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ACTIVITÉS NUMÉRIQUES II — cours

1ère année · section Tronc commun · mathématiques, programme officiel tunisien.

Le cours

Point de départ · 1

Sur une droite graduée, quelle est la distance entre le point d'abscisse 3-3 et l'origine 00 ?

Remarque

Une distance est toujours positive ou nulle. La distance de 3-3 à 00 vaut 33, notée 3=3|-3| = 3.

Définition · 2

Définition de la valeur absolue

La valeur absolue d'un réel aa, notée a|a|, est la distance de ce réel à 00 sur la droite graduée.

a={asi a0asi a0|a| = \begin{cases} a & \text{si } a \ge 0 \\ -a & \text{si } a \le 0 \end{cases}

Remarque

Pour tout réel aa, a0|a| \ge 0 et a=a|-a| = |a|.

Définition · 3

Racine carrée d'un carré

x2=xpour tout reˊel x\sqrt{x^2} = |x| \quad \text{pour tout réel } x

Remarque

Une racine carrée est toujours positive : (5)2=5=5\sqrt{(-5)^2} = |-5| = 5.

Piège classique · 4

Quelle est l'écriture simplifiée de (13)2\sqrt{(1-\sqrt{3})^2} ?

Attention

Écrire (13)2=13\sqrt{(1-\sqrt{3})^2} = 1-\sqrt{3} en supprimant directement le radical et le carré.

À la place : Puisque 1<31 < \sqrt{3}, on a 13<01-\sqrt{3} < 0. Ainsi : (13)2=13=(13)=31\sqrt{(1-\sqrt{3})^2} = |1-\sqrt{3}| = -(1-\sqrt{3}) = \sqrt{3}-1.

Exemple travaillé · 5

Écrire f(x)=x+4f(x) = |x+4| sans les barres de valeur absolue selon les valeurs de xx.

1

On étudie le signe de x+4x+4 : x+4=0x+4 = 0 pour x=4x = -4.

2

Si x[4;+[x \in [-4 ; +\infty[, alors x+40x+4 \ge 0, donc :

f(x)=x+4f(x) = x+4
3

Si x];4]x \in ]-\infty ; -4], alors x+40x+4 \le 0, donc :

f(x)=(x+4)=x4f(x) = -(x+4) = -x-4

Vérification · 6

Simplifier sans radical : (7)2\sqrt{(-7)^2} et (π4)2\sqrt{(\pi-4)^2}.

Remarque

(7)2=7=7\sqrt{(-7)^2} = |-7| = 7. Comme π3,14<4\pi \approx 3,14 < 4, la différence π4\pi-4 est négative, donc (π4)2=π4=4π\sqrt{(\pi-4)^2} = |\pi-4| = 4-\pi.

Rappel · 7

Traduire la double inégalité 2x<5-2 \le x < 5 sous forme d'intervalle.

Remarque

L'inégalité large (\le) impose un crochet fermé et l'inégalité stricte (<<) un crochet ouvert : x[2;5[x \in [-2 ; 5[.

Définition · 8

Valeur absolue et encadrement

Soit cRc \in \mathbb{R} et r0r \ge 0. L'inéquation xcr|x-c| \le r exprime que la distance entre xx et cc est inférieure ou égale à rr.

xcr    crxc+r    x[cr;c+r]|x-c| \le r \iff c-r \le x \le c+r \iff x \in [c-r ; c+r]

Remarque

Pour c=0c=0 : xr    rxr    x[r;r]|x| \le r \iff -r \le x \le r \iff x \in [-r ; r].

Définition · 9

Inéquations d'éloignement

Soit cRc \in \mathbb{R} et r>0r > 0. L'inéquation xcr|x-c| \ge r traduit que la distance entre xx et cc est supérieure ou égale à rr.

xcr    xcrouxc+r|x-c| \ge r \iff x \le c-r \quad \text{ou} \quad x \ge c+r

Remarque

L'ensemble des solutions est la réunion de deux demi-droites : x];cr][c+r;+[x \in ]-\infty ; c-r] \cup [c+r ; +\infty[.

Piège classique · 10

Quelle écriture traduit l'inéquation 2x+1>5|2x+1| > 5 ?

Attention

Écrire un double encadrement impossible comme 5>2x+1>5-5 > 2x+1 > 5.

À la place : Une condition en « >> » sépare deux branches disjointes : 2x+1>52x+1 > 5 ou 2x+1<52x+1 < -5, soit x];3[]2;+[x \in ]-\infty ; -3[ \cup ]2 ; +\infty[.

Exemple travaillé · 11

Résoudre dans R\mathbb{R} l'inéquation 2x57|2x-5| \le 7.

1

On applique la définition sous forme de double inégalité :

72x57-7 \le 2x-5 \le 7
2

On ajoute 55 à tous les membres :

7+52x7+5    22x12-7+5 \le 2x \le 7+5 \iff -2 \le 2x \le 12
3

On divise par 22 (positif) :

1x6-1 \le x \le 6
4

L'ensemble des solutions est :

S=[1;6]S = [-1 ; 6]

Vérification · 12

Déterminer l'ensemble des solutions de l'inéquation x2<12|x-2| < \frac{1}{2}.

Remarque

x2<12    12<x2<12    32<x<52|x-2| < \frac{1}{2} \iff -\frac{1}{2} < x-2 < \frac{1}{2} \iff \frac{3}{2} < x < \frac{5}{2}, soit S=]32;52[S = ]\frac{3}{2} ; \frac{5}{2}[.

Rappel · 13

Quelle égalité est vraie pour tous réels a0a \ge 0 et b0b \ge 0 ?

Remarque

La racine carrée est multiplicative : a×b=a×b\sqrt{a \times b} = \sqrt{a} \times \sqrt{b}. En revanche, elle ne se distribue pas sur l'addition : a+ba+b\sqrt{a+b} \neq \sqrt{a} + \sqrt{b}.

Définition · 14

Forme réduite a√b

Pour écrire un radical sous la forme aba\sqrt{b} avec bb entier le plus petit possible, on extrait les carrés parfaits sous la racine.

k2×b=kb(k>0,  b>0)\sqrt{k^2 \times b} = k\sqrt{b} \quad (k > 0, \; b > 0)

Remarque

Exemple : 72=36×2=62×2=62\sqrt{72} = \sqrt{36 \times 2} = \sqrt{6^2 \times 2} = 6\sqrt{2}.

Définition · 15

Expression conjuguée

Pour éliminer un radical au dénominateur d'une fraction, on multiplie numérateur et dénominateur par l'expression conjuguée.

(ab)(a+b)=ab(a0,  b0)(\sqrt{a}-\sqrt{b})(\sqrt{a}+\sqrt{b}) = a - b \quad (a \ge 0, \; b \ge 0)

Remarque

L'identité remarquable (uv)(u+v)=u2v2(u-v)(u+v) = u^2 - v^2 fait disparaître les racines.

Exemple travaillé · 16

Écrire sans radical au dénominateur : B=133B = \frac{1}{\sqrt{3}-3}.

1

L'expression conjuguée de (33)(\sqrt{3}-3) est (3+3)(\sqrt{3}+3).

2

On multiplie le numérateur et le dénominateur par (3+3)(\sqrt{3}+3) :

B=1×(3+3)(33)(3+3)B = \frac{1 \times (\sqrt{3}+3)}{(\sqrt{3}-3)(\sqrt{3}+3)}
3

On applique l'identité (uv)(u+v)=u2v2(u-v)(u+v) = u^2 - v^2 au dénominateur :

B=3+3(3)232=3+339=3+36=3+36B = \frac{\sqrt{3}+3}{(\sqrt{3})^2 - 3^2} = \frac{\sqrt{3}+3}{3 - 9} = \frac{\sqrt{3}+3}{-6} = -\frac{\sqrt{3}+3}{6}

Exemple travaillé · 17

Calculer sans calculatrice : S=12+1+13+2+14+3S = \frac{1}{\sqrt{2}+1} + \frac{1}{\sqrt{3}+\sqrt{2}} + \frac{1}{\sqrt{4}+\sqrt{3}}.

1

On transforme le premier terme à l'aide de son expression conjuguée :

12+1=21(2+1)(21)=2121=21\frac{1}{\sqrt{2}+1} = \frac{\sqrt{2}-1}{(\sqrt{2}+1)(\sqrt{2}-1)} = \frac{\sqrt{2}-1}{2-1} = \sqrt{2}-1
2

De même pour les deux autres termes :

13+2=32et14+3=43\frac{1}{\sqrt{3}+\sqrt{2}} = \sqrt{3}-\sqrt{2} \quad \text{et} \quad \frac{1}{\sqrt{4}+\sqrt{3}} = \sqrt{4}-\sqrt{3}
3

On réécrit la somme SS :

S=(21)+(32)+(43)S = (\sqrt{2}-1) + (\sqrt{3}-\sqrt{2}) + (\sqrt{4}-\sqrt{3})
4

Par simplification télescopique, les termes intermédiaires s'annulent :

S=1+4=1+2=1S = -1 + \sqrt{4} = -1 + 2 = 1

Vérification · 18

Écrire sans radical au dénominateur : 251\frac{2}{\sqrt{5}-1}.

Remarque

251=2(5+1)(51)(5+1)=2(5+1)51=2(5+1)4=5+12\frac{2}{\sqrt{5}-1} = \frac{2(\sqrt{5}+1)}{(\sqrt{5}-1)(\sqrt{5}+1)} = \frac{2(\sqrt{5}+1)}{5-1} = \frac{2(\sqrt{5}+1)}{4} = \frac{\sqrt{5}+1}{2}.

Définition · 19

Méthodes de comparaison

Pour comparer deux réels aa et bb :

ab    ab0a \le b \iff a - b \le 0

Pour deux réels strictement positifs a>0a > 0 et b>0b > 0 :

ab    a2b2    aba \le b \iff a^2 \le b^2 \iff \sqrt{a} \le \sqrt{b}

Remarque

L'élévation au carré conserve l'ordre pour des nombres positifs.

Exemple travaillé · 20

Comparer les deux réels positifs a=125a = 12\sqrt{5} et b=512b = 5\sqrt{12}.

1

On calcule le carré de chaque terme :

a2=(125)2=144×5=720a^2 = (12\sqrt{5})^2 = 144 \times 5 = 720
2
b2=(512)2=25×12=300b^2 = (5\sqrt{12})^2 = 25 \times 12 = 300
3

On compare les carrés :

720>300    a2>b2720 > 300 \iff a^2 > b^2
4

Comme aa et bb sont strictement positifs :

125>51212\sqrt{5} > 5\sqrt{12}

Définition · 21

Comparaison de x, x² et √x

Soit xx un réel strictement positif :

Si x>1,x<x<x2Si 0<x<1,x2<x<x\begin{aligned} &\text{Si } x > 1, \quad \sqrt{x} < x < x^2 \\ &\text{Si } 0 < x < 1, \quad x^2 < x < \sqrt{x} \end{aligned}

Remarque

Pour un réel compris entre 00 et 11, l'élévation au carré diminue la valeur.

Piège classique · 22

Soit y=11010y = 1-10^{-10}. Quel est le bon classement dans l'ordre croissant entre yy, y2y^2 et y\sqrt{y} ?

Attention

Penser que le carré est toujours supérieur à la base et écrire y<y2y < y^2.

À la place : Comme 1010>010^{-10} > 0, on a 0<y<10 < y < 1. Sur l'intervalle ]0;1[]0 ; 1[, on a y2<y<yy^2 < y < \sqrt{y}.

Vérification · 23

Soit A=1+1010A = 1+10^{-10}. Ranger AA, A2A^2 et A\sqrt{A} dans l'ordre croissant.

Remarque

Comme 1010>010^{-10} > 0, on a A>1A > 1. Pour tout réel A>1A > 1, la propriété donne A<A<A2\sqrt{A} < A < A^2.

Définition · 24

Somme et différence d'encadrements

Pour additionner deux encadrements, on ajoute membre à membre :

x1ax2ety1by2    x1+y1a+bx2+y2x_1 \le a \le x_2 \quad \text{et} \quad y_1 \le b \le y_2 \implies x_1 + y_1 \le a + b \le x_2 + y_2

Pour soustraire, on ajoute l'opposé : ab=a+(b)a - b = a + (-b).

y2by1    x1y2abx2y1-y_2 \le -b \le -y_1 \implies x_1 - y_2 \le a - b \le x_2 - y_1

Remarque

La soustraction directe membre à membre est interdite.

Définition · 25

Encadrement du produit

Pour des réels strictement positifs, on multiplie membre à membre :

0<x1ax2et0<y1by2    x1y1abx2y20 < x_1 \le a \le x_2 \quad \text{et} \quad 0 < y_1 \le b \le y_2 \implies x_1 y_1 \le ab \le x_2 y_2

Remarque

Si une variable est négative, on encadre d'abord son opposé positif avant de multiplier.

Définition · 26

Inverse et quotient

Pour des réels strictement positifs, le passage à l'inverse renverse l'ordre :

0<y1by2    1y21b1y10 < y_1 \le b \le y_2 \implies \frac{1}{y_2} \le \frac{1}{b} \le \frac{1}{y_1}

Le quotient s'obtient par le produit :

ab=a×1b\frac{a}{b} = a \times \frac{1}{b}

Piège classique · 27

On donne 12a32\frac{1}{2} \le a \le \frac{3}{2} et 2b32 \le b \le 3. Quel est l'encadrement de aba - b ?

Attention

Soustraire membre à membre : (122)ab(323)(\frac{1}{2}-2) \le a-b \le (\frac{3}{2}-3), ce qui donnerait 32ab32-\frac{3}{2} \le a-b \le -\frac{3}{2}.

À la place : On encadre b-b : 3b2-3 \le -b \le -2. On additionne avec aa : 12+(3)a+(b)32+(2)\frac{1}{2} + (-3) \le a + (-b) \le \frac{3}{2} + (-2), d'où 52ab12-\frac{5}{2} \le a-b \le -\frac{1}{2}.

Exemple travaillé · 28

On donne 12a32\frac{1}{2} \le a \le \frac{3}{2} et 3b2-3 \le b \le -2. Encadrer le produit abab et le quotient ab\frac{a}{b}.

1

On encadre b-b pour obtenir des bornes positives :

2b32 \le -b \le 3
2

On multiplie les encadrements positifs membre à membre :

12×2a(b)32×3    1ab92\frac{1}{2} \times 2 \le a(-b) \le \frac{3}{2} \times 3 \iff 1 \le -ab \le \frac{9}{2}
3

On multiplie par 1-1 en inversant l'ordre :

92ab1-\frac{9}{2} \le ab \le -1
4

Pour le quotient, on encadre 1b-\frac{1}{b} :

131b12\frac{1}{3} \le -\frac{1}{b} \le \frac{1}{2}
5

On multiplie aa par 1b-\frac{1}{b} puis par 1-1 :

16ab34    34ab16\frac{1}{6} \le -\frac{a}{b} \le \frac{3}{4} \iff -\frac{3}{4} \le \frac{a}{b} \le -\frac{1}{6}

Vérification · 29

Sachant que 3,5<x<3,63,5 < x < 3,6, déterminer un encadrement de 52x5-2x.

Remarque

On multiplie par 2-2 (l'ordre s'inverse) : 7,2<2x<7,0-7,2 < -2x < -7,0. On ajoute 55 : 2,2<52x<2,0-2,2 < 5-2x < -2,0.

Rappel · 30

Quelle est la valeur de 32-3^2 et celle de (3)2(-3)^2 ?

Remarque

Dans 32-3^2, le carré ne porte que sur le 33 : 32=(32)=9-3^2 = -(3^2) = -9. Dans (3)2(-3)^2, le signe - est dans la parenthèse : (3)2=9(-3)^2 = 9.

Définition · 31

Règles sur les puissances

Pour tous réels non nuls a,ba, b et tous entiers relatifs n,m,pn, m, p :

an×am=an+m;anam=anm;(an)p=an×pa^n \times a^m = a^{n+m} \quad ; \quad \frac{a^n}{a^m} = a^{n-m} \quad ; \quad (a^n)^p = a^{n \times p}

(a×b)n=an×bn;(ab)n=anbn;an=1an(a \times b)^n = a^n \times b^n \quad ; \quad \left(\frac{a}{b}\right)^n = \frac{a^n}{b^n} \quad ; \quad a^{-n} = \frac{1}{a^n}

Remarque

Pour simplifier des bases différentes, on décompose en facteurs premiers : 4=224 = 2^2, 8=238 = 2^3, 10=2×510 = 2 \times 5.

Définition · 32

Écriture scientifique et ordre de grandeur

Tout nombre décimal strictement positif s'écrit de manière unique sous la forme :

a×10navec 1a<10 et nZa \times 10^n \quad \text{avec } 1 \le a < 10 \text{ et } n \in \mathbb{Z}

Remarque

L'ordre de grandeur s'obtient en arrondissant aa à l'entier le plus proche.

Exemple travaillé · 33

Écrire sous la forme d'une puissance de 22 : E=(2)4×4583E = \frac{(-2)^4 \times 4^{-5}}{8^{-3}}.

1

On décompose chaque base en puissance de 22 : (2)4=24(-2)^4 = 2^4, 4=224 = 2^2 et 8=238 = 2^3.

2
E=24×(22)5(23)3E = \frac{2^4 \times (2^2)^{-5}}{(2^3)^{-3}}
3
E=24×21029E = \frac{2^4 \times 2^{-10}}{2^{-9}}
4
E=24+(10)(9)=2410+9=23E = 2^{4 + (-10) - (-9)} = 2^{4 - 10 + 9} = 2^3

Vérification · 34

Donner l'écriture scientifique et l'ordre de grandeur de X=0,000345×106X = 0,000345 \times 10^6.

Remarque

X=0,000345×106=345=3,45×102X = 0,000345 \times 10^6 = 345 = 3,45 \times 10^2. En arrondissant 3,453,45 à l'entier le plus proche (33), l'ordre de grandeur est 3×1023 \times 10^2.

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