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Puissances et notation scientifique : cours de maths 3ème à télécharger en PDF

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Cours de maths en 3ème : Puissances et notation scientifique — Zyro, l’explorateur de Planète Maths

Combien de grains de sable sur une plage, combien d’octets dans un téléphone, quelle distance jusqu’à une étoile ? Les nombres de la vraie vie sont parfois immenses, parfois minuscules. Pour les écrire sans se perdre dans les zéros, on utilise les puissances. Dans ce chapitre, tu vas apprendre à les calculer, à les simplifier, puis à les utiliser pour écrire et comparer les très grands et les très petits nombres.

1. Puissance d’exposant entier positif

Puissance

Pour un nombre \(a\) et un entier \(n \geqslant 1\), on note \(a^n\) le produit de \(n\) facteurs égaux à \(a\) :

\[ a^n = \underbrace{a \times a \times \dots \times a}_{n \text{ facteurs}} \]

On convient aussi que \(a^1 = a\) et que \(a^0 = 1\) pour \(a \neq 0\). Le nombre \(n\) s’appelle l’exposant.

0102030405060702⁰2¹2²2³2⁴2⁵2⁶

Ce diagramme montre les puissances de \(2\) : quand l’exposant augmente de \(1\), la valeur est multipliée par \(2\). Par exemple \(2^5 = 2 \times 2 \times 2 \times 2 \times 2 = 32\).

Exemple 1 : puissances d’un nombre négatif

\((-3)^2 = (-3) \times (-3) = 9\) et \((-3)^3 = (-3) \times (-3) \times (-3) = -27\).

Règle des signes : une puissance d’un nombre négatif est positive si l’exposant est pair, négative s’il est impair.

Attention aux parenthèses

\((-4)^2 = 16\), mais \(-4^2 = -(4 \times 4) = -16\). Sans parenthèses, l’exposant ne s’applique qu’au \(4\).

2. Exposants négatifs

Exposant négatif

Pour \(a \neq 0\) et \(n\) entier positif, \(a^{-n}\) est l’inverse de \(a^n\) :

\[ a^{-n} = \dfrac{1}{a^n} \]

Par exemple, \(2^{-4} = \dfrac{1}{2^4} = \dfrac{1}{16}\) et \(5^{-1} = \dfrac{1}{5} = 0{,}2\). Un exposant négatif ne rend pas le nombre négatif : il le transforme en inverse.

Exemple 2 : trois calculs

\(10^{-3} = \dfrac{1}{10^3} = \dfrac{1}{1000} = 0{,}001\) ; \(3^{-2} = \dfrac{1}{9}\) ; \((-2)^{-3} = \dfrac{1}{(-2)^3} = \dfrac{1}{-8} = -\dfrac{1}{8}\).

3. Produit de puissances

Produit de puissances d’un même nombre

Pour \(a \neq 0\) et \(m\), \(n\) entiers relatifs : \[ a^m \times a^n = a^{m+n} \]

Avec des facteurs différents et le même exposant : \((a \times b)^n = a^n \times b^n\).

Pourquoi ? \(3^4 \times 3^2 = (3 \times 3 \times 3 \times 3) \times (3 \times 3) = 3^6\) : on compte tous les facteurs.

Exemple 3 : exposants relatifs

\(5^4 \times 5^{-6} = 5^{4 + (-6)} = 5^{-2} = \dfrac{1}{25}\).

\(2^3 \times 5^3 = (2 \times 5)^3 = 10^3 = 1000\).

Erreur classique

On additionne les exposants, on ne multiplie pas les bases : \(2^3 \times 2^4 = 2^7\) et non \(4^7\). Et \(2^3 + 2^4\) ne se simplifie pas en \(2^7\) : \(8 + 16 = 24\), alors que \(2^7 = 128\).

4. Quotient de puissances

Quotient de puissances d’un même nombre

Pour \(a \neq 0\) : \[ \dfrac{a^m}{a^n} = a^{m-n} \qquad \text{et} \qquad \left(\dfrac{a}{b}\right)^n = \dfrac{a^n}{b^n} \quad (b \neq 0) \]

On soustrait les exposants : celui du numérateur moins celui du dénominateur. C’est la même règle que pour le produit, car diviser par \(a^n\) revient à multiplier par \(a^{-n}\).

Exemple 4

\(\dfrac{7^8}{7^{10}} = 7^{8 - 10} = 7^{-2} = \dfrac{1}{49}\) et \(\dfrac{6^5}{6^5} = 6^0 = 1\).

5. Puissance d’une puissance

Puissance d’une puissance

\[ (a^m)^n = a^{m \times n} \]

Par exemple \((2^3)^4 = 2^3 \times 2^3 \times 2^3 \times 2^3 = 2^{12} = 4096\). Cette fois, on multiplie les exposants.

Méthode : choisir la bonne règle

  1. Deux puissances qui se multiplient, même base : on additionne les exposants.
  2. Deux puissances qui se divisent, même base : on soustrait les exposants.
  3. Une puissance élevée à une puissance : on multiplie les exposants.
  4. Si les bases sont différentes, essaie de les ramener à la même base (par exemple \(4 = 2^2\)).

6. Puissances de 10

Les puissances de \(10\) sont les plus utiles : \(10^3 = 1000\), \(10^6 = 1\,000\,000\), mais aussi \(10^{-1} = 0{,}1\), \(10^{-2} = 0{,}01\), \(10^{-5} = 0{,}00001\).

Lecture directe

\(10^n\) s’écrit \(1\) suivi de \(n\) zéros. \(10^{-n}\) s’écrit avec un \(1\) placé au \(n\)-ième rang après la virgule.

Multiplier par \(10^n\) déplace la virgule de \(n\) rangs vers la droite ; multiplier par \(10^{-n}\) la déplace de \(n\) rangs vers la gauche.

Préfixe nano micro milli kilo méga giga téra
Puissance de 10 \(10^{-9}\) \(10^{-6}\) \(10^{-3}\) \(10^{3}\) \(10^{6}\) \(10^{9}\) \(10^{12}\)

Ces préfixes se retrouvent dans les unités : un gigaoctet vaut \(10^9\) octets, un millimètre vaut \(10^{-3}\) mètre.

Astuce de Zyro

Sur ma planète, on compte les zéros à l’envers : \(10^{-4}\) a quatre chiffres après la virgule, et le dernier est le seul \(1\). Si tu en vois cinq, c’est que tu as glissé d’un cran !

7. Notation scientifique

Notation scientifique

Écrire un nombre décimal strictement positif en notation scientifique, c’est l’écrire sous la forme \[ a \times 10^n \]
où \(a\) est un nombre décimal tel que \(1 \leqslant a < 10\) et \(n\) est un entier relatif.

52 000 000 = 5,2 × 10⁷52000000virgulela virgule recule de 7 rangs : exposant 7

Méthode : passer à la notation scientifique

  1. Place la virgule après le premier chiffre non nul pour obtenir \(a\), avec \(1 \leqslant a < 10\).
  2. Compte de combien de rangs la virgule a bougé : c’est \(|n|\).
  3. \(n\) est positif si le nombre de départ est grand (au moins \(10\)), négatif s’il est inférieur à \(1\).
Exemple 5 : deux conversions

\(52\,000\,000 = 5{,}2 \times 10^7\) (la virgule recule de \(7\) rangs).

\(0{,}00036 = 3{,}6 \times 10^{-4}\) (la virgule avance de \(4\) rangs).

Exemple 6 : un calcul en notation scientifique

\((6 \times 10^4) \times (5 \times 10^{-2}) = (6 \times 5) \times (10^4 \times 10^{-2}) = 30 \times 10^2\). Mais \(30\) n’est pas compris entre \(1\) et \(10\) : on termine par \(30 \times 10^2 = 3 \times 10 \times 10^2 = 3 \times 10^3\).

Attention

\(45 \times 10^3\) et \(0{,}8 \times 10^5\) ne sont pas en notation scientifique, car \(45\) et \(0{,}8\) ne sont pas entre \(1\) et \(10\).

8. Ordres de grandeur

Pour se faire une idée rapide d’un nombre, on cherche son ordre de grandeur : la puissance de \(10\) la plus proche. Avec \(a \times 10^n\) en notation scientifique, on prend \(10^n\) si \(a < 5\) et \(10^{n+1}\) si \(a \geqslant 5\).

bactérie10⁻⁶cheveu10⁻⁴fourmi10⁻²humain10⁰stade10²montagne10⁴Terre10⁷Soleil10⁹Terre-Soleil10¹¹longueurs en mètres : chaque graduation multiplie par 10

Exemple 7

La Terre a un diamètre d’environ \(1{,}3 \times 10^7\) m : comme \(1{,}3 < 5\), son ordre de grandeur est \(10^7\) m. Un virus mesurant \(8 \times 10^{-8}\) m a pour ordre de grandeur \(10^{-7}\) m, car \(8 \geqslant 5\).

L’ordre de grandeur permet aussi de vérifier un résultat : \(398 \times 52\) vaut à peu près \(400 \times 50 = 20\,000\), et pas \(2\,000\) ni \(200\,000\).

À retenir

  • \(a^n\) est un produit de \(n\) facteurs \(a\) ; \(a^0 = 1\) et \(a^{-n} = \dfrac{1}{a^n}\).
  • Produit : \(a^m \times a^n = a^{m+n}\) ; quotient : \(\dfrac{a^m}{a^n} = a^{m-n}\) ; puissance de puissance : \((a^m)^n = a^{mn}\).
  • \((ab)^n = a^n b^n\) : même exposant, bases différentes.
  • \(10^n\) est un \(1\) suivi de \(n\) zéros ; \(10^{-n}\) place le \(1\) au \(n\)-ième rang après la virgule.
  • Notation scientifique : \(a \times 10^n\) avec \(1 \leqslant a < 10\) et \(n\) entier relatif.
  • L’ordre de grandeur est la puissance de \(10\) la plus proche : il sert à estimer et à contrôler un calcul.
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