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Chapitre 1 · Cours écrit

Équations et fonctions polynômes du second degré

Une balle lancée en l'air, l'arc d'une passerelle, l'aire d'un potager, le bénéfice d'un atelier : toutes ces situations se décrivent par une fonction du second degré, comme x↦x2−4x+3x \mapsto x^2 - 4x + 3. Ce chapitre t'apprend à manipuler ces fonctions sous leurs trois écritures : la forme développée, la forme factorisée et la forme canonique. À la fin, tu sauras résoudre n'importe quelle équation ou inéquation du second degré, étudier le signe et les variations d'une telle fonction, et choisir l'écriture qui rend un problème facile.

Le cœur du chapitre est le discriminant, et sa démonstration est à connaître. Tout le reste sert à ne pas en avoir besoin quand un calcul plus court existe : le premier réflexe est de regarder l'expression avant de calculer.

Comme à l'épreuve anticipée, tout se fait ici sans calculatrice. Les encadrés « Automatisme » signalent les calculs à savoir faire de tête, sans hésiter.

Leçon 1 : Fonction carré et identités remarquables

Voir la vidéo de la leçon 1

1.1 La fonction carré

La fonction carré est la fonction définie sur R\mathbb{R} par f(x)=x2f(x) = x^2. Sa courbe s'appelle une parabole.

  • Pour tout réel xx, x2≥0x^2 \geq 0 : la courbe ne descend jamais sous l'axe des abscisses.
  • ff est décroissante sur ]−∞ ;0]]-\infty\,;0] et croissante sur [0 ;+∞[[0\,;+\infty[.
  • Son minimum vaut 00 et il est atteint en 00.
xx −∞-\infty 00 +∞+\infty
ff décroissante 00 croissante

1.2 L'équation x2=kx^2 = k

La droite horizontale d'ordonnée kk coupe la parabole en deux points, en un point ou en aucun point. L'équation x2=kx^2 = k a donc :

Cas Solutions
k>0k > 0 deux solutions : k\sqrt{k} et −k-\sqrt{k}
k=0k = 0 une solution : 00
k<0k < 0 aucune solution

Exemple 1. x2=9x^2 = 9 a pour solutions 33 et −3-3. x2=5x^2 = 5 a pour solutions 5\sqrt5 et −5-\sqrt5. x2=−4x^2 = -4 n'a pas de solution, car un carré n'est jamais négatif.

Ces trois cas reviendront à la leçon 6 : ce sont exactement ceux du discriminant.

1.3 Identité ou équation ?

Une égalité avec des lettres n'a pas toujours le même statut.

  • Une identité est vraie pour toutes les valeurs des lettres : (x+1)2=x2+2x+1(x + 1)^2 = x^2 + 2x + 1 est vraie pour tout réel xx. Ici, xx est une variable.
  • Une équation n'est vraie que pour certaines valeurs : x2=9x^2 = 9 n'est vraie que pour 33 et −3-3. Ici, xx est une inconnue, dont on cherche les valeurs.
  • Un paramètre est une lettre qui désigne un nombre fixé, comme kk dans x2=kx^2 = k, ou aa, bb, cc dans ax2+bx+cax^2 + bx + c.

1.4 Les identités remarquables

Pour tous réels aa et bb : (a+b)2=a2+2ab+b2,(a−b)2=a2−2ab+b2,(a+b)(a−b)=a2−b2.(a + b)^2 = a^2 + 2ab + b^2, \qquad (a - b)^2 = a^2 - 2ab + b^2, \qquad (a + b)(a - b) = a^2 - b^2.

Lues de gauche à droite, elles servent à développer. Lues de droite à gauche, elles servent à factoriser.

Exemple 2 (développer).

  • (x+3)2=x2+6x+9(x + 3)^2 = x^2 + 6x + 9
  • (2x−1)2=4x2−4x+1(2x - 1)^2 = 4x^2 - 4x + 1
  • (x−5)(x+5)=x2−25(x - 5)(x + 5) = x^2 - 25

Attention. (x+3)2(x + 3)^2 n'est pas égal à x2+9x^2 + 9 : il manque le double produit 6x6x. Pour x=1x = 1, on a (x+3)2=16(x + 3)^2 = 16 alors que x2+9=10x^2 + 9 = 10.

Exemple 3 (factoriser).

  • x2−10x+25x^2 - 10x + 25 : deux carrés, x2x^2 et 525^2, et le double produit 2×x×5=10x2 \times x \times 5 = 10x. Donc x2−10x+25=(x−5)2x^2 - 10x + 25 = (x - 5)^2.
  • 4x2+12x+94x^2 + 12x + 9 : les carrés de 2x2x et de 33, et le double produit 2×2x×3=12x2 \times 2x \times 3 = 12x. Donc 4x2+12x+9=(2x+3)24x^2 + 12x + 9 = (2x + 3)^2.
  • 9x2−16=(3x)2−42=(3x−4)(3x+4)9x^2 - 16 = (3x)^2 - 4^2 = (3x - 4)(3x + 4).
  • x2−5=x2−(5)2=(x−5)(x+5)x^2 - 5 = x^2 - \left(\sqrt5\right)^2 = \left(x - \sqrt5\right)\left(x + \sqrt5\right).
  • x2+4x^2 + 4 est une somme de deux carrés : aucune identité remarquable ne la factorise.

Automatisme. Avant de développer, regarde si une identité remarquable s'applique. Avant de factoriser, cherche d'abord un facteur commun : 3x2−5x=x(3x−5)3x^2 - 5x = x(3x - 5).

Leçon 2 : Forme factorisée et racines

Voir la vidéo de la leçon 2

2.1 Fonction polynôme du second degré

Une fonction polynôme du second degré est une fonction définie sur R\mathbb{R} par f(x)=ax2+bx+c,f(x) = ax^2 + bx + c, où aa, bb et cc sont des réels et a≠0a \neq 0. Cette écriture s'appelle la forme développée. La courbe de ff est une parabole, tournée vers le haut si a>0a > 0 et vers le bas si a<0a < 0.

Exemple 4. 2x2−3x+12x^2 - 3x + 1 et −x2+4-x^2 + 4 (ici b=0b = 0) sont du second degré. 5x+15x + 1 ne l'est pas, car le coefficient de x2x^2 est nul.

2.2 Forme factorisée

La fonction définie par f(x)=2(x−1)(x−3)f(x) = 2(x - 1)(x - 3) est du second degré : en développant, on obtient f(x)=2x2−8x+6f(x) = 2x^2 - 8x + 6. On dit qu'elle est donnée sous forme factorisée : f(x)=a(x−x1)(x−x2).f(x) = a(x - x_1)(x - x_2).

2.3 Racines

Une racine de ff est un nombre qui annule ff : c'est une solution de l'équation f(x)=0f(x) = 0. Sur le graphique, les racines sont les abscisses des points où la courbe coupe l'axe des abscisses.

Automatisme (équation produit nul). Un produit est nul si et seulement si l'un de ses facteurs est nul.

Si f(x)=a(x−x1)(x−x2)f(x) = a(x - x_1)(x - x_2) avec a≠0a \neq 0, les racines de ff sont x1x_1 et x2x_2.

Exemple 5.

  • f(x)=2(x−1)(x−3)f(x) = 2(x - 1)(x - 3) : racines 11 et 33.
  • (2x+1)(x−3)=0(2x + 1)(x - 3) = 0 équivaut à 2x+1=02x + 1 = 0 ou x−3=0x - 3 = 0 : racines −12-\dfrac12 et 33.
  • x(x+4)x(x + 4) : racines 00 et −4-4.
  • −3(x+1)(x−5)-3(x + 1)(x - 5) : racines −1-1 et 55. Attention au signe : dans x+1x + 1, la racine est −1-1.

2.4 Toutes les fonctions qui s'annulent en deux nombres donnés

Propriété. Soient x1x_1 et x2x_2 deux réels distincts. Les fonctions polynômes du second degré qui s'annulent en x1x_1 et en x2x_2 sont exactement les fonctions x↦a(x−x1)(x−x2),avec a≠0.x \mapsto a(x - x_1)(x - x_2), \quad \text{avec } a \neq 0.

Pourquoi ? Ces fonctions conviennent, on vient de le voir. Inversement, soit ff une fonction du second degré, de coefficient aa devant x2x^2, qui s'annule en x1x_1 et en x2x_2. Posons g(x)=f(x)−a(x−x1)(x−x2)g(x) = f(x) - a(x - x_1)(x - x_2). Les termes en x2x^2 se simplifient : gg est une fonction affine (ou constante), et elle s'annule en deux nombres distincts. Sa courbe est une droite qui coupe l'axe des abscisses en deux points : c'est l'axe lui-même. Donc gg est la fonction nulle, et f(x)=a(x−x1)(x−x2)f(x) = a(x - x_1)(x - x_2).

Les fonctions qui s'annulent en x1x_1 et x2x_2 dépendent donc d'un paramètre aa. Il suffit d'une information de plus pour le trouver.

Exemple 6. Cherchons la fonction du second degré qui s'annule en −1-1 et en 33 et qui vaut −6-6 en 00. On a f(x)=a(x+1)(x−3)f(x) = a(x + 1)(x - 3), et f(0)=a×1×(−3)=−3af(0) = a \times 1 \times (-3) = -3a. L'équation −3a=−6-3a = -6 donne a=2a = 2. Donc f(x)=2(x+1)(x−3)f(x) = 2(x + 1)(x - 3).

Exemple 7 (une passerelle). L'arc d'une passerelle a la forme d'une parabole. Ses pieds sont distants de 88 mètres et sa hauteur au milieu est de 66 mètres. On place l'origine sur un pied : la hauteur hh, en mètres, s'annule en 00 et en 88, donc h(x)=a x(x−8)h(x) = a\,x(x - 8). Au milieu, h(4)=a×4×(−4)=−16a=6h(4) = a \times 4 \times (-4) = -16a = 6, d'où a=−38a = -\dfrac38.

Ainsi h(x)=−38 x(x−8)h(x) = -\dfrac38\,x(x - 8). À 22 mètres du pied, h(2)=−38×2×(−6)=368=4,5h(2) = -\dfrac38 \times 2 \times (-6) = \dfrac{36}{8} = 4{,}5 mètres.

Leçon 3 : Signe d'un polynôme sous forme factorisée

Voir la vidéo de la leçon 3

3.1 Signe d'une expression du premier degré

L'expression mx+pmx + p, avec m≠0m \neq 0, s'annule en −pm-\dfrac{p}{m}. À droite de cette valeur, elle a le signe de mm ; à gauche, le signe contraire.

Exemple 8.

  • 2x−62x - 6 s'annule en 33. Comme 2>02 > 0, elle est négative avant 33 et positive après.
  • −x+4-x + 4 s'annule en 44. Comme −1<0-1 < 0, elle est positive avant 44 et négative après.

3.2 Tableau de signes d'un produit

Exemple 9. Étudions le signe de f(x)=(x+2)(x−1)f(x) = (x + 2)(x - 1). Les facteurs s'annulent en −2-2 et en 11.

xx −∞-\infty −2-2 11 +∞+\infty
x+2x + 2 −- 00 ++ ++
x−1x - 1 −- −- 00 ++
f(x)f(x) ++ 00 −- 00 ++

f(x)f(x) est positif sur ]−∞ ;−2[]-\infty\,;-2[ et sur ]1 ;+∞[]1\,;+\infty[, négatif sur ]−2 ;1[]-2\,;1[. La courbe de ff est au-dessus de l'axe des abscisses avant −2-2 et après 11, en dessous entre les deux.

Exemple 10. Soit g(x)=−2(x+1)(x−3)g(x) = -2(x + 1)(x - 3). Le facteur constant −2-2 est toujours négatif : il inverse les signes de (x+1)(x−3)(x + 1)(x - 3).

xx −∞-\infty −1-1 33 +∞+\infty
−2-2 −- −- −-
x+1x + 1 −- 00 ++ ++
x−3x - 3 −- −- 00 ++
g(x)g(x) −- 00 ++ 00 −-

3.3 La règle

Propriété. Soit f(x)=a(x−x1)(x−x2)f(x) = a(x - x_1)(x - x_2) avec a≠0a \neq 0 et x1<x2x_1 < x_2. Alors :

  • f(x)f(x) a le signe de aa à l'extérieur des racines ;
  • f(x)f(x) a le signe contraire de aa entre les racines.

Exemple 11 (un atelier). Un atelier imprime des tee-shirts. Pour xx centaines de tee-shirts vendus, avec 0≤x≤140 \leq x \leq 14, son bénéfice, en centaines d'euros, est B(x)=−(x−2)(x−10)B(x) = -(x - 2)(x - 10).

Ici a=−1a = -1 et les racines sont 22 et 1010. Donc B(x)>0B(x) > 0 entre les racines : l'atelier gagne de l'argent pour x∈ ]2 ;10[x \in\ ]2\,;10[, soit entre 200200 et 10001000 tee-shirts. En dessous, il ne couvre pas ses frais. Au-delà, le modèle indique que ses frais dépassent ses recettes.

Automatisme. Le signe d'une expression factorisée du second degré se donne de tête : on lit aa et les deux racines, puis on applique la règle.

Leçon 4 : Somme et produit des racines

Voir la vidéo de la leçon 4

4.1 Les deux formules

Propriété. Si f(x)=ax2+bx+cf(x) = ax^2 + bx + c a pour racines x1x_1 et x2x_2, alors x1+x2=−baetx1x2=ca.x_1 + x_2 = -\frac{b}{a} \qquad \text{et} \qquad x_1 x_2 = \frac{c}{a}.

Démonstration. On a f(x)=a(x−x1)(x−x2)f(x) = a(x - x_1)(x - x_2). En développant : f(x)=ax2−a(x1+x2) x+a x1x2.f(x) = ax^2 - a(x_1 + x_2)\,x + a\,x_1 x_2. Deux expressions du second degré égales pour tout réel xx ont les mêmes coefficients (on l'admet). Donc b=−a(x1+x2)b = -a(x_1 + x_2) et c=a x1x2c = a\,x_1 x_2, d'où les formules, en divisant par aa, qui n'est pas nul.

4.2 Trouver les racines de tête

Quand a=1a = 1, la somme des racines vaut −b-b et leur produit vaut cc.

Exemple 12.

  • x2−5x+6x^2 - 5x + 6 : somme 55, produit 66. Les racines sont 22 et 33, donc x2−5x+6=(x−2)(x−3)x^2 - 5x + 6 = (x - 2)(x - 3).
  • x2+x−12x^2 + x - 12 : somme −1-1, produit −12-12. Le produit est négatif, donc les racines sont de signes contraires : 33 et −4-4. Ainsi x2+x−12=(x−3)(x+4)x^2 + x - 12 = (x - 3)(x + 4).
  • x2+8x+15x^2 + 8x + 15 : somme −8-8, produit 1515. Les racines sont −3-3 et −5-5, donc x2+8x+15=(x+3)(x+5)x^2 + 8x + 15 = (x + 3)(x + 5).

4.3 Racine évidente

Si a≠1a \neq 1, on cherche une racine évidente : on teste 11, puis −1-1, parfois 22 ou −2-2. Le produit des racines donne ensuite l'autre.

Exemple 13.

  • f(x)=2x2+3x−5f(x) = 2x^2 + 3x - 5. On a f(1)=2+3−5=0f(1) = 2 + 3 - 5 = 0 : 11 est racine. Le produit des racines vaut −52-\dfrac52, donc l'autre racine est −52-\dfrac52. Ainsi f(x)=2(x−1)(x+52)=(x−1)(2x+5)f(x) = 2(x - 1)\left(x + \dfrac52\right) = (x - 1)(2x + 5).
  • g(x)=3x2+5x+2g(x) = 3x^2 + 5x + 2. On a g(−1)=3−5+2=0g(-1) = 3 - 5 + 2 = 0 : −1-1 est racine. Le produit vaut 23\dfrac23, donc l'autre racine est −23-\dfrac23. Ainsi g(x)=(x+1)(3x+2)g(x) = (x + 1)(3x + 2).

4.4 Les factorisations directes

Ce que l'on voit Ce que l'on fait Exemple
Pas de terme constant (c=0c = 0) On met xx en facteur 3x2−12x=3x(x−4)3x^2 - 12x = 3x(x - 4)
Pas de terme en xx (b=0b = 0) Différence de deux carrés 2x2−18=2(x−3)(x+3)2x^2 - 18 = 2(x - 3)(x + 3)
Un carré parfait Identité remarquable x2−6x+9=(x−3)2x^2 - 6x + 9 = (x - 3)^2
Une racine évidente Le produit donne l'autre 2x2+3x−5=(x−1)(2x+5)2x^2 + 3x - 5 = (x - 1)(2x + 5)
a=1a = 1 et des racines entières Somme et produit x2−5x+6=(x−2)(x−3)x^2 - 5x + 6 = (x - 2)(x - 3)

Si rien de tout cela ne fonctionne, il reste la formule générale de la leçon 6. Et certaines expressions ne se factorisent pas : x2+4x^2 + 4 n'a aucune racine, car x2+4≥4x^2 + 4 \geq 4 pour tout réel xx.

Leçon 5 : Forme canonique

Voir la vidéo de la leçon 5

5.1 Compléter le carré

Regardons x2+6xx^2 + 6x comme une aire : un carré de côté xx, plus deux rectangles de dimensions xx et 33. En les plaçant de chaque côté du carré, il ne manque qu'un coin, un petit carré d'aire 99, pour former un grand carré de côté x+3x + 3. Donc x2+6x=(x+3)2−9.x^2 + 6x = (x + 3)^2 - 9.

Méthode de complétion du carré. Pour tous réels xx et kk : x2+2kx=(x+k)2−k2.x^2 + 2kx = (x + k)^2 - k^2. En pratique, on prend la moitié du coefficient de xx.

Exemple 14.

  • x2+6x+5=(x+3)2−9+5=(x+3)2−4x^2 + 6x + 5 = (x + 3)^2 - 9 + 5 = (x + 3)^2 - 4.
  • x2−4x+7=(x−2)2−4+7=(x−2)2+3x^2 - 4x + 7 = (x - 2)^2 - 4 + 7 = (x - 2)^2 + 3.

Si le coefficient de x2x^2 n'est pas 11, on le met d'abord en facteur dans les deux premiers termes.

Exemple 15.

  • 2x2−12x+10=2(x2−6x)+10=2[(x−3)2−9]+10=2(x−3)2−82x^2 - 12x + 10 = 2\left(x^2 - 6x\right) + 10 = 2\left[(x - 3)^2 - 9\right] + 10 = 2(x - 3)^2 - 8.
  • −x2+6x−4=−(x2−6x)−4=−[(x−3)2−9]−4=−(x−3)2+5-x^2 + 6x - 4 = -\left(x^2 - 6x\right) - 4 = -\left[(x - 3)^2 - 9\right] - 4 = -(x - 3)^2 + 5.

5.2 Forme canonique

Propriété. Toute fonction polynôme du second degré admet une forme canonique : f(x)=a(x−α)2+β,f(x) = a(x - \alpha)^2 + \beta, où aa est le coefficient de x2x^2, et α\alpha et β\beta sont deux réels.

Le calcul dans le cas général est fait une seule fois, à la leçon 6. En exercice, on la détermine sur des expressions numériques simples.

La forme canonique permet de résoudre une équation :

Exemple 16. x2+6x+5=0x^2 + 6x + 5 = 0 équivaut à (x+3)2=4(x + 3)^2 = 4, soit x+3=2x + 3 = 2 ou x+3=−2x + 3 = -2. Les solutions sont −1-1 et −5-5.

5.3 Position de la courbe

Propriété. Soit mm un réel. La courbe de x↦f(x−m)x \mapsto f(x - m) s'obtient en décalant la courbe de ff de mm unités horizontalement : vers la droite si m>0m > 0, vers la gauche si m<0m < 0.

En effet, la valeur prise par ff en un nombre uu est prise par x↦f(x−m)x \mapsto f(x - m) en x=u+mx = u + m.

La courbe de f(x)=a(x−α)2+βf(x) = a(x - \alpha)^2 + \beta est donc celle de x↦ax2x \mapsto ax^2, décalée de α\alpha horizontalement et de β\beta verticalement.

Exemple 17. La courbe de x↦(x−3)2x \mapsto (x - 3)^2 est la parabole de la fonction carré décalée de 33 vers la droite. Celle de x↦(x−3)2−4x \mapsto (x - 3)^2 - 4 est décalée en plus de 44 vers le bas.

5.4 Extrémum et variations

Un carré est positif ou nul. Si f(x)=(x−3)2−4f(x) = (x - 3)^2 - 4, alors f(x)≥−4f(x) \geq -4 pour tout réel xx, et f(3)=−4f(3) = -4 : le minimum de ff vaut −4-4 et il est atteint en 33.

Propriété. Soit f(x)=a(x−α)2+βf(x) = a(x - \alpha)^2 + \beta.

a>0a > 0 a<0a < 0
Extrémum minimum β\beta, atteint en α\alpha maximum β\beta, atteint en α\alpha
Variations décroissante sur ]−∞ ;α]]-\infty\,;\alpha], croissante sur [α ;+∞[[\alpha\,;+\infty[ croissante sur ]−∞ ;α]]-\infty\,;\alpha], décroissante sur [α ;+∞[[\alpha\,;+\infty[

Le point de coordonnées (α ;β)(\alpha\,;\beta) est le point le plus bas ou le plus haut de la parabole, et la droite verticale d'équation x=αx = \alpha est son axe de symétrie.

Exemple 18. Soit f(x)=−(x−3)2+5f(x) = -(x - 3)^2 + 5. Ici a=−1<0a = -1 < 0 : ff est croissante sur ]−∞ ;3]]-\infty\,;3], décroissante sur [3 ;+∞[[3\,;+\infty[, et son maximum vaut 55, atteint en 33.

5.5 Un peu d'histoire

On trouve chez Diophante, puis chez Al-Khwârizmî, des méthodes de résolution d'équations du second degré. Le travail novateur d'Al-Khwârizmî reste en partie lié à la tradition : il s'appuie sur des considérations géométriques équivalentes à la forme canonique, comme notre carré complété, sans notation algébrique développée et sans nombres négatifs. Nos formules sont l'aboutissement d'un long cheminement vers une écriture efficace et concise.

Leçon 6 : Discriminant et résolution de l'équation

Voir la vidéo de la leçon 6

6.1 Le résultat

Définition. Le discriminant de ax2+bx+cax^2 + bx + c (avec a≠0a \neq 0) est le nombre Δ=b2−4ac.\Delta = b^2 - 4ac.

Théorème. L'équation ax2+bx+c=0ax^2 + bx + c = 0, avec a≠0a \neq 0, a :

Signe de Δ\Delta Solutions
Δ<0\Delta < 0 aucune solution réelle
Δ=0\Delta = 0 une solution : x0=−b2ax_0 = -\dfrac{b}{2a}
Δ>0\Delta > 0 deux solutions : x1=−b−Δ2ax_1 = \dfrac{-b - \sqrt{\Delta}}{2a} et x2=−b+Δ2ax_2 = \dfrac{-b + \sqrt{\Delta}}{2a}

6.2 Démonstration

Soit f(x)=ax2+bx+cf(x) = ax^2 + bx + c avec a≠0a \neq 0. On applique la complétion du carré dans le cas général.

Étape 1 : mettre aa en facteur. Comme a≠0a \neq 0, f(x)=a(x2+bax+ca).f(x) = a\left(x^2 + \frac{b}{a}x + \frac{c}{a}\right).

Étape 2 : compléter le carré. La moitié de ba\dfrac{b}{a} est b2a\dfrac{b}{2a}, donc x2+bax=(x+b2a)2−b24a2x^2 + \dfrac{b}{a}x = \left(x + \dfrac{b}{2a}\right)^2 - \dfrac{b^2}{4a^2}, et f(x)=a[(x+b2a)2−b24a2+ca].f(x) = a\left[\left(x + \frac{b}{2a}\right)^2 - \frac{b^2}{4a^2} + \frac{c}{a}\right].

Étape 3 : réduire au même dénominateur. Comme ca=4ac4a2\dfrac{c}{a} = \dfrac{4ac}{4a^2}, f(x)=a[(x+b2a)2−b2−4ac4a2]=a[(x+b2a)2−Δ4a2].f(x) = a\left[\left(x + \frac{b}{2a}\right)^2 - \frac{b^2 - 4ac}{4a^2}\right] = a\left[\left(x + \frac{b}{2a}\right)^2 - \frac{\Delta}{4a^2}\right].

Étape 4 : raisonner par cas. Comme a≠0a \neq 0, on a les équivalences f(x)=0  ⟺  (x+b2a)2=Δ4a2.f(x) = 0 \iff \left(x + \frac{b}{2a}\right)^2 = \frac{\Delta}{4a^2}. Le nombre 4a24a^2 est strictement positif, donc le second membre a le signe de Δ\Delta. C'est une équation du type X2=kX^2 = k (leçon 1).

  • Si Δ<0\Delta < 0, un carré ne peut pas être égal à un nombre strictement négatif : il n'y a pas de solution.
  • Si Δ=0\Delta = 0, l'équation équivaut à x+b2a=0x + \dfrac{b}{2a} = 0 : il y a une seule solution, −b2a-\dfrac{b}{2a}.
  • Si Δ>0\Delta > 0, l'équation équivaut à x+b2a=Δ2ax + \dfrac{b}{2a} = \dfrac{\sqrt{\Delta}}{2a} ou x+b2a=−Δ2ax + \dfrac{b}{2a} = -\dfrac{\sqrt{\Delta}}{2a}, car les deux nombres ±Δ2a\pm\dfrac{\sqrt{\Delta}}{2a} ont pour carré Δ4a2\dfrac{\Delta}{4a^2}, que aa soit positif ou négatif. D'où les deux solutions −b−Δ2a\dfrac{-b - \sqrt{\Delta}}{2a} et −b+Δ2a\dfrac{-b + \sqrt{\Delta}}{2a}. ■\blacksquare

Cette démonstration montre aussi que la forme canonique existe toujours : on lit α=−b2a\alpha = -\dfrac{b}{2a} et β=−Δ4a\beta = -\dfrac{\Delta}{4a}.

6.3 Trois exemples, trois cas

Exemple 19 (Δ>0\Delta > 0). Résolvons 2x2−3x−2=02x^2 - 3x - 2 = 0. Ici a=2a = 2, b=−3b = -3, c=−2c = -2. Δ=(−3)2−4×2×(−2)=9+16=25.\Delta = (-3)^2 - 4 \times 2 \times (-2) = 9 + 16 = 25. Comme Δ>0\Delta > 0, il y a deux solutions : x1=3−54=−12x_1 = \dfrac{3 - 5}{4} = -\dfrac12 et x2=3+54=2x_2 = \dfrac{3 + 5}{4} = 2.

Exemple 20 (Δ=0\Delta = 0). Résolvons 9x2−12x+4=09x^2 - 12x + 4 = 0. Δ=144−144=0\Delta = 144 - 144 = 0. Il y a une seule solution : x0=1218=23x_0 = \dfrac{12}{18} = \dfrac23.

Exemple 21 (Δ<0\Delta < 0). Résolvons x2+x+1=0x^2 + x + 1 = 0. Δ=1−4=−3\Delta = 1 - 4 = -3. Comme Δ<0\Delta < 0, il n'y a pas de solution.

Quand Δ\Delta n'est pas un carré parfait, on garde la valeur exacte.

Exemple 22. Résolvons x2−2x−1=0x^2 - 2x - 1 = 0. Δ=4+4=8\Delta = 4 + 4 = 8, et 8=22\sqrt8 = 2\sqrt2. Les solutions sont 2−222=1−2\dfrac{2 - 2\sqrt2}{2} = 1 - \sqrt2 et 2+222=1+2\dfrac{2 + 2\sqrt2}{2} = 1 + \sqrt2.

Attention. Si bb est négatif, b2b^2 reste positif : (−3)2=9(-3)^2 = 9, et non −9-9. Et −b-b devient positif : pour b=−3b = -3, −b=3-b = 3.

Leçon 7 : Factorisation et signe dans le cas général

Voir la vidéo de la leçon 7

7.1 Factorisation

Propriété. Soit f(x)=ax2+bx+cf(x) = ax^2 + bx + c avec a≠0a \neq 0.

Signe de Δ\Delta Factorisation
Δ>0\Delta > 0 f(x)=a(x−x1)(x−x2)f(x) = a(x - x_1)(x - x_2)
Δ=0\Delta = 0 f(x)=a(x−x0)2f(x) = a(x - x_0)^2
Δ<0\Delta < 0 ff ne se factorise pas en un produit de facteurs du premier degré
  • Si Δ>0\Delta > 0, ff s'annule en deux nombres distincts : c'est la propriété de la leçon 2.
  • Si Δ=0\Delta = 0, l'écriture de la démonstration devient f(x)=a(x+b2a)2=a(x−x0)2f(x) = a\left(x + \dfrac{b}{2a}\right)^2 = a(x - x_0)^2.
  • Si Δ<0\Delta < 0, ff n'a pas de racine, alors qu'un facteur du premier degré en donnerait une.

Exemple 23.

  • 2x2−3x−22x^2 - 3x - 2 a pour racines 22 et −12-\dfrac12 : 2x2−3x−2=2(x−2)(x+12)=(x−2)(2x+1)2x^2 - 3x - 2 = 2(x - 2)\left(x + \dfrac12\right) = (x - 2)(2x + 1).
  • 9x2−12x+49x^2 - 12x + 4 a pour seule racine 23\dfrac23 : 9x2−12x+4=9(x−23)2=(3x−2)29x^2 - 12x + 4 = 9\left(x - \dfrac23\right)^2 = (3x - 2)^2.
  • x2+x+1x^2 + x + 1 a un discriminant négatif : pas de factorisation.

Attention. N'oublie pas le coefficient aa devant les parenthèses : 2x2−3x−22x^2 - 3x - 2 n'est pas égal à (x−2)(x+12)(x - 2)\left(x + \dfrac12\right).

7.2 Signe

Théorème. Soit f(x)=ax2+bx+cf(x) = ax^2 + bx + c avec a≠0a \neq 0.

Signe de Δ\Delta Signe de f(x)f(x)
Δ>0\Delta > 0 signe de aa à l'extérieur des racines, signe contraire entre les racines
Δ=0\Delta = 0 signe de aa pour tout x≠x0x \neq x_0, et f(x0)=0f(x_0) = 0
Δ<0\Delta < 0 signe de aa pour tout réel xx

Autrement dit : f(x)f(x) a le signe de aa, sauf entre les racines.

Pourquoi ? Si Δ>0\Delta > 0, c'est la règle de la leçon 3. Si Δ=0\Delta = 0, f(x)=a(x−x0)2f(x) = a(x - x_0)^2 et un carré est positif. Si Δ<0\Delta < 0, on écrit f(x)=a[(x+b2a)2+−Δ4a2]:f(x) = a\left[\left(x + \frac{b}{2a}\right)^2 + \frac{-\Delta}{4a^2}\right] : le crochet est la somme d'un carré et d'un nombre strictement positif, il est donc strictement positif, et f(x)f(x) a le signe de aa.

Δ>0\Delta > 0 Δ=0\Delta = 0 Δ<0\Delta < 0
a>0a > 0 parabole vers le haut, coupe l'axe en deux points parabole vers le haut, touche l'axe en un point parabole vers le haut, entièrement au-dessus de l'axe
a<0a < 0 parabole vers le bas, coupe l'axe en deux points parabole vers le bas, touche l'axe en un point parabole vers le bas, entièrement en dessous de l'axe

Exemple 24. Étudions le signe de f(x)=−2x2+3x+2f(x) = -2x^2 + 3x + 2. Δ=9+16=25\Delta = 9 + 16 = 25. Les racines sont −3+5−4=−12\dfrac{-3 + 5}{-4} = -\dfrac12 et −3−5−4=2\dfrac{-3 - 5}{-4} = 2. Comme a=−2<0a = -2 < 0 :

xx −∞-\infty −12-\frac12 22 +∞+\infty
f(x)f(x) −- 00 ++ 00 −-

Exemple 25. g(x)=−x2+x−1g(x) = -x^2 + x - 1. Δ=1−4=−3<0\Delta = 1 - 4 = -3 < 0 et a=−1<0a = -1 < 0 : g(x)<0g(x) < 0 pour tout réel xx.

Leçon 8 : Inéquations du second degré

Voir la vidéo de la leçon 8

8.1 La méthode

  1. Ramener tout d'un même côté, pour comparer une expression à 00.
  2. Chercher les racines (factorisation directe ou discriminant).
  3. Étudier le signe avec le signe de aa.
  4. Conclure en écrivant les solutions avec des intervalles. Une inégalité large (≤\leq ou ≥\geq) garde les racines, une inégalité stricte les exclut.

Exemple 26. Résolvons x2−x−6≤0x^2 - x - 6 \leq 0. Deux nombres de somme 11 et de produit −6-6 : les racines sont −2-2 et 33. Comme a=1>0a = 1 > 0, l'expression est négative entre les racines. L'ensemble des solutions est S=[−2 ;3]S = [-2\,;3].

Exemple 27 (une parabole et une droite). Pour quelles valeurs de xx la parabole d'équation y=2x2y = 2x^2 est-elle au-dessus de la droite d'équation y=x+3y = x + 3 ?

On résout 2x2>x+32x^2 > x + 3, soit 2x2−x−3>02x^2 - x - 3 > 0. Δ=1+24=25\Delta = 1 + 24 = 25. Les racines sont 1−54=−1\dfrac{1 - 5}{4} = -1 et 1+54=32\dfrac{1 + 5}{4} = \dfrac32. Comme a=2>0a = 2 > 0, l'expression est positive à l'extérieur des racines : S= ]−∞ ;−1[ ∪ ]32 ;+∞[.S = \ ]-\infty\,;-1[\ \cup\ \left]\frac32\,;+\infty\right[.

8.2 Quand il n'y a pas deux racines

Exemple 28. Pour x2+x+1x^2 + x + 1, Δ=−3<0\Delta = -3 < 0 et a>0a > 0 : l'expression est strictement positive pour tout réel xx.

  • x2+x+1>0x^2 + x + 1 > 0 a pour ensemble de solutions S=RS = \mathbb{R}.
  • x2+x+1≤0x^2 + x + 1 \leq 0 n'a aucune solution : S=∅S = \varnothing.

Exemple 29. x2−6x+9=(x−3)2x^2 - 6x + 9 = (x - 3)^2.

  • x2−6x+9≤0x^2 - 6x + 9 \leq 0 : un carré n'est négatif ou nul que s'il est nul, donc S={3}S = \{3\}.
  • x2−6x+9>0x^2 - 6x + 9 > 0 : S=R∖{3}= ]−∞ ;3[ ∪ ]3 ;+∞[S = \mathbb{R} \setminus \{3\} = \ ]-\infty\,;3[\ \cup\ ]3\,;+\infty[.

8.3 Deux pièges

Piège 1 : prendre la racine carrée trop vite. x2>4x^2 > 4 ne veut pas dire x>2x > 2 : le nombre −3-3 convient aussi. On écrit x2−4>0x^2 - 4 > 0, soit (x−2)(x+2)>0(x - 2)(x + 2) > 0, et les solutions sont à l'extérieur des racines : S= ]−∞ ;−2[ ∪ ]2 ;+∞[S = \ ]-\infty\,;-2[\ \cup\ ]2\,;+\infty[.

Piège 2 : diviser par xx. Pour x2≥3xx^2 \geq 3x, on ne peut pas diviser par xx, qui peut être négatif ou nul. On écrit x2−3x≥0x^2 - 3x \geq 0, soit x(x−3)≥0x(x - 3) \geq 0, et S= ]−∞ ;0] ∪ [3 ;+∞[S = \ ]-\infty\,;0]\ \cup\ [3\,;+\infty[. En divisant par xx, on aurait perdu les nombres négatifs et 00.

Leçon 9 : Choisir la forme adaptée

Voir la vidéo de la leçon 9

9.1 Trois écritures, trois usages

La même fonction s'écrit f(x)=2x2−8x+6⏟deˊveloppeˊe=2(x−2)2−2⏟canonique=2(x−1)(x−3)⏟factoriseˊe.f(x) = \underbrace{2x^2 - 8x + 6}_{\text{développée}} = \underbrace{2(x - 2)^2 - 2}_{\text{canonique}} = \underbrace{2(x - 1)(x - 3)}_{\text{factorisée}}.

Question Forme à choisir Réponse pour cette fonction
Valeur en 00 développée f(0)=6f(0) = 6
f(x)=cf(x) = c développée f(x)=6  ⟺  2x(x−4)=0  ⟺  x=0f(x) = 6 \iff 2x(x - 4) = 0 \iff x = 0 ou x=4x = 4
Extrémum, variations canonique minimum −2-2, atteint en 22 ; décroissante, puis croissante
f(x)=βf(x) = \beta canonique f(x)=−2  ⟺  (x−2)2=0  ⟺  x=2f(x) = -2 \iff (x - 2)^2 = 0 \iff x = 2
Racines factorisée 11 et 33
Signe, inéquation f(x)<0f(x) < 0 factorisée S= ]1 ;3[S = \ ]1\,;3[

9.2 Un problème d'optimisation

Exemple 30 (un potager). Avec 4040 mètres de grillage, on veut fermer un potager rectangulaire le long d'un mur, qui remplace un des côtés. On note xx la largeur, en mètres, perpendiculaire au mur. Le côté parallèle au mur mesure 40−2x40 - 2x, avec 0<x<200 < x < 20, et l'aire, en mètres carrés, est A(x)=x(40−2x)=−2x2+40x.A(x) = x(40 - 2x) = -2x^2 + 40x.

Aire maximale. On veut un extrémum : on cherche la forme canonique. A(x)=−2(x2−20x)=−2[(x−10)2−100]=−2(x−10)2+200.A(x) = -2\left(x^2 - 20x\right) = -2\left[(x - 10)^2 - 100\right] = -2(x - 10)^2 + 200. Comme a=−2<0a = -2 < 0, l'aire est maximale pour x=10x = 10. Le potager mesure alors 1010 mètres sur 2020 mètres, pour une aire de 200200 mètres carrés.

Aire d'au moins 150150 mètres carrés. On résout −2x2+40x≥150-2x^2 + 40x \geq 150, soit, en divisant par −2-2, ce qui change le sens de l'inégalité, x2−20x+75≤0x^2 - 20x + 75 \leq 0. Deux nombres de somme 2020 et de produit 7575 : 55 et 1515. Comme a=1>0a = 1 > 0, l'expression est négative entre les racines : la largeur doit être comprise entre 55 et 1515 mètres.

Méthode pour un problème.

  1. Choisir l'inconnue et son intervalle.
  2. Exprimer la grandeur étudiée en fonction de xx.
  3. Traduire la question : valeur, équation, inéquation ou extrémum.
  4. Choisir la forme adaptée, puis répondre par une phrase, avec l'unité.

Ce qu'il faut retenir du chapitre

  1. Fonction du second degré : f(x)=ax2+bx+cf(x) = ax^2 + bx + c avec a≠0a \neq 0. Sa courbe est une parabole, tournée vers le haut si a>0a > 0, vers le bas si a<0a < 0.
  2. Trois formes : développée ax2+bx+cax^2 + bx + c, factorisée a(x−x1)(x−x2)a(x - x_1)(x - x_2), canonique a(x−α)2+βa(x - \alpha)^2 + \beta. On choisit celle qui répond le plus vite à la question.
  3. Racines : somme −ba-\dfrac{b}{a}, produit ca\dfrac{c}{a}. Avant de calculer, on regarde : racine évidente, b=0b = 0, c=0c = 0, identité remarquable.
  4. Discriminant : Δ=b2−4ac\Delta = b^2 - 4ac. Si Δ>0\Delta > 0, deux racines −b±Δ2a\dfrac{-b \pm \sqrt{\Delta}}{2a}. Si Δ=0\Delta = 0, une racine −b2a-\dfrac{b}{2a}. Si Δ<0\Delta < 0, aucune.
  5. Signe : f(x)f(x) a le signe de aa, sauf entre les racines.
  6. Forme canonique : compléter le carré avec x2+2kx=(x+k)2−k2x^2 + 2kx = (x + k)^2 - k^2. L'extrémum de ff est β\beta, atteint en α\alpha.
  7. Courbe : la courbe de x↦f(x−m)x \mapsto f(x - m) est celle de ff décalée de mm horizontalement.
  8. Inéquation : on ramène à 00, on cherche les racines, on étudie le signe, on conclut avec des intervalles.

Rituel d'automatismes

Douze questions à réponses courtes, sans calculatrice, à faire en dix minutes environ : six sur ce chapitre, six sur des automatismes déjà travaillés. C'est le format de la première partie de l'épreuve anticipée. Télécharger le rituel du chapitre 1 (PDF, avec son corrigé).

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