Version prof → Mathématiques · Lycée professionnel · 1re · Première

Séquence 2 · Polynômes du second degré et dérivée : la production rentable

Pour quelles quantités une production est-elle rentable, et quelle quantité rapporte le plus ?

Repères pour le professeur

Voie · niveauLycée professionnel (Bac Pro) · Première
DisciplineMathématiques
Programme officielProgramme de mathématiques de 1re professionnelle, BO spécial n°1 du 6 février 2020 (groupements A, B et C) : suites arithmétiques, polynômes de degré 2, fonction dérivée.
Place dans le programmeProgramme de mathématiques de première professionnelle (BO spécial n°1 du 6 février 2020), domaine « Algèbre-Analyse », modules « Fonctions polynômes de degré 2 » et « Fonction dérivée et étude des variations d'une fonction »
Durée totale2 séances + 1 évaluation ≈ 3 h 05
ModalitéEnseignement à distance : classe virtuelle + travail autonome + rendu sur l'ENT

Objectifs et capacités

Objectifs

Capacités travaillées (BO)

Notions et définitions

fonction polynôme de degré 2, paraboleracine, forme factoriséesigne d'un polynôme de degré 2nombre dérivé, tangente, fonction dérivée f'lien entre signe de f' et variations, extremum

Repères historiques

Ressources de la séquence

Ancrage dans le programme, notions, repères, débats, bibliographie et différenciation, communs à toutes les séances.

Ancrage dans le programme officiel

Ce que dit le programme (objectif du module polynômes) : « L'objectif de ce module est de découvrir les fonctions polynômes de degré 2 à coefficients réels et d'étudier le signe d'un polynôme de degré 2 donné sous forme factorisée. »

Module dérivation : « Les formules des fonctions dérivées des fonctions affines et carré sont à connaître. » « La formule de dérivation de la fonction carré est conjecturée à l'aide des outils numériques puis admise. »

Certification (arrêté du 17 juin 2020, annexe III) : en contrôle en cours de formation, deux situations d'évaluation en première et terminale : « Ces situations d'évaluation ont chacune une durée de quarante-cinq minutes environ et sont notées sur 10 points. » « Un exercice au moins comporte une ou deux questions dont la résolution se fait en présence de l'examinateur. » Pour les candidats hors CCF : « L'épreuve, d'une durée d'une heure, est une évaluation écrite et pratique, notée sur 20 points se déroule en fin de cursus de formation. »

Notions : définitions rigoureuses

Polynôme de degré 2
f(x) = ax² + bx + c avec a non nul ; sa courbe est une parabole tournée vers le haut si a > 0, vers le bas si a < 0.
Racine
Valeur de x telle que f(x) = 0 ; on la teste en remplaçant x par la valeur.
Forme factorisée
f(x) = a(x − x₁)(x − x₂) : les racines x₁ et x₂ se lisent directement.
Signe
Sous forme factorisée, f(x) est du signe de a à l'extérieur des racines et du signe contraire entre les racines.
Nombre dérivé
Coefficient directeur de la tangente à la courbe au point d'abscisse a, noté f'(a).
Dérivée et variations
(ax + b)' = a ; (x²)' = 2x ; si f' > 0, f croît ; si f' < 0, f décroît ; un changement de signe de f' signale un extremum.

Repères

DateÉvénement
vers 1636Fermat, méthode pour trouver maxima et minima.
1684Leibniz publie son calcul différentiel.
1687Newton, Principia.
1797Lagrange, Théorie des fonctions analytiques : notation f'.

Les historiens en débat

Le problème de l'optimum (le plus grand bénéfice, la plus petite dépense) est à l'origine du calcul différentiel : Fermat cherchait déjà les maxima en comparant des valeurs très proches. Newton et Leibniz ont donné à ces méthodes leur forme générale. En économie et en gestion, la dérivée sert à repérer le meilleur niveau de production. Synthèse du professeur.

Pour aller plus loin

Sources et bibliographie

Différenciation : un rythme de travail différent

Déroulé d'ensemble

SéanceTitreDuréeObjectif
Séance 1Racines et signe d'un polynôme du second degré65 minlire les racines d'une forme factorisée et étudier le signe
Séance 2Dérivée et variations : trouver la production optimale65 mincalculer une dérivée, étudier son signe et en déduire un maximum
ÉvaluationÉvaluation de fin de séquence (/20)55 minVérifier les acquis : connaissances, capacités, rédaction

Chaque séance dure environ 55 minutes à distance : lancement en classe virtuelle ou par message sur l'ENT, recherche du problème (calculatrice, tableur, GeoGebra ou Python dans le navigateur), mise en commun, cours et trace écrite. Les élèves renvoient la fiche à trous et leur production par l'ENT ou en photo.

Séance 1 · Racines et signe d'un polynôme du second degré

65 min

Séance approfondie : cours développé, documents sourcés, activités exigeantes, corrigés et barème.

Problématique de la séance

Pour quelles quantités l'atelier gagne-t-il de l'argent ?

Déroulé minuté à distance

Le cours développé (récit du professeur) · Polynômes de degré 2

Une fonction polynôme de degré 2 s'écrit f(x) = ax² + bx + c avec a ≠ 0 ; sa courbe est une parabole. Une racine est une valeur de x qui annule f. Quand f est donnée sous forme factorisée f(x) = a(x − x₁)(x − x₂), les racines sont x₁ et x₂ (un produit est nul si l'un de ses facteurs est nul). Signe : f(x) est du signe de a à l'extérieur des racines et du signe contraire entre les racines. On le vérifie avec un tableau de signes ou sur la courbe. Développer la forme factorisée redonne la forme ax² + bx + c.

Document 1 · Le bénéfice d'un atelier de reliure

Situation professionnelle.

Un atelier fabrique x carnets par jour (x de 0 à 60). Son bénéfice quotidien, en euros, est modélisé par B(x) = −2(x − 10)(x − 50).

Source : Situation construite pour la séance par le professeur (données fictives, choisies pour être réalistes).

Activité 1 · S'approprier

12 min
Essentiel

Supports : Document 1

Consigne :

Lisez le modèle.

  1. B(0) ? Que représente cette valeur ?
    ✔ Corrigé :

    B(0) = −1 000 € : les charges fixes quand on ne produit rien.

  2. Racines de B ?
    ✔ Corrigé :

    10 et 50.

  3. Forme développée ?
    ✔ Corrigé :

    B(x) = −2x² + 120x − 1 000.

Critère de réussitePoints
Lecture et calcul6
Total de l'activité6

Activité 2 · Réaliser

18 min
Essentiel

Supports : Document 1, cours

Consigne :

Étudiez le signe.

  1. Signe de a ? Conséquence ?
    ✔ Corrigé :

    a = −2 < 0 : B(x) négatif à l'extérieur des racines, positif entre.

  2. Tableau de signes de 0 à 60 ?
    ✔ Corrigé :

    Négatif de 0 à 10, nul en 10, positif de 10 à 50, nul en 50, négatif de 50 à 60.

  3. Vérifiez avec B(20) et B(55).
    ✔ Corrigé :

    B(20) = 600 > 0 ; B(55) = −450 < 0.

Critère de réussitePoints
Signe7
Total de l'activité7

Activité 3 · Communiquer

15 min
Travail à rendre

Supports : Documents et cours

Consigne :

Expliquez au gérant, en 6 à 8 lignes, pour quelles productions l'atelier est rentable et pourquoi produire trop fait perdre de l'argent (heures supplémentaires, invendus). Pour bien commencer : L'atelier est rentable quand… · D'après le graphique, cela correspond à… · Au‑delà, …

✔ Corrigé rédigé :

Rentable strictement entre 10 et 50 carnets par jour ; au-delà de 50, les coûts dépassent les recettes ; interprétation économique des racines (seuils de rentabilité) ; rédaction claire.

Critère de réussitePoints
Argumentation5
Communication2
Total de l'activité7

Trace écrite (à faire recopier ou à déposer sur l'ENT)

Une racine est une valeur qui annule le polynôme. Sous forme factorisée a(x − x₁)(x − x₂), le polynôme est du signe de a à l'extérieur des racines et du signe contraire entre elles.

Barème récapitulatif des activités notées

ActivitéPoints
Activité 1 · S'approprier6
Activité 2 · Réaliser7
Activité 3 · Communiquer7
Total20 / 20

Séance 2 · Dérivée et variations : trouver la production optimale

65 min

Séance approfondie : cours développé, documents sourcés, activités exigeantes, corrigés et barème.

Problématique de la séance

Combien de carnets fabriquer pour gagner le plus ?

Déroulé minuté à distance

Le cours développé (récit du professeur) · Dérivée et extremum

Le nombre dérivé f'(a) est le coefficient directeur de la tangente à la courbe au point d'abscisse a (on l'observe dans GeoGebra comme limite des sécantes). La fonction dérivée f' associe à x le nombre dérivé en x. Formules à connaître : (ax + b)' = a ; (x²)' = 2x ; (k × f)' = k × f' ; (f + g)' = f' + g'. Théorème (admis) : si f' > 0 sur un intervalle, f y est croissante ; si f' < 0, décroissante. Si f' s'annule en changeant de signe, f admet un extremum en ce point.

Document 1 · Bénéfice et tangentes

Activité numérique GeoGebra.

Tracer B(x) = −2x² + 120x − 1000 pour x de 0 à 60. Placer un point A mobile sur la courbe, afficher la tangente en A (commande Tangente) et son coefficient directeur. Observer quand la tangente est horizontale.

Source : Activité construite pour la séance par le professeur.

Activité 1 · Analyser, raisonner

12 min
Essentiel

Supports : Document 1

Consigne :

Observez dans GeoGebra.

  1. Coefficient directeur de la tangente en x = 20 ? en x = 40 ?
    ✔ Corrigé :

    40 et −40.

  2. Où la tangente est-elle horizontale ?
    ✔ Corrigé :

    En x = 30.

  3. Que conjecturez-vous ?
    ✔ Corrigé :

    Le maximum est atteint en x = 30.

Critère de réussitePoints
Conjecture6
Total de l'activité6

Activité 2 · Réaliser

18 min
Essentiel

Supports : Document 1, cours

Consigne :

Démontrez par le calcul.

  1. B'(x) ?
    ✔ Corrigé :

    B'(x) = −4x + 120.

  2. Signe de B'(x) ?
    ✔ Corrigé :

    Positif pour x < 30, nul en 30, négatif pour x > 30.

  3. Tableau de variations et maximum ?
    ✔ Corrigé :

    B croissante de 0 à 30, décroissante de 30 à 60 ; maximum B(30) = 800 €.

Critère de réussitePoints
Dérivée et variations7
Total de l'activité7

Activité 3 · Valider

15 min
Travail à rendre

Supports : Documents et cours

Consigne :

Comparez avec les valeurs B(29) et B(31), puis rédigez une recommandation (6 à 8 lignes) au gérant en rappelant les limites du modèle. Pour bien commencer : B(29) et B(31) sont… que B(30) · Le bénéfice maximal est donc obtenu pour… · Ce modèle a des limites car…

✔ Corrigé rédigé :

B(29) = B(31) = 798 € < 800 € : cohérent ; recommandation : 30 carnets par jour pour 800 € de bénéfice ; limites : modèle simplifié, demande réelle, capacité de l'atelier.

Critère de réussitePoints
Validation5
Communication2
Total de l'activité7

Trace écrite (à faire recopier ou à déposer sur l'ENT)

Le nombre dérivé f'(a) est le coefficient directeur de la tangente. Si f' est positive, f est croissante ; si f' est négative, f est décroissante. Quand f' change de signe, f admet un extremum.

Barème récapitulatif des activités notées

ActivitéPoints
Activité 1 · Analyser, raisonner6
Activité 2 · Réaliser7
Activité 3 · Valider7
Total20 / 20

Fiche à trous · corrigé

Les racines d'un polynôme sont les valeurs de x qui l'annulent.

a(x − x₁)(x − x₂) est la forme factorisée d'un polynôme de degré 2.

Si f'(x) > 0 sur un intervalle, f est croissante sur cet intervalle.

Le nombre dérivé f'(a) est le coefficient directeur de la tangente au point d'abscisse a.

La version élève contient la même fiche avec une banque de mots (papier ou ENT).

Évaluation de fin de séquence (/20) · barème et corrigé

Évaluation sur 20 à faire en temps limité sur l'ENT ou sur papier, puis à renvoyer en photo ; le corrigé et le barème servent aussi à l'autoévaluation. En Bac Pro, elle est construite comme une situation de contrôle en cours de formation (problème contextualisé, compétences évaluées) ; en 1re générale, elle prépare à l'épreuve anticipée (automatismes sans calculatrice et exercices) ; en Terminale générale, aux exercices indépendants de l'épreuve de spécialité.

N°QuestionBarèmeCorrigé et critères
1Soit f(x) = 3(x − 2)(x − 6) pour x de 0 à 8. Donnez les racines de f et étudiez son signe dans un tableau.6 ptsRacines 2 et 6 ; a = 3 > 0 : f(x) positif pour x entre 0 et 2 et entre 6 et 8, négatif entre 2 et 6, nul en 2 et 6. Tableau de signes correct.
2Développez f(x), calculez f'(x), étudiez son signe et dressez le tableau de variations de f sur l'intervalle de 0 à 8.6 ptsf(x) = 3x² − 24x + 36 ; f'(x) = 6x − 24 ; f'(x) < 0 avant 4, > 0 après ; f décroissante de 0 à 4, croissante de 4 à 8 ; minimum f(4) = −12 ; f(0) = 36 et f(8) = 36.
3Une entreprise fabrique x centaines de pièces (x de 0 à 40). Son bénéfice en centaines d'euros est P(x) = −x² + 40x − 300 = −(x − 10)(x − 30). Pour quelles quantités est-elle rentable ? Quelle production maximise le bénéfice ? Rédigez une conclusion pour la direction. Pour bien commencer : *Le bénéfice est positif quand…* · *Il est maximal pour…* · *Je conseille donc à la direction…*8 ptsP(x) > 0 entre les racines 10 et 30 (a < 0) : rentable entre 1 000 et 3 000 pièces ; P'(x) = −2x + 40, nul en 20, positif avant, négatif après : maximum P(20) = 100, soit 10 000 € pour 2 000 pièces ; conclusion rédigée avec unités.
Total20 pts

Pistes pour un rythme de travail différent