Les maths au collège : Cours, Techniques et Exercices

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Les maths au college :
Cours, Techniques et Exercices
Denis LE FUR
College Zephir, Cayenne
11 mars 2004 L’objet de ce document est de fournir aux eleves de niveau 3eme un recueil de cours, de techniques et d’exercices
sur les di erentes connaissances exigibles en mathematiques au college.
Ainsi, chaque chapitre contiendra un cours sommaire, des exercices corriges, puis une serie d’exercices mettant en
oeuvre les notions etudiees dans ce chapitre.
Ce document regroupant a la fois des notions du programme de 3eme mais aussi des annees precedentes, le plan
choisi ne correspond pas a une progression d’un cours de 3eme.
Pour atteindre une notion, l’eleve pourra s’aider de la table des matieres mais aussi de l’index situe en n de
document.
Cee document s’adrese egalement aux parents et aux enseignants :
les parents pourront s’en servir pour apprendre a leurs enfants a y chercher la reponse a un probleme, a travailler
sur la methodologie m^eme s’ils ne ma^ trisen t pas au depart le contenu;
les enseignants auront une base de discussion sur leur pratique pedagogique.
Une version informatique de ce document sous forme de c hier PDF contenant des liens hypertextes est aussi
disponible.
2/ 175 Table des matieres
Table des matieres 5
I Partie geometrique 7
1 Le triangle rectangle 9
1.1 Le cours . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.1.1 Le theoreme de Pythagore . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ...
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Les maths au college : Cours, Techniques et Exercices Denis LE FUR College Zephir, Cayenne 11 mars 2004 L’objet de ce document est de fournir aux eleves de niveau 3eme un recueil de cours, de techniques et d’exercices sur les di erentes connaissances exigibles en mathematiques au college. Ainsi, chaque chapitre contiendra un cours sommaire, des exercices corriges, puis une serie d’exercices mettant en oeuvre les notions etudiees dans ce chapitre. Ce document regroupant a la fois des notions du programme de 3eme mais aussi des annees precedentes, le plan choisi ne correspond pas a une progression d’un cours de 3eme. Pour atteindre une notion, l’eleve pourra s’aider de la table des matieres mais aussi de l’index situe en n de document. Cee document s’adrese egalement aux parents et aux enseignants : les parents pourront s’en servir pour apprendre a leurs enfants a y chercher la reponse a un probleme, a travailler sur la methodologie m^eme s’ils ne ma^ trisen t pas au depart le contenu; les enseignants auront une base de discussion sur leur pratique pedagogique. Une version informatique de ce document sous forme de c hier PDF contenant des liens hypertextes est aussi disponible. 2/ 175 Table des matieres Table des matieres 5 I Partie geometrique 7 1 Le triangle rectangle 9 1.1 Le cours . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.1.1 Le theoreme de Pythagore . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.1.2 Triangle rectangle et cercle circonscrit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.1.3 Trigonometrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 1.2 Les exercices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 1.2.1 Exercices corriges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 1.2.2 Autres exercices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2 Les droites paralleles 21 2.1 Le cours . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.1.1 Le theoreme de Thales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.1.2 La reciproque du theoreme de Thales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2.1.3 Droite des milieux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2.1.4 Angles et parallelisme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2.2 Les exercices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 2.2.1 Exercices corriges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 2.2.2 Autres exercices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 3 Les polygones 31 3.1 Le cours . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 3.1.1 Generalites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 3.1.2 Les triangles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 3.1.3 Les quadrilateres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 3.1.4 Autres polygones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 3.2 Les exercices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 3.2.1 Exercices corriges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 3.2.2 Autres exercices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 4 Les droites remarquables 39 4.1 Le cours . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 4.1.1 Medianes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 4.1.2 Mediatrices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 4.1.3 Hauteurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 4.1.4 Bissectrices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 4.2 Les exercices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 4.2.1 Exercices corriges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 4.2.2 Autres exercices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 3 TABLE DES MATIERES TABLE DES MATIERES 5 Les angles 47 5.1 Le cours . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 5.1.1 Les categories d’angles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 5.1.2 Relations entre deux angles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 5.1.3 Angles inscrits et angles au centre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 5.2 Les exercices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 5.2.1 Exercices corriges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 5.2.2 Autres exercices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 6 Longueurs, aires et volumes 53 6.1 Le cours . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 6.1.1 Longueurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 6.1.2 Aires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 6.1.3 Volumes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 6.2 Les exercices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 6.2.1 Exercices corriges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 6.2.2 Autres exercices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 7 Les transformations 61 7.1 Le cours . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 7.1.1 Symetrie centrale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 7.1.2 Symetrie axiale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 7.1.3 Translation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 7.1.4 Rotation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 7.2 Les exercices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 7.2.1 Exercices corriges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 7.2.2 Autres exercices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 8 Geometrie dans l’espace 73 8.1 Le cours . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 8.1.1 Les paves droits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 8.1.2 Les Pyramides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 8.1.3 Les c^ones de revolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 8.1.4 La sphere et la boule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 8.1.5 Agrandissement et reduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 8.2 Les exercices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 8.2.1 Exercices corriges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 8.2.2 Autres exercices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 9 Geometrie analytique 91 9.1 Le cours . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 9.1.1 Utilisation d’un repere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 9.1.2 Milieu d’un segment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 9.1.3 Vecteurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 9.1.4 Distance entre deux points . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 9.1.5 Droites dans un repere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 9.2 Les exercices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 9.2.1 Exercices corriges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 9.2.2 Autres exercices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 II Partie numerique 105 10 Le calcul numerique 107 10.1 Le cours . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 10.1.1 Priorites sur les operations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 10.1.2 Les nombres relatifs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 10.1.3 Les fractions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 10.1.4 Les racines carrees . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 10.1.5 Les puissances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 4/ 175 TABLE DES MATIERES TABLE DES MATIERES 10.1.6 Ecriture scienti que . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 10.2 Les exercices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 10.2.1 Exercices corriges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 10.2.2 Autres exercices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 11 L’arithmetique 119 11.1 Le cours . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 11.1.1 Division euclidienne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 11.1.2 Diviseurs communs a deux nombres et PGCD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 11.1.3 Methodes de recherche du PGCD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 11.2 Les exercices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122 11.2.1 Exercices corriges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122 11.2.2 Autres exercices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 12 Le calcul litteral 125 12.1 Le cours . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 12.1.1 Generalites sur les expressions numeriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 12.1.2 Developpement d’une expression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 12.1.3 Factorisation d’une . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 12.1.4 Equations du premier degre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128 12.1.5 Inequations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130 12.1.6 Equation de type \produit nul" . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132 12.1.7 Systeme de deux equations a deux inconnues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 12.2 Les exercices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136 12.2.1 Exercices corriges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136 12.2.2 Autres exercices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140 13 La proportionnalite 143 13.1 Le cours . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143 13.1.1 Proportionalite sur un tableau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143 13.1.2 Proportionnalite et fonctions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145 13.1.3 Les pourcentages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147 13.1.4 Proportionnalite et grandeurs physiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149 13.2 Les exercices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150 13.2.1 Exercices corriges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150 13.2.2 Autres exercices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154 14 Gestion de donnees 159 14.1 Le cours . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159 14.1.1 Series statistiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159 14.1.2 Les graphiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160 14.1.3 Frequences et frequences cumulees . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162 14.1.4 Moyenne, mediane et etendue d’une serie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162 14.2 Les exercices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164 14.2.1 Exercices corriges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164 14.2.2 Autres exercices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167 Index 173 5/ 175 TABLE DES MATIERES TABLE DES MATIERES 6/ 175 Premiere partie Partie geometrique 7 Chapitre 1 Le triangle rectangle 1.1 Le cours 1.1.1 Le theoreme de Pythagore Enonce du theoreme Dans un triangle rectangle, le carre de l’hypotenuse est egal a la somme des carres des c^otes de l’angle droit. But du theoreme Le theoreme de Pythagore sert a calculer un c^ote d’un triangle rectangle connaissant les deux autres. Cependant, l’enonce du theoreme ne depend pas du c^ote cherche. Premiere application : calcul de l’hypotenuse E Enonce ? Sur la gure ci-contre, le triangle EFG est rectangle en F.5 On donne : EF = 5 et FG = 7. Calculer EG. On donnera sa valeur exacte, puis sa valeur arrondie au dixieme. F 7 G Solution Calculons EG. Commentaires Dans le triangle EFG rectangle en F, Les 3 premieres lignes sont l’enonce du theoreme. d’apres le theoreme de Pythagore, 2 2 2EF + FG = EG Le sommet F de l’angle droit est pres du signe +. 2 2 25 + 7 = EG On remplace les deux valeurs connues. 225 + 49 = EG 2EG = 74p EG = 74 (valeur exacte) D’apres la calculatrice EG = 8; 6 (valeur arrondie au dixieme) 9 1.1. LE COURS CHAPITRE 1. LE TRIANGLE RECTANGLE Deuxieme application : calcul d’un c^ote de l’angle droit S Enonce 7 Sur la gure ci-contre, le triangle RST est rectangle en R.4 On donne : RS = 4 et ST = 7. Calculer RT. On donnera sa valeur exacte, puis sa valeur arrondie au dixieme. R ? T Solution Calculons RT. Commentaires Dans le triangle RST rectangle en R, d’apres le theoreme de Pythagore, 2 2 2SR + RT = ST Cette relation ne depend pas de la longueur cherchee. 2 2 24 + RT = 7 216 + RT = 49 2RT = 49 16 2RT = 33p RT = 33 (valeur exacte) D’apres la calculatrice RT = 5; 7 (valeur arrondie au dixieme) Reciproque du theoreme de Pythagore Enonce de la reciproque Dans un triangle, si la somme des carres des deux petits c^otes est egal au carre du grand c^ote, alors le triangle est rectangle et le grand c^ote est son hypotenuse. Cette egalite doit ^etre parfaite : aucun arrondi ne peut ^etre utilise. But de la reciproque La reciproque du theoreme de Pythagore sert a veri er si un triangle est rectangle ou non. Pour l’utiliser, il est necessaire de conna^ tre les trois longueurs du triangle. NB : il ne faut jamais utiliser le theoreme de Pythagore pour calculer une longueur manquante pour ensuite vouloir utiliser la reciproque du theoreme de Pythagore. Premiere application : cas d’un triangle rectangle A Enonce 4; 8 6; 4 Sur la gure ci-contre, on donne : AB = 4; 8, AC = 6; 4 et BC = 8. Montrer que ABC est un triangle rectangle. 8B C Solution Montrons que le triangle ABC est rectangle en A Commentaires 2 2BC = 8 = 64 [BC] est le grand c^ote du triangle. 2 2 2 2BA + AC = 4; 8 + 6; 4 = 23; 04 + 40; 96 = 64 A est le sommet de l’angle droit suppose. 2 2 2Comme BA + AC = BC , d’apres la reciproque du theoreme de Pythagore, le triangle ABC est rectangle en A. 10/ 175
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