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Second degré — Cours en classe
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Second degré — Cours en classe
SECOND DEGRÉ
Première générale — spécialité mathématiques
Cours en classe 2kπ
Définitions, démonstrations structurantes, méthodes et exemples de référence pour travailler le chapitre en classe.
Tableaux de signes et de variations, lectures graphiques et problèmes : relier les résultats à leurs conditions et à leurs usages.
Comprendre · Calculer · Justifier · Vérifier
0. Objectifs et rappels utiles
Le fil du chapitre
Reconnaître une fonction du second degré ; construire une forme canonique ; expliquer le sommet et les variations ; résoudre une équation ; factoriser ; construire un tableau de signes ; choisir une forme adaptée pour une lecture graphique ou un problème.
On travaille dans l’ensemble \(\mathbb R\) des nombres réels. Les calculs exacts et les démonstrations ne nécessitent pas de calculatrice.
Identités remarquables. Pour tous réels \(u,v\) : Le terme \(2uv\) provient des deux produits croisés : \((u+v)(u+v)=u^2+uv+vu+v^2\).
Équations. \(AB=0\iff A=0\text{ ou }B=0\). Pour \(k\in\mathbb R\), l’équation \(u^2=k\) n’a aucune solution réelle si \(k<0\), a pour seule solution \(0\) si \(k=0\), et a les deux solutions \(\pm\sqrt{k}\) si \(k>0\).
Signe d’un facteur. \(x-r\) est négatif avant \(r\), nul en \(r\), positif après \(r\). Un coefficient positif conserve ces signes ; un coefficient négatif les inverse. Pour un produit, on multiplie les signes des facteurs.
| \(x\) | \(-\infty\) | \(-5\) | \(2\) | \(+\infty\) | |||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| \(x-2\) | \(-\) | \(-\) | \(0\) | \(+\) | |||
| \(x+5\) | \(-\) | \(0\) | \(+\) | \(+\) | |||
| \((x-2)(x+5)\) | \(+\) | \(0\) | \(-\) | \(0\) | \(+\) |
Les abscisses sont rangées : \(-5<2\). Les zéros se placent sous ces abscisses ; les signes décrivent les intervalles entre elles. Le produit \((x-2)(x+5)\) est négatif sur \(]-5;2[\), positif à l’extérieur et nul en \(-5\) et \(2\).
Trois vigilances à conserver
\((-2)^2=4\) mais \(-2^2=-4\). On ne divise pas une équation par une expression qui pourrait être nulle : factoriser \(x(x-3)=0\) conserve la solution \(x=0\). Enfin, multiplier ou diviser une inégalité par un nombre négatif en inverse le sens.
1. Fonction du second degré, racines et premières méthodes
Fonction polynôme du second degré
Une fonction polynôme du second degré est une fonction \(f\) définie sur \(\mathbb R\) par C’est la forme développée réduite. \(a\) est le coefficient dominant, \(b\) le coefficient de \(x\) et \(c\) le terme constant. Sa courbe représentative est appelée une parabole.
Un terme absent a pour coefficient \(0\) : pour \(-x^2+7\), on lit \(a=-1\), \(b=0\), \(c=7\). Il faut réduire l’expression avant de décider de son degré : \((x+1)^2-x^2=2x+1\) est affine. Si \(a=0\), on n’est plus dans le second degré.
1.1 Image, antécédent et racine
Une image se calcule : \(f(u)\) est obtenu en remplaçant \(x\) par \(u\). Chercher les antécédents de \(k\) revient à résoudre \(f(x)=k\).
Racine ou zéro
Un réel \(r\) est une racine de \(f\) si \(f(r)=0\). Les racines sont les antécédents de zéro. Graphiquement, ce sont les abscisses des points où la parabole coupe ou touche l’axe des abscisses.
Exemple – trois questions pour \(f(x)=x^2-4\)
L’image de \(3\) est \(f(3)=9-4=5\). \[f(x)=5\iff x^2=9\iff x=-3\text{ ou }x=3;\] \[f(x)=0\iff x^2=4\iff x=-2\text{ ou }x=2.\] Les antécédents de \(5\) ne sont donc pas les racines de \(f\).
1.2 Forme factorisée et produit nul
Lire les racines dans les facteurs
Si \(f(x)=a(x-r_1)(x-r_2)\), avec \(a\ne0\) et \(r_1,r_2\in\mathbb R\), les racines sont \(r_1,r_2\). Si \(r_1=r_2=r\), on écrit \(f(x)=a(x-r)^2\) ; \(r\) est une racine double, mais une seule valeur solution.
Justification. Puisque \(a\ne0\), le produit est nul exactement lorsque \(x-r_1=0\) ou \(x-r_2=0\). Cela donne \(x=r_1\) ou \(x=r_2\).
Résoudre avant d’utiliser une formule générale
Repérer d’abord un produit déjà égal à zéro, un facteur commun, une différence de carrés ou un carré à isoler. Conserver la structure qui rend la résolution directe.
Exemples – quatre structures à reconnaître
Produit déjà nul : \[-3(2x-1)(x+4)=0\iff 2x-1=0\text{ ou }x+4=0,\] donc \(S=\{-4;\frac12\}\), car \(-3\ne0\).
Facteur commun : Diviser tout de suite par \(x\) ferait perdre la solution \(0\).
Différence de carrés : \[(x-2)^2-16=[(x-2)-4][(x-2)+4]=(x-6)(x+2).\] L’équation correspondante a pour solutions \(6\) et \(-2\).
Carré à isoler : Ainsi \(S=\{-\frac23;\frac43\}\). Les deux branches sont nécessaires.
Cas simples. Si \(c=0\), factoriser \(ax^2+bx=x(ax+b)\). Si \(b=0\), résoudre \(x^2=-c/a\) en distinguant le signe du second membre.
Piège / erreur fréquente
Le produit nul s’utilise seulement avec un produit égal à zéro. De \((x-1)(x+2)=4\), on ne déduit pas qu’un facteur vaut \(4\) : il faut d’abord ramener l’équation à zéro.
2. Construire et démontrer la forme canonique
Transformer une expression en « carré multiplié par une constante, puis constante ajoutée » permet de réutiliser les propriétés de la fonction carré. Les conséquences graphiques seront établies dans la section suivante.
2.1 La complétion du carré
Identité de complétion
Pour tous réels \(x,u\), \[\boxed{x^2+2ux=(x+u)^2-u^2}.\]
Démonstration. Développer le membre de droite donne \[(x+u)^2-u^2=x^2+2ux+u^2-u^2=x^2+2ux.\] Pour transformer \(x^2+px\), on cherche donc \(2u=p\), soit \(u=p/2\). Le carré ajouté doit être retiré pour conserver l’égalité.
Forme canonique
Une écriture \[\boxed{f(x)=a(x-\alpha)^2+\beta},\quad a\ne0,\] est appelée forme canonique. \(a\), \(\alpha\) et \(\beta\) sont des constantes. Ainsi, dans \(-2(x+1)^2+18\), on lit \(a=-2\), \(\alpha=-1\) et \(\beta=18\), puisque \(x+1=x-(-1)\).
Méthode – compléter le carré dans un cas simple
Mettre le coefficient de \(x^2\) en facteur dans les deux termes contenant \(x\). Prendre la moitié du nouveau coefficient de \(x\), fabriquer le carré, conserver sa compensation, puis distribuer le coefficient extérieur. Contrôler en redéveloppant.
Exemple – coefficient dominant égal à \(1\)
Pour \(f(x)=x^2-8x+11\), la moitié de \(-8\) est \(-4\) : \[(x-4)^2=x^2-8x+16,\] Contrôle : \((x-4)^2-5=x^2-8x+16-5=x^2-8x+11\).
Exemple – coefficient dominant négatif
Pour \(g(x)=-2x^2+12x-13\), on factorise \(-2\) : On prend la moitié de \(-6\), non celle de \(12\). La compensation \(-9\) est multipliée par \(-2\), d’où \(+18\). Contrôle : \(-2(x^2-6x+9)+5=-2x^2+12x-13\).
Avec une moitié fractionnaire : La compensation est le carré de \(\frac32\), soit \(\frac94\).
2.2 Existence et unicité
Toute fonction du second degré admet une unique forme canonique
Pour \(f(x)=ax^2+bx+c\), \(a\ne0\), Donc \(\alpha=-\frac b{2a}\) et \(\beta=\frac{4ac-b^2}{4a}=f(\alpha)\).
Démonstration – existence de la forme canonique
Comme \(a\ne0\), on peut mettre \(a\) en facteur et diviser par \(a\) : \[f(x)=a\left(x^2+\frac ba x\right)+c.\] La moitié du coefficient \(b/a\) est \(b/(2a)\). L’identité de complétion donne
Démonstration – suite
On remplace, distribue \(a\) puis regroupe les constantes : On a utilisé \(c=4ac/(4a)\) ; tous les dénominateurs sont non nuls. Les transformations sont des identités valables pour tout réel \(x\).
Démonstration – pourquoi une seule forme canonique ?
Développer une écriture \(a(x-\alpha)^2+\beta\) donne \[ax^2-2a\alpha x+a\alpha^2+\beta.\] Pour qu’elle soit égale à \(ax^2+bx+c\) pour tout \(x\), il faut \(-2a\alpha=b\). Puisque \(a\ne0\), cela impose \(\alpha=-b/(2a)\). Ensuite \(f(\alpha)=\beta\) impose aussi \(\beta\).
Comparer les coefficients est légitime : la différence des deux écritures, une fois les termes \(ax^2\) annulés, est affine. Si \(Ux+V=0\) pour tout \(x\), la substitution \(x=0\) donne \(V=0\), puis \(x=1\) donne \(U=0\).
Remarque
La formule générale explique l’existence de cette écriture et prépare la résolution générale. Pour les calculs courants, privilégier la complétion du carré dans des cas simples plutôt qu’un remplacement systématique des coefficients dans les formules fractionnaires.
3. Sommet, axe et tableaux de variations
On considère \(f(x)=a(x-\alpha)^2+\beta\), avec \(a\ne0\). Un minimum est une valeur atteinte inférieure ou égale à toutes les autres valeurs sur le domaine étudié. Un maximum est une valeur atteinte supérieure ou égale à toutes les autres.
3.1 Sommet et symétrie
Théorème
La parabole a pour sommet \(S(\alpha;\beta)\) et pour axe de symétrie la droite \(x=\alpha\). Sur \(\mathbb R\), si \(a>0\), \(\beta\) est le minimum de \(f\) ; si \(a<0\), \(\beta\) est son maximum. Il est atteint uniquement en \(x=\alpha\).
Démonstration – extremum et symétrie
Le carré \((x-\alpha)^2\) est positif ou nul et ne s’annule qu’en \(\alpha\). Si \(a>0\), \(a(x-\alpha)^2\ge0\), donc \(f(x)\ge\beta\). Si \(a<0\), la multiplication inverse le sens : \(a(x-\alpha)^2\le0\), donc \(f(x)\le\beta\). L’égalité est atteinte exactement en \(\alpha\) puisque \(a\ne0\).
Pour tout réel \(h\), Les deux points ont des abscisses symétriques par rapport à \(\alpha\) et la même ordonnée : l’axe est \(x=\alpha\).
Ne pas confondre : \(\beta\) est un nombre ; \(\alpha\) est l’abscisse où il est atteint ; \(S(\alpha;\beta)\) est un point ; \(x=\alpha\) est l’équation d’une droite.
3.2 Démontrer les variations
Sur un intervalle, \(f\) est strictement croissante si \(u<v\) entraîne \(f(u)<f(v)\), et strictement décroissante si \(u<v\) entraîne \(f(u)>f(v)\).
Démonstration – comparer les carrés puis regarder le signe de \(a\)
Avant \(\alpha\). Si \(u<v\le\alpha\), alors \(u-\alpha<v-\alpha\le0\). Le carré étant décroissant sur les nombres négatifs, \[(u-\alpha)^2>(v-\alpha)^2.\] Pour \(a>0\), multiplier par \(a\) puis ajouter \(\beta\) donne \(f(u)>f(v)\) : \(f\) décroît. Pour \(a<0\), la multiplication inverse le sens, donc \(f(u)<f(v)\) : \(f\) croît.
Après \(\alpha\). Si \(\alpha\le u<v\), alors \(0\le u-\alpha<v-\alpha\). Le carré est croissant sur les nombres positifs : \[(u-\alpha)^2<(v-\alpha)^2.\] Pour \(a>0\), on obtient \(f(u)<f(v)\) : \(f\) croît. Pour \(a<0\), on obtient \(f(u)>f(v)\) : \(f\) décroît.
Si \(a>0\) : décroissante sur \(]-\infty;\alpha]\), croissante sur \([\alpha;+\infty[\).
| \(x\) | \(-\infty\) | \(\alpha\) | \(+\infty\) | ||
|---|---|---|---|---|---|
| \(f(x)\) | \(+\infty\)\(\beta\)\(+\infty\) | ||||
Si \(a<0\) : croissante sur \(]-\infty;\alpha]\), décroissante sur \([\alpha;+\infty[\).
| \(x\) | \(-\infty\) | \(\alpha\) | \(+\infty\) | ||
|---|---|---|---|---|---|
| \(f(x)\) | \(-\infty\)\(\beta\)\(-\infty\) | ||||
Les symboles \(\pm\infty\) décrivent des images qui deviennent sans borne lorsque \(x\) s’éloigne du sommet ; ce ne sont pas des valeurs atteintes.
3.3 Construire un tableau sur le domaine demandé
Méthode
Écrire le domaine. Déterminer \(\alpha\) et calculer \(\beta=f(\alpha)\). Regarder le signe de \(a\) pour fixer les sens de variation. Calculer les images des bornes finies et ne garder que les parties situées dans le domaine. Placer les nombres avant les flèches ; conclure sur les extrema effectivement atteints.
Exemple de référence – \(f(x)=2x^2+8x+3\)
Exemple de référence – suite
On lit \(a=2>0\), \(\alpha=-2\), \(\beta=-5\). Contrôle : \(f(-2)=8-16+3=-5\).
| \(x\) | \(-\infty\) | \(-2\) | \(+\infty\) | ||
|---|---|---|---|---|---|
| \(f(x)\) | \(+\infty\)\(-5\)\(+\infty\) | ||||
Sur \(\mathbb R\), le minimum est \(-5\), atteint en \(-2\), et il n’y a pas de maximum.
Sur \([-4;1]\), le sommet est dans le domaine. Aux bornes, \[f(-4)=32-32+3=3,\quad f(1)=2+8+3=13.\]
| \(x\) | \(-4\) | \(-2\) | \(1\) | ||
|---|---|---|---|---|---|
| \(f(x)\) | \(3\)\(-5\)\(13\) | ||||
Le minimum reste \(-5\) ; le maximum vaut \(13\), atteint en \(1\).
Sur \([0;3]\), le sommet est exclu et toute la fonction étudiée est croissante. \(f(0)=3\) et \(f(3)=18+24+3=45\).
| \(x\) | \(0\) | \(3\) | |
|---|---|---|---|
| \(f(x)\) | \(3\)\(45\) | ||
Le minimum vaut \(3\), le maximum \(45\). Le nombre \(-5\) n’est pas une valeur atteinte sur ce domaine.
Un coefficient négatif. Pour \(g(x)=-x^2+6x+1=-(x-3)^2+10\), sur \([0;5]\), on calcule \(g(0)=1\) et \(g(5)=-25+30+1=6\).
| \(x\) | \(0\) | \(3\) | \(5\) | ||
|---|---|---|---|---|---|
| \(g(x)\) | \(1\)\(10\)\(6\) | ||||
Le maximum est \(10\) en \(3\). Le minimum sur l’intervalle fermé vaut \(1\) en \(0\) : il faut comparer les deux bornes, pas prendre automatiquement celle de droite.
Le domaine et le sens des mots comptent
Une borne exclue ne fournit pas automatiquement un extremum : sur \(]0;2[\), \(x^2\) vérifie \(0<x^2<4\) sans atteindre ni \(0\) ni \(4\). Par ailleurs, croissant ne signifie pas positif : les variations comparent deux images, tandis que le signe compare une image à zéro.
4. Discriminant et résolution générale
Les méthodes directes restent utiles. On construit maintenant une méthode valable pour toute équation \(ax^2+bx+c=0\) avec \(a\ne0\).
4.1 Le lien avec la forme canonique
Définition
Le discriminant est le nombre \[\boxed{\Delta=b^2-4ac}.\] Puisque \(4ac-b^2=-\Delta\), la forme canonique donne
Le discriminant est calculé à partir des coefficients. Il n’est ni l’abscisse ni l’ordonnée du sommet ; il intervient dans cette ordonnée avec le coefficient \(a\).
Démonstration – résoudre à partir de la forme canonique
On suppose \(a,b,c\in\mathbb R\) et \(a\ne0\). Pour tout réel \(x\) : La multiplication par \(4a\ne0\) est réversible, même si \(a\) est négatif : il s’agit d’une égalité. On a utilisé \((2a)^2=4a^2\) et \(2a(x+b/(2a))=2ax+b\).
Si \(\Delta<0\), un carré réel ne peut pas être égal à un nombre négatif : aucune solution réelle.
Si \(\Delta=0\), on a \(2ax+b=0\), puis \(2ax=-b\). Diviser par \(2a\ne0\) donne la seule solution \(x_0=-b/(2a)\).
Si \(\Delta>0\), on a \(2ax+b=-\sqrt\Delta\) ou \(2ax+b=\sqrt\Delta\). Soustraire \(b\) puis diviser par \(2a\ne0\) donne Ces deux valeurs sont distinctes puisque \(\sqrt\Delta>0\). Toutes les transformations sont réversibles : aucune solution n’est perdue ni ajoutée.
Résultat – solutions réelles d’une équation du second degré
Pour \(ax^2+bx+c=0\), \(a\ne0\) :
4.2 Appliquer la méthode sans perdre les signes
Méthode
Tout ramener dans un même membre égal à zéro. Identifier \(a,b,c\) et vérifier \(a\ne0\). Calculer \(\Delta\) avec les signes des coefficients. Choisir le cas avant d’écrire une racine carrée réelle. Calculer séparément \(-b\), \(2a\) et \(\sqrt\Delta\) si elle existe. Simplifier les fractions obtenues, conclure et contrôler.
Exemple – deux racines rationnelles
Pour \(3x^2+5x-2=0\), \(a=3\), \(b=5\), \(c=-2\) : \[\Delta=5^2-4\times3\times(-2)=25-(-24)=49.\] Donc \(\sqrt\Delta=7\), \(-b=-5\), \(2a=6\) : Contrôles : \(3(-2)^2+5(-2)-2=12-10-2=0\) et
Exemple – deux racines irrationnelles
Pour \(3x^2-2x-2=0\), Ainsi On simplifie par \(2\) parce qu’il est facteur du numérateur entier ; les solutions restent exactes.
Les deux autres cas
Pour \(9x^2+12x+4=0\), \(\Delta=144-144=0\) et \(x_0=-12/18=-2/3\). On retrouve \((3x+2)^2=0\). Pour \(2x^2+2x+3=0\), \(\Delta=4-24=-20<0\) : aucune solution réelle. La forme \(2(x+\frac12)^2+\frac52>0\) explique aussi cette impossibilité.
L’ordre des racines n’est pas donné par leur nom
Pour \(-2x^2-3x+2=0\), \(\Delta=25\) et \(2a=-4\). Les formules donnent \((3-5)/(-4)=1/2\) et \((3+5)/(-4)=-2\). Avant un tableau, les ranger : \(-2<1/2\).
Dénominateurs constants. Multiplier toute l’équation \(\frac12x^2-\frac34x-\frac12=0\) par \(4\ne0\) donne \(2x^2-3x-2=0\). Le calcul est plus simple : \(\Delta=25\), puis \(S=\{-\frac12;2\}\). Cette opération conserve les solutions, pas nécessairement la valeur du discriminant.
5. Factorisation, racine évidente et somme-produit
5.1 Factoriser à partir des racines
Théorème
Soit \(f(x)=ax^2+bx+c\), avec \(a\ne0\). Si \(\Delta>0\) et les racines sont \(x_1,x_2\), alors \(f(x)=a(x-x_1)(x-x_2)\). Si \(\Delta=0\) et la racine double est \(x_0\), alors \(f(x)=a(x-x_0)^2\). Si \(\Delta<0\), il n’existe pas de factorisation en deux facteurs du premier degré à coefficients réels.
Démonstration – réutiliser une différence de carrés
On sait que Si \(\Delta>0\), écrire \(\Delta/(4a^2)=(\sqrt\Delta/(2a))^2\) permet de factoriser : Ce sont les facteurs associés aux racines, à l’ordre près. Si \(\Delta=0\), la forme canonique est déjà \(a(x-x_0)^2\). Si \(\Delta<0\), un produit de deux facteurs affines réels non constants s’annulerait à leurs racines, contrairement à l’absence de solution réelle.
Méthode – ne pas oublier le coefficient dominant
Après le calcul des racines, écrire \(a(x-r_1)(x-r_2)\) ou \(a(x-r)^2\). Une racine \(-2\) donne le facteur \(x+2\). Contrôler en développant : avoir les mêmes racines ne suffit pas pour avoir la même fonction.
Exemple de référence
Pour \(3x^2+5x-2\), les racines \(-2\) et \(1/3\) donnent Contrôle : \((x+2)(3x-1)=3x^2-x+6x-2=3x^2+5x-2\). Omettre le facteur \(3\) devant \((x+2)(x-\frac13)\) changerait le coefficient de \(x^2\).
5.2 Somme et produit des racines
Théorème
Si \(f(x)=ax^2+bx+c\), \(a\ne0\), possède des racines réelles \(x_1,x_2\), comptées deux fois en cas de racine double, alors
Démonstration – développer puis comparer
La comparaison avec \(ax^2+bx+c\) donne \(-a(x_1+x_2)=b\) et \(ax_1x_2=c\). Diviser par \(-a\ne0\) puis par \(a\ne0\) donne les deux formules. La même preuve s’applique lorsque \(x_1=x_2\).
5.3 Deux stratégies qui peuvent éviter le discriminant
Une racine évidente puis l’autre
Tester quelques valeurs simples quand les coefficients s’y prêtent. Si \(r\) est une racine connue, l’autre vérifie \(r+s=-b/a\) et \(rs=c/a\). La somme donne toujours \(s=-b/a-r\). Utiliser le produit pour diviser par \(r\) exige \(r\ne0\).
Exemple de référence
Pour \(P(x)=2x^2+x-3\), \(P(1)=2+1-3=0\). Le produit des racines vaut \(-3/2\) : l’autre racine est \(-3/2\). \[P(x)=2(x-1)\left(x+\frac32\right)=(x-1)(2x+3).\] Le développement donne \(2x^2+3x-2x-3=2x^2+x-3\). Si la racine connue est \(0\), le produit ne détermine pas l’autre racine : pour \(4x^2-6x\), utiliser la somme \(3/2\), ou factoriser directement \(2x(2x-3)\).
Reconnaître deux racines par leur somme et leur produit
Pour un trinôme dont les coefficients s’y prêtent, chercher une paire simple ayant la somme \(-b/a\) et le produit \(c/a\). Vérifier la factorisation obtenue par développement : la recherche d’une paire est un repérage, pas à elle seule une preuve.
Exemple de référence
Pour \(x^2-5x+6\), les nombres \(2,3\) ont pour somme \(5\) et pour produit \(6\) ; on vérifie \[(x-2)(x-3)=x^2-5x+6.\] Pour \(x^2+x-6\), les nombres \(-3,2\) ont pour somme \(-1\) et pour produit \(-6\) ; on vérifie \[(x+3)(x-2)=x^2+x-6.\] Ne pas trouver de paire entière ne prouve pas l’absence de racines réelles.
6. Signe d'un trinôme et résolution d'inéquations
6.1 Deux racines distinctes : justifier le tableau
Soit \(f(x)=ax^2+bx+c\), \(a\ne0\). Si \(\Delta>0\), on range les racines dans l’ordre \(r_1<r_2\) et l’on écrit \(f(x)=a(x-r_1)(x-r_2)\).
Théorème
Le trinôme est du signe de \(a\) à l’extérieur des racines, du signe opposé à \(a\) entre les racines, et nul en \(r_1\) et en \(r_2\).
Démonstration – signe des facteurs
Si \(x<r_1\), les facteurs \(x-r_1\) et \(x-r_2\) sont tous deux négatifs : leur produit est positif. Si \(r_1<x<r_2\), le premier est positif et le second négatif : leur produit est négatif. Si \(x>r_2\), les deux sont positifs. Le facteur \(a\) conserve ces signes lorsqu’il est positif et les inverse lorsqu’il est négatif. Aux racines, un facteur est nul.
| \(x\) | \(-\infty\) | \(r_1\) | \(r_2\) | \(+\infty\) | |||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| \(x-r_1\) | \(-\) | \(0\) | \(+\) | \(+\) | |||
| \(x-r_2\) | \(-\) | \(-\) | \(0\) | \(+\) | |||
| \(f(x)\) | \(\text{signe de }a\) | \(0\) | \(\text{signe de }(-a)\) | \(0\) | \(\text{signe de }a\) |
Méthode – construire, puis lire un tableau de signes
Identifier le domaine. Déterminer les zéros, puis ranger toutes les abscisses critiques. Inscrire les facteurs utiles et combiner les signes intervalle par intervalle. Placer les zéros sous leurs abscisses, jamais dans les intervalles. La dernière ligne donne le signe de l’expression étudiée, pas son sens de variation.
Deux racines et coefficient dominant positif
Pour \(f(x)=2x^2-5x-3\), on calcule \[\Delta=(-5)^2-4\times2\times(-3)=25+24=49.\] Les racines sont \((5-7)/4=-1/2\) et \((5+7)/4=3\). Ainsi \[f(x)=2\left(x+\frac12\right)(x-3).\] Le coefficient \(2\) est positif ; les signes des deux facteurs affines donnent ceux du trinôme.
| \(x\) | \(-\infty\) | \(-\frac12\) | \(3\) | \(+\infty\) | |||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| \(2\) | \(+\) | \(+\) | \(+\) | ||||
| \(x+\frac12\) | \(-\) | \(0\) | \(+\) | \(+\) | |||
| \(x-3\) | \(-\) | \(-\) | \(0\) | \(+\) | |||
| \(f(x)\) | \(+\) | \(0\) | \(-\) | \(0\) | \(+\) |
On lit les quatre inéquations différentes dans le même tableau :
Deux racines et coefficient dominant négatif
Pour \(g(x)=-x^2+4x+5\), \(\Delta=4^2-4(-1)(5)=36\). Les formules donnent \((-4-6)/(-2)=5\) et \((-4+6)/(-2)=-1\). On range \(-1<5\) et l’on écrit \(g(x)=-(x+1)(x-5)\).
| \(x\) | \(-\infty\) | \(-1\) | \(5\) | \(+\infty\) | |||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| \(-1\) | \(-\) | \(-\) | \(-\) | ||||
| \(x+1\) | \(-\) | \(0\) | \(+\) | \(+\) | |||
| \(x-5\) | \(-\) | \(-\) | \(0\) | \(+\) | |||
| \(g(x)\) | \(-\) | \(0\) | \(+\) | \(0\) | \(-\) |
Ici \(g(x)>0\) pour \(x\in]-1;5[\). Le signe négatif de \(a\) inverse la conclusion du premier exemple : il faut le prendre en compte avant de lire les intervalles.
6.2 Racine double : le signe ne change pas
Théorème
Si \(\Delta=0\), alors \(f(x)=a(x-r)^2\). Le trinôme a le signe de \(a\) pour \(x\ne r\) et vaut \(0\) en \(r\).
Démonstration
Le carré \((x-r)^2\) est strictement positif pour \(x\ne r\), et nul seulement pour \(x=r\). Le multiplier par \(a\ne0\) donne immédiatement le résultat. Il n’y a pas de changement de signe en traversant une racine double.
Pour \(h(x)=x^2+2x+1=(x+1)^2\), \(\Delta=4-4=0\) :
| \(x\) | \(-\infty\) | \(-1\) | \(+\infty\) | ||
|---|---|---|---|---|---|
| \(x+1\) | \(-\) | \(0\) | \(+\) | ||
| \(h(x)=(x+1)^2\) | \(+\) | \(0\) | \(+\) |
Ainsi \(h(x)>0\) sur \(\mathbb R\setminus\{-1\}\) ; \(h(x)\ge0\) sur \(\mathbb R\) ; \(h(x)<0\) n’a aucune solution ; \(h(x)\le0\) a pour unique solution \(-1\).
Pour \(q(x)=-2x^2+8x-8=-2(x-2)^2\), \(\Delta=64-64=0\) :
| \(x\) | \(-\infty\) | \(2\) | \(+\infty\) | ||
|---|---|---|---|---|---|
| \((x-2)^2\) | \(+\) | \(0\) | \(+\) | ||
| \(q(x)\) | \(-\) | \(0\) | \(-\) |
Ainsi \(q(x)\le0\) sur \(\mathbb R\), tandis que \(q(x)\ge0\) impose \(x=2\). Les solutions d’une inéquation peuvent former un singleton, et pas seulement un intervalle de longueur non nulle.
6.3 Aucune racine : un signe strict et constant
Théorème
Si \(\Delta<0\), \(f(x)\) a strictement le signe de \(a\) pour tout réel \(x\).
Démonstration
La forme canonique donne Le carré est positif ou nul. Comme \(\Delta<0\) et \(4a^2>0\), le nombre \(-\Delta/(4a^2)\) est strictement positif. Le crochet est donc strictement positif ; seul le signe de \(a\) détermine celui de \(f(x)\).
Pour \(p(x)=x^2+2x+5\), \(\Delta=4-20=-16<0\) et \(a>0\) :
| \(x\) | \(-\infty\) | \(+\infty\) | |
|---|---|---|---|
| \(p(x)\) | \(+\) |
On peut aussi lire directement \(p(x)=(x+1)^2+4>0\). Pour \(r(x)=-x^2+2x-4\), \(\Delta=4-16=-12<0\) et \(a<0\) :
| \(x\) | \(-\infty\) | \(+\infty\) | |
|---|---|---|---|
| \(r(x)\) | \(-\) |
Ici \(r(x)=-(x-1)^2-3<0\). L’absence de racines ne signifie donc pas automatiquement que la fonction est positive.
6.4 Résoudre une inéquation : ramener à zéro
Méthode
Pour comparer deux expressions, les ramener dans un même membre sans changer l’inégalité. Étudier le signe de leur différence, puis sélectionner les intervalles. Inclure un zéro pour \(\le\) ou \(\ge\) ; l’exclure pour \(<\) ou \(>\). Intersecter enfin avec le domaine initial si celui-ci est restreint.
Exemple de référence
Le trinôme se factorise en \((x-1)(x-3)\) ; il est négatif ou nul entre les racines, donc \(S=[1;3]\). Si l’on résout plutôt \(2x^2-5x-3\le0\) sur \([0;10]\), le premier tableau donne \([-1/2;3]\) sur \(\mathbb R\) ; la réponse demandée est \([-1/2;3]\cap[0;10]=[0;3]\).
6.5 Application à un quotient : garder les valeurs interdites
Méthode
Un quotient est défini seulement si son dénominateur est non nul. Étudier séparément le signe du numérateur et celui du dénominateur, puis les combiner. Les zéros du dénominateur sont représentés par des doubles barres et restent toujours exclus. Ne pas multiplier une inéquation par un dénominateur de signe inconnu.
Exemple de référence
Résoudre \(\frac{x^2-x-2}{x-1}\ge0\). Le domaine est \(\mathbb R\setminus\{1\}\) et \[x^2-x-2=(x+1)(x-2).\] Les points à ranger sont \(-1<1<2\). Les nombres \(-1\) et \(2\) annulent le numérateur ; \(1\) est interdit.
| \(x\) | \(-\infty\) | \(-1\) | \(1\) | \(2\) | \(+\infty\) | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| \(x^2-x-2\) | \(+\) | \(0\) | \(-\) | \(-\) | \(0\) | \(+\) | |||
| \(x-1\) | \(-\) | \(-\) | \(0\) | \(+\) | \(+\) | ||||
| \(\frac{x^2-x-2}{x-1}\) | \(-\) | \(0\) | \(+\) | \(\Vert\) | \(-\) | \(0\) | \(+\) |
Le quotient est positif ou nul sur \[\boxed{S=[-1;1[\cup[2;+\infty[}.\]
Piège / erreur fréquente
Une simplification ne rétablit jamais une valeur interdite : Résoudre le quotient \(>0\) donne donc \(x>-2\) et \(x\ne2\), soit \(]-2;2[\cup]2;+\infty[\). Ne pas utiliser la règle du trinôme directement sur un quotient qui n’est pas lui-même un trinôme.
7. Lire, tracer et reconstruire une parabole
7.1 Relier expression, courbe, signe et variations
Tracer à partir des informations algébriques
Repérer le coefficient \(a\) et l’orientation. Déterminer le sommet et l’axe avec la forme canonique. Trouver les racines si elles existent, puis placer \((0;c)\) et, si utile, son symétrique. Tracer une courbe respectant ces points et les variations ; vérifier les unités des axes. Un dessin indique une lecture, pas une preuve d’une valeur exacte non donnée.
Une même fonction sur trois supports
Pour \(f(x)=x^2-2x-3\), on obtient \[f(x)=(x-1)^2-4=(x-3)(x+1).\] Le sommet est \(S(1;-4)\), l’axe est \(x=1\), les racines sont \(-1\) et \(3\), et \(f(0)=-3\). Les points \(A(-1;0)\),
Exemple de référence – suite
\(B(3;0)\), \(C(0;-3)\) et \(S\) déterminent le tracé ci-dessous avec la symétrie.
| \(x\) | \(-\infty\) | \(1\) | \(+\infty\) | ||
|---|---|---|---|---|---|
| \(f(x)\) | \(+\infty\)\(-4\)\(+\infty\) | ||||
| \(x\) | \(-\infty\) | \(-1\) | \(3\) | \(+\infty\) | |||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| \(f(x)\) | \(+\) | \(0\) | \(-\) | \(0\) | \(+\) |
Le minimum \(-4\) décrit les variations. Les zéros \(-1\) et \(3\) délimitent les intervalles de signe. Sur \(]1;3[\), la fonction est croissante et négative : ces deux propriétés sont compatibles. Pour lire un antécédent, on part d’une ordonnée. Par exemple, \[f(x)=-3\iff x^2-2x=0\iff x(x-2)=0,\] donc \(0\) et \(2\) ont la même image \(-3\). Sur le graphique, ils sont symétriques par rapport à \(x=1\).
7.2 L’axe et les points de même ordonnée
Propriété
Si les racines réelles sont \(r_1,r_2\), alors l’axe est \[\boxed{x=\frac{r_1+r_2}{2}=-\frac b{2a}}.\] Plus généralement, si \(p\ne q\) et \(f(p)=f(q)\), l’axe est \(x=(p+q)/2\).
Démonstration – deux points de même ordonnée
La première formule découle de \(r_1+r_2=-b/a\) et de \(\alpha=-b/(2a)\). Pour la seconde, la forme canonique donne \[a(p-\alpha)^2+\beta=a(q-\alpha)^2+\beta.\] Comme \(a\ne0\), une différence de carrés conduit à \[(p-q)(p+q-2\alpha)=0.\] Or \(p\ne q\) : il reste \(p+q-2\alpha=0\), donc \(\alpha=(p+q)/2\).
7.3 Retrouver la fonction à partir des racines
Théorème
Si \(r\) et \(s\) sont deux réels distincts, les fonctions du second degré s’annulant en \(r\) et en \(s\) sont exactement Deux racines seules ne déterminent pas le coefficient \(a\).
Démonstration
Une telle fonction a deux racines distinctes : le théorème de factorisation impose cette écriture avec son coefficient dominant \(a\). Réciproquement, pour tout \(a\ne0\), l’expression \(a(x-r)(x-s)\) est bien du second degré et s’annule en \(r,s\).
Méthode
Écrire d’abord la forme factorisée avec \(a\) inconnu. Utiliser ensuite une image \(f(t)\) : \[f(t)=a(t-r)(t-s).\] Pour isoler \(a\), il faut \(t\ne r,s\). Si l’information supplémentaire porte seulement sur une racine déjà connue, elle ne détermine pas \(a\).
Exemple de référence
Une parabole a pour racines \(-2\) et \(4\) et vérifie \(f(0)=12\). Donc \(a=-3/2\) et \[\boxed{f(x)=-\frac32(x+2)(x-4)}.\] Contrôle : \(f(-2)=f(4)=0\) et \(f(0)=12\). L’axe est \(x=(-2+4)/2=1\).
7.4 Retrouver la fonction à partir du sommet
Méthode
Si le sommet est \(S(\alpha;\beta)\), partir de \(f(x)=a(x-\alpha)^2+\beta\). Un point \(A(t;u)\) avec \(t\ne\alpha\) donne \(u=a(t-\alpha)^2+\beta\) et permet de trouver \(a\). Contrôler que \(a\ne0\) et que les données sont compatibles.
Exemple de référence
Le sommet est \(S(1;-3)\) et la parabole passe par \(A(3;5)\) : \[f(x)=a(x-1)^2-3,\quad5=a(3-1)^2-3=4a-3.\] Donc \(8=4a\), puis \(a=2\) ; ainsi \(\boxed{f(x)=2(x-1)^2-3}\). Vérification : \(f(1)=-3\) et \(f(3)=8-3=5\).
8. Choisir la bonne forme et la bonne méthode
Les trois formes ont maintenant été définies, construites et utilisées. Le choix dépend de la question, pas d’une préférence pour une formule.
| Je cherche | Forme souvent utile | Premier geste |
|---|---|---|
| Une image | forme donnée la plus simple | remplacer chaque \(x\) |
| Des racines | factorisée ou canonique ; sinon discriminant | ramener l’équation à zéro |
| Le signe | factorisée / racines | ranger les racines ; regarder \(a\) |
| Sommet, extremum, variations | canonique | lire \(\alpha,\beta\) et vérifier le domaine |
| Une factorisation | facteur commun, identité, racine évidente ou discriminant | chercher une structure avant de développer |
| Une intersection | différence des expressions | résoudre \(f(x)=g(x)\) |
| Une position relative | signe de \(f-g\) | étudier une différence, pas deux signes séparés |
Un trinôme, trois formes, plusieurs questions
Pour \(f(0)\), la forme développée donne immédiatement \(-16\). Pour le minimum, la forme canonique donne \(-18\) atteint en \(-1\). Pour \(f(x)=0\), la forme factorisée donne \(-4\) et \(2\). Pour \(f(x)=-16\), la forme développée est particulièrement courte : \[2x^2+4x-16=-16\iff2x^2+4x=0\iff2x(x+2)=0.\] Donc les antécédents de \(-16\) sont \(0\) et \(-2\).
Conversions : un geste différent selon le point de départ
Développée vers canonique : compléter le carré après avoir mis \(a\) en facteur. Canonique vers développée : développer le carré puis distribuer \(a\). Factorisée vers développée : double distributivité puis réduction. Développée vers factorisée : chercher une structure ou déterminer les racines. Canonique vers factorisée : isoler le carré et exploiter une différence de carrés si des racines réelles existent. Factorisée vers canonique : le milieu des racines donne \(\alpha\), puis calculer \(\beta=f(\alpha)\), ou développer et compléter le carré.
Piège / erreur fréquente
Une forme canonique et une forme développée existent toujours pour un trinôme ; une forme factorisée réelle exige \(\Delta\ge0\). Développer trop tôt peut cacher un facteur commun ou une identité remarquable. Un résultat testé sur une seule valeur ne prouve pas que deux écritures sont identiques.
9. Équations décalées, intersections et paramètres
9.1 Résoudre une équation qui n’est pas encore réduite
Méthode
Pour résoudre \(f(x)=k\), chercher une forme adaptée au nombre \(k\), ou résoudre \(f(x)-k=0\). Pour \(f(x)=g(x)\), développer seulement si nécessaire et réduire \(f-g\). Vérifier le degré après réduction : les termes du second degré peuvent s’annuler.
Exemple de référence
Pour \(f(x)=x^2-2x-3\) et \(g(x)=x+1\), les intersections vérifient Les abscisses sont \(-1\) et \(4\). Il faut encore calculer les ordonnées : \(g(-1)=0\) et \(g(4)=5\). Les points d’intersection sont donc \(\boxed{(-1;0)\text{ et }(4;5)}\).
9.2 Position relative : le signe de la différence
La courbe de \(f\) est au-dessus de celle de \(g\) lorsque \(f(x)>g(x)\), soit \(f(x)-g(x)>0\) ; elle est en dessous lorsque cette différence est négative. Dans l’exemple précédent, \(f-g=x^2-3x-4=(x-4)(x+1)\) :
| \(x\) | \(-\infty\) | \(-1\) | \(4\) | \(+\infty\) | |||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| \(x+1\) | \(-\) | \(0\) | \(+\) | \(+\) | \(+\) | ||
| \(x-4\) | \(-\) | \(-\) | \(-\) | \(0\) | \(+\) | ||
| \(f(x)-\ell(x)\) | \(+\) | \(0\) | \(-\) | \(0\) | \(+\) |
La parabole est au-dessus de la droite pour \(x<-1\) ou \(x>4\), en dessous pour \(-1<x<4\) ; les courbes se rencontrent aux deux bornes.
Piège / erreur fréquente
Étudier séparément le signe de \(f\) et celui de \(g\) ne suffit pas pour les comparer : deux valeurs peuvent être positives sans qu’on sache laquelle est la plus grande. On étudie bien \(f-g\).
9.3 Un paramètre peut modifier le degré
Méthode
Avant tout discriminant, identifier le coefficient de \(x^2\) en fonction du paramètre et séparer les valeurs pour lesquelles il s’annule. Une division par une expression contenant le paramètre exige également de distinguer son cas nul.
Le cas frontière à traiter avant la formule
Pour \(P_t(x)=(t-1)x^2+(t+1)x-2\) :
si \(t=1\), \(P_1(x)=2x-2\) et \(P_1(x)=0\iff x=1\) ;
si \(t\ne1\), le coefficient \(t-1\) est non nul : les méthodes du second degré s’appliquent.
Calculer d’abord \((-b\pm\sqrt\Delta)/(2a)\) sans cette séparation ferait apparaître une division par zéro pour \(t=1\).
Les études complètes de paramètres sont des applications supplémentaires ; ce premier contrôle de degré reste indispensable dans toute résolution.
10. Modéliser et optimiser
Méthode – du problème au maximum ou au minimum
Choisir une variable et préciser son domaine. Traduire les autres grandeurs en fonction de cette variable. Écrire la grandeur à optimiser, puis utiliser une forme canonique et un tableau de variations sur le domaine du problème. Conclure par la valeur optimale, la valeur de la variable qui la réalise et les unités. Vérifier toutes les contraintes.
10.1 Un rectangle adossé à un mur
On dispose de \(20\) m de clôture pour trois côtés d’un rectangle adossé à un mur. On note \(x\) la largeur perpendiculaire au mur et \(L\) la longueur parallèle au mur.
La contrainte est \(2x+L=20\), donc \(L=20-2x\). Les deux dimensions sont strictement positives pour un rectangle non dégénéré : L’aire, en mètres carrés, est Le sommet a pour abscisse \(5\), qui appartient au domaine. Comme \(-2<0\), le maximum vaut \(50\).
| \(x\) | \(0\) | \(5\) | \(10\) | ||
|---|---|---|---|---|---|
| \(A(x)\) | \(0^*\)\(50\)\(0^*\) | ||||
Les astérisques rappellent que \(0\) et \(10\) ne font pas partie du domaine : les valeurs \(0^*\) ne sont pas atteintes par un rectangle non dégénéré. Contrôle : \(2\times5+10=20\) et \(5\times10=50\).
10.2 Une contrainte supplémentaire change l’optimum
Si l’on impose maintenant \(6\le x\le9\), la valeur \(5\) n’est plus admissible. Sur cet intervalle situé à droite du sommet, \(A\) est décroissante.
| \(x\) | \(6\) | \(9\) | |
|---|---|---|---|
| \(A(x)\) | \(48\)\(18\) | ||
Le maximum est donc \(\boxed{48\text{ m}^2}\), atteint pour \(x=6\) m et \(L=8\) m. Lire systématiquement l’ordonnée du sommet sans vérifier le domaine aurait donné une réponse impossible ici.
11. Synthèse : les liens à conserver
Les écritures à relier, avec leurs conditions
Pour \(f(x)=ax^2+bx+c\), avec \(a\ne0\) : Le sommet est \(S(\alpha;\beta)\) et l’axe est \(x=\alpha\). La résolution vient de \[\boxed{f(x)=0\iff(2ax+b)^2=\Delta}.\] Si \(\Delta>0\), les deux racines sont \((-b\pm\sqrt\Delta)/(2a)\) et \(f(x)=a(x-r_1)(x-r_2)\). Si \(\Delta=0\), \(r=-b/(2a)\) est double et \(f(x)=a(x-r)^2\). Si \(\Delta<0\), aucune racine réelle ni factorisation en deux facteurs affines réels non constants. Pour deux racines réelles comptées avec multiplicité : \(r_1+r_2=-b/a\) et \(r_1r_2=c/a\).
Signe. Avec deux racines : signe de \(a\) à l’extérieur, de \(-a\) entre elles. Avec une racine double : signe de \(a\), sauf l’annulation. Sans racine : signe strict de \(a\) partout.
Variations. Pour \(a>0\) : décroissance puis croissance autour de \(\alpha\). Pour \(a<0\) : croissance puis décroissance. Sur un domaine restreint, vérifier les bornes et la présence du sommet.
À savoir et à savoir faire
Identifier le trinôme, ses coefficients et son domaine ; distinguer image, antécédent, équation et racine.
Construire une forme canonique simple, puis déterminer sommet, axe, extremum et tableau de variations.
Résoudre et factoriser par un choix raisonné ; exploiter somme-produit et contrôler le résultat.
Construire les tableaux de signes, résoudre les inéquations et conserver les valeurs interdites.
Relier expression et courbe, reconstruire une fonction, étudier intersections et positions relatives.
Modéliser et interpréter un optimum avec toutes les contraintes et les unités.
Démonstrations structurantes. Retrouver la construction de la forme canonique, le rôle du carré dans les variations et l’extremum, le passage au discriminant et à la résolution, puis justifier factorisation, somme-produit et signe. Connaître les hypothèses et les étapes, pas seulement les formules finales.
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