Éducation nationale françaiseMathématiques3ème14 min de lecture

Calcul numérique et puissances

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Lecture

4 chapitres

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Pratique

12 questions

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Objectif

3ème

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Chapitre 1

Nombres relatifs et opérations

Rappels sur les nombres relatifs

Un nombre relatif est un nombre qui possède un signe (+ ou -). Il est composé d'une distance à zéro et d'un signe.

  • Exemple : +5+5 (ou 55) et 5-5.
  • La distance à zéro de +5+5 est 55. La distance à zéro de 5-5 est 55.

Représentation sur une droite graduée : Les nombres relatifs sont représentés sur une droite orientée. Le point 00 est l'origine. Les nombres positifs sont à droite de 00, les nombres négatifs sont à gauche.

  <-----|-----|-----|-----|-----|-----|-----|-----|----->
       -3    -2    -1     0     1     2     3     4

Comparaison de nombres relatifs :

  • Entre deux nombres positifs : le plus grand est celui qui a la plus grande distance à zéro. Ex: 5>35 > 3.
  • Entre deux nombres négatifs : le plus grand est celui qui a la plus petite distance à zéro. Ex: 2>5-2 > -5.
  • Entre un nombre positif et un nombre négatif : le nombre positif est toujours plus grand. Ex: 2>102 > -10.
  • Un nombre négatif est toujours inférieur à 00.

Addition et soustraction de nombres relatifs

Règle d'addition de deux nombres de même signe :

  1. On garde le signe commun.
  2. On additionne leurs distances à zéro.
  • Exemples : (+3)+(+5)=+8(+3) + (+5) = +8 ; (3)+(5)=8(-3) + (-5) = -8.

Règle d'addition de deux nombres de signes différents :

  1. On prend le signe du nombre qui a la plus grande distance à zéro.
  2. On soustrait la plus petite distance à zéro à la plus grande.
  • Exemples : (+7)+(4)=+3(+7) + (-4) = +3 (car 7>47 > 4, le signe est ++) ; (9)+(+2)=7(-9) + (+2) = -7 (car 9>29 > 2, le signe est -).

Transformer une soustraction en addition : Soustraire un nombre relatif revient à ajouter son opposé.

  • L'opposé de +5+5 est 5-5. L'opposé de 3-3 est +3+3.
  • Exemple : (+8)(+3)=(+8)+(3)=+5(+8) - (+3) = (+8) + (-3) = +5.
  • Exemple : (6)(2)=(6)+(+2)=4(-6) - (-2) = (-6) + (+2) = -4.
  • Toute soustraction peut être transformée en addition, ce qui simplifie les calculs.

Multiplication et division de nombres relatifs

Règle des signes pour la multiplication :

  • (+)×(+)=(+)(+) \times (+) = (+)
  • ()×()=(+)(-) \times (-) = (+)
  • (+)×()=()(+) \times (-) = (-)
  • ()×(+)=()(-) \times (+) = (-)
  • En bref : Si les signes sont identiques, le résultat est positif. Si les signes sont différents, le résultat est négatif.
  • Exemples : (+4)×(+3)=+12(+4) \times (+3) = +12 ; (4)×(3)=+12(-4) \times (-3) = +12 ; (+4)×(3)=12(+4) \times (-3) = -12.

Règle des signes pour la division : Les mêmes règles des signes s'appliquent pour la division.

  • (+)÷(+)=(+)(+) \div (+) = (+)
  • ()÷()=(+)(-) \div (-) = (+)
  • (+)÷()=()(+) \div (-) = (-)
  • ()÷(+)=()(-) \div (+) = (-)
  • Exemples : (+10)÷(2)=5(+10) \div (-2) = -5 ; (15)÷(3)=+5(-15) \div (-3) = +5.

Calculs avec des parenthèses : Les parenthèses indiquent des priorités. Il faut d'abord effectuer les opérations à l'intérieur des parenthèses.

  • Exemple : (3)×(58)=(3)×(3)=+9(-3) \times (5 - 8) = (-3) \times (-3) = +9.

Priorités opératoires

L'ordre des opérations est crucial pour obtenir le bon résultat. On utilise l'acronyme PEMDAS (ou PEDMAS en anglais) :

  1. Parenthèses (et crochets)
  2. Exposants (ou Puissances)
  3. Multiplication et Division (de gauche à droite)
  4. Addition et Soustraction (de gauche à droite)
  • Exemple : 10(2+3)×2210 - (2 + 3) \times 2^2
    1. Parenthèses : 10(5)×2210 - (5) \times 2^2
    2. Exposant : 105×410 - 5 \times 4
    3. Multiplication : 102010 - 20
    4. Soustraction : 10-10

Calculs avec des fractions : Les règles de priorité s'appliquent aussi aux fractions. Le trait de fraction agit comme une parenthèse pour le numérateur et le dénominateur.

  • Exemple : 1022+2=84=2\frac{10 - 2}{2 + 2} = \frac{8}{4} = 2. Il faut calculer le numérateur et le dénominateur séparément avant la division.

Expressions numériques complexes : Il faut bien identifier chaque opération et respecter scrupuleusement l'ordre.

  • Une erreur de priorité est une erreur fréquente. Prenez votre temps pour décomposer le calcul.

Chapitre 2

Fractions et calculs

Rappels sur les fractions

Une fraction représente une partie d'un tout ou un quotient. Elle s'écrit ab\frac{a}{b}, où aa est le numérateur et bb est le dénominateur (b0b \neq 0).

  • Le dénominateur indique en combien de parts le tout est divisé.
  • Le numérateur indique combien de ces parts sont prises.
  • Exemple : 34\frac{3}{4} signifie 3 parts sur 4.

Fractions égales et simplification : Deux fractions sont égales si elles représentent la même proportion. On peut simplifier une fraction en divisant son numérateur et son dénominateur par un même nombre (leur PGCD).

  • Exemple : 68=6÷28÷2=34\frac{6}{8} = \frac{6 \div 2}{8 \div 2} = \frac{3}{4}. La fraction 34\frac{3}{4} est irréductible.
  • Pour simplifier une fraction au maximum, on divise par le plus grand commun diviseur (PGCD) du numérateur et du dénominateur.

Comparaison de fractions :

  • Si elles ont le même dénominateur : on compare les numérateurs. Ex: 57>37\frac{5}{7} > \frac{3}{7}.
  • Si elles ont le même numérateur : la plus grande est celle qui a le plus petit dénominateur. Ex: 23>25\frac{2}{3} > \frac{2}{5}.
  • Si elles n'ont ni le même numérateur ni le même dénominateur : il faut les réduire au même dénominateur commun (souvent le PPCM).
    • Exemple : Comparer 12\frac{1}{2} et 23\frac{2}{3}. Dénominateur commun 66. 12=36\frac{1}{2} = \frac{3}{6} et 23=46\frac{2}{3} = \frac{4}{6}. Donc 23>12\frac{2}{3} > \frac{1}{2}.

Addition et soustraction de fractions

Mettre au même dénominateur : C'est l'étape essentielle pour additionner ou soustraire des fractions avec des dénominateurs différents. On cherche un multiple commun aux dénominateurs, le plus petit commun multiple (PPCM) est idéal.

  • Exemple : Pour 13+14\frac{1}{3} + \frac{1}{4}, le PPCM de 33 et 44 est 1212.
    • 13=1×43×4=412\frac{1}{3} = \frac{1 \times 4}{3 \times 4} = \frac{4}{12}
    • 14=1×34×3=312\frac{1}{4} = \frac{1 \times 3}{4 \times 3} = \frac{3}{12}

Addition de fractions :

  1. Mettre les fractions au même dénominateur.
  2. Additionner les numérateurs.
  3. Garder le dénominateur commun.
  4. Simplifier si possible.
  • Exemple : 412+312=4+312=712\frac{4}{12} + \frac{3}{12} = \frac{4+3}{12} = \frac{7}{12}.

Soustraction de fractions :

  1. Mettre les fractions au même dénominateur.
  2. Soustraire les numérateurs.
  3. Garder le dénominateur commun.
  4. Simplifier si possible.
  • Exemple : 5612=561×32×3=5636=536=26=13\frac{5}{6} - \frac{1}{2} = \frac{5}{6} - \frac{1 \times 3}{2 \times 3} = \frac{5}{6} - \frac{3}{6} = \frac{5-3}{6} = \frac{2}{6} = \frac{1}{3}.

Multiplication et division de fractions

Règle de multiplication des fractions : On multiplie les numérateurs entre eux et les dénominateurs entre eux.

  • ab×cd=a×cb×d\frac{a}{b} \times \frac{c}{d} = \frac{a \times c}{b \times d}
  • Exemple : 23×45=2×43×5=815\frac{2}{3} \times \frac{4}{5} = \frac{2 \times 4}{3 \times 5} = \frac{8}{15}.
  • Il n'est pas nécessaire d'avoir le même dénominateur pour la multiplication. On peut simplifier avant de multiplier pour faciliter le calcul. Ex: 23×34=2×33×4=24=12\frac{2}{3} \times \frac{3}{4} = \frac{2 \times 3}{3 \times 4} = \frac{2}{4} = \frac{1}{2}.

Inverse d'une fraction : L'inverse d'une fraction ab\frac{a}{b} est ba\frac{b}{a} (pour a0a \neq 0). Le produit d'une fraction par son inverse est 11.

  • Exemple : L'inverse de 23\frac{2}{3} est 32\frac{3}{2}. 23×32=1\frac{2}{3} \times \frac{3}{2} = 1.

Règle de division des fractions : Diviser par une fraction revient à multiplier par son inverse.

  • ab÷cd=ab×dc\frac{a}{b} \div \frac{c}{d} = \frac{a}{b} \times \frac{d}{c}
  • Exemple : 23÷45=23×54=2×53×4=1012=56\frac{2}{3} \div \frac{4}{5} = \frac{2}{3} \times \frac{5}{4} = \frac{2 \times 5}{3 \times 4} = \frac{10}{12} = \frac{5}{6}.

Problèmes avec les fractions

Calculer une fraction d'une quantité : Pour calculer ab\frac{a}{b} d'une quantité QQ, on multiplie la fraction par la quantité.

  • Exemple : Les 25\frac{2}{5} de 150150 € sont 25×150=2×1505=3005=60\frac{2}{5} \times 150 = \frac{2 \times 150}{5} = \frac{300}{5} = 60 €.

Résoudre des problèmes concrets : Les fractions sont très utilisées dans la vie quotidienne pour partager, comparer des proportions, etc.

  • Exemple : Un gâteau est partagé en 88 parts. Si Jean en mange 14\frac{1}{4} et Marie 38\frac{3}{8}, quelle fraction du gâteau a été mangée ?
    • 14+38=28+38=58\frac{1}{4} + \frac{3}{8} = \frac{2}{8} + \frac{3}{8} = \frac{5}{8}.

Opérations mixtes avec des fractions : Il faut appliquer les priorités opératoires.

  • Exemple : 12+13×34\frac{1}{2} + \frac{1}{3} \times \frac{3}{4}
    • Multiplication d'abord : 13×34=14\frac{1}{3} \times \frac{3}{4} = \frac{1}{4}
    • Addition ensuite : 12+14=24+14=34\frac{1}{2} + \frac{1}{4} = \frac{2}{4} + \frac{1}{4} = \frac{3}{4}.

Chapitre 3

Puissances d'un nombre

Définition et notation

Une puissance entière positive est une façon d'écrire une multiplication répétée du même nombre.

  • an=a×a××aa^n = a \times a \times \dots \times a (nn fois)
  • aa est la base, nn est l'exposant.
  • Exemple : 23=2×2×2=82^3 = 2 \times 2 \times 2 = 8.

Cas particuliers :

  • Exposant 1 : Tout nombre élevé à la puissance 11 est égal à lui-même. a1=aa^1 = a. Ex: 51=55^1 = 5.
  • Exposant 0 : Tout nombre (non nul) élevé à la puissance 00 est égal à 11. a0=1a^0 = 1 (pour a0a \neq 0). Ex: 70=17^0 = 1.
  • Attention : 000^0 n'est pas défini.

Puissances de 10

Les puissances de 1010 sont très importantes en science et pour l'écriture des grands et petits nombres.

  • Définition : 10n=1000n zeˊros10^n = 1 \underbrace{00\dots0}_{n \text{ zéros}} et 10n=0,000n1 zeˊros110^{-n} = 0,\underbrace{00\dots0}_{n-1 \text{ zéros}}1.
  • Exemples : 103=100010^3 = 1000 ; 101=1010^1 = 10 ; 100=110^0 = 1.
  • L'exposant indique le nombre de zéros après le 1 pour les puissances positives.

Écriture décimale des puissances de 10 :

  • 102=10010^2 = 100
  • 101=0,110^{-1} = 0,1
  • 102=0,0110^{-2} = 0,01
  • 103=0,00110^{-3} = 0,001
  • Pour les exposants négatifs, l'exposant indique le rang du 1 après la virgule.

Utilisation dans les grands et petits nombres : Elles permettent d'écrire des nombres très grands ou très petits de manière concise (voir écriture scientifique).

  • Distance Terre-Soleil : 1,5×1081,5 \times 10^8 km.
  • Taille d'une bactérie : 5×1065 \times 10^{-6} m.

Opérations sur les puissances

Produit de puissances de même base : Pour multiplier des puissances ayant la même base, on garde la base et on additionne les exposants.

  • an×am=an+ma^n \times a^m = a^{n+m}
  • Exemple : 23×24=23+4=272^3 \times 2^4 = 2^{3+4} = 2^7.

Quotient de puissances de même base : Pour diviser des puissances ayant la même base, on garde la base et on soustrait les exposants.

  • anam=anm\frac{a^n}{a^m} = a^{n-m}
  • Exemple : 3532=352=33\frac{3^5}{3^2} = 3^{5-2} = 3^3.

Puissance d'une puissance : Pour élever une puissance à une autre puissance, on garde la base et on multiplie les exposants.

  • (an)m=an×m(a^n)^m = a^{n \times m}
  • Exemple : ((52)3=52×3=56( (5^2)^3 = 5^{2 \times 3} = 5^6.

Puissances d'exposant négatif

Définition d'une puissance d'exposant négatif : Un nombre élevé à une puissance négative est l'inverse de ce nombre élevé à la puissance positive correspondante.

  • an=1ana^{-n} = \frac{1}{a^n} (pour a0a \neq 0)
  • Exemple : 23=123=182^{-3} = \frac{1}{2^3} = \frac{1}{8}.
  • Exemple : 102=1102=1100=0,0110^{-2} = \frac{1}{10^2} = \frac{1}{100} = 0,01.

Lien avec l'inverse : a1=1aa^{-1} = \frac{1}{a} est l'inverse de aa.

  • Exemple : L'inverse de 44 est 41=144^{-1} = \frac{1}{4}.

Calculs avec des exposants négatifs : Les règles des opérations sur les puissances s'appliquent aussi aux exposants négatifs.

  • Exemple : 32×34=32+(4)=32=132=193^2 \times 3^{-4} = 3^{2+(-4)} = 3^{-2} = \frac{1}{3^2} = \frac{1}{9}.
  • Exemple : 5351=53(1)=53+1=54\frac{5^3}{5^{-1}} = 5^{3-(-1)} = 5^{3+1} = 5^4.

Chapitre 4

Écriture scientifique

Principe de l'écriture scientifique

L'écriture scientifique est une manière d'écrire les nombres très grands ou très petits pour les rendre plus lisibles et faciliter les comparaisons.

  • Un nombre est écrit en écriture scientifique s'il est de la forme a×10na \times 10^n, où :
    • aa est la mantisse : un nombre décimal tel que 1a<101 \le |a| < 10.
    • nn est un entier relatif (l'ordre de grandeur).
  • Exemple : La vitesse de la lumière est environ 300000000300\,000\,000 m/s. En écriture scientifique : 3×1083 \times 10^8 m/s.
  • Exemple : La masse d'un atome d'hydrogène est environ 0,000000000000000000000001670,000\,000\,000\,000\,000\,000\,000\,00167 g. En écriture scientifique : 1,67×10241,67 \times 10^{-24} g.

Intérêt de l'écriture scientifique :

  • Facilite la lecture.
  • Permet de comparer rapidement les ordres de grandeur.
  • Simplifie les calculs avec des nombres très grands ou très petits.

Conversion en écriture scientifique

Écrire un nombre positif en écriture scientifique :

  1. Déplacer la virgule pour que le nombre ait un seul chiffre non nul avant la virgule (ce sera la mantisse).
  2. Déterminer l'exposant de 10 : Il correspond au nombre de places dont la virgule a été déplacée.
    • Si la virgule a été déplacée vers la gauche, l'exposant est positif.
    • Si la virgule a été déplacée vers la droite, l'exposant est négatif.
  • Exemple : Convertir 123400123\,400.

    • Déplacer la virgule : 1,2341,234.
    • Déplacement de 55 rangs vers la gauche.
    • Donc 123400=1,234×105123\,400 = 1,234 \times 10^5.
  • Exemple : Convertir 0,0000450,000\,045.

    • Déplacer la virgule : 4,54,5.
    • Déplacement de 55 rangs vers la droite.
    • Donc 0,000045=4,5×1050,000\,045 = 4,5 \times 10^{-5}.
  • La mantisse doit toujours être comprise entre 11 (inclus) et 1010 (exclus).

Calculs avec l'écriture scientifique

Multiplication de nombres en écriture scientifique :

  1. Multiplier les mantisses entre elles.
  2. Multiplier les puissances de 10 entre elles (en additionnant les exposants).
  3. Ajuster le résultat si la nouvelle mantisse n'est pas entre 11 et 1010.
  • Exemple : (2×103)×(3×104)(2 \times 10^3) \times (3 \times 10^4)
    • (2×3)×(103×104)=6×103+4=6×107(2 \times 3) \times (10^3 \times 10^4) = 6 \times 10^{3+4} = 6 \times 10^7.

Division de nombres en écriture scientifique :

  1. Diviser les mantisses.
  2. Diviser les puissances de 10 (en soustrayant les exposants).
  3. Ajuster le résultat si nécessaire.
  • Exemple : (8×105)÷(2×102)(8 \times 10^5) \div (2 \times 10^2)
    • (8÷2)×(105÷102)=4×1052=4×103(8 \div 2) \times (10^5 \div 10^2) = 4 \times 10^{5-2} = 4 \times 10^3.

Addition et soustraction (même ordre de grandeur) : Pour additionner ou soustraire, les nombres doivent avoir le même exposant de 1010. Si ce n'est pas le cas, on doit ajuster un des nombres.

  • Exemple : (2×103)+(3×103)=(2+3)×103=5×103(2 \times 10^3) + (3 \times 10^3) = (2+3) \times 10^3 = 5 \times 10^3.
  • Exemple : (2×103)+(4×102)(2 \times 10^3) + (4 \times 10^2)
    • On convertit 4×1024 \times 10^2 en 0,4×1030,4 \times 10^3.
    • (2×103)+(0,4×103)=(2+0,4)×103=2,4×103(2 \times 10^3) + (0,4 \times 10^3) = (2+0,4) \times 10^3 = 2,4 \times 10^3.

Application aux grandeurs physiques

L'écriture scientifique est fondamentale en physique-chimie pour exprimer des mesures et des calculs.

  • Unités de mesure et préfixes : Les préfixes comme "kilo" (10310^3), "milli" (10310^{-3}), "micro" (10610^{-6}), "nano" (10910^{-9}), "giga" (10910^9) sont des puissances de 1010.
    • Exemple : 11 km =1×103= 1 \times 10^3 m. 11 nm =1×109= 1 \times 10^{-9} m.

Ordres de grandeur dans l'univers : L'écriture scientifique permet de comparer des échelles très différentes, du microscopique à l'astronomique.

  • Diamètre d'un atome : 1010\approx 10^{-10} m.
  • Rayon de la Terre : 6,4×106\approx 6,4 \times 10^6 m.
  • Distance de la Terre à la Lune : 3,84×108\approx 3,84 \times 10^8 m.
  • Elle rend intelligibles des nombres que l'on aurait du mal à saisir sous leur forme décimale complète.

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