Maths (Spé) — Algèbre
Polynômes du second degré
Discriminant, racines, signe, forme canonique, factorisation
Résumé synthétiqueFiche en 4 sectionsQuiz de 10 questionsGratuit, sans pub
Cours de spé Maths. Même notion dans une autre matière : Second degré — maths du tronc commun
Résumé
Un polynôme du second degré est une fonction de la forme $f(x) = ax^2 + bx + c$ avec $a \neq 0$. Sa courbe est une parabole ouverte vers le haut si $a > 0$, vers le bas si $a < 0$. La forme canonique $f(x) = a(x - \alpha)^2 + \beta$ révèle le sommet $S(\alpha\,;\beta)$ de la parabole, avec $\alpha = -\dfrac{b}{2a}$ et $\beta = f(\alpha)$. Le discriminant $\Delta = b^2 - 4ac$ détermine le nombre de racines réelles : si $\Delta > 0$, deux racines distinctes $x_1 = \dfrac{-b - \sqrt{\Delta}}{2a}$ et $x_2 = \dfrac{-b + \sqrt{\Delta}}{2a}$ ; si $\Delta = 0$, une racine double $x_0 = -\dfrac{b}{2a}$ ; si $\Delta < 0$, aucune racine réelle. La factorisation dépend du signe de $\Delta$ : si $\Delta > 0$, $f(x) = a(x - x_1)(x - x_2)$ ; si $\Delta = 0$, $f(x) = a(x - x_0)^2$. Le signe du trinôme se déduit du signe de $a$ et des racines : si $\Delta > 0$, le trinôme est du signe de $a$ à l'extérieur des racines et du signe opposé entre les racines. Ces résultats sont fondamentaux pour résoudre les inéquations, optimiser des fonctions et modéliser des situations concrètes (trajectoires, aires, profits).
La forme canonique révèle le sommet de la parabole et ses propriétés essentielles. C'est la première étape de l'étude de tout polynôme du second degré, avant même le calcul du discriminant.
Le polynôme du second degré : forme canonique, sommet et racines.
- Forme développée : $f(x) = ax^2 + bx + c$ avec $a \neq 0$.
- Forme canonique : $f(x) = a(x - \alpha)^2 + \beta$ avec $\alpha = -\dfrac{b}{2a}$ et $\beta = f(\alpha) = -\dfrac{\Delta}{4a}$.
- Le sommet de la parabole est $S(\alpha\,;\beta)$ : c'est le minimum si $a > 0$, le maximum si $a < 0$.
- Axe de symétrie : la droite verticale $x = \alpha = -\dfrac{b}{2a}$.
- Exemple : $f(x) = 2x^2 - 8x + 5$ donne $\alpha = \dfrac{8}{4} = 2$, $\beta = f(2) = 8 - 16 + 5 = -3$, d'où $f(x) = 2(x-2)^2 - 3$.
- Si $a > 0$ : parabole ouverte vers le haut, minimum $\beta$ atteint en $\alpha$.
- Si $a < 0$ : parabole ouverte vers le bas, maximum $\beta$ atteint en $\alpha$.
- Application : pour maximiser une aire ou un profit, chercher le sommet de la parabole.
Exemple
Pour $f(x) = 2x^2 - 8x + 5$ : $\alpha = \dfrac{-(-8)}{2\times 2} = \dfrac{8}{4} = 2$. $\beta = f(2) = 2(4) - 8(2) + 5 = 8 - 16 + 5 = -3$. Forme canonique : $f(x) = 2(x - 2)^2 - 3$. Le sommet est $S(2\,;-3)$. Comme $a = 2 > 0$, c'est un minimum. L'axe de symétrie est $x = 2$.
Piège à éviter
$\alpha = -\dfrac{b}{2a}$, et non $-\dfrac{b}{2}a$ ! Si $a = -3$ et $b = 6$, alors $\alpha = \dfrac{-6}{2\times(-3)} = \dfrac{-6}{-6} = 1$, et pas $-\dfrac{6}{2}\times(-3) = 9$. Mets toujours des parenthèses autour de $2a$ au dénominateur.
Le discriminant $\Delta = b^2 - 4ac$ est la clé de tout le chapitre. Son signe détermine le nombre de racines et donc la factorisation possible. C'est LA formule à connaître par cœur.
- Discriminant : $\Delta = b^2 - 4ac$ — la formule clé du chapitre.
- Si $\Delta > 0$ : deux racines distinctes $x_1 = \dfrac{-b - \sqrt{\Delta}}{2a}$ et $x_2 = \dfrac{-b + \sqrt{\Delta}}{2a}$.
- Si $\Delta = 0$ : une racine double $x_0 = -\dfrac{b}{2a}$ — la parabole est tangente à l'axe $Ox$.
- Si $\Delta < 0$ : aucune racine réelle — la parabole ne coupe pas l'axe $Ox$.
- Exemple : $x^2 - 5x + 6 = 0$ donne $\Delta = 25 - 24 = 1 > 0$, $x_1 = \dfrac{5-1}{2} = 2$, $x_2 = \dfrac{5+1}{2} = 3$.
- Exemple : $x^2 - 6x + 9 = 0$ donne $\Delta = 36 - 36 = 0$, $x_0 = 3$ (racine double).
- Exemple : $x^2 + x + 1 = 0$ donne $\Delta = 1 - 4 = -3 < 0$ : pas de solution réelle.
- Somme des racines : $x_1 + x_2 = -\dfrac{b}{a}$ ; produit : $x_1 \times x_2 = \dfrac{c}{a}$ (relations de Viète).
Exemple
Résoudre $2x^2 - 7x + 3 = 0$. $\Delta = (-7)^2 - 4(2)(3) = 49 - 24 = 25 > 0$. $\sqrt{\Delta} = 5$. $x_1 = \dfrac{7 - 5}{2\times 2} = \dfrac{2}{4} = \dfrac{1}{2}$, $x_2 = \dfrac{7 + 5}{4} = \dfrac{12}{4} = 3$. Vérification par Viète : $x_1 + x_2 = \dfrac{1}{2} + 3 = \dfrac{7}{2} = -\dfrac{b}{a}$, et $x_1 \times x_2 = \dfrac{3}{2} = \dfrac{c}{a}$.
Piège à éviter
Dans la formule des racines, le dénominateur est $2a$, pas $2$. Si $a = 3$, $b = -6$ et $\Delta = 36$, alors $x = \dfrac{6 \pm 6}{2\times 3} = \dfrac{6 \pm 6}{6}$, et non $\dfrac{6 \pm 6}{2}$ ! Beaucoup d'élèves oublient le $a$ au dénominateur quand $a \neq 1$.
La factorisation d'un trinôme découle directement du discriminant. C'est un outil essentiel pour résoudre des équations, étudier des signes ou simplifier des expressions.
- Si $\Delta > 0$ : $f(x) = a(x - x_1)(x - x_2)$ — factorisation complète.
- Si $\Delta = 0$ : $f(x) = a(x - x_0)^2$ — carré parfait.
- Si $\Delta < 0$ : pas de factorisation dans les réels.
- Exemple : $2x^2 - 10x + 12$ donne $\Delta = 100 - 96 = 4$, $x_1 = 2$, $x_2 = 3$, d'où $2(x-2)(x-3)$.
- Vérification : développer la forme factorisée pour retrouver la forme développée.
- La factorisation sert à résoudre $f(x) = 0$, étudier le signe, simplifier des fractions rationnelles.
- Facteur commun : vérifier d'abord si l'on peut mettre $a$ en facteur avant d'utiliser $\Delta$.
Exemple
Factoriser $3x^2 - 12x + 9$. On factorise d'abord par $3$ : $3(x^2 - 4x + 3)$. Pour $x^2 - 4x + 3$ : $\Delta = 16 - 12 = 4$, $x_1 = \dfrac{4-2}{2} = 1$, $x_2 = \dfrac{4+2}{2} = 3$. Donc $3(x^2 - 4x + 3) = 3(x - 1)(x - 3)$. Vérification : $3(x-1)(x-3) = 3(x^2 - 4x + 3) = 3x^2 - 12x + 9$.
Piège à éviter
N'oublie pas le coefficient $a$ devant la factorisation ! Si $f(x) = 2x^2 - 10x + 12$, la factorisation est $2(x-2)(x-3)$, pas $(x-2)(x-3)$. Le $a = 2$ doit apparaître devant. Vérifie toujours en développant ton résultat.
Le signe du trinôme est l'une des questions les plus fréquentes sur ce chapitre. La règle est simple : le trinôme est du signe de $a$ sauf entre les racines (quand elles existent).
- Règle fondamentale : le trinôme est du signe de $a$ sauf entre les racines (si elles existent).
- Si $\Delta > 0$ : signe de $a$ sur $]-\infty\,;x_1[$ et $]x_2\,;+\infty[$, signe opposé sur $]x_1\,;x_2[$.
- Si $\Delta = 0$ : toujours du signe de $a$ (nul uniquement en $x_0$).
- Si $\Delta < 0$ : toujours du signe de $a$ (strictement, car jamais nul).
- Mnémotechnique : « le signe de $a$ à l'extérieur des racines, le signe contraire à l'intérieur ».
- Application : résoudre $ax^2 + bx + c \geq 0$ en trouvant les racines puis en dressant le tableau de signes.
- Exemple : $x^2 - 4 > 0$ a pour racines $-2$ et $2$ (avec $a = 1 > 0$), d'où la solution $]-\infty\,;-2[ \cup ]2\,;+\infty[$.
Exemple
Résoudre $-x^2 + 3x - 2 \geq 0$. Ici $a = -1$, $b = 3$, $c = -2$, donc $\Delta = 9 - 8 = 1$ et $\sqrt{\Delta} = 1$. Les racines sont $x_1 = \dfrac{-3 + 1}{2\times(-1)} = 1$ et $x_2 = \dfrac{-3 - 1}{2\times(-1)} = 2$. Comme $a = -1 < 0$, le trinôme est négatif à l'extérieur des racines et positif entre elles. Solution : $x \in [1\,;2]$.
Piège à éviter
Pense à bien ordonner les racines : $x_1 < x_2$. Si tu trouves $x_1 = 3$ et $x_2 = 1$, inverse-les ! Le signe du trinôme dans le tableau est « signe de $a$, signe opposé, signe de $a$ » avec les racines dans l'ordre croissant. Un tableau avec $x_1 > x_2$ est incohérent.
Quiz - Polynômes du second degré
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Questions fréquentes
Les points clés à retenir sur Polynômes du second degré, extraits du quiz de révision.
Le discriminant de $x^2 - 3x + 2 = 0$ vaut :
Réponse :
$1$
$\Delta = (-3)^2 - 4(1)(2) = 9 - 8 = 1$.
Les racines de $x^2 - 5x + 6 = 0$ sont :
Réponse :
$2$ et $3$
$\Delta = 25 - 24 = 1$. $x_1 = \dfrac{5-1}{2} = 2$, $x_2 = \dfrac{5+1}{2} = 3$.
Si $\Delta < 0$ et $a > 0$, alors $f(x)$ est :
Réponse :
Toujours positif
Si $\Delta < 0$, pas de racines : le trinôme garde le signe de $a$, donc strictement positif pour tout $x$.
Le sommet de $f(x) = -x^2 + 4x - 1$ est :
Réponse :
$(2\,;3)$
$\alpha = \dfrac{-4}{2\times(-1)} = 2$. $\beta = f(2) = -4 + 8 - 1 = 3$. Sommet $S(2\,;3)$.
La forme factorisée de $2x^2 - 8x + 6$ est :
Réponse :
$2(x-1)(x-3)$
$\Delta = 64 - 48 = 16$. $x_1 = \dfrac{8-4}{4} = 1$, $x_2 = \dfrac{8+4}{4} = 3$. Donc $f(x) = 2(x-1)(x-3)$.
$x^2 + 2x + 1 = 0$ a :
Réponse :
Une racine double
$\Delta = 4 - 4 = 0$, donc une racine double $x_0 = -\dfrac{2}{2} = -1$. On a $(x+1)^2 = 0$.
L'ensemble des solutions de $x^2 - 9 < 0$ est :
Réponse :
$]-3\,;3[$
Racines : $-3$ et $3$. Comme $a = 1 > 0$, le trinôme est négatif entre les racines : $]-3\,;3[$.
La somme des racines de $3x^2 - 12x + 7 = 0$ vaut :
Réponse :
$4$
Somme $= -\dfrac{b}{a} = -\dfrac{-12}{3} = 4$. Pas besoin de calculer $\Delta$ ni les racines individuellement.
La parabole de $f(x) = -2x^2 + 3$ est ouverte vers :
Réponse :
Le bas
$a = -2 < 0$, donc la parabole est ouverte vers le bas.
Le produit des racines de $2x^2 + 5x - 3 = 0$ vaut :
Réponse :
$-\dfrac{3}{2}$
Produit $= \dfrac{c}{a} = -\dfrac{3}{2}$. C'est une relation de Viète : pour $ax^2 + bx + c = 0$, le produit des racines est $\dfrac{c}{a}$.