L'essentiel sur les puissances

I Puissance d'un nombre
II Puissance de 10
III Exercices

Dans un premier temps, nous allons nous intéresser à la puissance d'un nombre

a

quelconque.
Vous savez que

a + a + a = 3 a

, ce qui est une écriture bien pratique. La même idée existe quand on veut multiplier les nombres, ainsi

\begin{matrix} a \times a \times a & = & a^{3} \end{matrix}

Votre sens de l'observation vous pousse ainsi à remarquer que dans le cas de l'addition, le nombre 3 est placé avant le nombre

a

, alors que pour la multiplication, il est placé après, est écrit plus petit et un peu en hauteur. On dit qu'il est écrit en exposant.

I Puissance d'un nombre

Quand nous saurons ce qu'est la puissance d'un nombre, nous nous intéresserons au cas particulier où notre nombre

a

du départ prend la valeur particulière 10. Cela est très pratique et très utilisé en physique.

II Puissance de 10

Les bases essentielles ont été données dans le cours, et les premiers exercices vous ont permis de faire tourner les définitions.
Maintenant, nous allons vous proposer d'autres exercices, afin de bien se préparer... au brevet.

III Exercices

Découvrons cette notion plus précisément en commençant à nous intéresser au cas naturel où l'exposant est un entier positif.

I-1 Puissance avec un exposant entier positif

On sait bien, depuis la classe de cinquième, qu'il existe des nombres négatifs. On étend alors la notation précédente au cas où l'exposant est négatif.

I-2 Puissance avec un exposant entier négatif

Nos nouvelles notions sont belles certes, mais en l'état elles sont un peu inutiles... Il faut arriver à faire en sorte de pouvoir les utiliser simplement dans des calculs. C'est le but de la partie ci-dessous.

I-3 Opérations sur les puissances

L'essentiel sur les puissances → I Puissance d'un nombre

I-1 Puissance avec un exposant entier positif

I Puissance d'un nombre
II Puissance de 10
III Exercices

Définition [Puissance avec un exposant entier positif]

n

est un entier supérieur ou égal à 2 (

n \geq 2

) et si

a

est un nombre quelconque, alors :

\begin{matrix} a^{n} & = & {\underset{⏟}{a \times a \times a \times \dots \times a}}_{n facteurs} \end{matrix}

De plus, on a :

a^{1} = a

, et pour tout

a \neq 0

on a

a^{0} = 1

Exemples

5^{4}

(- 5)^{4}

- 8^{5}

- (- 10)^{4}

NaN

NaN

NaN

NaN

Remarques

L'expression $0^{0}$ n'a pas de sens. Elle n'est pas définie ;
Bien remarquer l'application de la règle des signes. Le calcul de $A$ , ne pose pas de problème.
Pour le calcul de $B$ il faut remarquer que le nombre $a$ de la définition est négatif . Le signe du résultat dépend alors de l'exposant.
Si l'exposant est pair le résultat sera positif .
Si l'exposant est impair , le résultat sera négatif .
Pour le calcul de $C$ il faut remarquer que le $a$ de la définition est positif .
Le signe moins que l'on voit devant ne va pas être affecté par l'exposant, ainsi le résultat est toujours négatif .
Pour le $D$ on remarque que le $a$ de la définition est négatif .
La même remarque que pour le $B$ s'applique, puis comme il y a un signe moins devant ...

Vocabulaire : On parle de

a

puissance

n

ou de

a

exposant

n

Exercice

Calculer les puissances données

L'essentiel sur les puissances → I Puissance d'un nombre → I-1 Puissance avec un exposant entier positif

I-2 Puissance avec un exposant entier négatif

I Puissance d'un nombre
II Puissance de 10
III Exercices

Définition [Puissance avec un exposant entier négatif]

a \neq 0

alors le nombre

a^{- n}

est l'inverse de

a^{n}

, i.e. pour

a \neq 0

, on a :

\begin{matrix} a^{- n} = \frac{1}{a^{n}} \end{matrix}

Exemple

A	=	$(- 3)^{- 5}$
A	=	$\frac{1}{(- 3)^{NaN}}$
( A	=	)

Remarque

Pourquoi doit-on avoir toujours

a \neq 0

Exercices

Calculer les puissances données
Déterminer le bon exposant

L'essentiel sur les puissances → I Puissance d'un nombre → I-2 Puissance avec un exposant entier négatif

I-3 Opérations sur les puissances

I Puissance d'un nombre
II Puissance de 10
III Exercices

Théorème

a \neq 0

et si

m

n

sont deux entiers relatifs, alors on a :

\begin{matrix} a^{m} \times a^{n} & = & a^{m + n} \\ \frac{a^{m}}{a^{n}} & = & a^{m - n} \\ {(a^{m})}^{n} & = & a^{m \times n} \end{matrix}

Exemples

A	=	$2^{2} \times 2^{- 3}$	B	=	$\frac{(- 2)^{3}}{(- 2)^{4}}$	C	=	${((- 3)^{5})}^{5}$
A	=	$2^{2 + (- 3)}$	B	=	$(- 2)^{3 - (4)}$	C	=	$(- 3)^{5 * (5)}$
A	=	$2^{NaN}$	B	=	$(- 2)^{NaN}$	C	=	$(- 3)^{NaN}$
(A	=	)	( B	=	)	( C	=	)

Exercices

Produit de puissance
Quotient de puissance
Puissance de puissance
Une des règles au hasard

Théorème

a \neq 0

b \neq 0

, et si

n

est un entier relatif, alors :

\begin{matrix} {(a \times b)}^{n} & = & a^{n} \times b^{n} \\ {(\frac{a}{b})}^{n} & = & \frac{a^{n}}{b^{n}} \end{matrix}

Remarque

Pourquoi doit-on avoir

a \neq 0

Exemples

A	=	${(- 3 \times 4)}^{5}$	B	=	${(\frac{- 3}{3})}^{- 2}$
A	=	$(- 3)^{5} \times 4^{5}$	B	=	$\frac{(- 3)^{- 2}}{3^{- 2}}$
(A	=	)	( B	=	)

Exercices

Appliquer la première formule
Appliquer la deuxième formule

L'essentiel sur les puissances → I Puissance d'un nombre → I-3 Opérations sur les puissances

II Puissance de 10

I Puissance d'un nombre
II Puissance de 10
III Exercices

Comme nous l'avons dit en présentation, les puissances de 10 jouent un rôle important. Cette valeur 10 est à rapprocher du fait que notre système de nombre est à base décimale (base 10).

II-1 Écriture décimale

La notation scientifique est bien pratique et très utilisée en physique. À maîtriser absolument !

II-2 Notation scientifique

L'ordre de grandeur est à rapprocher de la notation scientifique.
Il est assez naturel pour des choses quotidiennes ; par exemple, nous dirons volontiers qu'un bureau mesure 1 mètre 50. Tout le monde se moque de savoir si en fait une meilleure mesure dit que ce même bureau mesure 1 mètre 48centimètres et 8 millimètres !
C'est cette même idée que l'on développe pour des mesures qui elles ne sont pas du quotidien, c'est-à-dire de l'infiniment grand ou de l'infiniment petit, afin de mieux s'approprier ces nouvelles notions.
Le physicien (et donc l'élève qui apprend) doit avoir une idée des ordres de grandeur des objets sur lesquels il travaille.

II-3 Ordre de grandeur

Comme pour les puissances d'un nombre, cette nouvelle notion de puissance de 10, ainsi que la notation scientifique et l'ordre de grandeur qui lui sont attachées, n'est utile que parce qu'elle permet de faire des calculs facilement.
C'est ces règles de calcul qui sont expliquées dans le paragraphe suivant.

II-4 Opérations sur les puissances de 10

L'essentiel sur les puissances → II Puissance de 10

II-1 Écriture décimale

I Puissance d'un nombre
II Puissance de 10
III Exercices

Théorème

Pour tout entier naturel

n

(et donc

n \geq 0

), on a :

\begin{matrix} 10^{n} = 1 {\underset{⏟}{00 \dots 0}}_{n fois 0} \\ 10^{- n} = {\underset{⏟}{0, 00 \dots 0}}_{n fois 0} 1 \end{matrix}

Exemples

A	=	$10^{6}$		B	=	$10^{- 4}$
A	=			B	=	$0,000 1$

Exercice

Tester sa compréhension de la définition

L'essentiel sur les puissances → II Puissance de 10 → II-1 Écriture décimale

II-2 Notation scientifique

I Puissance d'un nombre
II Puissance de 10
III Exercices

Définition [Notation scientifique]

Écrire un nombre en notation scientifique, c'est l'écrire sous la forme d'un produit d'une puissance de 10 et d'un nombre décimal ayant un seul chiffre, autre que zéro, avant la virgule.

Exemple

A	=	$288.2$
A	=	$2.882 \times 10^{2}$

Exercices

Beaucoup d'exercices pour cette partie, elle est très importante !

Donner l'écriture scientifique d'un nombre
Retrouver le nombre quand on change l'exposant
Retrouver l'exposant quand on change le nombre
Donner l'écriture décimale
Nombre décimal et puissance de 10

L'essentiel sur les puissances → II Puissance de 10 → II-2 Notation scientifique

II-3 Ordre de grandeur

I Puissance d'un nombre
II Puissance de 10
III Exercices

Lorsqu'on dit que la vitesse de la lumière est de 300 000 000 m/s on utilise un ordre de grandeur car elle est en réalité de 299 792,458 km/s
Souvent on utilise comme ordre de grandeur, le produit de l'entier le plus proche du décimal de l'écriture scientifique par la puissance de 10 de cette écriture scientifique, comme le montre l'exemple ci-dessous.

Exemple

Soit le nombre :		$0.003629$
En notation scientifique on a :		$3.629 \times 10^{- 3}$
Son ordre de grandeur est :		$4 \times 10^{- 3}$

Exercices

Encadrement de nombres décimaux
Donner un ordre de grandeur des nombres

L'essentiel sur les puissances → II Puissance de 10 → II-3 Ordre de grandeur

II-4 Opérations sur les puissances de 10

I Puissance d'un nombre
II Puissance de 10
III Exercices

Théorème

m

n

sont des entiers relatifs, alors :

\begin{matrix} 10^{m} \times 10^{n} & = & 10^{m + n} \\ 10^{- n} & = & \frac{1}{10^{n}} \\ \frac{10^{m}}{10^{n}} & = & 10^{m - n} \\ {(10^{m})}^{n} & = & 10^{m \times n} \end{matrix}

Exemples

A	=	$10^{3} \times 10^{- 2}$	B	=	$\frac{10^{- 3}}{10^{3}}$	C	=	${(10^{2})}^{3}$
A	=	$10^{3 + (- 2)}$	B	=	$10^{- 3 - (3)}$	C	=	$10^{2 * (3)}$
A	=	$10^{NaN}$	B	=	$10^{NaN}$	C	=	$10^{NaN}$
(A	=	)	( B	=	)	( C	=	)

Exercices

Première formule
Deuxième formule
Troisième formule
Quatrième formule
Une formule au hasard

L'essentiel sur les puissances → II Puissance de 10 → II-4 Opérations sur les puissances de 10

III Exercices

I Puissance d'un nombre
II Puissance de 10
III Exercices

Faites ces exercices plusieurs fois, jusqu'à les maîtriser parfaitement.

Exercices

Exercices de base.
- Travail sur les signes dans un produit avec plusieurs facteurs.
- Revoir les quatre règles
Exercices sur les puissances de 10.
- Écrire sous la forme 10^p.
Exercices sur les opérations.
- Travailler sur un produit de nombres
- Quelques sommes. <- Important
- Travailler sur produit et quotient ! <- Très important !
- Comme au brevet ,avec des sommes.
Des conversions en notations scientifiques. C'est un excellent moyen d'utiliser, à travers le cours de physique et les changements d'unité, la notation scientifique.
- Conversion 1
- Conversion 2
- Conversion 3
- Conversion 4

L'essentiel sur les puissances → III Exercices

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