
Au lieu d’écrire à chaque fois un nouveau calcul, les mathématiciens utilisent des lettres pour parler de tous les nombres à la fois. Dans ce chapitre, tu apprends à écrire une expression avec une lettre, à la simplifier, à calculer sa valeur, à la réduire puis à la développer grâce à la distributivité simple et double. Tu apprends aussi à prouver qu’une égalité est vraie… ou fausse !
1. Rappels et rôle de la lettre
Tu connais déjà des formules : l’aire d’un rectangle est L × l, le périmètre d’un carré de côté c est 4 × c. Chaque lettre représente un nombre qui peut changer : on l’appelle une variable.
Une expression littérale est un calcul dans lequel au moins un nombre est remplacé par une lettre. Par exemple 3x + 7, 2 × (a − 1) ou L × l sont des expressions littérales.
L’intérêt est énorme : une seule expression permet de faire tous les calculs d’un même type. Une boulangère vend des croissants à 1,20 € pièce et ajoute 0,30 € pour le sachet. Pour n croissants, le prix à payer est 1,2 × n + 0,3 euros. Avec n = 5, on obtient 1,2 × 5 + 0,3 = 6,3 euros.
Dans un calcul sans parenthèses, on effectue d’abord les multiplications et divisions, puis les additions et soustractions, toujours de gauche à droite. Ainsi 4 + 3 × 5 = 4 + 15 = 19, alors que (4 + 3) × 5 = 35.
2. Écrire une expression en fonction d’une lettre
Traduire une phrase en expression, c’est choisir une lettre pour le nombre inconnu, puis écrire les opérations dans l’ordre.
1) Choisis une lettre pour le nombre qui varie. 2) Repère les mots-clés : « le double » (× 2), « le triple » (× 3), « la moitié » (÷ 2), « de plus » (+), « de moins » (−), « le carré » (le nombre multiplié par lui-même). 3) Utilise des parenthèses quand une opération porte sur une somme ou une différence.
« Le triple d’un nombre x, diminué de 4 » : 3 × x − 4.
« Le triple de la différence entre x et 4 » : 3 × (x − 4).
Ces deux phrases se ressemblent mais donnent des résultats différents : pour x = 6, le premier vaut 14 et le second vaut 6.
4x + 3 et 4(x + 3) ne sont pas égales en général. Regarde le tableau.
| Valeur de x | 0 | 1 | 2 | 3 |
|---|---|---|---|---|
| Valeur de 4x + 3 | 3 | 7 | 11 | 15 |
| Valeur de 4(x + 3) | 12 | 16 | 20 | 24 |
Dès que x vaut 1, 2 ou 3, les deux lignes n’ont plus rien à voir. Les parenthèses changent le sens du calcul.
3. Simplifier l’écriture : les conventions
Pour alléger l’écriture, on supprime le signe × quand il est placé devant une lettre ou devant une parenthèse.
• 3 × x s’écrit 3x ; a × b s’écrit ab ; 5 × (x + 2) s’écrit 5(x + 2).
• x × x s’écrit x² (« x au carré ») ; x × x × x s’écrit x³.
• 1 × x s’écrit x et 0 × x vaut 0.
• On écrit le nombre avant la lettre : 4x et non x4.
3x signifie 3 × x et pas « 3 puis x » : si x = 5, alors 3x = 15 et non 35. De même 2x² signifie 2 × (x × x) : pour x = 3, on trouve 2 × 9 = 18, et pas 6 × 6 = 36.
2 × a × 5 × a : on regroupe les nombres et les lettres, 2 × 5 = 10 et a × a = a², donc 2 × a × 5 × a = 10a².
4. Calculer la valeur d’une expression
1) Récris l’expression en remettant les signes × qui avaient disparu. 2) Remplace la lettre par le nombre, entre parenthèses si le nombre est négatif. 3) Calcule en respectant les priorités.
Valeur de A = 2x² + 3x − 1 pour x = 4 : A = 2 × 4² + 3 × 4 − 1 = 2 × 16 + 12 − 1 = 32 + 12 − 1 = 43.
Valeur de la même expression pour x = −3 : A = 2 × (−3)² + 3 × (−3) − 1 = 2 × 9 − 9 − 1 = 18 − 9 − 1 = 8.
(−3)² = (−3) × (−3) = +9, mais −3² (sans parenthèses) vaut −9. C’est pour cela qu’on met toujours un nombre négatif entre parenthèses.
5. Réduire une expression
Dans une somme, des termes sont semblables quand ils ont la même partie littérale : 5x et 2x sont semblables ; 3x² et 7x² aussi ; mais 4x et 4x² ne le sont pas, ni 3a et 3b.
On regroupe les termes semblables, puis on additionne ou soustrait leurs nombres devant la lettre. On range ensuite les termes, par exemple avec les puissances de la lettre décroissantes : x² puis x puis les nombres seuls.
B = 5x² + 3x − 2 + 4x² − 7x + 6 : les termes en x² donnent 5 + 4 = 9 ; les termes en x donnent 3 − 7 = −4 ; les nombres donnent −2 + 6 = 4. Donc B = 9x² − 4x + 4.
Pour multiplier deux termes, on multiplie les nombres entre eux et les lettres entre elles : 3x × 4 = 12x ; 2x × 5x = 10x² ; −3a × 2b = −6ab.
3x + 4x² ne se réduit pas : c’est déjà sa forme réduite. Ne conclus jamais que 3x + 4x² = 7x³ ! Pour t’en convaincre, essaie x = 1 : 3 + 4 = 7 et ça marche, mais avec x = 2 on trouve 6 + 16 = 22 alors que 7 × 8 = 56.
6. Supprimer des parenthèses
• Devant des parenthèses précédées d’un +, on les supprime sans rien changer : a + (b − c) = a + b − c.
• Devant des parenthèses précédées d’un −, on les supprime en changeant tous les signes à l’intérieur : a − (b − c) = a − b + c.
(5x + 2) + (3x − 8) = 5x + 2 + 3x − 8 = 8x − 6.
(5x + 2) − (3x − 8) = 5x + 2 − 3x + 8 = 2x + 10.
Retrancher une somme, c’est retrancher chacun de ses termes. Mettre un signe moins devant une parenthèse revient à multiplier tout son contenu par −1, d’où le changement de tous les signes.
7. La distributivité simple : développer
Regarde ce rectangle de hauteur 2 et de longueur x + 3. Son aire se calcule de deux façons :
Le grand rectangle a pour aire 2 × (x + 3). Découpé en deux, il a pour aire 2x + 6.
Pour tous les nombres k, a et b : k(a + b) = ka + kb et k(a − b) = ka − kb.
Passer de k(a + b) à ka + kb s’appelle développer ; le chemin inverse s’appelle factoriser (tu le verras plus tard).
On multiplie le nombre devant la parenthèse par chaque terme à l’intérieur, en respectant les signes, puis on réduit si c’est possible.
5(x + 4) = 5x + 20 · 3(2a − 7) = 6a − 21 · x(x + 6) = x² + 6x · −2(x − 5) = −2x + 10 (car −2 × (−5) = +10).
4(x + 2) − 3(x − 5) = 4x + 8 − 3x + 15 = x + 23. Attention : −3 × (−5) = +15.
2(x + 3) n’est pas égal à 2x + 3 : le 2 multiplie tous les termes, donc 2(x + 3) = 2x + 6.
8. La double distributivité
Quand on multiplie deux sommes, chaque terme de la première multiplie chaque terme de la seconde. Pour (x + 4)(x + 2), pense à un rectangle découpé en quatre morceaux :
Pour tous les nombres a, b, c et d : (a + b)(c + d) = ac + ad + bc + bd. Il y a 4 produits à écrire, et la règle des signes s’applique à chacun.
1) Écris les quatre produits, dans l’ordre : premier × premier, premier × second, second × premier, second × second. 2) Réduis les termes semblables (souvent les deux du milieu).
(x − 3)(2x + 5) = x × 2x + x × 5 + (−3) × 2x + (−3) × 5 = 2x² + 5x − 6x − 15 = 2x² − x − 15.
Remplace x par un petit nombre, par exemple 2, dans l’expression de départ puis dans le résultat. Pour l’exemple : (2 − 3)(4 + 5) = −9 et 2 × 4 − 2 − 15 = −9. Les valeurs sont les mêmes, bon signe ! (Mathbot : « Si les deux valeurs diffèrent, il y a une erreur quelque part ! »)
9. Égalités, tests et preuves
Une égalité contenant une lettre est vraie pour tout nombre si, quelle que soit la valeur donnée à la lettre, les deux membres sont égaux. Elle est fausse dès qu’on trouve une seule valeur pour laquelle les deux membres sont différents : cette valeur s’appelle un contre-exemple.
Est-ce que 3x + 2x = 5x² ? Pour x = 2, le membre de gauche vaut 6 + 4 = 10 et celui de droite 5 × 4 = 20. Les valeurs diffèrent : l’égalité est fausse, x = 2 est un contre-exemple.
Si une égalité marche pour x = 1, x = 2 et x = 3, cela ne prouve pas qu’elle est vraie pour tous les nombres. Pour le prouver, il faut développer et réduire l’un des membres pour retrouver l’autre.
Montrons que (x + 1)(x + 3) = x² + 4x + 3. On développe : (x + 1)(x + 3) = x² + 3x + x + 3 = x² + 4x + 3. Les deux expressions sont égales pour toute valeur de x.
Une équation est une égalité qui n’est vraie que pour certaines valeurs de la lettre. Un nombre est solution si, en remplaçant la lettre par ce nombre, l’égalité est vraie.
L’équation est 5x − 3 = 2x + 9. Pour x = 4 : à gauche 20 − 3 = 17, à droite 8 + 9 = 17. Les deux membres sont égaux : 4 est solution. Pour x = 5 : 22 d’un côté, 19 de l’autre : 5 n’est pas solution.
À retenir
- Une lettre représente un nombre qui peut varier ; une expression littérale permet de faire tous les calculs d’un même type.
- On supprime le signe × devant une lettre ou une parenthèse : 3 × x = 3x ; x × x = x² ; 1x = x.
- Pour calculer une valeur, on remplace la lettre par le nombre (entre parenthèses s’il est négatif) en respectant les priorités.
- On réduit en regroupant les termes semblables : 5x + 2x = 7x, mais x + x² ne se réduit pas.
- Parenthèses précédées de + : rien ne change. Précédées de − : on change tous les signes.
- Distributivité simple : k(a + b) = ka + kb et k(a − b) = ka − kb.
- Double distributivité : (a + b)(c + d) = ac + ad + bc + bd.
- Une égalité est fausse dès qu’un contre-exemple existe ; pour prouver qu’elle est vraie, on développe et on réduit.
- Un nombre est solution d’une équation si, en le mettant à la place de la lettre, les deux membres sont égaux.
