Un autre avantage de travailler avec la forme polaire/exponentielle est qu’elle fournit une approche rigoureuse dans la recherche des racines d’un nombre complexe.
Animation explicative
Définition 2.5.
Soit ω∈C et n∈N un entier. Un complexe z∈C qui satisfait zn=ω est appelée racine n-ème de ω.
Remarquons que ω=0 ne possède qu’une seule racine, car zn=0 n’a qu’une seule solution: z=0. Mais un complexe ω=0 possède exactement n racines n-èmes:
Animation explicative
Théorème 2.2.
Soit ω=seiφ, s>0. Si n∈N∗, alors les racines n-èmes de ω sont données par {zk=ns⋅einφ+2kπ:k=0,1,2,…,n−1}
Proof
En écrivant z=reiθ, par de Moivre, zn=rneinθ. Donc, zn=ω si et seulement si rneinθ=seiφ, ce qui entraîne rn=s,nθ=φ+2kπ, où k est arbitraire, ce qui donne r=ns,θ=nφ+2kπ. Remarquons que les entiers k qui donnent des solutions distinctes sont k=0,1,2,…,n−1.
□
Par l’expression ci-dessus, on voit que les racines n-èmes de ω sont réparties sur un cercle de rayon ns, aux sommets d’un polygone régulier. Voyons quelques exemples.
Exemple 2.8.
Calculons les racines 2-èmes (appelées aussi racines carrées) de −1+i, qui sont les z tels que z2=−1+i On utilise le théorème du dessus. Comme ici ω=−1+i=2⋅ei43π, les racines sont zk=42⋅ei243π+2kπ=42⋅ei(83π+kπ),k=0,1, c’est-à-dire z0=42⋅ei83π,z1=42⋅ei811π. Les racines z0 et z1 sont sur un cercle de rayon 42, et leur carré est bien égal à ω=−1+i (sur l’animation ci-dessous, déplacer z de façon à ce que z2=−1+i):
Animation explicative
Informel 2.4.Si z2=−1+i, on pourrait être tenté d’écrire z=±−1+i, mais on n’a pas de fonction “racine carrée” dans C! On évitera donc d’utiliser le symbole “⋯” pour les nombres complexes, la fonction z↦z étant une fonction compliquée de définir rigoureusement sur tout C.
Exemple 2.9.
Calculons les racines cubiques de i: z3=i. Comme i=1⋅ei2π, les racines sont zk=31⋅ei32π+2kπ=ei(6π+32kπ),k=0,1,2, c’est-à-dire z0=ei6π,z1=ei65π,z2=ei23π. Ces racines sont sur le cercle trigonométrique, aux sommets d’un triangle équilatéral, rendu visible sur cette animation:
Exemple 2.10.
Calculons les racines sixièmes de l’unité, c’est-à-dire les solutions de z6=1. Sous forme polaire, 1=1ei0, et donc ses racines sixièmes sont zk=61⋅ei60+2kπ=ei3kπ,k=0,1,2,3,4,5.