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Second degré : cours de maths 1ère

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Cours de maths en 1ère : Second degré — Zyro, l’explorateur de Planète Maths

La trajectoire d’un ballon de basket, la forme d’une antenne parabolique, le bénéfice d’une petite entreprise : ces situations se décrivent avec une même famille de fonctions, les trinômes du second degré. Dans ce chapitre, tu apprends à les écrire sous trois formes, à les résoudre et à étudier leur signe.

1. La fonction polynôme du second degré

Trinôme du second degré

Une fonction \(f\) définie sur \(\mathbb{R}\) est une fonction polynôme du second degré s’il existe trois réels \(a\), \(b\), \(c\) avec \(a \neq 0\) tels que, pour tout réel \(x\) :

\[ f(x) = ax^2 + bx + c. \]

Cette écriture est la forme développée (ou forme réduite). On l’appelle aussi un trinôme.

Exemple 1 : repérer a, b, c

Pour \(f(x) = 3x^2 - 5x + 2\) : \(a = 3\), \(b = -5\), \(c = 2\). Pour \(g(x) = 4 - x^2\) : \(a = -1\), \(b = 0\), \(c = 4\). Pour \(h(x) = (x-1)(x+2)\), on développe : \(h(x) = x^2 + x - 2\), donc \(a = 1\), \(b = 1\), \(c = -2\).

Attention

Si \(a = 0\), la fonction devient affine : ce n’est plus un trinôme du second degré. La condition \(a \neq 0\) est essentielle.

2. La forme canonique

Forme canonique

Tout trinôme \(f(x) = ax^2 + bx + c\) s’écrit, pour tout réel \(x\) :

\[ f(x) = a\,(x - \alpha)^2 + \beta \quad \text{avec} \quad \alpha = -\dfrac{b}{2a} \quad \text{et} \quad \beta = f(\alpha). \]

Démonstration. On met \(a\) en facteur : \(f(x) = a\left(x^2 + \dfrac{b}{a}x + \dfrac{c}{a}\right)\). Or \(x^2 + \dfrac{b}{a}x = \left(x + \dfrac{b}{2a}\right)^2 - \dfrac{b^2}{4a^2}\). On obtient donc \(f(x) = a\left[\left(x + \dfrac{b}{2a}\right)^2 - \dfrac{b^2 - 4ac}{4a^2}\right]\), ce qui est de la forme annoncée.

Méthode : obtenir la forme canonique

  1. Mettre \(a\) en facteur devant \(x^2\) et \(x\).
  2. Reconnaître le début d’un carré : \(x^2 + px = (x + \tfrac{p}{2})^2 - \tfrac{p^2}{4}\).
  3. Redistribuer \(a\) et regrouper les constantes.
Exemple 2 : forme canonique de 2x² + 12x + 7

\(2x^2 + 12x + 7 = 2(x^2 + 6x) + 7 = 2\left[(x+3)^2 - 9\right] + 7 = 2(x+3)^2 - 18 + 7 = 2(x+3)^2 - 11.\) Ici \(\alpha = -3\) et \(\beta = -11\) : on retrouve bien \(f(-3) = 18 - 36 + 7 = -11\).

3. La parabole et ses variations

La courbe d’une fonction du second degré est une parabole. Son point le plus haut ou le plus bas est le sommet \(S(\alpha\,;\,\beta)\), et la droite verticale d’équation \(x = \alpha\) est son axe de symétrie.

-4-3-2-11234-3-2-1123

Variations

  • Si \(a > 0\) : \(f\) décroît sur \(]-\infty\,;\alpha]\), croît sur \([\alpha\,;+\infty[\) et admet un minimum \(\beta\) en \(\alpha\). La parabole est tournée vers le haut.
  • Si \(a < 0\) : \(f\) croît puis décroît, et admet un maximum \(\beta\) en \(\alpha\). La parabole est tournée vers le bas.
Exemple 3 : lire une parabole

Pour \(f(x) = x^2 - 4x + 3\), on a \(\alpha = \dfrac{4}{2} = 2\) et \(\beta = f(2) = 4 - 8 + 3 = -1\). Le sommet est \(S(2\,;-1)\), l’axe est la droite \(x = 2\) et le minimum vaut \(-1\).

-112345-2-11234S(2 ; −1)13

4. Le discriminant et les racines

Discriminant

Le discriminant du trinôme \(ax^2 + bx + c\) est le nombre \(\Delta = b^2 - 4ac\). Une racine est un réel \(x\) tel que \(f(x) = 0\) : c’est l’abscisse d’un point où la parabole coupe l’axe des abscisses.

Solutions de ax² + bx + c = 0

  • 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 \(x_0 = -\dfrac{b}{2a}\) (égale à \(\alpha\)).
  • Si \(\Delta < 0\) : aucune racine réelle.

La justification vient de la forme canonique : \(f(x) = a\left[\left(x - \alpha\right)^2 - \dfrac{\Delta}{4a^2}\right]\). Un carré ne peut valoir que des nombres positifs ou nuls, d’où les trois cas.

-3-2-1123-5-4-3-2-1123456

Sur la figure, la parabole bleue (\(x^2 - 4\)) coupe l’axe en deux points, l’orange (\(x^2\)) le touche en un seul point et la cyan (\(x^2 + 2\)) ne le rencontre pas.

Exemple 4 : résoudre 2x² + x − 3 = 0

\(\Delta = 1^2 - 4 \times 2 \times (-3) = 1 + 24 = 25 > 0\). Les racines sont \(x_1 = \dfrac{-1 - 5}{4} = -\dfrac{3}{2}\) et \(x_2 = \dfrac{-1 + 5}{4} = 1\).

Exemple 5 : les autres cas

Pour \(x^2 - 6x + 9 = 0\) : \(\Delta = 36 - 36 = 0\), racine double \(x_0 = 3\). Pour \(x^2 + 2x + 5 = 0\) : \(\Delta = 4 - 20 = -16 < 0\), aucune solution réelle.

5. Forme factorisée et signe du trinôme

Forme factorisée

Si \(\Delta > 0\), alors \(f(x) = a(x - x_1)(x - x_2)\). Si \(\Delta = 0\), alors \(f(x) = a(x - x_0)^2\). Si \(\Delta < 0\), le trinôme ne se factorise pas dans \(\mathbb{R}\).

Signe du trinôme

Le trinôme est du signe de \(a\) à l’extérieur des racines, et du signe contraire de \(a\) entre les racines. Si \(\Delta \leq 0\), il est du signe de \(a\) pour tout \(x\) (et nul seulement en \(x_0\) quand \(\Delta = 0\)).

Cas \(\Delta > 0\) \(x < x_1\) \(x = x_1\) \(x_1 < x < x_2\) \(x = x_2\) \(x > x_2\)
\(a > 0\) \(+\) \(0\) \(-\) \(0\) \(+\)
\(a < 0\) \(-\) \(0\) \(+\) \(0\) \(-\)
Exemple 6 : une inéquation

Résolvons \(2x^2 + x - 3 < 0\). D’après l’exemple 4, les racines sont \(-\dfrac{3}{2}\) et \(1\), et \(a = 2 > 0\). Le trinôme est négatif entre les racines : l’ensemble des solutions est \(\left]-\dfrac{3}{2}\,;1\right[\).

Méthode : résoudre une inéquation du second degré

  1. Tout ramener d’un côté pour comparer à \(0\).
  2. Calculer \(\Delta\) puis les racines éventuelles.
  3. Lire le signe du trinôme avec le signe de \(a\).
  4. Conclure avec des intervalles en respectant les crochets (inégalité large ou stricte).

6. Somme et produit des racines

Relations entre racines et coefficients

Si \(\Delta \geq 0\), les racines \(x_1\) et \(x_2\) vérifient :

\[ x_1 + x_2 = -\dfrac{b}{a} \quad \text{et} \quad x_1 \times x_2 = \dfrac{c}{a}. \]

Exemple 7 : deux nombres connus par leur somme et leur produit

Cherchons deux nombres de somme \(13\) et de produit \(40\). Ce sont les racines de \(x^2 - 13x + 40 = 0\). \(\Delta = 169 - 160 = 9\), donc \(x = \dfrac{13 \pm 3}{2}\) : les nombres sont \(5\) et \(8\).

Astuce de Zyro

Sur ma planète, on teste d’abord \(x = 1\) : si \(a + b + c = 0\), alors \(1\) est une racine et l’autre est \(\dfrac{c}{a}\). Cela évite parfois le discriminant !

7. Équations qui s’y ramènent

Certaines équations se ramènent à un trinôme par un changement d’inconnue. Pour \(x^4 - 10x^2 + 9 = 0\), on pose \(X = x^2\) : \(X^2 - 10X + 9 = 0\), de racines \(X = 1\) et \(X = 9\). Comme \(x^2 = X\), on obtient \(x = \pm 1\) ou \(x = \pm 3\). Pense à rejeter les valeurs négatives de \(X\), car un carré ne peut pas être négatif.

Attention

Ne divise jamais par \(x\) pour « simplifier » \(x^2 = 3x\) : tu perdrais la solution \(0\). Écris plutôt \(x^2 - 3x = 0\), soit \(x(x - 3) = 0\).

À retenir

  • Un trinôme s’écrit \(ax^2 + bx + c\) avec \(a \neq 0\) ; sa courbe est une parabole.
  • Forme canonique : \(a(x - \alpha)^2 + \beta\) avec \(\alpha = -\dfrac{b}{2a}\) et \(\beta = f(\alpha)\) ; le sommet est \(S(\alpha\,;\beta)\).
  • Discriminant \(\Delta = b^2 - 4ac\) : deux racines si \(\Delta > 0\), une double si \(\Delta = 0\), aucune si \(\Delta < 0\).
  • Le trinôme est du signe de \(a\) à l’extérieur des racines.
  • Somme des racines \(-\dfrac{b}{a}\), produit \(\dfrac{c}{a}\).
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