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Exercices corrigés — Puissances, racines carrées et calcul numérique (Seconde)

Quatre niveaux de difficulté, du plus simple au plus exigeant. Chaque exercice a sa correction détaillée, étape par étape.

8 exercices, classés par difficulté croissante.

Exercice 1 Découverte

Calculer : a) (−2)3 ; b) −24 ; c) (−3)−2 ; d) 2−3 × 25 ; e) (102)3/104.

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a) (−2)3 = (−2) × (−2) × (−2) = −8 : un produit de trois facteurs négatifs est négatif.
b) −24 = −(24) = −16 : sans parenthèses, la puissance porte sur 2 seulement, le signe moins s'applique ensuite. À comparer avec (−2)4 = 16.
c) (−3)−2 = 1−32 = 19 : l'exposant négatif désigne l'inverse de la puissance positive, et le carré de −3 vaut 9.
d) 2−3 × 25 = 2−3+5 = 22 = 4 : même base, on additionne les exposants.
e) (102)3 = 106, puis 106104 = 102 = 100 : puissance de puissance, on multiplie les exposants ; quotient, on les soustrait.

Exercice 2 Découverte

Simplifier D = (5−2 × 57)2 / 58 et donner sa valeur.

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on commence par l'intérieur de la parenthèse : même base 5, on additionne les exposants, 5−2 × 57 = 5−2+7 = 55.
Puissance d'une puissance, on multiplie les exposants : (55)2 = 510.
Quotient de même base, on soustrait les exposants : D = 51058 = 510−8 = 52 = 25.
Le résultat est un entier alors que l'expression contenait un exposant négatif : cela n'a rien d'anormal. Contrôle d'ordre de grandeur : 510 ≈ 9,8 × 106 et 58 = 390 625, dont le quotient est bien 25.

Exercice 3 Application

Donner l'écriture scientifique de (1,5 × 10−4) × (8 × 106).

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on regroupe les nombres décimaux d'une part et les puissances de 10 d'autre part : (1,5 × 8) × (10−4 × 106) = 12 × 10−4+6 = 12 × 102.
Ce n'est pas encore une écriture scientifique, car 12 n'est pas compris entre 1 et 10. On écrit 12 = 1,2 × 10, donc 12 × 102 = 1,2 × 101 × 102 = 1,2 × 103.
Le résultat est 1,2 × 103, soit 1 200.
Vérification en écriture décimale : 1,5 × 10−4 = 0,000 15 et 8 × 106 = 8 000 000 ; leur produit vaut 0,000 15 × 8 000 000 = 1 200.

Exercice 4 Application

a) Donner l'écriture scientifique de 0,0025 × 104 et de 385 000. b) Calculer 3 × 10−26 × 105 et donner le résultat en écriture scientifique.

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a) 0,0025 = 2,5 × 10−3, donc 0,0025 × 104 = 2,5 × 10−3 × 104 = 2,5 × 101 = 25. Pour 385 000, on place la virgule après le premier chiffre non nul : 3,85, décalée de 5 rangs, donc 385 000 = 3,85 × 105.
b) On sépare les décimaux et les puissances de 10 : (36) × 10−2−5 = 0,5 × 10−7.
0,5 n'est pas compris entre 1 et 10 : on écrit 0,5 = 5 × 10−1, d'où 0,5 × 10−7 = 5 × 10−8.
Le résultat est 5 × 10−8, un nombre très petit (0,000 000 05). Contrôle : diviser un nombre de l'ordre de 10−2 par un nombre de l'ordre de 105 donne un ordre de grandeur 10−7, cohérent avec 5 × 10−8 = 0,5 × 10−7.

Exercice 5 Maîtrise

Simplifier E = √75 + 2√12 − √27.

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on fait apparaître dans chaque radicande le plus grand carré parfait possible, puis on utilise √ab = √a × √b pour a, b positifs.
√75 = √25 × 3 = √25 × √3 = 5√3 ; √12 = √4 × 3 = 2√3, donc 2√12 = 4√3 ; √27 = √9 × 3 = 3√3.
Tous les termes s'expriment avec √3 : E = 5√3 + 4√3 − 3√3 = (5 + 4 − 3)√3 = 6√3.
On ne peut pas additionner des racines de radicandes différents (√75 + √12 n'est pas √87) : il faut d'abord les réduire au même radical, comme on réduit des fractions au même dénominateur. Contrôle : E ≈ 8,66 + 6,93 − 5,20 = 10,39 et 6√3 ≈ 10,39.

Exercice 6 Maîtrise

a) Simplifier F = √50 + √8 − 3√2. b) Développer (√5 − 1)(√5 + 1). c) Comparer √16 + 9 et √16 + √9. Que peut-on en conclure ?

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a) √50 = √25 × 2 = 5√2 et √8 = √4 × 2 = 2√2. Donc F = 5√2 + 2√2 − 3√2 = (5 + 2 − 3)√2 = 4√2.
b) On reconnaît l'identité (a − b)(a + b) = a2 − b2 avec a = √5 et b = 1 : (√5 − 1)(√5 + 1) = (√5)2 − 12 = 5 − 1 = 4. Le produit de deux irrationnels peut être un entier.
c) √16 + 9 = √25 = 5, alors que √16 + √9 = 4 + 3 = 7. Les deux nombres sont différents.
Conclusion : la racine carrée ne se sépare pas sur une somme, √a + b ≠ √a + √b en général. Elle se sépare seulement sur un produit ou un quotient : √16 × 9 = √16 × √9 = 12, et l'on vérifie que √144 = 12.

Exercice 7 Challenge

Résoudre dans ℝ : a) x2 = 11 ; b) x2 = −4 ; c) 3x2 − 27 = 0.

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a) Les réels dont le carré vaut 11 sont √11 et son opposé −√11, car (√11)2 = 11 et (−√11)2 = 11. L'équation a deux solutions : √11 et −√11 (valeurs exactes ; √11 ≈ 3,32). Justification : x2 − 11 = (x − √11)(x + √11), produit nul si et seulement si l'un des facteurs est nul.
b) Un carré de réel est toujours positif ou nul : aucun réel ne vérifie x2 = −4. L'équation n'a pas de solution dans ℝ.
c) 3x2 − 27 = 0 équivaut à 3x2 = 27, soit x2 = 9, donc x = 3 ou x = −3. Deux solutions : 3 et −3.
Règle : pour a > 0, x2 = a a exactement deux solutions, √a et −√a ; pour a = 0, une seule, 0 ; pour a < 0, aucune. Oublier la solution négative est l'erreur la plus fréquente.

Exercice 8 Challenge

a) Comparer 5√2 et 7 sans utiliser de valeur approchée. b) Comparer les fractions 79 et 1114. c) Montrer que pour tout réel x, x2 + 4 ≥ 4x.

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a) Les deux nombres sont positifs, ils sont donc rangés dans le même ordre que leurs carrés : (5√2)2 = 25 × 2 = 50 et 72 = 49. Comme 50 > 49, on a 5√2 > 7. (Valeur approchée de contrôle : 5√2 ≈ 7,07.)
b) On étudie le signe de la différence, en réduisant au dénominateur commun 126 : 79 − 1114 = 98126 − 99126 = −1126 < 0. Donc 79 < 1114. On peut aussi comparer les produits en croix : 7 × 14 = 98 et 11 × 9 = 99.
c) La différence x2 + 4 − 4x = x2 − 4x + 4 = (x − 2)2 est un carré, donc positive ou nulle pour tout réel x. Ainsi x2 + 4 ≥ 4x, avec égalité seulement pour x = 2.
Méthode générale : pour comparer A et B, on étudie le signe de A − B ; pour des nombres positifs, on peut aussi comparer AB à 1 ou comparer les carrés.