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1sc_secdegre.tex

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\documentclass[11pt,a4paper]{article}
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\begin{document}
\titre{Équations et inéquations du second degré}{$1$\up{ere}S}
\fcours{Second degré}
\section{Résolution de l'équation du second degré}
% \subsection{Exercices d'approche}
% \exo{}
% \input{1stie_secdegre1.tex}
% \exo{}
% \input{1stie_secdegre2.tex}
% \exo{}
% \input{1stie_secdegre3.tex}
% \exo{}
% \input{1stie_secdegre4.tex}
\subsection{Définition, vocabulaire}
Une {\bf équation du second degré}, à une inconnue $x$, est une 
équation qui peut s'écrire sous la forme {\boldmath $ax^{2}+bx+c~=~0$}, où $a, b, 
c$ sont trois réels donnés, $a$ étant différent de zéro. \\
Un trinôme du second degré est un polynôme de degré $2$.\\
% Toute expression, fonction de $x$, qui peut s'écrire $ax^{2}+bx+c$ où $a, b, 
% c$ sont trois réels donnés, $a \not= 0$, est un {\bf trinôme du second 
% degré} (en $x$).\\
{\bf Résoudre, dans $\R$, l'équation} {\boldmath $ax^{2}+bx+c=0$} ; c'est trouver tous les 
nombres réels $u$ tels que $au^{2}+bu+c~=~0$. Un tel nombre est dit 
{\bf solution} ou {\bf racine} de l'équation ou encore {\bf racine} ou 
{\bf zéro} du trinôme $ax^{2}+bx+c$.\\
Si $f$ est  un trinôme du second degré définie par $f(x)=ax^{2}+bx+c$, 
résoudre $ax^{2}+bx+c=0$ c'est déterminer les événtuels antécédents de $0$ 
par $f$.
\subsection{Résolution de l'équation du second degré}
\subsubsection{Principe de résolution sur deux exemples}
\begin{enumerate}
	\item On souhaite résoudre dans $\R$, $3x^{2}-5x-4=0$.\\
	Posons $f(x)=3x^{2}-5x-4$, alors pour tout réel $x$,\\
	$f(x)=3\left[x^{2}-\frac{5}{3}x-\frac{4}{3}\right]$, \\
	or $x^{2}-\frac{5}{3}x$ 
	est le début d'un carré, car $x^{2}-\frac{5}{3}x=
	\left(x-\frac{5}{6}\right)^{2}-\frac{25}{36}$. \\
	Ainsi pour tout réel $x$,\\
	$f(x)=
	3\left[\left(x-\frac{5}{6}\right)^{2}-\frac{25}{36}-\frac{4}{3}\right]$\\
	$f(x)=3\left[\left(x-\frac{5}{6}\right)^{2}-\frac{73}{36}\right]$\\
	$f(x)=3\left[\left(x-\frac{5}{6}-\frac{\sqrt{73}}{6}\right)
	\left(x-\frac{5}{6}+\frac{\sqrt{73}}{6}\right)\right]$\\
	$f(x)=3\left[\left(x-\frac{5+\sqrt{73}}{6}\right)
	\left(x-\frac{5-\sqrt{73}}{6}\right)\right]$.\\
	Il en résulte que $f(x)=0$ équivaut à $x=\frac{5+\sqrt{73}}{6}$ ou 
	à $x=\frac{5-\sqrt{73}}{6}$. De plus on a obtenu une factorisation 
	de $f(x)$.
 
	\item On souhaite résoudre dans $\R$, $2x^{2}+3x+4=0$.\\
	Posons $f(x)=2x^{2}+3x+4$, alors pour tout réel $x$,\\
	$f(x)=2\left[x^{2}+\frac{3}{2}x+2\right]$, \\
	or $x^{2}+\frac{3}{2}x$ 
	est le début d'un carré, car $x^{2}+\frac{3}{2}x=
	\left(x+\frac{3}{4}\right)^{2}-\frac{9}{16}$. \\
	Ainsi pour tout réel $x$,\\
	$f(x)=
	2\left[\left(x+\frac{3}{4}\right)^{2}-\frac{9}{16}+2\right]$\\
	$f(x)=2\left[\left(x+\frac{3}{4}\right)^{2}+\frac{23}{16}\right]$\\
	Il est clair qu'avec cette factorisation de $
	f(x)$ l'équation $f(x)=0$ n'a pas de solution dans $\R$.
\end{enumerate}
\subsubsection{Cas général}
Posons $f(x)=ax^{2}+bx+c$, $a\not=0$.
\begin{enumerate}
	\item $1$\up{ere} étape~: Forme canonique de $f(x)$\\
Puisque $a\not=0$, $f(x)=a\left(x^{2}+\frac{b}{a}x+\frac{c}{a}\right)$ ; 
or 
$x^{2}+\frac{b}{a}x=\left(x+\frac{b}{2a}\right)^{2}-\frac{b^{2}}{4a^{2}}$
car $x^{2}+\frac{b}{a}x$ est le début du développement de 
$\left(x+\frac{b}{2a}\right)^{2}$.\\
Donc 
$f(x)=a\left[\left(x+\frac{b}{2a}\right)^{2}-\frac{b^{2}}{4a^{2}}+
\frac{c}{a}\right]=a\left[\left(x+\frac{b}{2a}\right)^{2}-\frac{b^{2}}{4a^{2}}+
\frac{4ac}{4a^{2}}\right]=
a\left[\left(x+\frac{b}{2a}\right)^{2}-\frac{b^{2}-4ac}{4a^{2}}\right]$\\
Cette dernière écriture de $f(x)$ sous la forme 
$a[(x+\square)^{2}-\bigcirc]$ est la {\bf forme canonique de $f(x)$}. 
 
	\item  $1$\up{ieme} étape~: Résolution\\
On pose $\Delta=b^{2}-4ac$, ainsi 
$f(x)=a\left[\left(x+\frac{b}{2a}\right)^{2}-\frac{\Delta}{4a^{2}}\right]$.
\begin{itemize}
	\item  Si $\Delta < 0$, alors $\frac{\Delta}{4a^{2}}<0$, le nombre 
	entre crochets est strictement positif donc l'équation $f(x)=0$ n'a 
	pas de solution.
 
	\item  Si $\Delta=0$, alors $f(x)=a\left(x+\frac{b}{2a}\right)^{2}$, 
	ainsi $f(x)=0$ équivaut à $a\left(x+\frac{b}{2a}\right)^{2}=0$ 
	équivaut à $x+\frac{b}{2a}=0$ soit $x=-\frac{b}{2a}$.
 
	\item  Si $\Delta < 0$, alors $\Delta=(\sqrt{\Delta})^{2}$ et $f(x)=
	a\left[\left(x+\frac{b}{2a}\right)^{2}-
	\frac{(\sqrt{\Delta})^{2}}{4a^{2}}\right]=a\left[\left(x+\frac{b}{2a}\right)^{2}-
	\sqrt{\frac{\Delta}{2a}}^{2}\right]=\\
	a\left(x+\frac{b}{2a}+
	\frac{\sqrt{\Delta}}{2a}\right)\left(x+\frac{b}{2a}-
	\frac{\sqrt{\Delta}}{2a}\right)=
	a\left(x-\frac{-b-\sqrt{\Delta}}{2a}\right)\left(x+\frac{-b+\sqrt{\Delta}}{2a}\right)$.\\
	Si l'on pose $x_{1}=\frac{-b-\sqrt{\Delta}}{2a}$ et $x_{2}=\frac{-b+\sqrt{\Delta}}{2a}$,
	alors $f(x)=a(x-x_{1})(x-x_{2})$.\\
	Puisque $a \not= 0$, l'équation $f(x)=0$ a donc deux solutions 
	distinctes $x_{1}$ et $x_{2}$.
\end{itemize}
\end{enumerate}
\begin{definition} \hfill
	\begin{enumerate}
			\item  Le nombre $b^{2}-4ac$ est appelé discriminant de l'équation du 
	second degré $ax^{2}+bx+c=0$ ou du trinôme $ax^{2}+bx+c$. On le 
	note $\Delta$ (lire "delta").
 
			\item  L'expression 
			$a\left[\left(x+\frac{b}{2a}\right)^{2}-\frac{\Delta}{4a^{2}}\right]$ 
			est la forme canonique de $f(x)$.
		\end{enumerate}
 
\end{definition}
\begin{theoreme} \label{un}
	Racine de l'équation $ax^{2}+bx+c=0$\\
	Lorsque $\Delta <0$, l'équation n'a pas de racine.\\
	Lorsque $\Delta=0$, l'équation a une racine, $-\frac{b}{2a}$.\\
	Lorsque $\Delta >0$, l'équation a deux racines distinctes~:
	$$
	x_{1}=\frac{-b-\sqrt{\Delta}}{2a}, \, x_{2}=\frac{-b+\sqrt{\Delta}}{2a}
	$$
\end{theoreme}
{\bf Comment résoudre des équations du second degré~?}
\begin{enumerate}
	\item  En général, mais pas toujours (voir plus bas), on calcule le 
	discriminant $\Delta$ et on utilise les formules du théorème.\\[1em]
	\begin{tabular}{|p{5cm}|p{5cm}|p{5cm}|}
			\hline
		    $x^{2}-3x+4=0$ &  \rule[-8pt]{0pt}{20pt}
			$3x^{2}-\frac{7}{2}x+\frac{49}{48}=0$  & 
			 $3x^{2}-x-4=0$ \\
			\hline
			$a=1$, $b=-3$, $c=4$
 
			$\Delta=(-3)^{2}-4\times 1\times 4=-7$
 
			$\Delta < 0$, pas de solution.
			&
			$a=3$, $b=-\frac{7}{2}$, $c=\frac{49}{48}$
 
			$\Delta=\left(-\frac{7}{2}\right)^{2}-4\times 3 \times 
			\frac{49}{48}=0$
 
			$\Delta =0$,une solution $-\frac{b}{2a}=\frac{7}{12}$.
			&
			$a=3$, $b=-1$, $c=-4$
 
			$\Delta=(-1)^{2}-4\times 3 \times (-4)=49$
 
			$\Delta >0$, deux solutions~:
 
			$x_{1}=\frac{-b-\sqrt{\Delta}}{2a}=-1$
 
			$x_{2}=\frac{-b+\sqrt{\Delta}}{2a}=\frac{4}{3}$\\
			\hline
		\end{tabular}
 
	\item  Il n'est pas toujours utile (ni judicieux) de calculer 
	$\Delta$, c' est le cas des équations suivantes~:
	\begin{multicols}{3}
		\begin{itemize}
					\item[$\bullet$] $4x^{2}-5=0$
 
					\item[$\bullet$] $7x^{2}+3x=0$
 
					\item[$\bullet$] $-3(x-1)(x+2)=0$
				\end{itemize}
	\end{multicols}
\end{enumerate}
\section{Comment relier les racines et les coefficients du trinôme~?}
\begin{propriete}
	\hfill
\begin{itemize}
	\item Lorsque l'équation $ax^{2}+bx+c=0$, $a\not=0$ a deux racines 
	$x_{1}$ et $x_{2}$, alors \fbox{$x_{1}+x_{2}=-\frac{b}{a}$} et 
	\fbox{$x_{1}x_{2}=\frac{c}{a}$}.
 
	\item  Lorsque l'équation $ax^{2}+bx+c=0$ a une seule solution 
	$x_{0}$, alors \fbox{$x_{0}+x_{0}=-\frac{b}{a}$} et 
	\fbox{$x_{0}x_{0}=\frac{c}{a}$}.
 
\end{itemize}
\end{propriete}
\begin{preuve}
\noindent $x_{1}+x_{2}=\frac{-b-\sqrt{\Delta}}{2a}+\frac{-b+\sqrt{\Delta}}{2a}=\frac{-2b}{2a}
=-\frac{b}{a}$ et $x_{1}\times 
x_{2}=\frac{-b-\sqrt{\Delta}}{2a}\times 
\frac{-b+\sqrt{\Delta}}{2a}=\frac{b^{2}-\Delta}{4a^{2}}=\frac{4ac}{4a^{2}}=\frac{c}{a}$.\\
Le calcul est trivial pour le deuxième cas.
\end{preuve}
\noindent {\bf Remarque}~: Il est utile de retenir que si on connaît a priori une racine alors 
on peut savoir à l'aide de ces formules si c'est la seule ou non et, 
dans ce cas, obtenir la valeur de la deuxième.\\
Par exemple, si on remarque que $1$ est racine de l'équation 
$x^{2}-3x+4=0$ comme $x_{1}x_{2}=\frac{c}{a}=4$ alors $4$ est aussi 
solution de l'équation. Comme elle en a au plus deux la résolution est 
terminée.
 
\section{Factorisation et signe du trinôme}
\subsection{Factorisation du trinôme}
D'après la démonstration du théorème $\ref{un}$ on peut établir le 
théorème suivant~:
\begin{theoreme}
	Notons $f(x)=ax^{2}+bx+c$, $a\not=0$
	\begin{itemize}
			\item  Lorsque $\Delta<0$, la factorisation de $f(x)$ (à coefficients réels) n'est pas possible.
 
			\item  Lorsque $\Delta=0$, $f(x)=a\left(x+\frac{b}{2a}\right)^{2}$ 
			est la forme factorisée de $f(x)$.
 
			\item  Lorsque $\Delta>0$, l'équation $f(x)=0$ a deux racines 
			distinctes $x_{1}$ et $x_{2}$ et $f(x)=a(x-x_{1})(x-x_{2})$ 
			est la forme factorisée de $f(x)$.
		\end{itemize}
\end{theoreme}
\subsection{Signe du trinôme}
% \exo{}
% \input{1stie_secdegre5.tex}
\begin{theoreme} \hfill
	\begin{enumerate}
			\item  Lorsque $\Delta < 0$, $f(x)$ est toujours du signe de $a$.
 
			\item  Lorsque $\Delta = 0$, $f(x)$ est du signe de $a$ sauf 
			lorsque $x=-\frac{b}{2a}$ auquel cas $f(x)=0$.
 
			\item   Lorsque $\Delta > 0$, $f(x)$ est du signe de $a$ {\bf 
			sauf } lorsque $x$ est entre les solutions de $f(x)=0$$f(x)$ est du signe 
			de $-a$.
		\end{enumerate}
\end{theoreme}
\begin{preuve}
	\begin{itemize}
			\item  Cas $\Delta < 0$~: la forme canonique de $f(x)$ est 
			$a\left[\left(x+\frac{b}{2a}\right)^{2}-\frac{\Delta}{4a^{2}}\right]$. 
			Comme $\Delta<0$ le nombre entre crochets est strictement positif, 
			donc $f(x)$ est du signe de $a$ pour tout $x$.
 
			\item  Cas $\Delta=0$~: la forme factorisée de $f(x)$ est 
			$a\left[\left(x+\frac{b}{2a}\right)^{2}\right]$ donc $f(x)$ est du 
			signe de $a$ sauf pour $x=-\frac{b}{2a}$  où il est nul.
 
			\item  Cas $\Delta >0$~: la forme factorisée de $f(x)$ est
			$a(x-x_{1})(x-x_{2})$$x_{1}$ et $x_{2}$ sont les solutions de 
			l'équation $f(x)=0$. Si, par exemple, $x_{1}$ est la plus petite de 
			ces deux racines on obtient le tableau de signes suivant~:\\
			\begin{tabular}{|c|ccc|ccc|ccc|}
							\hline
							 $x$ & $-\infty$ &  &\multicolumn{2}{c}{$x_{1}$} &  & 
							 \multicolumn{2}{c}{$x_{2}$} &  & $+\infty$  \\
							\hline
							$a$ &  & signe de $a$ & & & signe de $a$ &  &  & signe de $a$ &   \\
							\hline
							$x-x_{1}$ &  & $-$ & \multicolumn{2}{c}{$0$} & $+$ &  &  & $+$ &   \\
							\hline
							$x-x_{2}$ & &$-$ &  &  & $-$ & \multicolumn{2}{c}{$0$} &  $+$ &   \\
							\hline
							$(x-x_{1})(x-x_{2})$ &  & $+$ &  \multicolumn{2}{c}{$0$}& $-$
							& \multicolumn{2}{c}{$0$} & $+$ &   \\
							\hline
							$f(x)$ &  & signe de $a$ &  \multicolumn{2}{c}{$0$}& signe de $-a$
							& \multicolumn{2}{c}{$0$} & signe de $a$ &  \\
							\hline
						\end{tabular}
		\end{itemize}
\end{preuve}
\section{Fonction trinôme du second degré}
\begin{theoreme} \hfill \\
	La courbe représentative, dans le plan muni d'un repère orthogonal \rep, 
	de la fonction trinôme du second 
	degré $f~:~x\longmapsto ax^{2}+bx+c$, est une parabole. Cette parabole 
	est "tournée vers le haut" si $a>0$ et "tournée vers le bas" si 
	$a<0$. Son sommet a pour abscisse $-\frac{b}{2a}$ et la droite 
	d'equation $x=-\frac{b}{2a}$ est un axe de symétrie de cette courbe.
\end{theoreme}
\begin{preuve}
	détaillée en cours.
\end{preuve}
\noindent {\bf Remarque}~: la rédaction de ce théorème sous-entend que le 
vecteur $\vect{j}$ du repère est dirigé vers le haut.\\
Ainsi le signe de $a$ nous renseigne sur l'allure de la courbe. Le 
signe de $\Delta$ nous renseigne sur le nombre de points 
d'intersection de la courbe avec l'axe des abscisses. En effet~:
\begin{itemize}
	\item[$\bullet$] si $\Delta <0$, l'équation $f(x)=0$ n'a pas de 
	solutions donc la courbe ne coupe pas l'axe des abscisses.
 
	\item[$\bullet$]   si $\Delta=0$, l'équation $f(x)=0$ a une solution 
	donc la courbe et l'axe des abscisses n'ont qu'un point commun.
 
	\item[$\bullet$]   si $\Delta >0$, l'équation $f(x)=0$ a deux 
	solutions donc la courbe coupe l'axe des abscisses en deux points.
\end{itemize}
Le tableau suivant illustre les cas possibles~:
\begin{center}
	\begin{tabular}{|c|c|c|c|}
			\hline
			 & $\Delta >0$ & $\Delta =0$ & $\Delta <0$  \\
			\hline
			factorisation de $f(x)$ & $a(x-x_{1})(x-x_{2})$ & $a(x-x_{0})^{2}$ & 
			pas de factorisation  \\
			\hline
			équation $f(x)=0$ & $2$ solutions $x_{1}$ et $x_{2}$ & une 
			solution $x_{0}$ & pas de solution  \\
			\hline
			\rule[0pt]{0pt}{2.2cm} \raisebox{0.8cm}[0pt][0pt]{signe de $f(x)$} 
			& \includegraphics[scale=0.6]{fig1sc_secdegre.1}
			&	
			\raisebox{0.3cm}[0pt][0pt]{\includegraphics[scale=0.6]{fig1sc_secdegre.2}}
			&	
			\raisebox{0.7cm}[0pt][0pt]{\includegraphics[scale=0.6]{fig1sc_secdegre.3}}
						\\
			\hline
			\rule[0pt]{0pt}{2.2cm} \raisebox{1.1cm}[0pt][0pt]{courbes pour $a>0$}
			& \includegraphics[scale=0.7]{fig1sc_secdegre.4}
			& \includegraphics[scale=0.7]{fig1sc_secdegre.5}
			&  \includegraphics[scale=0.7]{fig1sc_secdegre.6} \\
			\hline
		    \rule[0pt]{0pt}{2.2cm} \raisebox{1.1cm}[0pt][0pt]{courbes pour $a<0$}
			& \includegraphics[scale=0.7]{fig1sc_secdegre.7}
			& \includegraphics[scale=0.7]{fig1sc_secdegre.8}
			&  \includegraphics[scale=0.7]{fig1sc_secdegre.9} \\
			\hline
		\end{tabular}
\end{center}
\end{document}