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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 ?

Repères pour le professeur

Voie · niveauLycée professionnel (Bac Pro) · Terminale
DisciplineMathématiques
Programme officielProgramme de mathématiques de Terminale professionnelle, BO spécial n°1 du 6 février 2020 : suites géométriques, fonctions exponentielles et logarithme décimal (module mis en oeuvre avec la physique-chimie). Certification : arrêté du 17 juin 2020.
Place dans le programmeProgramme de mathématiques de terminale professionnelle (BO spécial n°1 du 6 février 2020), domaine « Algèbre-Analyse », module « Fonctions polynômes de degré 3 » (groupements A, B et C)
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 cube x ↦ x³fonction polynôme de degré 3dérivée, signe de la dérivée (trinôme)tableau de variations, extremum localnombre de solutions d'une équation

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

Objectif du module : « L'objectif de ce module est d'étudier la fonction cube et les fonctions polynômes de degré 3. »

Point de vigilance : « Constater, à l'aide de la fonction cube, que le seul fait que la dérivée d'une fonction s'annule en un point ne suffit pas pour conclure que cette fonction possède un extremum local en ce point. »

Compétences : « valider : critiquer un résultat, argumenter ; contrôler la vraisemblance d'une conjecture ; mener un raisonnement logique et établir une conclusion »

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

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.

Les historiens en débat

La résolution des équations du troisième degré fut l'un des grands défis de la Renaissance italienne, avec des concours publics entre mathématiciens. Un siècle plus tard, Fermat puis Leibniz ont montré que les extremums se trouvent là où la « pente » s'annule : c'est la méthode utilisée ici pour optimiser une boîte. Synthèse du professeur.

Pour aller plus loin

Sources et bibliographie

Différenciation : un rythme de travail différent

Déroulé d'ensemble

SéanceTitreDuréeObjectif
Séance 1Fonction cube et dérivée65 minétudier la fonction cube et dériver un polynôme de degré 3
Séance 2Optimiser une boîte65 mindresser un tableau de variations et trouver 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 · Fonction cube et dérivée

65 min

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

Problématique de la séance

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

Déroulé minuté à distance

Le cours développé (récit du professeur) · 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) ?
    ✔ Corrigé :

    1 ; 8 ; 27 m³.

  2. Le volume double‑t‑il quand l'arête double ?
    ✔ Corrigé :

    Non, il est multiplié par 8.

  3. Dérivée de V ?
    ✔ Corrigé :

    V′(x) = 3x².

Critère de réussitePoints
S'approprier, réaliser6
Total de l'activité6

Activité 2 · Réaliser

18 min
Essentiel

Supports : Cours

Consigne :

Dérivez.

  1. f(x) = 2x³ − 6x + 1 ?
    ✔ Corrigé :

    f′(x) = 6x² − 6.

  2. g(x) = x³ − 3x² ?
    ✔ Corrigé :

    g′(x) = 3x² − 6x.

  3. Signe de 3x² sur ℝ ?
    ✔ Corrigé :

    Positif ou nul, nul seulement en 0.

Critère de réussitePoints
Analyser, raisonner, réaliser7
Total de l'activité7

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…

✔ Corrigé rédigé :

Dérivée 3x² ; absence de changement de signe ; croissance ; tangente horizontale ; clarté.

Critère de réussitePoints
Valider5
Communiquer2
Total de l'activité7

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

La dérivée de x³ est 3x². La fonction cube est croissante sur ℝ. Sa dérivée s'annule en 0 sans changer de signe. Il n'y a donc pas d'extremum en 0.

Barème récapitulatif des activités notées

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

Séance 2 · Optimiser une boîte

65 min

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

Problématique de la séance

Quelle découpe donne la boîte la plus grande ?

Déroulé minuté à distance

Le cours développé (récit du professeur) · 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) ?
    ✔ Corrigé :

    2 × 676 = 1 352 cm³ ; 5 × 400 = 2 000 cm³.

  2. Forme développée de V(x) ?
    ✔ Corrigé :

    4x³ − 120x² + 900x.

  3. Pourquoi x est‑il entre 0 et 15 ?
    ✔ Corrigé :

    Il faut que 30 − 2x reste positif.

Critère de réussitePoints
S'approprier, réaliser6
Total de l'activité6

Activité 2 · Analyser, raisonner

18 min
Essentiel

Supports : Cours

Consigne :

Étudiez les variations.

  1. V′(x) ?
    ✔ Corrigé :

    12x² − 240x + 900 = 12(x − 5)(x − 15).

  2. Signe de V′(x) entre 0 et 15 ?
    ✔ Corrigé :

    Positif avant 5, négatif entre 5 et 15.

  3. Volume maximal ?
    ✔ Corrigé :

    V(5) = 2 000 cm³, soit 2 L.

Critère de réussitePoints
Analyser, raisonner, réaliser7
Total de l'activité7

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…

✔ Corrigé rédigé :

x = 5 cm ; boîte de 20 cm × 20 cm × 5 cm ; 2 000 cm³ ; tableau de variations ; ton professionnel.

Critère de réussitePoints
Valider5
Communiquer2
Total de l'activité7

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

On cherche les racines de la dérivée. Un extremum est atteint quand f′ s'annule en changeant de signe. La boîte a un volume maximal pour x = 5 cm. Ce volume vaut 2000 cm³.

Barème récapitulatif des activités notées

ActivitéPoints
Activité 1 · S'approprier6
Activité 2 · Analyser, raisonner7
Activité 3 · Valider, communiquer7
Total20 / 20

Fiche à trous · corrigé

La dérivée de x³ est 3x².

La dérivée d'un polynôme de degré 3 est un polynôme de degré 2.

Si la dérivée est positive, la fonction est croissante.

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

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
1Calculez la dérivée de f(x) = 2x³ − 6x + 1.4 ptsf′(x) = 6x² − 6. 4 points.
2On étudie g(x) = x³ − 3x pour x compris entre −3 et 3. Calculez g′(x), étudiez son signe, dressez le tableau de variations et donnez les extremums locaux.8 ptsg′(x) = 3x² − 3 = 3(x − 1)(x + 1) : positive avant −1, négative entre −1 et 1, positive après 1. g(−3) = −18, maximum local g(−1) = 2, minimum local g(1) = −2, g(3) = 18. Dérivée et signe (4 pts), tableau et extremums (4 pts).
3Avec ce tableau, combien de solutions a l'équation g(x) = 0 ? Et g(x) = 5 ? Justifiez, puis expliquez pourquoi la fonction cube n'a pas d'extremum en 0 alors que sa dérivée s'y annule. Pour bien commencer : *D'après le tableau de variations, …* · *Comme 5 est plus grand que…* · *Pour la fonction cube, la dérivée…*8 ptsg(x) = 0 : trois solutions (une sur chaque intervalle de monotonie, ce sont −√3, 0 et √3) ; g(x) = 5 : une seule, entre 1 et 3, car 5 est supérieur au maximum local 2. La dérivée de x³ est 3x², positive ou nulle : elle ne change pas de signe, la fonction reste croissante. Justifications (6 pts), rédaction (2 pts).
Total20 pts

Pistes pour un rythme de travail différent