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Rappels Mathématiques

Nombres Complexes

Notons j l'imaginaire pur tel que j2=1 et C le corps des complexes.

Forme algébrique

Tout nombre complexe zC s'écrit sous la forme :

z=a+jb
  • a=e(z) correspond à la partie réelle,
  • b=m(z) correspond à la partie imaginaire.

Complexe Conjugué

On appelle conjugué de z le nombre complexe

z=ajb

Exponentielle Complexe

L'exponentielle complexe est définie par

ejθ=cos(θ)+jsin(θ)
  • Multiplication : La multiplication de deux exponentielles complexes donne : ejθ1ejθ2=ej(θ1+θ2),
  • Conjugaison : Le conjugué d'une exponentielle complexe est égal à : (ejθ)=ejθ,
  • Périodicité: L'exponentielle complexe est 2π-périodique,
  • Formules d'Euler : Les formules d'Euler permettent d'exprimer le cosinus ou le sinus à partie de l'exponentielle complexe
cos(θ)=e(ejθ)=12(ejθ+ejθ)sin(θ)=m(ejθ)=12j(ejθejθ)

Forme Polaire

Tout nombre complexe zC non nul peut s'écrire sous la forme :

z=ρejθ
  • ρ=|z| correspond au module,
  • θ=arg[z] correspond à l'argument (modulo 2π).

Propriétés

Soit deux complexes z1 et z2.

  • Le module et l'argument de z=z1z2 sont donnés par :
|z|=|z1|×|z2|arg[z]=arg[z1]+arg[z2]
  • Le module et l'argument de z=z1/z2 sont donnés par :
|z|=|z1||z2|arg[z]=arg[z1]arg[z2]

Conversion

Soit un nombre complexe z=a+jb, alors

|z|=a2+b2θ={arctan(b/a), si a>0,π+arctan(b/a), si a<0.

Trigonométrie

Formules d'Addition

Les formules d'addition permettent de développer les fonctions trigonométriques d'une somme ou différence d'angles.

Cosinus

cos(α+β)=cos(α)cos(β)sin(α)sin(β)cos(αβ)=cos(α)cos(β)+sin(α)sin(β)

Sinus

sin(α+β)=sin(α)cos(β)+cos(α)sin(β)sin(αβ)=sin(α)cos(β)cos(α)sin(β)

Factorisation d'une Combinaison Linéaire

Forme Générale

Toute combinaison linéaire d'un cosinus et d'un sinus de même pulsation peut se réécrire sous forme d'un unique cosinus déphasé :

acos(ωt)+bsin(ωt)=Ccos(ωtφ)

où :

  • C=a2+b2 correspond à l'amplitude,
  • φ=arctan(ba) correspond au déphasage (pour a>0).

Démonstration

En développant Ccos(ωtφ) à l'aide de la formule d'addition :

Ccos(ωtφ)=Ccos(ωt)cos(φ)+Csin(ωt)sin(φ)

Par identification avec acos(ωt)+bsin(ωt), on obtient :

a=Ccos(φ)b=Csin(φ)

En calculant a2+b2 :

a2+b2=C2cos2(φ)+C2sin2(φ)=C2

D'où C=a2+b2.

En calculant le rapport b/a :

ba=Csin(φ)Ccos(φ)=tan(φ)

D'où φ=arctan(b/a) pour a>0.

Cas Général pour le Déphasage

Le calcul de φ dépend du signe de a :

φ={arctan(b/a), si a>0π+arctan(b/a), si a<0

Exemple

Factorisons le signal x(t)=3cos(ωt)+4sin(ωt).

Calcul de l'amplitude :

C=32+42=9+16=25=5

Calcul du déphasage :

φ=arctan(43)0.93 rad53.1°

Résultat :

x(t)=5cos(ωt0.93)

Formules de Linéarisation

Les formules de linéarisation permettent d'exprimer les puissances de fonctions trigonométriques en fonction d'angles multiples.

cos2(θ)=1+cos(2θ)2sin2(θ)=1cos(2θ)2cos(θ)sin(θ)=sin(2θ)2

Ces formules se démontrent facilement à partir des formules d'Euler et de l'identité cos2(θ)+sin2(θ)=1.

Polynômes

Forme générale

Modèle Mathématique

Un polynôme de degré n est décrit par l'équation suivante :

p(x)=anxn++a1x+a0
  • n correspond au degré du polynôme,
  • al correspondent aux coefficients du polynôme.

Racines

Les racines d'un polynôme de degré n correspondent aux solutions de l'équation polynomiale suivante :

p(x)=0

Lorsque les coefficients al sont réels et non nuls, le polynôme p(x) possède au plus n racines. Ces racines peuvent être réelles ou complexes.

Cas du degré 2

Modèle Mathématique

Un polynôme de degré 2 est décrit par l'équation suivante :

p(x)=ax2+bx+c

Racines

L'expression des racines s'obtient en évaluant le discriminant :

Δ=b24ac
  • Si Δ>0, le polynôme possède deux racines réelles distinctes :
x1=b+Δ2ax2=bΔ2a
  • Si Δ=0, le polynôme possède une racine double réelle :
x1=x2=b2a
  • Si Δ<0, le polynôme possède deux racines complexes distinctes :
x1=b+jΔ2ax2=bjΔ2a

Décomposition en Éléments Simples

Principe

La décomposition en éléments simples permet de réécrire une fraction rationnelle F(s)=N(s)D(s) comme une somme de fractions plus simples. Cette technique est particulièrement utile pour le calcul de primitives et pour la transformée de Laplace inverse.

Conditions d'Application

Pour appliquer la décomposition en éléments simples, il faut que :

  • Le degré du numérateur N(s) soit strictement inférieur au degré du dénominateur D(s)
  • Si ce n'est pas le cas, il faut d'abord effectuer une division euclidienne

Cas des Pôles Simples Réels

Soit une fraction rationnelle avec des pôles simples réels p0,p1,,pn1 :

F(s)=N(s)(sp0)(sp1)(spn1)

La décomposition s'écrit :

F(s)=c0sp0+c1sp1++cn1spn1

Méthode de Heaviside (Cover-up Method)

La méthode de Heaviside permet de calculer rapidement les coefficients ck pour des pôles simples. Le coefficient ck associé au pôle pk est donné par :

ck=limspk(spk)F(s)

En pratique, cela revient à "masquer" le terme (spk) au dénominateur et à évaluer l'expression restante en s=pk :

ck=N(s)ik(spi)|s=pk

Exemple

Décomposons la fraction :

F(s)=2s+1(s1)(s+2)

Calcul de c0 (pôle p0=1) :

c0=2s+1s+2|s=1=2(1)+11+2=33=1

Calcul de c1 (pôle p1=2) :

c1=2s+1s1|s=2=2(2)+121=33=1

Résultat :

F(s)=1s1+1s+2

Cas des Pôles Multiples

Si un pôle p est de multiplicité m, la décomposition contient les termes :

c0sp+c1(sp)2++cm1(sp)m

Le coefficient de plus haut degré cm1 se calcule par la méthode de Heaviside :

cm1=limsp(sp)mF(s)

Les autres coefficients cm1k s'obtiennent par dérivation successive :

cm1k=1k!limspdkdsk[(sp)mF(s)]

Cas des Pôles Complexes Conjugués

Pour des pôles complexes conjugués p=α+jβ et p=αjβ, on peut regrouper en une fraction du second degré :

c0(sα)+c1(sα)2+β2

Cette forme est particulièrement adaptée pour la transformée de Laplace inverse car elle fait apparaître directement les termes en eαtcos(βt) et eαtsin(βt).

Intégration

Primitives Usuelles

Voici les primitives les plus courantes :

Fonction f(x)Primitive F(x)
xn (n1)xn+1n+1
1x$\ln
eax1aeax
cos(ax)1asin(ax)
sin(ax)1acos(ax)
1xa$\ln
1(xa)n (n1)1(n1)(xa)n1

Intégration par Parties

Formule

L'intégration par parties est basée sur la formule de dérivation d'un produit. Pour deux fonctions u(x) et v(x) dérivables :

u(x)v(x)dx=u(x)v(x)u(x)v(x)dx

Sous forme condensée avec u=u(x), v=v(x), du=u(x)dx et dv=v(x)dx :

udv=uvvdu

Choix de u et dv

Le choix de u et dv est crucial pour simplifier l'intégrale. Une règle mnémotechnique est LIATE (par ordre de priorité pour u) :

  • Logarithmes : ln(x), log(x)
  • Inverses trigonométriques : arctan(x), arcsin(x)
  • Algébriques : xn, polynômes
  • Trigonométriques : sin(x), cos(x)
  • Exponentielles : ex

Exemple 1 : xexdx

On pose :

  • u=x du=dx
  • dv=exdx v=ex

Application de la formule :

xexdx=xexexdx=xexex+C=ex(x1)+C

Exemple 2 : ln(x)dx

On pose :

  • u=ln(x) du=1xdx
  • dv=dx v=x

Application de la formule :

ln(x)dx=xln(x)x1xdx=xln(x)1dx=xln(x)x+C

Exemple 3 : x2cos(x)dx

Cette intégrale nécessite deux intégrations par parties successives.

Première intégration :

  • u=x2 du=2xdx
  • dv=cos(x)dx v=sin(x)
x2cos(x)dx=x2sin(x)2xsin(x)dx

Deuxième intégration :

  • u=x du=dx
  • dv=sin(x)dx v=cos(x)
xsin(x)dx=xcos(x)+cos(x)dx=xcos(x)+sin(x)

Résultat final :

x2cos(x)dx=x2sin(x)2[xcos(x)+sin(x)]+C=x2sin(x)+2xcos(x)2sin(x)+C

Changement de Variable

Le changement de variable est une autre technique fondamentale. Si x=φ(t), alors :

f(x)dx=f(φ(t))φ(t)dt

Exemple : 2x1+x2dx

On pose u=1+x2, donc du=2xdx.

2x1+x2dx=duu=ln|u|+C=ln(1+x2)+C