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niveau 0 prerequis

hprzeta edited this page Sep 12, 2026 · 4 revisions

🔢 Niveau 0 — Prérequis : Les briques fondamentales

Session 1 — Nombres complexes, trigonométrie et exponentielle complexe Méthode : théorie → formule → exemple à la main → animation Python


🎬 Animation interactive

Animation Ce qu'elle montre
▶ Plan complexe Le plan $\mathbb{C}$ en action : $\lvert\zeta(\sigma+it)\rvert$ — pôle, bande critique, zéros

🎯 Objectif de cette session

Comprendre les nombres complexes et la formule d'Euler $e^{i\theta} = \cos\theta + i\sin\theta$. C'est la brique de base absolue de tout ce qui suit :

  • La fonction Z de Hardy utilise $e^{i\theta(t)}$
  • Les zéros de ζ(s) vivent dans le plan complexe
  • Toute l'analyse complexe repose sur cette notation

📖 PARTIE 1 — Les nombres complexes

1.1 Rappel théorique

Un nombre complexe z est un couple (a, b) qu'on écrit :

$$z = a + ib$$

Où :

  • a = partie réelle → Re(z)
  • b = partie imaginaire → Im(z)
  • i = unité imaginaire, définie par $i^2 = -1$

Intuition géométrique : z est un point dans le plan (axe réel horizontal, axe imaginaire vertical).

Im
 |
 |       z = a + ib
 |      /
 |     /  ← module |z|
 |    /
 |   /
 | θ/
 |/__________  Re
       a

1.2 Formules essentielles

Opération Formule
Addition $(a+ib) + (c+id) = (a+c) + i(b+d)$
Multiplication $(a+ib)(c+id) = (ac-bd) + i(ad+bc)$
Conjugué $\bar{z} = a - ib$
Module $\lvert z\rvert$ = $\sqrt{a^2 + b^2}$
Argument $\theta = \arctan(b/a)$

1.3 Exemple à la main

Soit $z = 3 + 4i$

$$|z| = \sqrt{3^2 + 4^2} = \sqrt{25} = 5$$

$$\theta = \arctan(4/3) \approx 0{,}927 \text{ rad} \approx 53{,}1°$$

1.4 Code Python

from mpmath import mp, mpc, fabs, arg, pi
mp.dps = 15

z = mpc(3, 4)              # z = 3 + 4i
print(f"z      = {z}")
print(f"|z|    = {fabs(z)}")           # 5.0
print(f"arg(z) = {arg(z)} rad")        # 0.9272...
print(f"Re(z)  = {z.real}")            # 3.0
print(f"Im(z)  = {z.imag}")            # 4.0
print(f"z̄      = {z.conjugate()}")    # 3 - 4i

📖 PARTIE 2 — Forme trigonométrique

2.1 Rappel théorique

Tout nombre complexe peut s'écrire en forme polaire :

$$z = |z| \cdot (\cos\theta + i\sin\theta)$$

Où :

  • $|z|$ = module (distance à l'origine)
  • $\theta$ = argument (angle avec l'axe réel)

Intuition : au lieu de (x, y), on repère z par sa distance et son angle.

2.2 Connexion avec ζ(s)

Dans la fonction zêta, $s = \sigma + it$ est un nombre complexe où :

  • $\sigma$ = partie réelle (sur la droite critique : $\sigma = 1/2$)
  • $t$ = partie imaginaire (paramètre des zéros : $t \approx 14{,}13,\ 21{,}02\ldots$)

📖 PARTIE 3 — Formule d'Euler ⭐ (la plus importante)

3.1 Rappel théorique

$$e^{i\theta} = \cos\theta + i\sin\theta$$

C'est la formule la plus belle des mathématiques (Euler, 1748).

Intuition géométrique : $e^{i\theta}$ est un point sur le cercle unité ($|z| = 1$) à l'angle $\theta$. Quand $\theta$ varie de $0$ à $2\pi$, on fait un tour complet du cercle.

$\theta$ $e^{i\theta}$ Point
$0$ $1$ $(1,\ 0)$
$\pi/2$ $i$ $(0,\ 1)$
$\pi$ $-1$ $(-1,\ 0)$
$3\pi/2$ $-i$ $(0,\ -1)$
$2\pi$ $1$ $(1,\ 0)$ — retour au départ

3.2 Cas particulier célèbre : Identité d'Euler

$$e^{i\pi} + 1 = 0$$

Relie les 5 constantes fondamentales : $e,\ i,\ \pi,\ 1,\ 0$.

3.3 Lien direct avec Z(t) de Hardy

Dans notre projet, la fonction Z de Hardy est :

$$Z(t) = e^{i\theta(t)} \cdot \zeta\ \left(\tfrac{1}{2} + it\right)$$

Le terme $e^{i\theta(t)}$ est exactement la formule d'Euler — c'est un nombre de module 1 qui "tourne" pour rendre $Z(t)$ réelle. Sans comprendre $e^{i\theta}$, on ne peut pas comprendre $Z(t)$.

3.4 Exemple à la main

Calculons $e^{i\pi/3}$ :

$$\cos(\pi/3) = \tfrac{1}{2}, \quad \sin(\pi/3) = \tfrac{\sqrt{3}}{2} \approx 0{,}866$$

$$e^{i\pi/3} = \tfrac{1}{2} + \tfrac{\sqrt{3}}{2} i$$

$$\left|e^{i\pi/3}\right| = \sqrt{\left(\tfrac{1}{2}\right)^2 + \left(\tfrac{\sqrt{3}}{2}\right)^2} = \sqrt{1} = 1 \checkmark$$

3.5 Code Python — animation du cercle unité

#!/usr/bin/env python3
"""
Module niveau-0 : visualisation de e^(iθ) sur le cercle unité
Connexion avec Z(t) de Hardy
"""
from mpmath import mp, exp, pi, cos, sin, mpc, re, im
import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np

mp.dps = 15

# --- Calcul de e^(iθ) pour quelques angles ---
angles = [0, pi/6, pi/4, pi/3, pi/2, pi, 3*pi/2, 2*pi]
print("θ (rad)  | cos θ   | sin θ   | e^(iθ)")
print("-" * 55)
for theta in angles:
    z = exp(1j * float(theta))
    print(f"{float(theta):.4f}   | {z.real:+.4f} | {z.imag:+.4f} | {z.real:+.4f} + {z.imag:+.4f}i")

# --- Animation : cercle unité ---
theta_vals = np.linspace(0, 2 * np.pi, 500)
x = np.cos(theta_vals)
y = np.sin(theta_vals)

fig, ax = plt.subplots(1, 1, figsize=(7, 7))
ax.plot(x, y, 'b-', linewidth=2, label='Cercle unité |z|=1')
ax.axhline(0, color='k', linewidth=0.5)
ax.axvline(0, color='k', linewidth=0.5)

# Points remarquables
points = [(1, 0, 'θ=0'), (0, 1, 'θ=π/2'), (-1, 0, 'θ=π'), (0, -1, 'θ=3π/2')]
for px, py, label in points:
    ax.plot(px, py, 'ro', markersize=8)
    ax.annotate(f'  {label}\n  e^(iθ)={px}+{py}i', (px, py), fontsize=9)

ax.set_xlim(-1.5, 1.5)
ax.set_ylim(-1.5, 1.5)
ax.set_aspect('equal')
ax.set_xlabel('Re(z)')
ax.set_ylabel('Im(z)')
ax.set_title("$e^{i\\theta} = \\cos\\theta + i\\sin\\theta$\nLe cercle unité — brique de base de Z(t)")
ax.legend()
ax.grid(True, alpha=0.3)

plt.tight_layout()
plt.savefig("niveau0_cercle_unite.png", dpi=150)
plt.show()
print("\nGraphique sauvegardé : niveau0_cercle_unite.png")

✏️ Exercices de cette session

Exercice 1 — À la main

Calculez le module et l'argument de :

  • $z_1 = 1 + i$
  • $z_2 = -2 + 2i$
  • $z_3 = e^{i\pi/4}$ (sans calculatrice)

Exercice 2 — Python

Modifiez le script ci-dessus pour tracer $e^{i\theta(t)}$ où $\theta(t)$ est la vraie fonction de Hardy pour $t \in [0, 30]$. Observez comment $\theta(t)$ fait tourner le point sur le cercle.

from mpmath import siegeltheta, exp, pi
import numpy as np

t_vals = np.linspace(1, 30, 300)
theta_vals = [float(siegeltheta(t)) for t in t_vals]
z_vals = [complex(exp(1j * th)) for th in theta_vals]
# → tracez Re(z) et Im(z) en fonction de t

Exercice 3 — Connexion ζ

Vérifiez que $|e^{i\theta(t)}| = 1$ pour $t = 14{,}1347$ (premier zéro). Si $|e^{i\theta}| = 1$ toujours, pourquoi $Z(14{,}1347) \approx 0$ ?


🗺️ Carte mentale de cette session

graph TD
    A["Nombre complexe z = a + ib"] --> B["Forme algébrique"]
    A --> C["Forme polaire z = r·e^(iθ)"]
    C --> D["Formule d'Euler : e i θ  = cosθ + i sinθ"]
    D --> E["Cercle unité — |e^(iθ)| = 1"]
    D --> F["Z(t) = e^(iθ(t)) · ζ(½+it)"]
    F --> G["Zéros de ζ sur la droite critique"]
    B --> H["Module = √(a²+b²)"]
    B --> I["Argument = arctan(b/a)"]
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📌 Résumé clé

Concept Formule Rôle dans ζ
Nombre complexe $z = a + ib$ $s = \sigma + it$ dans $\zeta(s)$
Module $\lvert z \rvert = \sqrt{a^2+b^2}$ $\lvert\zeta(\tfrac{1}{2}+it)\rvert$ pour détecter les zéros
Formule d'Euler $e^{i\theta} = \cos\theta + i\sin\theta$ Facteur de $Z(t)$ de Hardy
Cercle unité $\lvert e^{i\theta} \rvert = 1$ Garantit que $Z(t)$ est réelle

Prochaine session : Suites, limites et séries — vers la convergence de $\zeta(s)$ pour $\text{Re}(s) > 1$.

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