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Théorème 2Les nombres complexes

Racines carrées et équations du second degré

Énoncé

(i) Tout z=a+ib∈ℂz = a + ib \in {\mathbb C} a une racine carrée : avec ε=1\varepsilon = 1 si b⩾0b \geqslant 0 et ε=−1\varepsilon = -1 sinon, w=∣z∣+a2+i ε∣z∣−a2w = \sqrt{\frac{|z| + a}{2}} + i\,\varepsilon\sqrt{\frac{|z| - a}{2}} vérifie w2=zw^2 = z. Si z≠0z \neq 0, ses racines carrées sont exactement ww et −w-w.

(ii) Pour α≠0\alpha \neq 0, les solutions de αu2+βu+γ=0\alpha u^2 + \beta u + \gamma = 0 dans ℂ\mathbb C sont −β±δ2α\dfrac{-\beta \pm \delta}{2\alpha}, où δ\delta est une racine carrée de β2−4αγ\beta^2 - 4\alpha\gamma.

Démonstration

(i) Les quantités sous les racines sont positives, puisque a2⩽a2+b2=∣z∣2a^2 \leqslant a^2 + b^2 = |z|^2 (Conjugué, module), donc ∣a∣=a2⩽∣z∣|a| = \sqrt{a^2} \leqslant |z| par croissance de la racine carrée (Racine carrée réelle). Notons xx et yy la partie réelle et la partie imaginaire de ww. Alors x2−y2=∣z∣+a2−∣z∣−a2=a,x^2 - y^2 = \frac{|z| + a}{2} - \frac{|z| - a}{2} = a, et (2xy)2=∣z∣2−a2=b2(2xy)^2 = |z|^2 - a^2 = b^2 ; comme x⩾0x \geqslant 0 et que yy a le signe de bb, 2xy=b2xy = b. Donc w2=x2−y2+2ixy=zw^2 = x^2 - y^2 + 2ixy = z.

Si u2=z=w2u^2 = z = w^2, alors (u−w)(u+w)=0(u - w)(u + w) = 0 et u=±wu = \pm w ; ces deux valeurs sont distinctes si z≠0z \neq 0.

(ii) En multipliant par 4α4\alpha, l'équation devient (2αu+β)2=β2−4αγ=δ2(2\alpha u + \beta)^2 = \beta^2 - 4\alpha\gamma = \delta^2, c'est-à-dire 2αu+β=±δ2\alpha u + \beta = \pm\delta par (i).

□
Remarque

Exemple : pour z=−5−12iz = -5 - 12i, on a ∣z∣=13|z| = 13, d'où w=4−i9=2−3iw = \sqrt 4 - i\sqrt 9 = 2 - 3i, et l'on vérifie (2−3i)2=4−12i−9=−5−12i(2 - 3i)^2 = 4 - 12i - 9 = -5 - 12i. Le signe ε\varepsilon est indispensable : sans lui, on obtiendrait 2+3i2 + 3i, dont le carré est −5+12i-5 + 12i.

Re ⩾ 0 Re Im −5 5 −10 10 z = −5 − 12i w = 2 − 3i −w 2 + 3i −5 + 12i = z̄
La formule place w=2−3iw = 2 - 3i dans le demi-plan Re⁡⩾0\operatorname{Re} \geqslant 0, avec une partie imaginaire du signe de b=−12b = -12 ; l'autre racine est −w-w. Les flèches pointillées indiquent l'élévation au carré : le candidat 2+3i2 + 3i, obtenu en oubliant ε\varepsilon, a pour carré le conjugué zˉ=−5+12i\bar z = -5 + 12i, et non zz.
Remarque

Le second degré est ainsi toujours résoluble dans ℂ\mathbb C, même lorsque le discriminant est un réel négatif. C'est ce qui a fait introduire les nombres complexes, au XVIe siècle, à propos des équations du troisième degré, où ils apparaissent dans les calculs même quand les solutions sont réelles.

Repose sur

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