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Démonstration des solutions complexes dans une équation du second degré
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Démonstration

Introduction

Nous connaissons déjà la méthode pour trouver les racines d’un polynôme du second degré dans l’ensemble des réels. Ici, nous allons nous intéresser à sa solution dans l’ensemble des complexes, c’est-à-dire le cas où le discriminant Δ\Delta est négatif.

Propriété :

  • Résolution d’une équation du second degré dans C\mathbb{C} :

Soit, dans C\mathbb{C}, l’équation (E)(E) : az2+bz+c=0az^2+bz+c=0,
les nombres aa, bb et cc sont des nombres réels avec a0a\neq 0. On pose Δ=b24ac\Delta=b^2-4ac et on appelle SS l’ensemble des solutions de (E)(E).

  • Si Δ>0\Delta>0, S={b+Δ2a;bΔ2a}S=\Big\lbrace \dfrac{-b+\sqrt\Delta}{2a};\dfrac{-b-\sqrt\Delta}{2a}\Big \rbrace
  • Si Δ=0\Delta =0, S=b2aS=\dfrac{-b}{2a}
  • Si Δ<0\Delta<0, S={b+iΔ2a;biΔ2a}S=\Big\lbrace \dfrac{-b+i\sqrt-\Delta}{2a};\dfrac{-b-i\sqrt-\Delta}{2a}\Big \rbrace

Prérequis

Afin de démontrer cette propriété nous avons besoin de ces trois propriétés pré-requises :

  • Écriture canonique d'un polynôme du second degré de la forme z2+bz+c=0z^2+bz+c=0. Les nombres aa, bb et cc sont des réels, avec a0a\neq 0
    x2+bx+c=a((x+b2a)2Δ4a2)x^2+bx+c=a\Big((x+\dfrac{b}{2a})^2- \dfrac{\Delta}{4a^2}\Big)
    avec Δ=b24ac\Delta=b^2-4ac
  • Identité remarquable : a2b2=(ab)(a+b)a^2-b^2=(a-b)(a+b)

Démonstration

Soit, dans C\mathbb{C}, l’équation (E)(E) : az2+bz+c=0az^2+bz+c=0, les nombres aa, bb et cc sont des nombres réels avec a0a\neq 0. On pose Δ=b24ac\Delta =b^2-4ac.

Nous connaissons les solutions d'une équation du second degré à coefficients réels lorsque Δ\Delta est positif ou nul.

Pour déterminer la solution lorsque ∆ est négatif, nous nous servons des nombres complexes.

Si Δ<0\Delta<0, alorsΔ>0-\Delta>0 On pose : Δ=(Δ)=i2(Δ)=(iΔ)2\Delta=-(-\Delta)=i^2(-\Delta)=(i\sqrt{-\Delta})^2

Donc, l'écriture canonique devient :

a((z+b2a)2(iΔ)4a2)=0(z+b2a)2(iΔ4a2)2=0\begin {aligned}a\Big(\big(z+\dfrac{b}{2a}\big)^2-\dfrac{(i\sqrt-\Delta)}{4a^2}\big)&=0 \ \big(z+\dfrac{b}{2a}\big)^2-\Big(\dfrac{i\sqrt-\Delta}{4a^2}\Big)^2&=0 \end{aligned}

À l'aide de l'identité remarquable, on obtient : (z+b2a(iΔ2a)(z+b2a+iΔ2a)=0\big(z+\dfrac{b}{2a}-(\dfrac{i\sqrt-\Delta}{2a}\big)\big(z+\dfrac{b}{2a}+{i\sqrt-\Delta}{2a}\big)=0
(z+b2aiΔ2a)(z+b2a+iΔ2a)=0\big(z+\dfrac{b}{2a}-\dfrac{i\sqrt-\Delta}{2a}\big)\big(z+\dfrac{b}{2a}+\dfrac{i\sqrt-\Delta}{2a}\big)=0

Or un produit de facteurs est nul, si et seulement si l'un au moins des facteurs est nul :
(z+b2aiΔ2a)=0\big(z+\dfrac{b}{2a}-\dfrac{i\sqrt{-\Delta}}{2a}\big)=0 ou (z+b2a+iΔ2a)=0\big(z+\dfrac{b}{2a}+\dfrac{i\sqrt{-\Delta}}{2a}\big)=0

soit : z=b2aiΔ2az=\dfrac{b}{2a}-\dfrac{i\sqrt{-\Delta}}{2a} ou z=b2a+iΔ2az=\dfrac{b}{2a}+\dfrac{i\sqrt{-\Delta}}{2a}

et donc , si Δ<0\Delta<0, alors l'équation admet deux solutions complexes conjuguées : z1=b+iΔ2az1=\dfrac{-b+i\sqrt{-\Delta}}{2a} ou z2=biΔ2az2=\dfrac{-b-i\sqrt{-\Delta}}{2a}