Les figures se manipulent à la souris ou au doigt ; chaque réponse se dévoile à la demande.
Figure 1. Lire ce que disent les lettres. Sur le mur du festin de Balthazar, une main a tracé trois mots que personne ne savait lire ; Daniel en donne le sens : compté, pesé, partagé. Dans ce chapitre, les lettres désignent des nombres, et l’on apprend à lire, transformer et démontrer ce qu’une expression dit.Daniel explique l’inscription sur le mur, Gustave Doré, illustration de la Bible, 1866. Domaine public.
En 4e, tu as appris à développer k(a+b) et à réduire une expression. Ce chapitre franchit trois paliers :
la double distributivité (a+b)(c+d), que l’on démontrera au lieu de l’admettre ;
les trois identités remarquables, démontrées par le calcul et par la géométrie : trois formules qui rendent le calcul rapide (2012 ou 842−162 de tête) et qui permettent de factoriser ;
l’usage de la lettre pour démontrer un résultat vrai pour tous les nombres : « la somme de cinq entiers consécutifs est toujours un multiple de 5» se vérifie sur des exemples, mais sa preuve générale demande un raisonnement valable pour tout entier.
Où cela mène : au chapitre 02, après Thalès direct, la factorisation débloquera la résolution d’équations comme x2−16=0 (équations produits) ; au Brevet, les programmes de calcul et la factorisation de a2−b2 sont des classiques ; au lycée, ces identités servent notamment à transformer des expressions avec des racines carrées, à compléter un carré et, plus tard, à dériver des fonctions.
Aucune virtuosité calculatoire n’est attendue : la difficulté de ce chapitre n’est jamais la longueur des calculs. Il faut reconnaître l’opération principale, justifier une transformation et contrôler qu’une égalité reste vraie. Les formules seront construites progressivement ; ne les apprends pas avant de les avoir comprises.
Automatismes
À faire mentalement, sans poser de calcul, puis à refaire de mémoire ; la réponse repliée sous chaque question sert à se corriger. Les questions 4 à 6 et 10 réactivent les chapitres précédents.
01Développer 3(x−4).
Voir la réponse
3x−12
02Réduire 6x+5−4x+2.
Voir la réponse
2x+7
03Donner l’opposé de 7−2x.
Voir la réponse
−7+2x
04Calculer 23×24.
Voir la réponse
27=128
05Rendre irréductible 5642.
Voir la réponse
43
06Écrire 0,0035 en notation scientifique.
Voir la réponse
3,5×10−3
07Calculer (−5)2 puis −52.
Voir la réponse
25 et −25
08Factoriser 4x+28.
Voir la réponse
4(x+7)
09Calculer x2−3x pour x=−2.
Voir la réponse
(−2)2−3×(−2)=4+6=10
10Deux triangles semblables : que dire de leurs angles ?
Situation. Un maraîcher possède un potager carré de 10m de côté. Il l’agrandit de 2m dans les deux directions : le potager reste carré, de côté 12m.
D’abord, sans aucun nombre. Regarde le côté du potager passer de a à a+b (ici, de 10 à 12): comment vois-tu la figure grandir ? Cherche où se place la surface gagnée et comment la découper en carrés et en rectangles ; puis demande à la figure de la colorier, puis de la découper (boutons « Colorier la surface gagnée » et « La découper »). Donne, pour ta façon de voir, une expression de l’aire du grand carré. (Il y a plusieurs façons de découper : chacune donne une expression différente, garde la tienne ; « La découper autrement » en montre une deuxième.)
Figure 1.
Le carré qui s’agrandit
L’ancien potager, de côté a, est en bleu ; le nouveau, de côté a+b, est bordé d’orange. Les curseurs changent le côté de départ et l’agrandissement, en mètres ; l’échelle s’ajuste pour que le nouveau potager remplisse le cadre, les proportions restent exactes.
Karim affirme : « L’aire gagne 22=4m2, puisque chaque côté gagne 2m.» Calcule l’ancienne aire et la nouvelle aire. Karim a-t-il raison ?
Voir la réponse
Ancienne aire : 102=100m2; nouvelle aire : 122=144m2. L’aire gagne 144−100=44m2, et non 4m2: Karim a tort. Chaque côté gagne 2m, mais la surface gagnée n’est pas un carré de 2m de côté : elle longe deux côtés de l’ancien potager.
Complète le tableau suivant, puis vérifie tes réponses :
Voir le tableau complété
a
b
(a+b)2
a2+b2
écart entre les deux
a10
b2
(a+b)2144
a2+b2104
écart entre les deux40
a3
b4
(a+b)249
a2+b225
écart entre les deux24
a5
b1
(a+b)236
a2+b226
écart entre les deux10
a7
b10
(a+b)2289
a2+b2149
écart entre les deux140
Que constates-tu ? L’égalité (a+b)2=a2+b2 semble-t-elle vraie ? Compare chaque écart avec le produit a×b: quelle conjecture peux-tu formuler sur la valeur exacte de (a+b)2?
TA CONJECTURE
Chaque écart comparé au produit a×b: je conjecture que, pour tous nombres a et b,(a+b)2 est égal à…
✓ Oui : chaque écart vaut le double du produit a×b:40=2×10×2,24=2×3×4,10=2×5×1 et 140=2×7×10. Quatre lignes d’un tableau ne prouvent pourtant rien pour tous les nombres : c’est une conjecture.
✗ Non : pour a=10 et b=2,(a+b)2=144 mais a2+b2=104. Un seul exemple qui ne convient pas suffit à réfuter cette égalité ; il manque l’écart, 40 ici.
✗ Non : pour a=10 et b=2, on trouverait 100+20+4=124, et non 144. L’écart vaut deux fois le produit a×b, pas une seule : sur la figure, la surface gagnée longe deux côtés de l’ancien carré.
✗ Non : c’est confondre le carré et le double. (a+b)2 se lit (a+b)×(a+b), et non 2×(a+b); pour a=10 et b=2,2a+2b=24 alors que (a+b)2=144.
Mets ta conjecture à l’épreuve sur la figure : découpe la surface gagnée (« La découper ») et fais varier a et b. Les deux rectangles de dimensions a et b ont ensemble l’aire 2ab: c’est l’écart du tableau. Des essais, même nombreux, ne démontrent pas une égalité pour tous les nombres : la preuve par les aires est en section 3.1, la preuve par le calcul en section 3.2.
Reprends le carré de côté a+b, sans choisir de valeurs pour a et b: sur la figure, choisis « Avec des lettres ». Fais-y apparaître toute son aire avec « La découper » ; justifie les dimensions de chaque pièce. Compare ensuite ce découpage à une autre façon d’organiser la surface, « La découper autrement » : quelle relation y a-t-il entre les deux expressions d’aire obtenues, et comment chacune explique-t-elle le terme observé dans le tableau ?
Le bilan de l’activité s’affichera ici dès que ta conjecture de la question 4 sera trouvée.
BILAN
La conjecture : pour tous nombres a et b,(a+b)2=a2+2ab+b2. L’écart entre (a+b)2 et a2+b2 est le double produit 2ab: sur la figure, l’aire des deux rectangles de dimensions a et b. Les deux découpages le montrent, car a2+ab+b(a+b)=a2+ab+ab+b2 (distributivité).
Ce qui la prouve ou la réfute pour toutes les valeurs : le tableau et la figure ne testent que quelques valeurs. L’égalité de Karim, (a+b)2=a2+b2, est réfutée par un seul contre-exemple : pour a=10 et b=2,144=104. La conjecture, elle, demande une démonstration : par les aires pour des longueurs positives (section 3.1), par le calcul pour tous les nombres (section 3.2).
1 · LE STATUT DE LA LETTRE
Expression littérale et valeur numérique
DÉFINITION · EXPRESSION LITTÉRALE, VARIABLE, CONSTANTE ET VALEUR NUMÉRIQUE
Une expression littérale est une suite d’opérations portant sur des nombres et sur des lettres qui représentent des nombres. Dans une même expression, une même lettre désigne toujours le même nombre.
Lorsqu’une lettre peut prendre plusieurs valeurs, c’est une variable. Lorsqu’elle désigne une valeur fixée dans la situation, c’est une constante. Évaluer une expression, ou calculer sa valeur numérique, consiste à remplacer chaque lettre par la valeur choisie puis à effectuer les calculs en respectant les priorités.
En clair : une expression littérale est un calcul en attente ; dès que l’on donne une valeur à la lettre, elle devient un nombre.
Pourquoi écrire une valeur négative entre parenthèses ?
Outil de démonstration : preuve directe, à partir de la définition de la valeur numérique.
Une lettre désigne un nombre : la remplacer par sa valeur ne change ni les opérations de l’expression ni leur ordre. Le signe × sous-entendu réapparaît donc : 3x signifie 3×x, et pour x=−4 on écrit 3×(−4). C’est le nombre tout entier, signe compris, qui remplace la lettre : pour x=−4,x2 devient (−4)2=(−4)×(−4)=16. Sans parenthèses, on écrirait −42, qui se lit « l’opposé du carré de 4» et vaut −16: le carré ne porterait que sur 4, et ce ne serait plus la valeur de x2 pour x=−4.■
Pour s’entraîner, en fin de partie : modèle V1, « Calculer la valeur d’une expression pour une valeur donnée ».
1 · LE STATUT DE LA LETTRE
Somme et produit : la nature d’une expression
DÉFINITION · SOMME ET PRODUIT : LA NATURE D’UNE EXPRESSION
Après avoir respecté les parenthèses et les priorités, l’opération principale est celle qui porte sur l’expression entière. Elle détermine la nature de l’écriture :
si l’opération principale est une addition ou une soustraction, l’expression est une somme ;
si l’opération principale est une multiplication, l’expression est un produit.
On réécrit au besoin les soustractions comme des additions d’opposés : dans 4−9x=4+(−9x), les termes sont 4 et −9x. Les expressions ainsi additionnées au niveau principal sont les termes ; celles qui sont multipliées au niveau principal sont les facteurs. Un carré se lit comme un produit de deux facteurs identiques : E2=E×E.
On lit E2«E au carré » ; on lit 3x « trois x»: c’est le produit 3×x, le signe × étant sous-entendu entre un nombre et une lettre, entre deux lettres ou devant une parenthèse. En clair : pour connaître la nature d’une expression, on cherche la dernière opération que l’on effectuerait en la calculant ; c’est elle qui donne son nom à l’écriture.
Figure 2.
Le dernier calcul, en haut du schéma
Chaque opération est branchée sur ce qu’elle combine : on calcule de bas en haut. L’opération du haut, en orange, est la dernière effectuée : c’est l’opération principale. Les cadres entourent ses termes (somme) ou ses facteurs (produit).
REMARQUE · POURQUOI CE TRI DÉCIDE DE TOUT
Développer, c’est passer d’un produit à une somme, et factoriser, c’est passer d’une somme à un produit. Avant tout calcul, on se demande : « qu’est-ce que j’ai, et qu’est-ce que je veux ? »
PRODUITdeˊvelopperSOMME
SOMMEfactoriserPRODUIT
La flèche se lit « donne, en développant » puis « donne, en factorisant » : dans les deux sens, la valeur de l’expression ne change pas, seule son écriture change. Ainsi 6(x+1) est un produit et 6x+6 une somme ; la distributivité simple assure pourtant que ces deux écritures ont la même valeur pour tout x.
Pour s’entraîner, en fin de partie : modèle L1, « Dire si une expression est une somme ou un produit ».
1 · LE STATUT DE LA LETTRE
Opposé d’une expression
DÉFINITION · OPPOSÉ D’UNE EXPRESSION
Deux expressions sont opposées lorsque leur somme vaut 0 pour toutes les valeurs de la lettre. L’opposé d’une expression A se note −A; quand l’expression a plusieurs termes, on la met entre parenthèses : l’opposé de 4x−11 s’écrit −(4x−11).
On lit −(4x−11) « l’opposé de 4x−11». En clair : l’opposé d’une expression est ce qu’il faut lui ajouter pour obtenir 0; pour un nombre, c’est le même nombre avec le signe contraire, comme 7 et −7.
PROPRIÉTÉ · OPPOSÉ D’UNE EXPRESSION
L’opposé d’une expression s’obtient en changeant le signe de chacun de ses termes :
−(a+b)=−a−b et −(a−b)=−a+b.
Exemples : −(2−9x)=−2+9x;−(6x−1)=−6x+1.
On lit −(a+b) « l’opposé de la somme de a et de b»; le signe − placé devant la parenthèse est un facteur −1 qui multiplie chaque terme. En clair : prendre l’opposé, c’est changer tous les signes, pas seulement le premier.
Pourquoi change-t-on le signe de chaque terme ?
Outil de démonstration : preuve directe, à partir de la définition de l’opposé.
La somme de a+b et de −a−b vaut (a+b)+(−a−b)=a−a+b−b=0: par définition, −a−b est donc l’opposé de a+b. De même, (a−b)+(−a+b)=a−a−b+b=0, donc −a+b est l’opposé de a−b. Un signe oublié casse cette somme nulle : (4x−11)+(−4x−11)=−22, et non 0; c’est pourquoi le contrôle du modèle L2 additionne l’expression et son opposé. ■
Figure 3.
Une expression et son opposé
Sur la droite graduée d’origine O, le point P a pour abscisse la valeur de l’expression, le point Q celle de l’expression proposée comme opposé. Deux nombres opposés sont à la même distance de O, de part et d’autre : O est alors le milieu de [PQ].
Pour s’entraîner, en fin de partie : modèle L2, « Donner l’opposé d’une expression ».
2n est un entier pair, et tout entier pair s’écrit ainsi ;
2n+1 est un entier impair, et tout entier impair s’écrit ainsi ;
un multiple de 3 s’écrit 3k (avec k entier) ; un multiple de 7 s’écrit 7k; etc.
des entiers consécutifs s’écrivent n,n+1,n+2, … ; deux impairs consécutifs s’écrivent 2n+1 et 2n+3.
Ces écritures sont la porte d’entrée des démonstrations sur les entiers de la section 5.2.
On lit 2n « deux n» et 2n+1 « deux n plus un » ; la lettre n désigne un entier quelconque, que l’on ne remplace par aucune valeur. En clair : dire « soit n un entier quelconque », c’est annoncer que tout ce qui suit vaut pour tous les entiers à la fois ; c’est ce qui donne aux démonstrations de la section 5.2 leur portée générale.
Figure 4.
Pair, impair : ranger par deux
Chaque point compte pour une unité ; les points se rangent par deux, une paire par case. Un nombre pair se range entièrement par paires ; un impair laisse un point seul, à côté de la place vide de son partenaire. Dans la somme de deux impairs, les deux points seuls forment une paire.
1 · LE STATUT DE LA LETTRE
Tester une formule ne suffit pas à la démontrer : la pyramide de cubes
Une pyramide comporte 1 cube au premier étage, 4 cubes au deuxième, 9 cubes au troisième, et ainsi de suite : l’étage numéro k contient k2 cubes. On note Sn le nombre total de cubes d’une pyramide à n étages. On lit Sn«S indice n». En clair : l’indice précise le nombre d’étages dont on parle ; ainsi S3 est le total pour trois étages.
Calculer S1,S2,S3 et S4. On obtient S1=1,S2=1+4=5,S3=1+4+9=14 et S4=1+4+9+16=30.
Trois formules sont proposées :
An=n2,Bn=6n(n+1)(2n+1),Cn=(2n(n+1))2.
Les formules An et Cn sont-elles toutes deux réfutées dès n=2? Vérifier que Bn donne bien les quatre valeurs de la question 1.Voir la réponse
Oui : A2=22=4 et C2=(22×3)2=9, alors que S2=5. En revanche, B1=61×2×3=1,B2=62×3×5=5,B3=63×4×7=14 et B4=64×5×9=30.
Figure 5.
La pyramide de cubes : tester trois formules
L’étage numéro k, le premier en haut, est une dalle de k×k cubes. Le tableau compare le total Sn aux valeurs de An,Bn et Cn: en bleu quand elles lui sont égales, en orange sinon ; la première valeur qui ne convient pas est entourée.
Ces quatre accords prouvent-ils que Bn=Sn pour tout entier n≥1? Non : ils montrent seulement que la formule résiste à quatre tests. Une preuve générale pourrait partir du cas n=1, puis montrer que la formule ajoute exactement n2 cubes à chaque passage de n−1 à n étages, pour tout entier n≥2.
En admettant la formule Sn=Bn, calculer le nombre de cubes pour 20 étages : S20=620×21×41=10×7×41=2870.
Leçon de méthode. Une valeur qui ne convient pas suffit à éliminer une formule universelle ; des valeurs qui conviennent, même nombreuses, ne la démontrent pas. Tester sert à réfuter ou à contrôler, jamais à remplacer une preuve.
1 · LE STATUT DE LA LETTRE
Lecture guidée : les quatre sens du signe « = » sur le carré de mosaïque
Soit n≥2 un entier. On borde un carré avec des carreaux de mosaïque : dans le carré de taille n(n carreaux par côté), seule la couronne extérieure est carrelée. On note C le nombre de carreaux de la couronne.
Figure 6.
La couronne du carré de mosaïque
« Les coins, puis les côtés » : les 4 coins en orange, les carreaux entre les coins en bleu. « Quatre bandes » : quatre bandes de n−1 carreaux, chacune emporte un coin. Le curseur change n; jusqu’à six carreaux par côté, les carreaux gardent leur taille ; au-delà, ils se resserrent pour tenir dans le cadre.
Une même figure, quatre usages du signe « = » :
Une formule. Sur chaque côté, entre les deux coins, il reste n−2 carreaux ; en ajoutant les 4 coins :
C=4×(n−2)+4.
Ici, «=» relie deux grandeurs : C dépend de n.
Une identité. En découpant autrement : quatre bandes de n−1 carreaux qui tournent autour du carré, chaque bande emportant un coin : on compte C=4×(n−1). Deux comptages des mêmes carreaux, donc, pour tout entier n≥2:
4(n−2)+4=4(n−1).
Ici, «=» signifie « toujours égal ». C’est une preuve par double comptage, et le calcul la confirme : 4(n−2)+4=4n−8+4=4n−4=4(n−1).
Une évaluation. Pour n=8:C=4×7=28; pour n=100:C=4×99=396. Ici, «=» affecte une valeur : on remplace la lettre, on calcule.
Une équation. Peut-on carreler une telle couronne avec 482 carreaux ? On cherche tous les entiers n tels que 4(n−1)=482: ici, «=» exprime une condition sur l’inconnue. Or 4(n−1) est un multiple de 4 et 482 n’en est pas un (482=4×120+2): l’ensemble des solutions est vide. Avec 492 carreaux, en revanche, n−1=123, donc n=124. Selon l’équation et le domaine, l’ensemble des solutions peut être vide, contenir une ou plusieurs valeurs (éventuellement une infinité) ou coïncider avec le domaine entier.
Bilan. Formule (relation entre grandeurs), identité (égalité affirmée sur tout un domaine), évaluation (valeur obtenue par substitution), équation (condition dont on cherche toutes les solutions) : quatre usages d’un même signe. Ce chapitre travaille surtout les identités ; les équations produits seront étudiées au chapitre 02.
MÉTHODE · DEVANT UN SIGNE « = » : QUELLE QUESTION FAUT-IL POSER ?
Statut
Question
Exemple et traitement
StatutFormule
QuestionQuelles grandeurs sont reliées ?
Exemple et traitementP=2πR: pour un cercle donné, on évalue P à partir de R.
StatutIdentité
QuestionPourquoi les deux écritures sont-elles égales pour toutes les valeurs autorisées ?
Exemple et traitement2(x+3)=2x+6: la distributivité transforme le membre de gauche en celui de droite.
Exemple et traitement2x+3=11: l’égalité est fausse pour la plupart des nombres et vraie pour x=4.
StatutÉvaluation
QuestionQuelle valeur obtient-on après substitution ?
Exemple et traitementPour x=−2,x2−3x=10.
Pour prouver une identité, on part d’un membre et on le transforme par des égalités justifiées jusqu’à obtenir l’autre. Pour réfuter une identité annoncée, un contre-exemple (une valeur pour laquelle l’égalité est fausse) suffit. Pour résoudre une équation, il faut trouver toutes les valeurs qui conviennent : quelques essais ne garantissent pas qu’il n’en existe pas d’autres.
POUR S’ENTRAÎNER
Méthodes et exercices
Les modèles de rédaction, les exercices d’application et les questions flash de cette partie, dans l’ordre du cours.
1 · Expression littérale et valeur numérique
MODÈLE V1
Calculer la valeur d’une expression pour une valeur donnée
À résoudre
Calculer A=(2x+5)2−3x pour x=−1.
Les étapes
Une expression donnée sous plusieurs formes se calcule avec la forme la plus rapide : voir la fin de la partie 4. Sur la figure, l’expression est dessinée comme un schéma de calcul : chaque opération est branchée sur ce qu’elle combine, et l’on calcule de bas en haut.
Sur la copie
①A=(2x+5)2−3x.
② Pour x=−1 : A=(2×(−1)+5)2−3×(−1)
③A=32+3=9+3=12
④ Pour x=−1,A=12.
Au TD : exercices 6.3 c), 6.6 c) et d) et 9.1 a) et c), en fin de chapitre
Questions flash (sans aide)
Cherche sans aide, puis ouvre la réponse pour te corriger.
01Calculer A=2x2−5x+1 pour x=−3.
Voir la réponse
2×(−3)2−5×(−3)+1=2×9+15+1=34
02Calculer B=u(v+2u)−v pour u=2 et v=5.
Voir la réponse
2×(5+2×2)−5=2×9−5=13
03Dans la formule P=2πR, quelles lettres peuvent varier lorsque l’on change de cercle ? Quel symbole désigne une constante ?
Voir la réponse
P et R varient, tandis que π désigne une constante.
1 · Somme et produit : la nature d’une expression
MODÈLE L1
Dire si une expression est une somme ou un produit
Les étapes
Repérer l’opération principale : celle qui porte sur l’expression entière, c’est-à-dire le dernier calcul que l’on effectuerait ; un carré E2 se lit E×E.
Conclure : addition ou soustraction, l’expression est une somme ; multiplication, c’est un produit.
Nommer ses termes, chacun avec son signe, ou ses facteurs.
Un signe − ou une multiplication à l’intérieur d’une parenthèse n’est pas l’opération principale.
À résoudre
Dire si chaque expression est une somme ou un produit, puis nommer ses termes ou ses facteurs : a) 8x+3; b) 9−4x; c) 4(x−6); d) (3x+4)2; e) 7x2; f) 2(x+3)+x(x−1).
Lire la rédaction complète
Sur la copie
a)① Dans 8x+3, le dernier calcul est l’addition de 8x et de 3:② c’est une somme,③ de termes 8x et 3.
b)① Dans 9−4x, le dernier calcul est la soustraction de 4x:② c’est une somme,③ de termes 9 et −4x.
c)① Dans 4(x−6), le dernier calcul est la multiplication de 4 par (x−6):② c’est un produit,③ de facteurs 4 et (x−6).
d)① Dans (3x+4)2, qui se lit (3x+4)×(3x+4), le dernier calcul est la multiplication de (3x+4) par (3x+4):② c’est un produit,③ de facteurs (3x+4) et (3x+4).
e)① Dans 7x2, qui se lit 7×x×x, le dernier calcul est une multiplication : ② c’est un produit,③ de facteurs 7,x et x.
f)① Dans 2(x+3)+x(x−1), le dernier calcul est l’addition de 2(x+3) et de x(x−1):② c’est une somme,③ de termes 2(x+3) et x(x−1).