2de Mathématiques Exercices Gratuit

Exercices corrigés — Puissances, racines carrées et calcul littéral

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  1. Exercice 1 : Calculer avec les puissances : règles, pièges et écriture scientifique
  2. Exercice 2 : Racines carrées : règles de calcul et valeur absolue
  3. Exercice 3 : Identités remarquables : développer, factoriser, choisir la forme
  4. Exercice 4 : Simplifier des racines carrées, résoudre x² = a, démontrer une règle
  5. Exercice 5 : Puissances de 2 et racine carrée de 2 : les formats de papier A4, A3…
  6. Les trois réflexes à retenir

Un contrôle bientôt ? Faire mon plan de révision

Une feuille A4 qui est la moitié d’une feuille A3, un nombre écrit 2×1052 \times 10^5, la diagonale d’un carré qui vaut 2\sqrt{2} fois son côté : les puissances et les racines carrées servent dès qu’on mesure et qu’on compare. En seconde, elles se calculent avec des règles précises, et le calcul littéral permet de transformer une expression ou une formule avant de s’en servir. Les trois premiers exercices sont des questions flash, à faire sans calculatrice : deux quiz et un texte à trous, corrigés dès que tu valides. Les deux suivants se rédigent, avec un corrigé détaillé comme au tableau : des racines carrées à simplifier, l’équation x2=ax^2 = a et la démonstration d’une règle du cours, puis les formats de papier A4, A3…, où se croisent puissances de 2, racine carrée de 2 et un petit programme Python, comme en évaluation.

Puissances, racines carrées et calcul littéral : l’essentiel

Les puissances

Pour un nombre aa non nul et deux entiers relatifs mm et nn, les exposants s’ajoutent dans un produit, se retranchent dans un quotient et se multiplient pour une puissance de puissance :

am×an=am+na^m \times a^n = a^{m+n} aman=am−n\dfrac{a^m}{a^n} = a^{m-n} (am)n=am×n(a^m)^n = a^{m \times n}

Avec a0=1a^0 = 1, a−n=1ana^{-n} = \dfrac{1}{a^n} et, pour bb non nul, (ab)n=anbn(ab)^n = a^n b^n. Ces règles demandent la même base ou le même exposant : 23×322^3 \times 3^2 ne s’écrit pas 656^5, il se calcule. Sans parenthèses, l’exposant ne porte que sur le nombre qui le précède : −32=−9-3^2 = -9, alors que (−3)2=9(-3)^2 = 9.

Les racines carrées

Pour a⩾0a \geqslant 0, a\sqrt{a} est le nombre positif ou nul dont le carré vaut aa: 49=7\sqrt{49} = 7. Deux règles :

ab=a×b\sqrt{ab} = \sqrt{a} \times \sqrt{b} x2=∣x∣\sqrt{x^2} = |x|

La première vaut pour a⩾0a \geqslant 0 et b⩾0b \geqslant 0, la seconde pour tout réel xx: ∣x∣|x| est la distance de xx à 0. Aucune règle pour une somme : 9+16=5\sqrt{9 + 16} = 5, alors que 9+16=7\sqrt{9} + \sqrt{16} = 7.

L’équation x² = a

  • Si a>0a \gt 0, elle a deux solutions, −a-\sqrt{a} et a\sqrt{a}.
  • Si a=0a = 0, elle a une solution, 00.
  • Si a<0a \lt 0, elle n’a aucune solution : un carré est positif ou nul.

Développer, factoriser

(a+b)2=a2+2ab+b2(a+b)^2 = a^2 + 2ab + b^2 (a−b)2=a2−2ab+b2(a-b)^2 = a^2 - 2ab + b^2 (a+b)(a−b)=a2−b2(a+b)(a-b) = a^2 - b^2

Lues de gauche à droite, ces égalités développent ; de droite à gauche, elles factorisent. La question choisit la forme : la forme factorisée pour résoudre A(x)=0A(x) = 0, la forme développée pour calculer A(0)A(0).

Isoler une variable, comparer deux nombres

Une formule se transforme comme une équation : on fait la même opération sur les deux membres, et l’on ne divise que par un nombre non nul. Ainsi U=RIU = RI donne I=URI = \dfrac{U}{R} pour R≠0R \neq 0. Pour comparer deux nombres aa et bb, on étudie le signe de leur différence a−ba - b; s’ils sont strictement positifs, on peut aussi comparer leur quotient ab\dfrac{a}{b} à 1.

Le carré d’une somme n’est pas la somme des carrés.

(3+4)2=72=49(3 + 4)^2 = 7^2 = 49, alors que 32+42=253^2 + 4^2 = 25. Il manque le double produit 2×3×4=242 \times 3 \times 4 = 24.

La carte du chapitre. Avant d’appliquer une règle, vérifie ce qu’elle demande : la même base pour les puissances, des nombres positifs ou nuls sous les racines.

Avant de te lancer : pour les exercices 4 et 5, cherche au brouillon avant d’ouvrir le corrigé : c’est en te trompant que tu progresses. Les exercices réussis se cochent au fur et à mesure, et la page retient où tu en es.

Exercice 1

Calculer avec les puissances : règles, pièges et écriture scientifique

★★★

Questions flash, sans calculatrice

  1. Quelle est l'écriture de 53×5−55^3 \times 5^{-5} sous la forme d'une seule puissance de 5 ?
  2. Que vaut −24-2^4 ?
  3. Peut-on écrire 23×322^3 \times 3^2 sous la forme d'une seule puissance de 6 ?
  4. Quelle est l'écriture scientifique de (4×10−3)×(5×107)(4 \times 10^{-3}) \times (5 \times 10^{7}) ?

Exercice 2

Racines carrées : règles de calcul et valeur absolue

★★★

Questions flash, sans calculatrice

  1. Que vaut 12×3\sqrt{12} \times \sqrt{3} ?
  2. Quel nombre est égal à 323\sqrt{2} ?
  3. Quelles sont les solutions de l'équation x2=7x^2 = 7 ?
  4. Que vaut (1−2)2\sqrt{(1 - \sqrt{2})^2} ?
  5. La formule S=πr2S = \pi r^2 donne l'aire d'un disque de rayon r. Comment s'exprime le rayon en fonction de l'aire ?

Exercice 3

Identités remarquables : développer, factoriser, choisir la forme

★★★

Le cours en un texte à trous, sans calculatrice

Développer un produit, c'est l'écrire sous la forme d'  ; factoriser une somme, c'est l'écrire sous la forme d' . Avec l'identité (a + b)² = a² + 2ab + b², l'expression (x + 5)² se développe en . Avec (a + b)(a − b) = a² − b², le produit (x − 3)(x + 3) vaut . Pour factoriser 4x² + 12x, on met en facteur , et l'on obtient 4x(x + 3). L'expression 9x² − 1 se factorise en , en reconnaissant a² − b² avec a = 3x et b = 1. Pour résoudre A(x) = 0, la forme la plus adaptée est la forme , car un produit est nul lorsque l'un de ses facteurs est nul ; pour calculer A(0), c'est souvent la forme . Pour comparer deux nombres a et b, on peut étudier le signe de leur a − b. Enfin, pour isoler I dans la formule P = UI, où U n'est pas nul, on , ce qui donne I = P / U.

Exercice 4

Simplifier des racines carrées, résoudre x² = a, démontrer une règle

★★★

Application directe, avec une démonstration du cours

  1. Écrire 75\sqrt{75} et 12\sqrt{12} sous la forme k3k\sqrt{3}, où kk est un entier. En déduire que le nombre A=75−212A = \sqrt{75} - 2\sqrt{12} est égal à 3\sqrt{3}.
  2. Développer et réduire B=(2+3)2B = (2 + \sqrt{3})^2 et C=(7−2)(7+2)C = (\sqrt{7} - 2)(\sqrt{7} + 2).
  3. Résoudre dans R\mathbb{R}, l’ensemble des nombres réels, les équations x2=12x^2 = 12 et x2+5=1x^2 + 5 = 1.
  4. Démonstration du cours. Soit aa et bb deux réels positifs ou nuls. a) Calculer (a×b)2(\sqrt{a} \times \sqrt{b})^2. b) Justifier que a×b\sqrt{a} \times \sqrt{b} est positif ou nul. c) En déduire que ab=a×b\sqrt{ab} = \sqrt{a} \times \sqrt{b}.
Voir le corrigé

1. Pour simplifier une racine carrée, on cherche le plus grand carré parfait, c’est-à-dire le carré d’un entier, qui divise le nombre placé sous la racine : ici, 75=25×375 = 25 \times 3 et 12=4×312 = 4 \times 3. Tous ces nombres sont positifs, donc la règle ab=a×b\sqrt{ab} = \sqrt{a} \times \sqrt{b} s’applique :

75=25×3=25×3=53\sqrt{75} = \sqrt{25 \times 3} = \sqrt{25} \times \sqrt{3} = 5\sqrt{3}

12=4×3=4×3=23\sqrt{12} = \sqrt{4 \times 3} = \sqrt{4} \times \sqrt{3} = 2\sqrt{3}

On remplace dans AA, puis on met 3\sqrt{3} en facteur, comme on réduirait 5y−4y5y - 4y :

A=53−2×23=53−43=(5−4)3=3A = 5\sqrt{3} - 2 \times 2\sqrt{3} = 5\sqrt{3} - 4\sqrt{3} = (5 - 4)\sqrt{3} = \sqrt{3}

2. Pour BB, on reconnaît (a+b)2=a2+2ab+b2(a + b)^2 = a^2 + 2ab + b^2 avec a=2a = 2 et b=3b = \sqrt{3}, et l’on se sert de (3)2=3(\sqrt{3})^2 = 3 :

B=22+2×2×3+(3)2=4+43+3=7+43B = 2^2 + 2 \times 2 \times \sqrt{3} + (\sqrt{3})^2 = 4 + 4\sqrt{3} + 3 = 7 + 4\sqrt{3}

Pour CC, on reconnaît (a−b)(a+b)=a2−b2(a - b)(a + b) = a^2 - b^2 avec a=7a = \sqrt{7} et b=2b = 2 :

C=(7)2−22=7−4=3C = (\sqrt{7})^2 - 2^2 = 7 - 4 = 3

Ce produit de deux nombres écrits avec une racine carrée est un entier : l’identité a2−b2a^2 - b^2 a fait disparaître la racine.

3. Le nombre 1212 est strictement positif : l’équation x2=12x^2 = 12 a deux solutions, −12-\sqrt{12} et 12\sqrt{12}. D’après la question 1, 12=23\sqrt{12} = 2\sqrt{3} : les solutions sont −23-2\sqrt{3} et 232\sqrt{3}. On peut aussi le retrouver en factorisant : x2=12x^2 = 12 équivaut à x2−12=0x^2 - 12 = 0, et :

x2−12=x2−(12)2=(x−12)(x+12)x^2 - 12 = x^2 - (\sqrt{12})^2 = (x - \sqrt{12})(x + \sqrt{12})

Or un produit est nul lorsque l’un de ses facteurs est nul.

Pour la seconde équation, on isole d’abord le carré en retranchant 55 aux deux membres : x2+5=1x^2 + 5 = 1 équivaut à x2=−4x^2 = -4. Un carré est positif ou nul, il ne peut pas valoir −4-4 : l’équation n’a aucune solution. On écrit S=∅\mathcal{S} = \varnothing, où S\mathcal{S} désigne l’ensemble des solutions et ∅\varnothing l’ensemble vide.

4. a) On utilise la règle de la puissance d’un produit, ici (xy)2=x2y2(xy)^2 = x^2 y^2, puis la définition de la racine carrée, qui donne (a)2=a(\sqrt{a})^2 = a et (b)2=b(\sqrt{b})^2 = b :

(a×b)2=(a)2×(b)2=a×b=ab(\sqrt{a} \times \sqrt{b})^2 = (\sqrt{a})^2 \times (\sqrt{b})^2 = a \times b = ab

b) Par définition, a\sqrt{a} et b\sqrt{b} sont positifs ou nuls ; leur produit l’est donc aussi.

c) Le nombre a×b\sqrt{a} \times \sqrt{b} est positif ou nul (question b) et son carré vaut abab (question a). Or ab\sqrt{ab} est, par définition, le nombre positif ou nul dont le carré vaut abab. Les deux nombres sont donc égaux :

ab=a×b\sqrt{ab} = \sqrt{a} \times \sqrt{b}

La question b n’est pas un détail : le nombre −a×b-\sqrt{a} \times \sqrt{b} a lui aussi pour carré abab, mais il est négatif ou nul, et il n’est égal à ab\sqrt{ab} que si ab=0ab = 0.

Réflexe à retenir : pour simplifier N\sqrt{N}, cherche le plus grand carré parfait qui divise NN (44, 99, 1616, 2525, 3636…) ; pour résoudre x2=ax^2 = a, regarde d’abord le signe de aa.

Exercice 5

Puissances de 2 et racine carrée de 2 : les formats de papier A4, A3…

★★★

Type évaluation, avec un document à exploiter

Une feuille d’imprimante, un cahier, une affiche : de nombreux papiers vendus en France suivent la norme internationale ISO 216, dont voici l’essentiel. La calculatrice est autorisée.

Document - Les formats de papier de la série A (norme ISO 216)

  • Le format A0 a une aire de 1 m².
  • Chaque format s’obtient en coupant le précédent en deux rectangles identiques, par le milieu de sa longueur : A1 est la moitié de A0, A2 la moitié de A1, et ainsi de suite.
  • Tous les formats ont la même forme : le quotient de la longueur par la largeur est le même pour tous, aux arrondis près.
Dimensions des formats, arrondies au millimètre
FormatLargeur (mm)Longueur (mm)
A0 841 1 189
A1 594 841
A2 420 594
A3 297 420
A4 210 297
A5 148 210
A0 : la feuille entière A1 A2 A3 A4 A5 A5
Une feuille A0 découpée en formats plus petits : chaque découpe partage un rectangle en deux moitiés de même forme que lui.
  1. À l’aide du tableau, calculer à 0,0010{,}001 près le quotient de la longueur par la largeur pour le format A4, puis pour le format A0. Comparer ces deux quotients avec 2≈1,414\sqrt{2} \approx 1{,}414.

  2. Dans la suite, on considère des feuilles idéales, sans arrondi : pour une feuille de longueur LL et de largeur ℓ\ell, exprimées dans la même unité, on admet que L=2 ℓL = \sqrt{2}\,\ell. On coupe cette feuille par le milieu de sa longueur : chaque moitié a pour longueur ℓ\ell et pour largeur L2\dfrac{L}{2}. Montrer que le quotient de la longueur par la largeur d’une moitié vaut encore 2\sqrt{2}.

  3. a) Exprimer l’aire d’une feuille A4, en mètres carrés, sous la forme d’une puissance de 2. b) Convertir cette aire en centimètres carrés, puis la comparer avec l’aire calculée à partir des dimensions du tableau. c) Combien de feuilles A4 obtient-on en découpant une feuille A0 ?

  4. Comparer les aires des formats A3 et A4, d’abord par leur différence, puis par leur quotient. Interpréter chaque résultat.

  5. Pour trouver le premier format dont l’aire est inférieure à 1 cm21\ \text{cm}^2, on a écrit la fonction Python ci-dessous, où les aires sont exprimées en mètres carrés.

    def premier_format(seuil):
        n = 0
        aire = 1              # aire du format A0, en m²
        while aire >= seuil:
            n = n + 1
            aire = aire / 2   # aire du format suivant
        return n

    a) Justifier que 1 cm2=10−4 m21\ \text{cm}^2 = 10^{-4}\ \text{m}^2. b) Après nn passages dans la boucle, que vaut la variable aire ? c) On donne 2−13≈1,22×10−42^{-13} \approx 1{,}22 \times 10^{-4} et 2−14≈6,10×10−52^{-14} \approx 6{,}10 \times 10^{-5}. Que renvoie l’appel premier_format(0.0001) ? Interpréter ce résultat.

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1. Le quotient de deux longueurs exprimées dans la même unité n’a pas d’unité. Pour le format A4 :

297 mm210 mm≈1,414\frac{297\ \text{mm}}{210\ \text{mm}} \approx 1{,}414

Pour le format A0 :

1 189 mm841 mm≈1,414\frac{1\,189\ \text{mm}}{841\ \text{mm}} \approx 1{,}414

Les deux quotients sont égaux à 0,0010{,}001 près, et égaux à 2≈1,414\sqrt{2} \approx 1{,}414 à la même précision : les feuilles A4 et A0 ont la même forme, celle d’un rectangle dont la longueur vaut environ 2\sqrt{2} fois la largeur.

2. Le quotient de la longueur par la largeur d’une moitié est ℓ÷L2\ell \div \dfrac{L}{2}. Diviser par une fraction revient à multiplier par son inverse, puis on remplace LL par 2 ℓ\sqrt{2}\,\ell :

ℓ÷L2=ℓ×2L=2ℓL=2ℓ2 ℓ=22\ell \div \frac{L}{2} = \ell \times \frac{2}{L} = \frac{2\ell}{L} = \frac{2\ell}{\sqrt{2}\,\ell} = \frac{2}{\sqrt{2}}

La largeur ℓ\ell n’est pas nulle : on a pu simplifier par ℓ\ell. Enfin, 2=2×22 = \sqrt{2} \times \sqrt{2}, donc :

22=2×22=2\frac{2}{\sqrt{2}} = \frac{\sqrt{2} \times \sqrt{2}}{\sqrt{2}} = \sqrt{2}

Le quotient de la longueur par la largeur d’une moitié vaut encore 2\sqrt{2} : chaque moitié a la même forme que la feuille de départ. C’est pour cela qu’un document A4 peut être agrandi en A3 sans être déformé.

3. a) Chaque découpe partage une feuille en deux moitiés identiques : l’aire est divisée par 22 d’un format au suivant. Il faut quatre découpes pour passer de A0 à A4 :

1 m22×2×2×2=1 m224=2−4 m2\frac{1\ \text{m}^2}{2 \times 2 \times 2 \times 2} = \frac{1\ \text{m}^2}{2^4} = 2^{-4}\ \text{m}^2

Une feuille A4 a une aire de 2−4 m22^{-4}\ \text{m}^2. Plus généralement, le format Ann a une aire de 2−n m22^{-n}\ \text{m}^2.

b) D’abord, 2−4=116=0,06252^{-4} = \dfrac{1}{16} = 0{,}0625. Ensuite, 1 m=102 cm1\ \text{m} = 10^2\ \text{cm}, donc 1 m2=(102 cm)2=104 cm21\ \text{m}^2 = (10^2\ \text{cm})^2 = 10^4\ \text{cm}^2. Ainsi :

2−4 m2=0,0625×104 cm2=625 cm22^{-4}\ \text{m}^2 = 0{,}0625 \times 10^4\ \text{cm}^2 = 625\ \text{cm}^2

Avec les dimensions du tableau, converties en centimètres (210 mm=21,0 cm210\ \text{mm} = 21{,}0\ \text{cm} et 297 mm=29,7 cm297\ \text{mm} = 29{,}7\ \text{cm}) :

21,0 cm×29,7 cm=623,7 cm221{,}0\ \text{cm} \times 29{,}7\ \text{cm} = 623{,}7\ \text{cm}^2

Les deux aires sont très proches : l’écart, 1,3 cm21{,}3\ \text{cm}^2, vient de l’arrondi des dimensions au millimètre. Le résultat de la question a est donc vraisemblable.

c) Le nombre de feuilles A4 que l’on découpe dans une feuille A0 est le quotient de leurs aires :

1 m22−4 m2=12−4=24=16\frac{1\ \text{m}^2}{2^{-4}\ \text{m}^2} = \frac{1}{2^{-4}} = 2^4 = 16

Une feuille A0 donne 1616 feuilles A4.

4. D’après la question 3, l’aire d’une feuille A3 vaut 2−3 m2=0,125 m22^{-3}\ \text{m}^2 = 0{,}125\ \text{m}^2, et celle d’une feuille A4, 2−4 m2=0,0625 m22^{-4}\ \text{m}^2 = 0{,}0625\ \text{m}^2. Par différence :

0,125 m2−0,0625 m2=0,0625 m20{,}125\ \text{m}^2 - 0{,}0625\ \text{m}^2 = 0{,}0625\ \text{m}^2

La différence est positive : une feuille A3 a une aire plus grande que celle d’une feuille A4, de 0,0625 m20{,}0625\ \text{m}^2, soit 625 cm2625\ \text{cm}^2 ; c’est l’aire d’une feuille A4. C’est une comparaison additive. Par quotient, les deux aires étant strictement positives :

2−3 m22−4 m2=2−3−(−4)=21=2\frac{2^{-3}\ \text{m}^2}{2^{-4}\ \text{m}^2} = 2^{-3 - (-4)} = 2^1 = 2

Le quotient vaut 22 : l’aire d’une feuille A3 est le double de celle d’une feuille A4. C’est une comparaison multiplicative, très parlante ici, puisqu’une feuille A3 se découpe en deux feuilles A4.

5. a) 1 cm=10−2 m1\ \text{cm} = 10^{-2}\ \text{m}, donc 1 cm2=(10−2 m)2=10−2×2 m2=10−4 m21\ \text{cm}^2 = (10^{-2}\ \text{m})^2 = 10^{-2 \times 2}\ \text{m}^2 = 10^{-4}\ \text{m}^2, c’est-à-dire 0,0001 m20{,}0001\ \text{m}^2 : c’est la valeur à donner à seuil.

b) Au départ, aire vaut 11, l’aire du format A0 en mètres carrés. Chaque passage dans la boucle ajoute 11 à n et divise aire par 22 : après nn passages, aire vaut 2−n2^{-n}, l’aire du format Ann en mètres carrés.

c) La boucle continue tant que aire >= seuil, c’est-à-dire tant que l’aire du format atteint encore 10−4 m210^{-4}\ \text{m}^2. L’aire diminue à chaque passage. Après le passage où n prend la valeur 1313, aire vaut 2−13≈1,22×10−42^{-13} \approx 1{,}22 \times 10^{-4}, qui est supérieur à 10−410^{-4} : la boucle continue. Au passage suivant, n vaut 1414 et aire vaut 2−14≈6,10×10−52^{-14} \approx 6{,}10 \times 10^{-5}, qui est inférieur à 10−410^{-4} : la boucle s’arrête, et l’appel premier_format(0.0001) renvoie 1414. Le format A14 est le premier dont l’aire est inférieure à 1 cm21\ \text{cm}^2. C’est un format théorique, obtenu en prolongeant la règle des moitiés au-delà des formats en usage.

Réflexe à retenir : une grandeur divisée par 22 à chaque étape s’écrit avec une puissance de 22, 2−n2^{-n} fois la valeur de départ après nn étapes. Pour comparer deux grandeurs, le quotient dit « combien de fois plus », la différence dit « de combien de plus ».

Les trois réflexes à retenir

  1. Même base ou même exposant ; sinon, on calcule. Les exposants s’ajoutent dans un produit, se retranchent dans un quotient et se multiplient pour une puissance de puissance. Devant 23×322^3 \times 3^2, aucune de ces règles ne regroupe les deux facteurs : on calcule chaque puissance.
  2. Une racine carrée est positive ou nulle. C’est ce qui donne x2=∣x∣\sqrt{x^2} = |x|, deux solutions à l’équation x2=ax^2 = a quand aa est strictement positif (−a-\sqrt{a} et a\sqrt{a}), et aucune quand aa est strictement négatif. La racine d’un produit de nombres positifs se sépare ; pour une somme, il n’y a pas de règle.
  3. La question choisit la forme. La forme factorisée sert à résoudre A(x)=0A(x) = 0, la forme développée à calculer A(0)A(0). Et une formule se transforme comme une équation : même opération sur les deux membres, et une division seulement par un nombre non nul.

Pour continuer, les exercices sur les équations et inéquations reprennent l’équation x2=ax^2 = a et l’équation produit nul, et ceux sur les proportions et évolutions la lecture multiplicative d’une hausse ou d’une baisse.

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