🇨🇩 Algèbre et analyse

Puissances, radicaux et fractions rationnelles

⏱ 30 minProgramme officiel : CD-H2-ALG-01

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🎯 Dans cette leçon, tu vas apprendre à

  • Calculer avec puissances et radicaux ; opérer sur polynômes et fractions rationnelles.

La leçon

Introduction

Un ingénieur de Matadi calcule la diagonale d’une dalle carrée de 3 m de côté : il obtient 323\sqrt2 m. Une coopérative de Gemena compare des rendements avec des fractions comme x+2x\dfrac{x+2}{x}. Pour manipuler ces expressions sans erreur, il faut maîtriser les puissances, les radicaux et les fractions rationnelles. Dans cette leçon, tu apprends à les simplifier et à opérer sur elles.

Explication

Puissances à exposant rationnel

Pour a>0a>0, n∈N∗n\in\mathbb{N}^* et m∈Zm\in\mathbb{Z} :
a1n=anetamn=amn=(an)m.a^{\frac1n}=\sqrt[n]a\qquad\text{et}\qquad a^{\frac mn}=\sqrt[n]{a^m}=\left(\sqrt[n]a\right)^m.

Les règles des exposants entiers restent vraies pour a,b>0a,b>0 et p,q∈Qp,q\in\mathbb{Q} :
ap aq=ap+qa^p\,a^q=a^{p+q} ; apaq=ap−q\dfrac{a^p}{a^q}=a^{p-q} ; (ap)q=apq(a^p)^q=a^{pq} ; (ab)p=apbp(ab)^p=a^pb^p ; a−p=1apa^{-p}=\dfrac1{a^p}.

Exemple : 823=(83)2=22=48^{\frac23}=\left(\sqrt[3]8\right)^2=2^2=4 et 27−13=1273=1327^{-\frac13}=\dfrac1{\sqrt[3]{27}}=\dfrac13.

Explication

Radicaux

Pour a≥0a\ge0 et b≥0b\ge0 :

  • ab=a b\sqrt{ab}=\sqrt a\,\sqrt b et, si b>0b>0, ab=ab\sqrt{\dfrac ab}=\dfrac{\sqrt a}{\sqrt b} ;
  • pour tout réel xx, x2=∣x∣\sqrt{x^2}=|x|.

Simplifier un radical : on fait apparaître un carré parfait, par exemple 72=36×2=62\sqrt{72}=\sqrt{36\times2}=6\sqrt2.

Rendre rationnel un dénominateur :

  • 1a=aa\dfrac{1}{\sqrt a}=\dfrac{\sqrt a}{a} ;
  • avec une somme ou une différence, on multiplie par l’expression conjuguée : (a−b)(a+b)=a−b(\sqrt a-\sqrt b)(\sqrt a+\sqrt b)=a-b.

Explication

Fractions rationnelles

Une fraction rationnelle est un quotient F(x)=P(x)Q(x)F(x)=\dfrac{P(x)}{Q(x)} de deux polynômes, QQ non nul. Elle est définie pour les réels xx tels que Q(x)≠0Q(x)\ne0 : c’est son domaine dom F\text{dom}\,F.

  • Simplifier : on factorise numérateur et dénominateur (facteur commun, produits remarquables, racines), puis on simplifie par un facteur commun non nul, en gardant les conditions du domaine.
  • Additionner : on réduit au même dénominateur (le plus petit multiple commun des dénominateurs).
  • Multiplier : PQ×RS=PRQS\dfrac PQ\times\dfrac RS=\dfrac{PR}{QS} ; diviser : PQ÷RS=PQ×SR\dfrac PQ\div\dfrac RS=\dfrac PQ\times\dfrac SR (avec R(x)≠0R(x)\ne0).

Exemple résolu

Problème : Simplifie A=50+18−8A=\sqrt{50}+\sqrt{18}-\sqrt8.

Étape 1 : 50=25×2=52\sqrt{50}=\sqrt{25\times2}=5\sqrt2.

Étape 2 : 18=9×2=32\sqrt{18}=\sqrt{9\times2}=3\sqrt2 et 8=4×2=22\sqrt8=\sqrt{4\times2}=2\sqrt2.

Étape 3 : A=52+32−22=(5+3−2)2A=5\sqrt2+3\sqrt2-2\sqrt2=(5+3-2)\sqrt2.

Réponse : A=62A=6\sqrt2.

Exemple résolu

Problème : Écris B=63−3B=\dfrac{6}{3-\sqrt3} sans radical au dénominateur.

Étape 1 : L’expression conjuguée de 3−33-\sqrt3 est 3+33+\sqrt3.

Étape 2 : B=6(3+3)(3−3)(3+3)=6(3+3)9−3B=\dfrac{6(3+\sqrt3)}{(3-\sqrt3)(3+\sqrt3)}=\dfrac{6(3+\sqrt3)}{9-3}.

Étape 3 : B=6(3+3)6=3+3B=\dfrac{6(3+\sqrt3)}{6}=3+\sqrt3.

Réponse : B=3+3B=3+\sqrt3. Contrôle numérique : 61,268≈4,73\dfrac6{1{,}268}\approx4{,}73 et 3+1,732=4,7323+1{,}732=4{,}732.

Exemple résolu

Problème : Simplifie F(x)=x2−9x2+x−6F(x)=\dfrac{x^2-9}{x^2+x-6}, puis calcule G(x)=1x−1+2x+1G(x)=\dfrac1{x-1}+\dfrac2{x+1}.

Étape 1 : x2−9=(x−3)(x+3)x^2-9=(x-3)(x+3) et x2+x−6=(x+3)(x−2)x^2+x-6=(x+3)(x-2).

Étape 2 : dom F=R∖{−3 ; 2}\text{dom}\,F=\mathbb{R}\setminus\{-3\,;\,2\}, et pour ces xx : F(x)=x−3x−2F(x)=\dfrac{x-3}{x-2}.

Étape 3 : Pour GG, le dénominateur commun est (x−1)(x+1)=x2−1(x-1)(x+1)=x^2-1, avec x≠1x\ne1 et x≠−1x\ne-1.

Étape 4 : G(x)=(x+1)+2(x−1)x2−1=3x−1x2−1G(x)=\dfrac{(x+1)+2(x-1)}{x^2-1}=\dfrac{3x-1}{x^2-1}.

Réponse : F(x)=x−3x−2F(x)=\dfrac{x-3}{x-2} sur R∖{−3 ; 2}\mathbb{R}\setminus\{-3\,;\,2\} et G(x)=3x−1x2−1G(x)=\dfrac{3x-1}{x^2-1} sur R∖{−1 ; 1}\mathbb{R}\setminus\{-1\,;\,1\}.

Attention

Attention : La racine carrée d’une somme n’est pas la somme des racines : 9+16=25=5\sqrt{9+16}=\sqrt{25}=5, alors que 9+16=7\sqrt9+\sqrt{16}=7. De même, dans une fraction rationnelle, on ne simplifie que des facteurs, jamais des termes : dans x2−9x2+x−6\dfrac{x^2-9}{x^2+x-6}, on ne peut pas « barrer » les x2x^2.

À retenir

  • amn=amna^{\frac mn}=\sqrt[n]{a^m} pour a>0a>0 ; mêmes règles qu’avec les exposants entiers.
  • ab=ab\sqrt{ab}=\sqrt a\sqrt b (a,b≥0a,b\ge0) ; x2=∣x∣\sqrt{x^2}=|x| ; on simplifie en faisant apparaître un carré parfait.
  • Dénominateur avec a±b\sqrt a\pm\sqrt b : on multiplie par l’expression conjuguée.
  • Fraction rationnelle : domaine Q(x)≠0Q(x)\ne0 ; on factorise avant de simplifier ; dénominateur commun pour additionner.

✍️ Exercices

Réponds à un exercice à la fois. Ta réponse est corrigée aussitôt, avec une explication.

Exercice 1 sur 8

★ Facile

Calcule 813481^{\frac34}.

Tu peux utiliser la virgule ou le point décimal (2,5 ou 2.5).