M. Betscher / Mathématiques

Partie 3 sur 6

Les trois identités remarquables

3.1 · DÉCOUVERTE GÉOMÉTRIQUE

Le carré de la somme

On reprend le potager de l’activité : un carré de côté se découpe naturellement en quatre morceaux, comme sur la figure de la preuve ci-dessous.

POURQUOI · PREUVE GÉOMÉTRIQUE DE (POUR ET

Outil de démonstration : double comptage d’une aire.

On considère un grand carré de côté partagé comme sur la figure ci-dessous en deux carrés (de côtés et et deux rectangles égaux (de dimensions et

Figure 9.

Le grand carré, compté de deux façons

1 / 4
  1. 1 · Le grand carré

    L’aire du grand carré est .

  2. 2 · Les quatre morceaux

    Les aires des morceaux sont : pour le premier carré, pour le second, et pour chacun des deux rectangles.

  3. 3 · La somme des aires

    La somme des quatre aires est .

  4. 4 · Conclusion

    Les quatre morceaux recouvrent exactement le grand carré, d’où . Donc, pour tous nombres réels et

Le déroulé avance avec la lecture ou avec « Étape suivante ». Les curseurs changent les longueurs et la preuve vaut pour toutes leurs valeurs positives ; avec trois pièces sont aplaties, d’aire nulle.

Remarque honnête : cette preuve représente et par des longueurs, donc suppose et (une pièce peut être dégénérée si une longueur est nulle). La preuve algébrique ci-dessous, elle, vaut pour tous les nombres réels, y compris négatifs : c’est sa supériorité.

3.2 · LES TROIS IDENTITÉS

Les trois identités, démontrées

THÉORÈME · LES TROIS IDENTITÉS REMARQUABLES

Pour tous nombres réels et

Le terme s’appelle le double produit. Ces égalités sont des identités : elles sont vraies pour toutes les valeurs de et

On lit plus le tout au carré » : les parenthèses signalent que c’est la somme entière qui est élevée au carré ; on lit au carré, plus deux plus au carré ». En clair : le carré d’une somme n’est pas la somme des carrés, il faut lui ajouter le double produit ; le carré d’une différence lui ressemble, le double produit étant retranché ; et le produit de la somme par la différence des mêmes nombres est la différence de leurs carrés. « Pour tous nombres réels et signifie que l’on peut remplacer et par n’importe quels nombres, négatifs ou décimaux compris, sans que l’égalité cesse d’être vraie.

Démonstration algébrique des trois identités

Outil de démonstration : calcul direct à partir de la double distributivité.

Il suffit de développer par double distributivité : les identités remarquables ne sont que des développements que l’on a appris par cœur parce qu’ils reviennent sans cesse.

1. Carré de la somme.

2. Carré de la différence. (Attention à la règle des signes :

3. Produit « somme par différence ». (Les deux produits croisés s’annulent.)

Chaque calcul n’utilise que la double distributivité, vraie pour tous les nombres. Donc, pour tous nombres réels et et

REMARQUE · POURQUOI GARDER LES DEUX PREUVES ?

La preuve géométrique rend visible l’origine du double produit : deux rectangles d’aire Elle suppose toutefois que et représentent des longueurs positives. La preuve algébrique traite aussi les valeurs négatives. Par exemple, avec et

et

Le dessin donne l’idée ; le calcul fixe le domaine complet de validité.

▲ ATTENTION · LE PIÈGE CENTRAL DU CHAPITRE

Les égalités et ne sont pas des identités.

Contre-exemple chiffré pour la première égalité (un seul suffit !) : pour et

Ce qui manque, c’est le double produit et Ce contre-exemple réfute la phrase « pour tous et il ne dit pas que l’égalité échoue pour chaque couple de valeurs. Pour la seconde égalité, trouver un contre-exemple est l’objet de l’exercice 2.4 b) du TD. La mise au carré ne « traverse » pas les additions : elle ne traverse que les multiplications, car

Figure 10.

Le carré de la somme et la somme des carrés

À gauche, le carré de côté d’aire à droite, les deux carrés d’aires et Les deux rectangles orange, d’aire chacun, manquent à droite : c’est le double produit Les curseurs changent et l’échelle s’ajuste au cadre.

3.3 · LE CARRÉ ÉVIDÉ

Le carré de la différence, vu par la géométrie : le carré évidé

POURQUOI · PREUVE GÉOMÉTRIQUE DE (POUR

Outil de démonstration : double comptage d’une aire, puis isolement du carré cherché.

Cette fois, on part d’un grand carré de côté et le carré étudié, de côté est à l’intérieur : c’est le coin en bas à gauche de la figure ci-dessous.

  1. Le grand carré, d’aire est partagé en quatre morceaux : le carré d’aire deux rectangles de dimensions et et un petit carré d’aire Donc :
  2. On isole le carré évidé :
  3. On développe (distributivité simple) :
    Donc, pour tous réels et tels que

TA CONJECTURE

Une autre façon de lire la figure ci-dessous : dans le grand carré de côté d’aire on retire deux bandes de sur d’aire chacune, la bande du haut et la bande de droite. Elles se chevauchent sur le petit carré du coin, de côté Pour obtenir exactement le carré évidé, de côté je conjecture qu’il faut…

Figure 11.

Le carré évidé : deux bandes retirées, un petit carré rendu

Le grand carré de côté reste dessiné en pointillé. Chaque bande mesure sur son aire vaut Le petit carré du coin, de côté appartient aux deux bandes.

La lecture imagée de la preuve s’affichera ici dès que ta conjecture sera trouvée.

LECTURE IMAGÉE

Lecture imagée : pour obtenir le carré évidé, on retire deux bandes d’aire chacune mais ces deux bandes se chevauchent sur le petit carré retiré deux fois : on le rend une fois. D’où

3.4 · DÉCOUPER ET RECOLLER

La différence de deux carrés, vue par la géométrie : découper et recoller

Figure 12.

Découper le L, le recoller en rectangle

La figure de départ reste en place ; sur la seconde figure, les pièces bougent. Pièce ① : rectangle pièce ② : rectangle pivotée puis recollée à droite.
POURQUOI · PREUVE GÉOMÉTRIQUE DE (POUR

Outil de démonstration : découpage et recollement, l’aire étant conservée.

  1. Sur la figure de départ : dans un carré de côté (aire on retire un petit carré de côté dans un coin. La surface restante, en forme de L, a pour aire
  2. On découpe ce L en deux pièces le long du trait pointillé : la pièce ①, rectangle et la pièce ②, rectangle
  3. On fait pivoter la pièce ② et on la recolle au bout de la pièce ① : on obtient un rectangle de largeur et de longueur donc d’aire
  4. Découper et recoller ne change pas l’aire. Donc, pour tous nombres réels et tels que

3.5 · DÉVELOPPER AVEC UNE IDENTITÉ

Développer avec une identité

Pour s’entraîner, en fin de partie : modèle D2, « Développer avec une identité remarquable » ; exercice « À toi de compléter :  ; modèle D1, « Suite : une expression qui contient un carré ».

3.6 · PROUVER OU RÉFUTER

Identité, contre-exemple : prouver ou réfuter

DÉFINITION · IDENTITÉ, EXPRESSIONS ÉGALES, CONTRE-EXEMPLE

Une identité est une égalité entre deux expressions littérales qui est vraie pour toutes les valeurs des lettres : c’est le cas de Deux expressions reliées par une identité sont dites égales : elles ont la même valeur pour toutes les valeurs des lettres. Un contre-exemple à une affirmation « pour tout nombre » est un cas précis où elle est fausse : une valeur des lettres pour laquelle les deux membres n’ont pas la même valeur.

On lit est différent de En clair : une identité ne tombe jamais en panne ; il suffit d’une seule panne, un contre-exemple, pour qu’une égalité ne soit pas une identité.

Pourquoi un seul contre-exemple suffit-il ?

Outil de démonstration : le sens du mot « tout ».

L’affirmation « pour tout nombre dit que l’égalité est vraie pour chaque valeur de sans exception. Pour mais une seule valeur qui ne convient pas contredit « pour tout », donc l’affirmation est fausse. En revanche, des exemples qui conviennent, même nombreux, ne prouvent pas une identité : pour et pourtant l’égalité n’est pas une identité. Une identité se prouve par une chaîne d’égalités justifiées (modèle J1, section 5.2). ■

Figure 13.

Tester l’égalité

Les deux barres mesurent les deux membres pour la valeur de choisie : en orange, en bleu. Une seule valeur de les rend égales ; toutes les autres sont des contre-exemples.

Pour s’entraîner, en fin de partie : modèle T3, « Réfuter une affirmation générale par un contre-exemple » ; modèle T2, « Répondre à un “vrai ou faux” ».

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.

3.5 · Développer avec une identité

MODÈLE D2

Développer avec une identité remarquable

À résoudre

Développer et réduire : a) b) c)

Les étapes

Les identités valent pour tous les nombres et on peut donc remplacer et par des blocs entiers, comme Le résultat garde l’ordre de la formule, même quand le nombre est le premier bloc. Si l’expression contient déjà la lettre on écrit la formule avec et « J’utilise avec et

La copie s’écrit question par question, a), b) puis c), avec les mêmes quatre étapes. Sur la figure, le bloc est entouré d’orange et le bloc de bleu, dans la formule comme dans l’expression.

Sur la copie
  1. a) ① J’utilise avec et .
  2. ②
  3. ③
  4. ④ Contrôle et . ✓
  5. b) ① J’utilise avec et .
  6. ②
  7. ③
  8. ④ Contrôle et . ✓
  9. c) ① J’utilise avec et .
  10. ②
  11. ③
  12. ④ Contrôle et . ✓
À TOI

À toi de compléter :

Complète les cases, puis vérifie tes réponses :

J’utilise avec et .

Contrôle pour  ; ton développement donne-t-il la même valeur ?

Voir les réponses

Réponses : et pour et

EXEMPLE · DEUX EXEMPLES MOINS STANDARDS, ET UN PIÈGE
  • Avec des fractions :
  • Avec un nombre décimal :
  • Le piège : n’est ni un carré ni une « somme par différence » aucune identité remarquable ne s’applique, on revient à la double distributivité,

MODÈLE D1

Suite : une expression qui contient un carré

Les étapes

    Les étapes du modèle D1. Quand l’expression contient un carré et d’autres produits, on développe chaque produit à part, une ligne par produit (le carré avec le modèle D2), puis on remplace dans l’expression, chaque développement entre parenthèses. Un seul contrôle, sur l’expression entière.

    À résoudre

    Développer et réduire

    Lire la rédaction complète
    Sur la copie

    Je développe chaque produit à part.

    J’utilise avec et

    ② je remplace chaque produit par son développement

    ② le signe change le signe de chaque terme de la parenthèse

    ③ je regroupe les termes semblables

    ④ Contrôle et ✓

    Au TD : exercices 2.1, 2.2, 3.5 et 6.1 a) (modèle D2) ; 6.3 a) et 6.6 a) (modèles D2 et D1) ; perfectionnement facultatifs : exercices 2.5 à 2.7

    3.6 · Identité, contre-exemple : prouver ou réfuter

    MODÈLE T3

    Réfuter une affirmation générale par un contre-exemple

    Les étapes
    1. Choisir l’exemple le plus simple : d’abord (pour deux lettres, et pour des entiers, les plus petits entiers positifs qui conviennent), sinon le plus simple qui convient.
    2. Calculer, pour cet exemple, ce que l’affirmation compare : les deux membres d’une égalité, ou le nombre en jeu.
    3. Conclure : l’affirmation est fausse pour cet exemple, donc elle n’est pas vraie pour tous les nombres.

    On essaie d’abord ; si les deux membres sont égaux pour cette valeur, on essaie la valeur suivante la plus simple, et la copie ne montre que le contre-exemple retenu.

    À résoudre

    Montrer que chaque affirmation est fausse. a) Pour tout nombre b) Pour tous nombres et c) La somme de deux entiers consécutifs est paire.

    Lire la rédaction complète
    Sur la copie

    a) ① Pour ② mais ③ comme l’égalité n’est pas vraie pour tout nombre

    b) ① Pour et ② mais ③ comme l’égalité n’est pas vraie pour tous les nombres et

    c) ① Pour les entiers consécutifs et ② la somme vaut et n’est pas pair : ③ l’affirmation « la somme de deux entiers consécutifs est paire » n’est pas vraie pour tous les entiers.

    MODÈLE T2

    Répondre à un « vrai ou faux »

    Les étapes
    1. Annoncer la réponse : vrai ou faux.
    2. Justifier. Égalité entre nombres donnés : calculer séparément les deux membres et les comparer. Affirmation générale fausse : donner un contre-exemple. Affirmation générale vraie : citer la règle du cours ou démontrer.

    Une affirmation qui commence par « il existe » se prouve avec un seul exemple.

    À résoudre

    Vrai ou faux ? a) Pour tout nombre b) Pour tout nombre c) d) Il existe un nombre pour lequel

    Lire la rédaction complète
    Sur la copie

    a) ① FAUX. ② Pour mais comme l’égalité n’est pas vraie pour tout nombre

    b) ① VRAI. ② Je développe le membre de gauche : Donc, pour tout nombre

    c) ① VRAI. ② Je calcule séparément les deux membres : et Les deux membres sont égaux.

    d) ① VRAI. ② Il suffit d’un exemple : pour et

    Au TD : exercice 2.4 (modèle T2 ; a), b), e) et f) : modèle T3 ; d) : modèle J1) ; exercices 3.6 b), 4.5 a), b) et d), 5.4 f) et 6.5 c) (modèle T3)

    Questions flash (sans aide)

    Cherche sans aide, puis ouvre la réponse pour te corriger.

    01Développer

    Voir la réponse

    02Développer

    Voir la réponse

    03Développer

    Voir la réponse

    04Vrai ou faux : Donner un contre-exemple chiffré si c’est faux.

    Voir la réponse

    Faux : pour et mais

    Au TD, les exercices cités dans cette partie, avec leur corrigé : 2.1, 2.2, 2.4, 2.5, 2.6, 2.7, 3.5, 3.6, 4.5, 5.4, 6.1, 6.3, 6.5, 6.6.