de l'échantillonnage (chapitre 10). Les nombres complexes en donnent un quatrième aspect : sa réponse fréquentielle \(H(j\omega)=\dfrac{1}{1+5j\omega}\).

1. Calculer l'affixe de \(H(j\omega)\) sous forme algébrique pour \(\omega=0\), \(0{,}2\), \(0{,}4\) et \(1\) rad/s.

Lieu de Nyquist en demi-cercle de H(jw)=1/(1+5jw), point de coupure a omega=0,2 rad/s

Le graphique, complété point par point, laisse deviner un demi-cercle — c'est effectivement le lieu de Nyquist de tout système du premier ordre, admis ici sans démonstration.

2. Vérifier que pour \(\omega=\omega_c=1/\tau=0{,}2\) rad/s, le module de \(H(j\omega)\) vaut \(1/\sqrt2\approx0{,}707\), soit un gain d'environ −3 dB.
3. Ce point porte un nom bien connu en Automatique : la pulsation de coupure. Quel lien avec \(\tau\), déjà rencontrée aux chapitres 8, 9 et 10 ?
4. Conclure sur ce que les nombres complexes apportent à l'étude des systèmes — et le lien avec les enseignements de seconde année (séries de Fourier, transformation de Laplace).

Voir la correction

1. \(\omega=0\) : \(H=\)1. \(\omega=0{,}2\) : \(H=\dfrac{1}{1+j}=\dfrac{1-j}{2}=\)0,5 − 0,5j. \(\omega=0{,}4\) : \(H=\dfrac{1}{1+j2}=\dfrac{1-j2}{5}=\)0,2 − 0,4j. \(\omega=1\) : \(H=\dfrac{1}{1+j5}=\dfrac{1-j5}{26}\approx\)0,038 − 0,192j.

2. Au point \(\omega_c=0{,}2\) : \(H=0{,}5-0{,}5j\), donc \(|H|=\sqrt{0{,}5^2+0{,}5^2}=\sqrt{0{,}5}=\dfrac{1}{\sqrt2}\approx\)0,707. Gain : \(20\log_{10}(0{,}707)\approx\)−3,0 dB.

3. La pulsation de coupure vaut exactement \(\omega_c=1/\tau\) : plus la constante de temps \(\tau\) est grande (système lent), plus la pulsation de coupure est basse — le système laisse passer moins de hautes fréquences. C'est le même \(\tau\) qui gouvernait le régime transitoire (chapitre 8), la tangente à l'origine (chapitre 9) et le seuil des 5τ (chapitre 10).

4. Les nombres complexes permettent de faire apparaître, à partir d'une même équation différentielle, une signature fréquentielle du système (gain, phase, lieu de Nyquist) — un point de vue complémentaire du point de vue temporel étudié aux chapitres précédents. Ce même outil (nombres complexes appliqués à des fonctions de transfert et des pulsations) sera repris et approfondi en seconde année avec les séries de Fourier et la transformation de Laplace.

BTS CIRA1 — Mathématiques — Chapitre 11 — Nombres complexes.