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Nombres · 4 affiches · formule n° 67

La formule de Moivre

La formule de Moivre dit qu’élever le nombre complexe cos θ + i sin θ à la puissance n revient à multiplier son angle par n. Elle sert à calculer des puissances et à trouver les racines n-ièmes de l’unité.

Voir les 4 affiches 10 contrôles par le calcul

Pour tout réel θ\theta et tout entier relatif nn. Dessin : les puissances de z=cos⁡(2kπ/12)+isin⁡(2kπ/12)z = \cos(2k\pi/12) + i\sin(2k\pi/12) pour k=1k = 1 à 55, calculées par multiplications répétées ; elles reviennent à 11 après 12, 6, 4, 3 et 12 pas, toujours sur les racines 12-ièmes de l’unité.

Quatre styles

Les affiches

La même formule, le même dessin calculé, en Papier, Nuit, Bauhaus ou Tableau noir. En affiche, toile, plexiglas ou aluminium.

Ce que dit la formule

Pour tout nombre réel θ\theta et tout entier relatif nn (positif, négatif ou nul) :

(cos⁡θ+isin⁡θ)n=cos⁡(nθ)+isin⁡(nθ)(\cos\theta + i\sin\theta)^n = \cos(n\theta) + i\sin(n\theta)
  • ii est l’unité imaginaire : i2=−1i^2 = -1.
  • cos⁡θ+isin⁡θ\cos\theta + i\sin\theta est le nombre complexe de module 1 et d’argument θ\theta : dans le plan complexe, c’est le point du cercle de rayon 1 repéré par l’angle θ\theta, mesuré en radians depuis l’axe des réels.
  • nn est l’exposant, un entier. Pour n=0n = 0, les deux membres valent 1 ; pour n<0n < 0, la puissance désigne l’inverse : z−n=1/znz^{-n} = 1/z^n.

En clair : sur le cercle de rayon 1, prendre la puissance nn revient à faire tourner nn fois du même angle θ\theta. Avec la formule d’Euler, cos⁡θ+isin⁡θ=eiθ\cos\theta + i\sin\theta = e^{i\theta}, la formule de Moivre s’écrit simplement (eiθ)n=einθ(e^{i\theta})^n = e^{in\theta}.

Pour un module quelconque. Si z=r(cos⁡θ+isin⁡θ)z = r(\cos\theta + i\sin\theta) avec r>0r > 0, alors zn=rn(cos⁡(nθ)+isin⁡(nθ))z^n = r^n\big(\cos(n\theta) + i\sin(n\theta)\big) : on élève le module à la puissance nn et on multiplie l’argument par nn. Sans le facteur rnr^n, l’égalité est fausse dès que r≠1r \neq 1.

L’exposant doit être entier. Pour n=12n = \frac{1}{2}, par exemple, la formule ne veut plus rien dire de précis : θ=0\theta = 0 et θ=2π\theta = 2\pi désignent le même nombre, 1, mais cos⁡θ2+isin⁡θ2\cos\frac{\theta}{2} + i\sin\frac{\theta}{2} vaut 11 dans le premier cas et −1-1 dans le second. Un nombre complexe non nul a en effet deux racines carrées, et plus généralement nn racines nn-ièmes.

Les racines nn-ièmes de l’unité. Pour n≥1n \geq 1, l’équation zn=1z^n = 1 a exactement nn solutions complexes :

ωk=cos⁡2kπn+isin⁡2kπn,k=0,1,…,n−1.\omega_k = \cos\frac{2k\pi}{n} + i\sin\frac{2k\pi}{n}, \qquad k = 0, 1, \ldots, n-1.

La formule de Moivre montre que chacune convient : ωkn=cos⁡(2kπ)+isin⁡(2kπ)=1\omega_k^n = \cos(2k\pi) + i\sin(2k\pi) = 1. Ces nn points sont les sommets d’un polygone régulier inscrit dans le cercle de rayon 1, avec un sommet en 1. Pour n≥2n \geq 2, leur somme est nulle.

Un exemple

Une puissance sans développer. Calculons (1+i)8(1 + i)^8. Le nombre 1+i1 + i a pour module 2\sqrt{2} et pour argument π4\frac{\pi}{4} :

(1+i)8=(2)8(cos⁡8π4+isin⁡8π4)=16(cos⁡2π+isin⁡2π)=16.(1 + i)^8 = (\sqrt{2})^8\left(\cos\frac{8\pi}{4} + i\sin\frac{8\pi}{4}\right) = 16\,(\cos 2\pi + i\sin 2\pi) = 16.

Huit multiplications successives par 1+i1 + i donnent bien 16.

Une puissance élevée. Pour z=cos⁡π9+isin⁡π9z = \cos\frac{\pi}{9} + i\sin\frac{\pi}{9}, le nombre de module 1 et d’angle 20∘20^\circ, la formule donne sans aucun calcul z9=cos⁡π+isin⁡π=−1z^9 = \cos\pi + i\sin\pi = -1 : neuf rotations de 20∘20^\circ font un demi-tour. Développer (cos⁡20∘+isin⁡20∘)9(\cos 20^\circ + i\sin 20^\circ)^9 à la main demanderait au contraire de calculer et de regrouper dix termes.

Des formules de trigonométrie. Pour n=3n = 3, on développe le membre de gauche, en se souvenant que i2=−1i^2 = -1 et i3=−ii^3 = -i :

(cos⁡θ+isin⁡θ)3=cos3⁡θ−3cos⁡θsin2⁡θ+i(3cos2⁡θsin⁡θ−sin3⁡θ).(\cos\theta + i\sin\theta)^3 = \cos^3\theta - 3\cos\theta\sin^2\theta + i\,(3\cos^2\theta\sin\theta - \sin^3\theta).

En identifiant parties réelles et imaginaires, puis en remplaçant sin2⁡θ\sin^2\theta par 1−cos2⁡θ1 - \cos^2\theta (et cos2⁡θ\cos^2\theta par 1−sin2⁡θ1 - \sin^2\theta) :

cos⁡3θ=4cos3⁡θ−3cos⁡θ,sin⁡3θ=3sin⁡θ−4sin3⁡θ.\cos 3\theta = 4\cos^3\theta - 3\cos\theta, \qquad \sin 3\theta = 3\sin\theta - 4\sin^3\theta.

Pour θ=0,5\theta = 0{,}5, les deux membres de la première égalité valent environ 0,0707370{,}070\,737.

Les racines cubiques. Les racines cubiques de l’unité sont 11, −12+i32-\frac{1}{2} + i\frac{\sqrt{3}}{2} et −12−i32-\frac{1}{2} - i\frac{\sqrt{3}}{2} (pour k=0,1,2k = 0, 1, 2) ; les racines sixièmes sont 11, −1-1 et les quatre nombres ±12±i32\pm\frac{1}{2} \pm i\frac{\sqrt{3}}{2}, sommets d’un hexagone régulier. Celles de 8i=8(cos⁡π2+isin⁡π2)8i = 8\left(\cos\frac{\pi}{2} + i\sin\frac{\pi}{2}\right) s’obtiennent en prenant la racine cubique du module, 2, et le tiers de l’argument, à 2π3\frac{2\pi}{3} près : 3+i\sqrt{3} + i, −3+i-\sqrt{3} + i et −2i-2i. On vérifie par exemple que (3+i)3=8i(\sqrt{3} + i)^3 = 8i.

Pourquoi c’est vrai

Le cœur du raisonnement est la règle du produit : multiplier deux nombres de module 1 ajoute leurs angles. En développant, puis en utilisant les formules d’addition du cosinus et du sinus,

(cos⁡a+isin⁡a)(cos⁡b+isin⁡b)=(cos⁡acos⁡b−sin⁡asin⁡b)+i(sin⁡acos⁡b+cos⁡asin⁡b)=cos⁡(a+b)+isin⁡(a+b).(\cos a + i\sin a)(\cos b + i\sin b) = (\cos a\cos b - \sin a\sin b) + i\,(\sin a\cos b + \cos a\sin b) = \cos(a + b) + i\sin(a + b).

Récurrence pour n≥0n \geq 0. Pour n=0n = 0, les deux membres valent 1. Si la formule est vraie pour un entier n≥0n \geq 0, on multiplie les deux membres par cos⁡θ+isin⁡θ\cos\theta + i\sin\theta ; la règle du produit, avec a=nθa = n\theta et b=θb = \theta, donne cos⁡((n+1)θ)+isin⁡((n+1)θ)\cos((n+1)\theta) + i\sin((n+1)\theta). La formule est donc vraie pour tout entier naturel.

Exposants négatifs. Le produit (cos⁡θ+isin⁡θ)(cos⁡θ−isin⁡θ)(\cos\theta + i\sin\theta)(\cos\theta - i\sin\theta) vaut cos2⁡θ+sin2⁡θ=1\cos^2\theta + \sin^2\theta = 1. L’inverse de cos⁡θ+isin⁡θ\cos\theta + i\sin\theta est donc cos⁡(−θ)+isin⁡(−θ)\cos(-\theta) + i\sin(-\theta), et la formule pour n≥0n \geq 0, appliquée à l’angle −θ-\theta, donne le cas des exposants négatifs.

L’atelier a contrôlé l’égalité sur 10 000 tirages (θ\theta réel entre −10-10 et 1010, nn entier entre −30-30 et 3030), en calculant la puissance par multiplications répétées, sans trigonométrie.

Un peu d’histoire

Abraham de Moivre (1667-1754) naît à Vitry-le-François, en Champagne. Protestant, il quitte la France pour l’Angleterre au moment des persécutions contre les huguenots et vit à Londres de leçons de mathématiques. Il est aussi connu pour ses travaux sur les probabilités, où apparaît l’approximation par la loi normale.

La formule qui porte son nom n’apparaît pas telle quelle dans ses écrits. Elle est présente de façon implicite dans ses travaux sur les racines nn-ièmes, dès un article des Philosophical Transactions de 1707, puis dans ses Miscellanea Analytica (1730). C’est Leonhard Euler qui l’écrit sous sa forme actuelle, en 1748, dans son Introductio in analysin infinitorum, l’ouvrage où figure aussi la formule eiθ=cos⁡θ+isin⁡θe^{i\theta} = \cos\theta + i\sin\theta.

Ce que montre l’affiche

Le cercle de rayon 1 du plan complexe, avec ses douze racines douzièmes de l’unité. Pour k=1k = 1 à 55, le programme part de 1 et multiplie sans cesse par z=cos⁡2kπ12+isin⁡2kπ12z = \cos\frac{2k\pi}{12} + i\sin\frac{2k\pi}{12}, sans utiliser la formule : les points obtenus retombent toujours sur ces douze racines, et reviennent à 1 après 12, 6, 4, 3 et 12 pas. Ils tracent ainsi un dodécagone, un hexagone, un carré, un triangle et une étoile à douze branches. Le dessin est calculé par des programmes écrits pour l’atelier ; l’affiche existe en quatre styles : Papier, Nuit, Bauhaus et Tableau noir.

Pour aller plus loin

Sources : Formule de Moivre (Wikipédia) (nouvel onglet), De Moivre’s formula (Wikipedia) (nouvel onglet), de Moivre’s Identity (Wolfram MathWorld) (nouvel onglet), Root of unity (Wikipedia) (nouvel onglet), Abraham de Moivre (Wikipedia) (nouvel onglet).

Vérifiée par le calcul

Les contrôles de cette formule

Avant d'imprimer l'affiche, un programme met la formule à l'épreuve. Voici ce qu'il a calculé (dernier passage le 11 octobre 2026) ; si un seul de ces contrôles échouait, l'affiche ne serait pas produite. Notre méthode

  • (cos θ + i sin θ)^n = cos nθ + i sin nθ, 10 000 tirages, θ réel dans [−10, 10], n entier de −30 à 30 (puissance par multiplications répétées)écart maximal 5.76e-15
  • (cos π/3 + i sin π/3)³ = −1-1 + 3.885780586188048e-16 i
  • (1 + i)⁸ = (√2)⁸ (cos 2π + i sin 2π) = 16 (calcul exact)
  • pour n = 2 à 40 : les n nombres cos(2kπ/n) + i sin(2kπ/n) sont distincts et vérifient zⁿ = 1
  • pour n = 2 à 40 : la somme des racines n-ièmes de l’unité est nullemodule maximal 6.04e-15
  • contre-exemple : n = 1/2 ; θ = 0 et θ = 2π donnent le même nombre (1) mais cos(θ/2) + i sin(θ/2) vaut 1 puis −1
  • contre-exemple : sans module 1, (2(cos 1 + i sin 1))³ = 8 (cos 3 + i sin 3) ≠ cos 3 + i sin 3
  • conséquence (n = 3) : cos 3θ = 4 cos³θ − 3 cos θ (1 000 tirages)écart maximal 8.88e-16
  • dessin : les orbites pour k = 1 à 5 ont 12, 6, 4, 3 et 12 points (12/pgcd(k, 12))12, 6, 4, 3, 12
  • dessin : tous les points calculés sont des racines 12-ièmes de l’unité

Sources

Questions fréquentes

Que dit la formule de Moivre ?

Pour tout réel θ et tout entier n, (cos θ + i sin θ)^n = cos(nθ) + i sin(nθ) : élever à la puissance n un nombre complexe de module 1 revient à multiplier son angle par n.

Comment démontrer la formule de Moivre ?

Par récurrence sur n, grâce aux formules d’addition : (cos a + i sin a)(cos b + i sin b) = cos(a + b) + i sin(a + b). Les exposants négatifs s’en déduisent, car l’inverse de cos θ + i sin θ est cos θ − i sin θ.

Comment trouver les racines n-ièmes de l’unité ?

Ce sont les n nombres cos(2kπ/n) + i sin(2kπ/n), pour k = 0, 1, …, n − 1. Ils forment les sommets d’un polygone régulier inscrit dans le cercle de rayon 1.

La formule de Moivre est-elle valable pour un exposant non entier ?

Non. Avec n = 1/2, les angles 0 et 2π, qui désignent le même nombre 1, donneraient 1 et −1 : une puissance non entière d’un nombre complexe a plusieurs valeurs possibles.

Quel lien avec la formule d’Euler ?

La formule d’Euler écrit cos θ + i sin θ = e^{iθ} ; la formule de Moivre devient alors (e^{iθ})^n = e^{inθ}, une simple règle des puissances.