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Séquence 5 · Fonctions polynômes de degré 3 : fonction cube, dérivée et optimisation

Quelles dimensions donner à une boîte pour qu'elle contienne le plus grand volume possible ?

Bonjour !

Dans cette séquence de mathématiques, tu vas chercher à répondre à la grande question écrite en haut de la page. Elle se fait en 2 séances. Pour chaque séance : lis la consigne, étudie les documents, réponds aux questions sur ta feuille ou sur l'ENT, puis recopie l'essentiel dans ton cahier. Tu peux imprimer cette page avec le bouton « Imprimer ».

À la fin, je serai capable de :

Les mots importants

fonction cube x ↦ x³fonction polynôme de degré 3dérivée, signe de la dérivée (trinôme)tableau de variations, extremum localnombre de solutions d'une équation

Ressources de la séquence

Les notions, les repères et les pistes pour aller plus loin, utiles pour toutes les séances.

Les notions à maîtriser

Fonction cube
f(x) = x³, croissante sur ℝ, de dérivée 3x².
Polynôme de degré 3
f(x) = ax³ + bx² + cx + d avec a non nul.
Dérivée
f′(x) = 3ax² + 2bx + c, polynôme de degré 2.
Variations
f croissante là où f′ est positive, décroissante là où f′ est négative.
Extremum local
Atteint quand f′ s'annule en changeant de signe.
Équation f(x) = c
Le tableau de variations permet de compter les solutions.

Repères

DateÉvénement
1545Cardan publie dans l'Ars magna la résolution des équations du troisième degré, due en partie à Tartaglia.
Vers 1636Fermat décrit une méthode pour trouver maxima et minima.
1684Leibniz publie les règles du calcul différentiel.
Aujourd'huiLes logiciels d'optimisation guident la conception d'emballages et de pièces.

Pour aller plus loin

Sources et bibliographie

Mon parcours : je choisis mon rythme

Séance 1 · Fonction cube et dérivée

65 min

Séance approfondie : cours développé, documents sourcés, activités exigeantes avec coups de pouce.

La question du jour

Une dérivée nulle donne‑t‑elle toujours un maximum ?

Mon plan de travail

Le cours à lire · La fonction cube

La fonction cube f(x) = x³ est définie sur ℝ ; sa dérivée est f′(x) = 3x², toujours positive ou nulle : la fonction est croissante sur ℝ. Sa dérivée s'annule en 0 sans changer de signe : il n'y a pas d'extremum en 0 (la courbe a seulement une tangente horizontale). Plus généralement, un polynôme de degré 3 s'écrit f(x) = ax³ + bx² + cx + d (a non nul), et f′(x) = 3ax² + 2bx + c, un polynôme de degré 2 dont on étudie le signe (racines, signe de a).

Document 1 · La cuve d'un artisan

Situation-problème.

Un chaudronnier fabrique des cuves cubiques. Le volume d'une cuve d'arête x (en m) est V(x) = x³. Il veut savoir à quelle vitesse le volume augmente quand l'arête augmente.

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 :

Calculez.

  1. V(1), V(2), V(3) ?
  2. Le volume double‑t‑il quand l'arête double ?
  3. Dérivée de V ?

Ce qui est attendu (6 pts) : S'approprier, réaliser

Activité 2 · Réaliser

18 min
Essentiel

Supports : Cours

Consigne :

Dérivez.

  1. f(x) = 2x³ − 6x + 1 ?
  2. g(x) = x³ − 3x² ?
  3. Signe de 3x² sur ℝ ?

Ce qui est attendu (7 pts) : Analyser, raisonner, réaliser

Activité 3 · Communiquer

15 min
Travail à rendre

Supports : Documents et cours

Consigne :

Expliquez à un camarade (6 lignes) pourquoi la fonction cube n'a pas de maximum ni de minimum en 0, alors que sa dérivée y vaut 0. Pour bien commencer : La dérivée de x³ est… · Elle s'annule en 0 mais… · La fonction reste donc…

Ce qui est attendu (7 pts) : Valider · Communiquer

Trace écrite · document à compléter (papier ou ENT)

Complète la trace écrite avec les mots de la banque, puis recopie-la dans ton cahier.

3x²croissanteextremumsigne

La dérivée de x³ est ______. La fonction cube est __________ sur ℝ. Sa dérivée s'annule en 0 sans changer de ______. Il n'y a donc pas d'________ en 0.

Séance 2 · Optimiser une boîte

65 min

Séance approfondie : cours développé, documents sourcés, activités exigeantes avec coups de pouce.

La question du jour

Quelle découpe donne la boîte la plus grande ?

Mon plan de travail

Le cours à lire · Optimisation

Pour étudier un polynôme de degré 3 : on calcule f′(x), on cherche ses racines (factorisation ou outil numérique), on étudie son signe, puis on dresse le tableau de variations. Un extremum local est atteint quand f′ s'annule en changeant de signe. Le tableau permet aussi de compter les solutions de f(x) = c : sur chaque intervalle où f est strictement monotone, il y a au plus une solution, et il y en a une si c est compris entre les valeurs aux bornes.

Document 1 · La boîte en carton

Situation-problème.

Un atelier d'emballage découpe dans une plaque carrée de 30 cm de côté quatre carrés de côté x aux coins, puis replie les bords pour former une boîte sans couvercle. Son volume est V(x) = x(30 − 2x)², pour x compris entre 0 et 15.

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 :

Modélisez.

  1. V(2) et V(5) ?
  2. Forme développée de V(x) ?
  3. Pourquoi x est‑il entre 0 et 15 ?

Ce qui est attendu (6 pts) : S'approprier, réaliser

Activité 2 · Analyser, raisonner

18 min
Essentiel

Supports : Cours

Consigne :

Étudiez les variations.

  1. V′(x) ?
  2. Signe de V′(x) entre 0 et 15 ?
  3. Volume maximal ?

Ce qui est attendu (7 pts) : Analyser, raisonner, réaliser

Activité 3 · Valider, communiquer

15 min
Travail à rendre

Supports : Documents et cours

Consigne :

Rédigez une note au chef d'atelier (6 à 8 lignes) : quelle découpe choisir, quelles dimensions de boîte, et comment vous l'avez justifié ? Pour bien commencer : Le volume est maximal pour… · La boîte mesure alors… · J'ai justifié ce résultat par…

Ce qui est attendu (7 pts) : Valider · Communiquer

Trace écrite · document à compléter (papier ou ENT)

Complète la trace écrite avec les mots de la banque, puis recopie-la dans ton cahier.

20005dérivéesigne

On cherche les racines de la _______. Un extremum est atteint quand f′ s'annule en changeant de ______. La boîte a un volume maximal pour x = ______ cm. Ce volume vaut ______ cm³.

Fiche à trous · je complète

Complète le texte avec les mots de la banque (sur papier ou dans le document de l'ENT).

23x²croissanteextremum

La dérivée de x³ est ______.

La dérivée d'un polynôme de degré 3 est un polynôme de degré ______.

Si la dérivée est positive, la fonction est __________.

Une dérivée nulle en un point ne suffit pas à prouver un ________.

Ce que j'ai appris

Les 3 idées que je retiens :
Une méthode ou une formule que je veux retenir :
Ce qui reste difficile pour moi / ma question pour le professeur :