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Chapitre 4 – Calcul numérique et algébrique

Chapitre 4 | Seconde générale et technologique | Mathématiques

Dernière mise à jour : 21 octobre 2026

Objectifs du chapitre

I. Puissances entières relatives

1. Définition

Définition — Puissance

Soit \(a\) un réel et \(n\) un entier naturel non nul. La puissance \(n\)-ième de \(a\) est

\[a^n = \underbrace{a \times a \times \cdots \times a}_{n \text{ facteurs}}.\]

Pour \(a \neq 0\), on pose de plus :

\[a^0 = 1 \qquad \text{et} \qquad a^{-n} = \dfrac{1}{a^n}.\]
Exemple

\(a^{-n}\) est l'inverse de \(a^n\). Par exemple \(2^{-3} = \dfrac{1}{2^3} = \dfrac{1}{8}\).

Attention

\(0^0\) n'est pas défini, et l'écriture \(a^{-n}\) suppose \(a \neq 0\).

Une puissance négative n'est pas un nombre négatif : \(a^{-n} = \frac{1}{a^n}\) est un inverse.

2. Règles de calcul

Propriété — Règles sur les puissances

Pour tous réels \(a\) et \(b\) non nuls et tous entiers relatifs \(m\) et \(n\) :

\[a^m \times a^n = a^{m+n}, \qquad \dfrac{a^m}{a^n} = a^{m-n}, \qquad (a^m)^n = a^{m\,n},\] \[(a \times b)^n = a^n \times b^n, \qquad \left(\dfrac{a}{b}\right)^n = \dfrac{a^n}{b^n}.\]
Point de vigilance

Il n'existe aucune règle simplifiant \(a^n + b^n\) ni \((a+b)^n\) séparément (sauf via les identités remarquables, partie V). En particulier \((a+b)^2 \neq a^2 + b^2\).

Exemple \[\dfrac{2^5 \times 2^{-3}}{2^{-4}} = 2^{\,5 + (-3) - (-4)} = 2^{6} = 64,\] \[\left(\dfrac{3}{5}\right)^{-2} = \dfrac{3^{-2}}{5^{-2}} = \dfrac{5^{2}}{3^{2}} = \dfrac{25}{9}.\]

Passer un facteur de l'exposant \(-n\) à l'exposant \(+n\) revient à le faire « traverser » la barre de fraction.

Exercice d'application 1. Écrire sous forme d'une seule puissance de \(3\), ou d'une fraction : \(\ A = \dfrac{3^{4}\times 3^{-1}}{3^{5}}\ \) ; \(\ B = \left(\dfrac{1}{3}\right)^{-2}\).

\(A = 3^{\,4 - 1 - 5} = 3^{-2} = \dfrac{1}{9}\).

\(B = \dfrac{1^{-2}}{3^{-2}} = 3^{2} = 9\).

3. Puissances de 10 et notation scientifique

Définition — Notation scientifique

Un nombre décimal strictement positif est écrit en notation scientifique lorsqu'il est sous la forme

\[a \times 10^{n}, \qquad \text{avec } 1 \leqslant a \lt 10 \text{ et } n \in \mathbb{Z}.\]
Exemple

\(34\,500 = 3{,}45 \times 10^{4}\) et \(0{,}0072 = 7{,}2 \times 10^{-3}\).

II. Racines carrées

1. Définition

Définition — Racine carrée

Soit \(a\) un réel positif (\(a \geqslant 0\)). La racine carrée de \(a\), notée \(\sqrt{a}\), est l'unique réel positif dont le carré vaut \(a\) :

\[\sqrt{a} \geqslant 0 \qquad \text{et} \qquad (\sqrt{a})^2 = a.\]
Attention

\(\sqrt{a}\) n'existe (dans \(\mathbb{R}\)) que si \(a \geqslant 0\). Ainsi \(\sqrt{-4}\) n'a pas de sens en Seconde.

2. La relation fondamentale \(\sqrt{a^2} = |a|\)

Propriété

Pour tout réel \(a\) (de signe quelconque) :

\[\sqrt{a^2} = |a|.\]

Justification. \(\sqrt{a^2}\) est le nombre positif dont le carré vaut \(a^2\). Or \(|a| \geqslant 0\) et \(|a|^2 = a^2\) ; comme un tel nombre positif est unique, \(\sqrt{a^2} = |a|\).

Exemple

\(\sqrt{5^2} = 5\), mais \(\sqrt{(-5)^2} = \sqrt{25} = 5 = |-5|\). Écrire \(\sqrt{a^2} = a\) est faux lorsque \(a \lt 0\).

3. Racine d'un produit et d'un quotient

Théorème (produit)

Quels que soient les réels positifs \(a\) et \(b\) :

\[\sqrt{ab} = \sqrt{a} \times \sqrt{b}.\]

Démonstration (exigible). Le nombre \(\sqrt{a}\times\sqrt{b}\) est positif (produit de deux positifs) et son carré vaut \(\left(\sqrt{a}\times\sqrt{b}\right)^2 = (\sqrt{a})^2 \times (\sqrt{b})^2 = ab\). C'est donc le nombre positif dont le carré vaut \(ab\), c'est-à-dire \(\sqrt{ab}\). \(\ \blacksquare\)

Propriété (quotient)

De même, pour \(a \geqslant 0\) et \(b \gt 0\) :

\[\sqrt{\dfrac{a}{b}} = \dfrac{\sqrt{a}}{\sqrt{b}}.\]
Point de vigilance

Il n'existe aucune règle pour la somme : en général \(\sqrt{a+b} \neq \sqrt{a} + \sqrt{b}\). Par exemple \(\sqrt{9+16} = \sqrt{25} = 5\), alors que \(\sqrt{9} + \sqrt{16} = 3 + 4 = 7\).

Méthode — Simplifier une racine carrée
  1. Décomposer le radicande en produit faisant apparaître le plus grand carré parfait.
  2. Appliquer \(\sqrt{ab} = \sqrt{a}\,\sqrt{b}\).
  3. Extraire la racine du carré parfait.

Exemple résolu. \(\sqrt{72} = \sqrt{36 \times 2} = \sqrt{36}\times\sqrt{2} = 6\sqrt{2}\).

Exercice d'application 2. Écrire \(\sqrt{50}\) sous la forme \(k\sqrt{2}\), puis calculer \(\sqrt{8}+\sqrt{50}\).

\(\sqrt{50}=\sqrt{25\times 2}=5\sqrt{2}\) et \(\sqrt{8}=\sqrt{4\times 2}=2\sqrt{2}\).

Donc \(\sqrt{8}+\sqrt{50}=2\sqrt{2}+5\sqrt{2}=7\sqrt{2}\).

III. Écritures fractionnaires

Propriété — Règles de calcul sur les fractions

Pour tous réels \(a, b, c, d\) avec \(b \neq 0\) et \(d \neq 0\) :

\[\dfrac{a}{b} \times \dfrac{c}{d} = \dfrac{ac}{bd}, \qquad \dfrac{a}{b} \div \dfrac{c}{d} = \dfrac{a}{b} \times \dfrac{d}{c} = \dfrac{ad}{bc} \ \ (c \neq 0),\] \[\dfrac{a}{b} + \dfrac{c}{d} = \dfrac{ad + bc}{bd}, \qquad \dfrac{a}{b} = \dfrac{ka}{kb} \ \ (k \neq 0).\]
Exemple \[\dfrac{\ \dfrac{2}{3} - \dfrac{1}{4}\ }{\ \dfrac{5}{6}\ } = \dfrac{\dfrac{8}{12} - \dfrac{3}{12}}{\dfrac{5}{6}} = \dfrac{\dfrac{5}{12}}{\dfrac{5}{6}} = \dfrac{5}{12} \times \dfrac{6}{5} = \dfrac{30}{60} = \dfrac{1}{2}.\]

On traite d'abord le numérateur, puis on transforme la division en multiplication par l'inverse.

Exercice d'application 3. Simplifier \(\ G = \dfrac{\ \dfrac{3}{x} + 1\ }{\ x\ }\ \) pour \(x \neq 0\).

\(\dfrac{3}{x} + 1 = \dfrac{3 + x}{x}\), donc \(G = \dfrac{3+x}{x} \times \dfrac{1}{x} = \dfrac{x + 3}{x^2}\).

IV. Calcul littéral élémentaire

Le calcul littéral consiste à manipuler des expressions contenant des lettres (variables), avec les mêmes règles que sur les nombres.

Propriété — Règles usuelles

Pour tous réels \(a, b, x\) :

\[-(a+b) = -a - b, \qquad -(a-b) = b - a, \qquad (-1)\times a = -a,\] \[\dfrac{x}{1} = x, \qquad 1 \times x = x, \qquad 0 \times x = 0, \qquad \dfrac{a}{a} = 1 \ \ (a \neq 0).\]
Attention

Le signe « moins » devant une parenthèse change tous les signes à l'intérieur : c'est l'erreur la plus fréquente. Ainsi \(5 - (2x - 3) = 5 - 2x + 3 = 8 - 2x\).

V. Développer, factoriser, réduire

Vocabulaire

1. Double distributivité

Propriété

Pour tous réels \(a, b, c, d\) :

\[(a+b)(c+d) = ac + ad + bc + bd.\]
Exemple

\((x+3)(2x-1) = 2x^2 - x + 6x - 3 = 2x^2 + 5x - 3\).

2. Les trois identités remarquables

Propriété — Identités remarquables

Pour tous réels \(a\) et \(b\) :

\[(a+b)^2 = a^2 + 2ab + b^2,\] \[(a-b)^2 = a^2 - 2ab + b^2,\] \[(a+b)(a-b) = a^2 - b^2.\]

Elles se lisent dans les deux sens : de gauche à droite pour développer, de droite à gauche pour factoriser.

Exemple

3. Factorisation par facteur commun

Propriété

Pour tous réels \(a, b, x\) :

\[ax^2 + bx = x(ax + b), \qquad ax + bx = (a+b)x.\]
Exemple

\(6x^2 - 9x = 3x(2x - 3)\). Cette factorisation sera essentielle pour résoudre les équations produit nul.

Méthode — Factoriser une expression
  1. Repérer un facteur commun ⟶ mise en facteur.
  2. Sinon, reconnaître une identité remarquable (deux carrés, un double produit…).
  3. Vérifier en redéveloppant.

Exemple résolu. Factoriser \(E = 4x^2 - 12x + 9\). On reconnaît \((2x)^2 - 2\times(2x)\times 3 + 3^2 = (2x - 3)^2\).

4. Choisir la forme adaptée

ObjectifForme adaptée
Calculer une image (valeur numérique)développée réduite
Résoudre une équation « = 0 »factorisée
Repérer le terme constant, le coefficient dominantdéveloppée réduite
Exercice d'application 4. 1. Développer et réduire \(D = (2x - 5)^2 - (x+1)(x-1)\). 2. Factoriser \(F = 9x^2 - 4\).

1. \((2x-5)^2 = 4x^2 - 20x + 25\) et \((x+1)(x-1) = x^2 - 1\), d'où \(D = 4x^2 - 20x + 25 - (x^2 - 1) = 3x^2 - 20x + 26\).

2. \(F = (3x)^2 - 2^2 = (3x - 2)(3x + 2)\).

VI. Comparaison de deux quantités

1. Comparaison par différence (additive)

Propriété

Pour tous réels \(a\) et \(b\) :

\[a - b \gt 0 \iff a \gt b, \qquad a - b \lt 0 \iff a \lt b, \qquad a - b = 0 \iff a = b.\]

On étudie le signe de la différence \(a - b\) : elle mesure de combien on passe de \(b\) à \(a\) (variation additive).

Exemple

Comparer \(A = \dfrac{7}{5}\) et \(B = \dfrac{4}{3}\) : \(A - B = \dfrac{21 - 20}{15} = \dfrac{1}{15} \gt 0\), donc \(A \gt B\) (\(A\) dépasse \(B\) de \(\frac{1}{15}\)).

2. Comparaison par quotient (multiplicative)

Propriété

Pour deux réels strictement positifs \(a\) et \(b\) :

\[\dfrac{a}{b} \gt 1 \iff a \gt b, \qquad \dfrac{a}{b} \lt 1 \iff a \lt b, \qquad \dfrac{a}{b} = 1 \iff a = b.\]

Le quotient \(\frac{a}{b}\) indique par quel facteur on passe de \(b\) à \(a\) (variation multiplicative, souvent en %).

Condition impérative

La comparaison par quotient n'est valable que si \(a\) et \(b\) sont strictement positifs.

Exemple

Un prix passe de \(80\) € à \(92\) € : \(\dfrac{92}{80} = 1{,}15\), soit une augmentation de 15 % (\(1{,}15 = 1 + 0{,}15\)).

Méthode — Comparer deux nombres
  1. Variation absolue, ou signes quelconques ⟶ étudier le signe de la différence.
  2. Deux nombres strictement positifs et variation relative (%) ⟶ comparer le quotient à 1.
  3. Conclure et interpréter.

Exemple résolu. Comparer \(a = 0{,}3\) et \(b = \frac{1}{3}\) : \(a - b = \frac{9 - 10}{30} = -\frac{1}{30} \lt 0\), donc \(a \lt b\).

Exercice d'application 5. Un article coûtait \(150\) € et coûte maintenant \(180\) €. Donner la variation additive (en €) puis la variation multiplicative (en %).

Différence : \(180 - 150 = 30\) €. Quotient : \(\dfrac{180}{150} = 1{,}2\), soit une hausse de 20 %.

VII. Écritures, ordre de grandeur, unités

1. Passer d'une écriture à une autre

Exemple

Un même nombre s'écrit sous forme décimale, fractionnaire ou en pourcentage : \(\dfrac{3}{4} = 0{,}75 = 75\,\%\). Rappel : \(p\,\%\) signifie \(\dfrac{p}{100}\).

2. Ordre de grandeur et vraisemblance

Définition

L'ordre de grandeur d'un nombre est la puissance de \(10\) la plus proche ; il permet de vérifier la vraisemblance d'un résultat.

Exemple

Pour estimer \(498 \times 21\), on calcule \(500 \times 20 = 10\,000\) : le résultat exact (\(10\,458\)) doit être proche de \(10\,000\). Un résultat de l'ordre de \(1\,000\) ou de \(100\,000\) signalerait une erreur.

3. Conversions d'unités

Propriété — Conversions usuelles
Attention aux aires et volumes

Quand on change d'unité de longueur, le facteur est élevé au carré pour une aire (\(\times 100\) entre m et cm donne \(\times 100^2 = 10\,000\)) et au cube pour un volume.

Méthode — Application numérique d'une formule
  1. Écrire la formule littérale.
  2. Remplacer chaque lettre par sa valeur avec son unité.
  3. Calculer et donner le résultat avec l'unité adaptée.

Exemple résolu. Aire d'un disque de rayon \(r = 5\ \text{cm}\) : \(S = \pi r^2 = \pi \times 5^2 = 25\pi \approx 78{,}5\ \text{cm}^2\).

Exercice d'application 6. Une cuve a la forme d'un pavé droit de dimensions \(2\ \text{m} \times 1{,}5\ \text{m} \times 0{,}8\ \text{m}\). 1. Calculer son volume en \(\text{m}^3\). 2. Le convertir en litres.

1. \(V = 2 \times 1{,}5 \times 0{,}8 = 2{,}4\ \text{m}^3\).

2. Comme \(1\ \text{m}^3 = 1\,000\ \text{L}\), on obtient \(V = 2\,400\ \text{L}\).

Erreurs fréquentes / points de vigilance

Les pièges du chapitre

❌ \(-(a - b) = -a - b\).

✅ Le signe « moins » change tout : \(-(a - b) = -a + b = b - a\).

❌ \((a+b)^2 = a^2 + b^2\) (on oublie le double produit).

✅ \((a+b)^2 = a^2 + 2ab + b^2\).

❌ \(\sqrt{a+b} = \sqrt{a} + \sqrt{b}\).

✅ Aucune règle pour la somme : \(\sqrt{9+16}=5 \neq 3+4\).

❌ Écrire \(\sqrt{a^2} = a\) même si \(a\) peut être négatif.

✅ \(\sqrt{a^2} = |a|\).

❌ Comparer par quotient des nombres de signe quelconque.

✅ La comparaison par quotient est réservée aux nombres strictement positifs.

❌ Oublier d'élever le facteur au carré (aires) ou au cube (volumes).

✅ \(1\ \text{m}^2 = 100^2\ \text{cm}^2 = 10\,000\ \text{cm}^2\).

L'essentiel à retenir

À retenir :