Cette fiche couvre le Sujet 3 : Mathématiques Pures 3. Les sous-sujets 3.1–3.6 s'appuient sur l'algèbre, les logarithmes, la trigonométrie, la dérivation, l'intégration et les méthodes numériques des Mathématiques Pures 2, donc cette fiche explique ce qui est nouveau en Mathématiques Pures 3, puis couvre les trois grands nouveaux domaines : les vecteurs, les équations différentielles et les nombres complexes.
Mathématiques Pures 3
Mathématiques A-Level · Sujet 3
13:36
Mathématiques Pures 3
Pendant des siècles, les mathématiciens ont heurté un mur : quelle est la racine carrée de moins un ? Aucun nombre ordinaire, élevé au carré, ne donne un négatif. Ils l'ont jugé impossible, et…
Narration en anglais · sous-titres en anglais et en 中文 au choix
3.1
Algèbre
Programme
| Les candidats doivent être capables de : | Notes et exemples |
|---|---|
| • comprendre la signification de $|x|$, tracer le graphe de $y = |ax + b|$ et utiliser des relations telles que $|a| = |b| \iff a^2 = b^2$ et $|x - a| < b \iff a - b < x < a + b$ lors de la résolution d'équations et d'inégalités | Les graphes de $y = |\text{f}(x)|$ et $y = \text{f}(|x|)$ pour des fonctions non linéaires $\text{f}$ ne sont pas compris. ex. : $|3x - 2| = |2x + 7|$, $2x + 5 < |x + 1|$. |
| • diviser un polynôme de degré inférieur ou égal à 4 par un polynôme linéaire ou quadratique, et identifier le quotient et le reste (qui peuvent être nuls) | |
| • utiliser le théorème du facteur et le théorème du reste | ex. : pour trouver des facteurs et des restes, résoudre des équations polynomiales ou évaluer des coefficients inconnus. Inclure des facteurs de la forme $(ax + b)$ où le coefficient de $x$ n'est pas unitaire, et inclure le calcul des restes. |
| • rappel d'une forme appropriée pour exprimer des fractions rationnelles en parties fractionnaires, et effectuer la décomposition, lorsque le dénominateur n'est pas plus compliqué que – $(ax + b)(cx + d)(ex + f)$ – $(ax + b)(cx + d)^2$ – $(ax + b)(cx^2 + d)$ | Exclure les cas où le degré du numérateur dépasse celui du dénominateur |
| • utiliser le développement de $(1 + x)^n$, où $n$ est un nombre rationnel et $|x| < 1$. | Trouver le terme général d'un développement n'est pas compris. Adapter la série standard pour développer ex. : $(2 - \frac{1}{2}x)^{-1}$ est compris, et déterminer l'ensemble des valeurs de $x$ pour lesquelles le développement est valide dans de tels cas est également compris. |
Source : Programme Cambridge International
Deux nouveaux outils s'ajoutent à l'algèbre de Pure 2.
Fractions partielles
Une fraction unique avec un dénominateur factorisé peut être décomposée en une somme de fractions plus simples. On appelle cela l'écriture en fraction partielle, et cela rend une fonction rationnelle (une fraction de polynômes) facile à intégrer ou à développer. Adaptez la forme au dénominateur :
Vérifiez d'abord que le numérateur est de degré inférieur à celui du dénominateur. Si ce n'est pas le cas, divisez d'abord le polynôme : la division donne un quotient plus un reste sur le dénominateur initial, et vous ne décomposez que la fraction propre restante.

Exemple résolu. Exprimer $\dfrac{x+4}{(x+1)(x-2)}$ en fractions partielles.
Écrire $\dfrac{x+4}{(x+1)(x-2)} = \dfrac{A}{x+1} + \dfrac{B}{x-2}$, donc $x + 4 = A(x-2) + B(x+1)$. Poser $x = 2$ : $6 = 3B$, donc $B = 2$. Poser $x = -1$ : $3 = -3A$, donc $A = -1$. D'où
Exemple résolu : un facteur répété. Exprimer $\dfrac{5x+4}{(x-1)(x+2)^2}$ en fractions partielles.
Un facteur au carré nécessite deux fractions, l'une sur $(x+2)$ et l'autre sur $(x+2)^2$ :
donc $5x+4 = A(x+2)^2 + B(x-1)(x+2) + C(x-1)$. Remplacer $x = 1$ : $9 = 9A$, donc $A = 1$. Remplacer $x = -2$ : $-6 = -3C$, donc $C = 2$. Aucune valeur de $x$ ne supprime simultanément $A$ et $C$, donc comparer les termes en $x^2$ : $0 = A + B$, donc $B = -1$. Par conséquent
Vérifier avec $x = 0$ : le membre de gauche est $\dfrac{4}{(-1)(4)} = -1$ et le membre de droite est $-1 - \tfrac12 + \tfrac12 = -1$.
Erreurs fréquentes. Omettre le terme en $\dfrac{B}{x+2}$ pour un facteur au carré, et décomposer une fraction impropre sans diviser au préalable.
Polynômes et valeur absolue (de Mathématiques pures 2)
Le théorème des facteurs affirme que $(x - a)$ est un facteur de $p(x)$ si et seulement si $p(a) = 0$. Le théorème du reste affirme que la division de $p(x)$ par $(x - a)$ donne le reste $p(a)$.
Exemple corrigé. $p(x) = 2x^3 + ax^2 - 13x + 6$ admet le facteur $(x - 2)$. Déterminez $a$, factorisez entièrement $p(x)$ et déterminez le reste de la division de $p(x)$ par $(x + 1)$.
$p(2) = 16 + 4a - 26 + 6 = 4a - 4 = 0$, donc $a = 1$. La division par $(x - 2)$ donne $p(x) = (x - 2)(2x^2 + 5x - 3) = (x - 2)(2x - 1)(x + 3)$. Le reste de la division par $(x + 1)$ est $p(-1) = -2 + 1 + 13 + 6 = 18$.
Exemple corrigé : une inégalité avec valeur absolue. Résolvez $|2x - 1| < |x + 1|$.
Les deux membres sont toujours positifs ou nuls, donc leur élévation au carré conserve le sens de l'inégalité :
Ainsi, $0 < x < 2$. Un tracé de $y = |2x - 1|$ et $y = |x + 1|$ montre la même chose : les courbes en V se coupent en $x = 0$ et $x = 2$.
Développement binomial pour un exposant rationnel
Le développement binomial fonctionne aussi quand la puissance est une fraction ou négative, tant que $|x| < 1$ :
Exemple résolu. Développer $(4 - x)^{-1/2}$ jusqu'au terme en $x^2$, et indiquer les valeurs de $x$ pour lesquelles il est valide.
La formule nécessite un $1$ devant, donc extraire d'abord le $4$, élevé à la même puissance :
Utiliser maintenant $n = -\tfrac12$ avec $-\tfrac{x}{4}$ à la place de $x$ :
Multiplier par $\tfrac12$ : $(4 - x)^{-1/2} = \dfrac12 + \dfrac{x}{16} + \dfrac{3x^2}{256} + \cdots$. Il est valide lorsque $\left|\tfrac{x}{4}\right| < 1$, c'est-à-dire $|x| < 4$.
Erreurs fréquentes. Écrire $4(1 - \tfrac{x}{4})^{-1/2}$ (le $4$ doit également être élevé à la puissance $-\tfrac12$) ; perdre le signe moins à l'intérieur de $\left(-\tfrac{x}{4}\right)^2$ dans les termes suivants ; et donner comme domaine de validité $|x| < 1$ au lieu de $|x| < 4$.
Courbes réciproques
y = a/(x − b) + c
Les fractions partielles décomposent une fraction difficile en pièces simples réciproques — chacune possédant une asymptote verticale et une asymptote horizontale.
| English | Français |
|---|---|
| Pure Mathematics/pjʊə ˌmæθɪˈmætɪks/ | Mathématiques pures |
| partial fractions/ˈpɑːʃl ˈfrækʃnz/ | décomposition en éléments simples |
| rational function/ˈræʃənl ˈfʌŋkʃn/ | fonction rationnelle |
| quotient/ˈkwəʊʃənt/ | quotient |
| remainder/rɪˈmeɪndə/ | reste |
| factor theorem/ˈfæktə ˈθɪərəm/ | théorème du facteur |
| remainder theorem/rɪˈmeɪndə ˈθɪərəm/ | théorème du reste |
| binomial expansion/baɪˈnəʊmɪəl ekˈspænʃn/ | développement binomial |
| sign change/saɪn tʃeɪndʒ/ | changement de signe |
| iterative formula/ˈɪtərətɪv ˈfɔːmjʊlə/ | formule itérative |
| reciprocals/rɪˈsɪprəklz/ | réciproques |
| secant/ˈsiːkənt/ | sécante |
| cosecant/ˈkəʊsekənt/ | cosécante |
3.2 3.3 3.6
Logarithmes, trigonométrie et méthodes numériques (de Pure 2)
Programme
| Les candidats doivent être capables de : | Notes et exemples |
|---|---|
| comprendre la relation entre les logarithmes et les puissances, et utiliser les lois des logarithmes (excluant le changement de base) | |
| comprendre la définition et les propriétés de $e^x$ et $\ln x$, y compris leur relation de fonctions réciproques et leurs graphes | Comprendre le graphe de $y = e^{kx}$ pour des valeurs positives et négatives de $k$. |
| utiliser les logarithmes pour résoudre des équations et des inégalités où l'inconnue apparaît en puissance | ex. : $2^x < 5$, $3 \times 2^{3x-1} < 5$, $3^{x+1} = 4^{2x-1}$. |
| utiliser les logarithmes pour transformer une relation donnée sous forme linéaire, et déterminer ainsi des constantes inconnues en considérant la pente et/ou l'ordonnée à l'origine. | ex. $y = kx^n$ donne $\ln y = \ln k + n \ln x$ qui est linéaire en $\ln x$ et $\ln y$. $y = k(a^x)$ donne $\ln y = \ln k + x \ln a$ qui est linéaire en $x$ et $\ln y$. |
| Les candidats doivent être capables de : | Notes et exemples |
|---|---|
| comprendre la relation des fonctions sécante, cosécante et cotangente au cosinus, sinus et tangente, et utiliser les propriétés et graphes des six fonctions trigonométriques pour des angles de toute magnitude | |
| utiliser des identités trigonométriques pour simplifier et évaluer exactement des expressions, et dans le cadre de la résolution d'équations, et sélectionner une identité ou des identités adaptées au contexte, en montrant une familiarité particulière avec l'utilisation de : – $\sec^2 \theta \equiv 1 + \tan^2 \theta$ et $\cosec^2 \theta \equiv 1 + \cot^2 \theta$ – les développements de $\sin(A \pm B)$, $\cos(A \pm B)$ et $\tan(A \pm B)$ – les formules pour $\sin 2A$, $\cos 2A$ et $\tan 2A$ – l'expression de $a \sin \theta + b \cos \theta$ sous les formes $R \sin(\theta \pm \alpha)$ et $R \cos(\theta \pm \alpha)$. | ex. : simplifier $\cos(x - 30^\circ) - 3 \sin(x - 60^\circ)$. ex. : résoudre $\tan \theta + \cot \theta = 4$, $2 \sec^2 \theta - \tan \theta = 5$, $3 \cos \theta + 2 \sin \theta = 1$. |
| Les candidats doivent être capables de : | Notes et exemples |
|---|---|
| • localiser approximativement une racine d'une équation, au moyen de considérations graphiques et/ou en cherchant un changement de signe | ex. : trouver une paire d'entiers consécutifs entre lesquels se trouve une racine. |
| • comprendre l'idée de, et utiliser la notation pour, une suite d'approximations qui converge vers une racine d'une équation | |
| • comprendre comment une simple formule itérative donnée de la forme $x_{n+1} = \text{F}(x_n)$ est liée à l'équation résolue, et utiliser une itération donnée, ou une itération basée sur un réarrangement donné d'une équation, pour déterminer une racine avec une précision prescrite. | La connaissance de la condition de convergence n'est pas requise, mais on s'attend à ce que les candidats comprennent qu'une itération peut ne pas converger. |
Source : Programme Cambridge International
Les sous-sujets 3.2, 3.3 et 3.6 concernent les mêmes compétences rencontrées dans Pure 2 : les lois des logarithmes avec $e^x$ et $\ln x$ ; les identités $\sec^2\theta \equiv 1 + \tan^2\theta$ et $\csc^2\theta \equiv 1 + \cot^2\theta$, les formules d'angle composé et double, ainsi que la forme $R$ de $a\sin\theta + b\cos\theta$ ; et la résolution numérique d'une équation par un changement de signe et une formule itérative $x_{n+1} = F(x_n)$. Utilisez-les exactement comme auparavant.
Les trois nouvelles fonctions trigonométriques sont les réciproques des fonctions connues : la sécante $\sec\theta = \dfrac{1}{\cos\theta}$, la cosécante $\csc\theta = \dfrac{1}{\sin\theta}$, et la cotangente $\cot\theta = \dfrac{\cos\theta}{\sin\theta}$ pour $\sin\theta\ne0$. Elle est égale à $1/\tan\theta$ partout où les deux expressions sont définies. (Astuce mnémotechnique : associer la troisième lettre — sec va avec cosinus.) Les deux identités pythagoriciennes ci-dessus découlent directement de la division de $\sin^2\theta + \cos^2\theta \equiv 1$ par $\cos^2\theta$ ou $\sin^2\theta$. Pour une méthode numérique, une itération $x_{n+1}=F(x_n)$ converge si ses valeurs tendent vers une limite finie. Des changements successifs plus faibles seuls ne prouvent pas la convergence ; lorsque $F$ est continue à cette limite, celle-ci est un point fixe. Vérifier dans l'équation originale.
Exemple corrigé : réduction à une forme linéaire. On suppose que deux variables vérifient $y = kx^n$. Le graphique de $\ln y$ en fonction de $\ln x$ est une droite passant par $(0.5, 2.1)$ et $(2.0, 4.5)$. Déterminez $k$ et $n$.
Prenons les logarithmes : $\ln y = n\ln x + \ln k$. Il s'agit de $Y = nX + c$ avec $Y = \ln y$ et $X = \ln x$, donc $n$ est le coefficient directeur et $\ln k$ est l'ordonnée à l'origine :
Pour $y = Ab^x$, tracez plutôt $\ln y$ en fonction de $x$ (et non de $\ln x$) : $\ln y = x\ln b + \ln A$, donc le coefficient directeur est $\ln b$ et l'ordonnée à l'origine est $\ln A$.
Exemple corrigé : la forme $R$. Exprimez $3\sin\theta + 4\cos\theta$ sous la forme $R\sin(\theta + \alpha)$ et résolvez $3\sin\theta + 4\cos\theta = 2$ pour $0^\circ < \theta < 360^\circ$.
Développons : $R\sin\theta\cos\alpha + R\cos\theta\sin\alpha$, donc $R\cos\alpha = 3$ et $R\sin\alpha = 4$. Alors $R = \sqrt{3^2 + 4^2} = 5$ et $\tan\alpha = \tfrac43$, $\alpha = 53.13^\circ$.
On a maintenant $\sin(\theta + 53.13^\circ) = 0.4$. L'ensemble des valeurs de $\theta + 53.13^\circ$ va de $53.13^\circ$ à $413.13^\circ$, donc $\theta + 53.13^\circ = 156.42^\circ$ ou $383.58^\circ$, ce qui donne $\theta = 103.3^\circ$ ou $330.4^\circ$. La plus grande valeur de l'expression est $R = 5$.
Exemple corrigé : localisation d'une racine et itération. Montrez que $x^3 + x - 3 = 0$ possède une racine entre $1$ et $2$, puis utilisez $x_{n+1} = \sqrt[3]{3 - x_n}$ avec $x_1 = 1.2$ pour la déterminer à 3 décimales.
Soit $f(x) = x^3 + x - 3$. $f(1) = -1 < 0$ et $f(2) = 7 > 0$ : $f$ est continue et change de signe, donc il existe une racine entre $1$ et $2$. Les valeurs successives sont $1.2164$, $1.2127$, $1.2136$, $1.2134$, $1.2134$, donc la racine est $1.213$ à 3 décimales. La formule d'itération est une réécriture de l'équation : en élevant $x = \sqrt[3]{3 - x}$ au cube, on obtient $x^3 = 3 - x$.
Le cercle unité
(cos θ, sin θ)
La formule R réécrit a sin θ + b cos θ sous la forme d'une onde unique — et tout cela repose sur ce cercle.
| English | Français |
|---|---|
| cotangent/ˈkəʊtændʒənt/ | cotangente |
| converges/kənˈvɜːdʒɪz/ | converge |
| gradient/ˈɡreɪdɪənt/ | pente |
| intercept/ˌɪntəˈsept/ | ordonnée à l’origine |
| inverse tangent/ɪnˈvɜːs ˈtændʒənt/ | tangente inverse |
| parametrically | sous forme paramétrique |
| implicitly/ɪmˈplɪsɪtli/ | implicitement |
| Integration by parts/ˌɪntɪˈɡreɪʃn baɪ pɑːts/ | Intégration par parties |
| Integration by substitution/ˌɪntɪˈɡreɪʃn baɪ ˌsʌbstɪˈtjuːʃn/ | Intégration par substitution |
3.4
Dérivation
Programme
| Les candidats doivent être capables de : | Notes et exemples |
|---|---|
| utiliser les dérivées de $e^x$, $\ln x$, $\sin x$, $\cos x$, $\tan x$, $\tan^{-1} x$, ainsi que les multiples constants, sommes, différences et compositions | Les dérivées de $\sin^{-1} x$ et $\cos^{-1} x$ ne sont pas requises. |
| dériver des produits et des quotients | ex. : $\frac{2x - 4}{3x + 2}$, $x^2 \ln x$, $x e^{1-x^2}$. |
| trouver et utiliser la première dérivée d'une fonction définie paramétriquement ou implicitement. | ex. : $x = t - e^{2t}$, $y = t + e^{2t}$. ex. : $x^2 + y^2 = xy + 7$. Inclure l'utilisation dans des problèmes impliquant des tangentes et des normales. |
Source : Programme Cambridge International
Les méthodes sont celles de Pure 2 (règles du produit, du quotient et de chaîne, avec courbes paramétriques et implicites). Une dérivée est ajoutée — l'arc tangente :
Exemple résolu. Dériver $y = \tan^{-1}(3x)$.
Utiliser la règle de la chaîne avec le résultat ci-dessus : $\dfrac{dy}{dx} = \dfrac{1}{1 + (3x)^2} \times 3 = \dfrac{3}{1 + 9x^2}.$
Exemple corrigé : une courbe paramétrée. Une courbe est définie par $x = t^2 + 1$, $y = t^3 - 3t$. Déterminez la tangente en $t = 2$ et les points où la tangente est horizontale.
Pour une courbe définie paramétriquement, $\dfrac{dy}{dx} = \dfrac{dy/dt}{dx/dt} = \dfrac{3t^2 - 3}{2t}$. Pour $t = 2$, le point est $(5, 2)$ et le coefficient directeur est $\dfrac{9}{4}$, donc la tangente est $y - 2 = \tfrac94(x - 5)$. La tangente est horizontale lorsque $3t^2 - 3 = 0$, donc $t = \pm1$ : les points sont $(2, -2)$ et $(2, 2)$.
Exemple corrigé : une courbe implicite. Déterminez le coefficient directeur de $x^2 + xy + y^2 = 7$ en $(1, 2)$.
Dérivez implicitement, en utilisant la règle du produit pour $xy$ et la règle de dérivation des fonctions composées pour $y^2$ :
En $(1, 2)$ : $\dfrac{dy}{dx} = -\dfrac{4}{5}$. (Vérifiez d'abord que le point appartient à la courbe : $1 + 2 + 4 = 7$.)

La pente en un point
pente = dy/dx
Implícite ou non, la dérivée reste la pente de la tangente — faites glisser le point pour le voir.
3.5
Intégration
Programme
| Les candidats doivent être capables de : | Notes et exemples |
|---|---|
| étendre l'idée de « dérivation inverse » pour inclure l'intégration de $e^{ax + b}$, $\frac{1}{ax + b}$, $\sin(ax + b)$, $\cos(ax + b)$, $\sec^2(ax + b)$ et $\frac{1}{x^2 + a^2}$ | Inclure des exemples tels que $\frac{1}{2 + 3x^2}$. |
| utiliser des relations trigonométriques pour effectuer des intégrations | ex. : utilisation des formules d'angle double pour intégrer $\sin^2 x$ ou $\cos^2(2x)$. |
| intégrer des fonctions rationnelles au moyen de la décomposition en fractions partielles | Limité aux types de fractions partielles spécifiés dans le sujet 3.1 ci-dessus. |
| reconnaître un intégrande de la forme $\frac{k f'(x)}{f(x)}$, et intégrer de telles fonctions | ex. : intégration de $\frac{x}{x^2 + 1}$, $\tan x$. |
| reconnaître quand un intégrande peut utilement être considéré comme un produit, et utiliser l'intégration par parties | ex. : intégration de $x \sin 2x$, $x^2 e^{-x}$, $\ln x$, $x \tan^{-1} x$. |
| utiliser une substitution donnée pour simplifier et évaluer soit une intégrale définie, soit une intégrale indéfinie. | ex. : pour intégrer $\sin^2 2x \cos x$ en utilisant la substitution $u = \sin x$. |
Source : Programme Cambridge International
Pure 3 ajoute plusieurs méthodes puissantes.
- Une nouvelle intégrale standard : $\displaystyle\int \frac{1}{x^2 + a^2}\,dx = \frac{1}{a}\tan^{-1}\frac{x}{a} + C$.
- Fractions partielles : décomposer une fonction rationnelle, puis intégrer chaque terme comme un logarithme.
- Le motif $\dfrac{k\,f'(x)}{f(x)}$ : cela s'intègre en $k\ln|f(x)| + C$. Par exemple $\displaystyle\int \frac{2x}{x^2 + 1}\,dx = \ln(x^2 + 1) + C$.
- Intégration par parties, utilisée pour un produit : $\displaystyle\int u\,\frac{dv}{dx}\,dx = uv - \int v\,\frac{du}{dx}\,dx$.
- Intégration par substitution : un changement de variable donné transforme une intégrale difficile en une intégrale facile.
Exemple résolu. Trouver $\displaystyle\int x\cos x\,dx$.
Utiliser l'intégration par parties avec $u = x$ et $\dfrac{dv}{dx} = \cos x$, donc $\dfrac{du}{dx} = 1$ et $v = \sin x$ :
Exemple résolu : substitution. Utiliser la substitution $u = x + 1$ pour trouver $\displaystyle\int_0^3 \frac{x}{\sqrt{x+1}}\,dx$.
Changer les trois parties : $x = u - 1$, $dx = du$ et les bornes $x = 0$ et $x = 3$ deviennent $u = 1$ et $u = 4$ :
L'erreur courante consiste à conserver les anciennes bornes $0$ et $3$ après avoir changé de variable vers $u$.

Exemple résolu : fractions partielles. Montrer que $\displaystyle\int_3^4 \frac{x+4}{(x+1)(x-2)}\,dx = \ln\frac{16}{5}$.
Utiliser les fractions partielles trouvées précédemment, puis intégrer chaque terme sous forme logarithmique :
Ceci correspond à $2\ln 2 + 2\ln 2 - \ln 5 = \ln 16 - \ln 5 = \ln\dfrac{16}{5}$. Puisque la réponse est donnée, détailler étape par étape l'application des lois du logarithme.
L'aire sous la courbe
aire = ∫ f(x) dx
Chaque méthode d'intégration mesure simplement cette aire — faites glisser les limites pour l'additionner.
3.7
Vecteurs
Programme
| Les candidats doivent être capables de : | Notes et exemples |
|---|---|
| • utiliser les notations standards pour les vecteurs, c.-à-d. $\begin{pmatrix} x \\ y \end{pmatrix}$, $x\mathbf{i} + y\mathbf{j}$, $\begin{pmatrix} x \\ y \\ z \end{pmatrix}$, $x\mathbf{i} + y\mathbf{j} + z\mathbf{k}$, $\overrightarrow{AB}$, $\mathbf{a}$ | |
| • effectuer l'addition et la soustraction de vecteurs et la multiplication d'un vecteur par un scalaire, et interpréter ces opérations en termes géométriques | ex. « $OABC$ est un parallélogramme » est équivalent à $\overrightarrow{OB} = \overrightarrow{OA} + \overrightarrow{OC}$. La forme générale du théorème du rapport n'est pas incluse, mais on attend la compréhension que le milieu de $AB$ a pour vecteur position $\frac{1}{2}(\overrightarrow{OA} + \overrightarrow{OB})$. |
| • calculer la norme (ou grandeur) d'un vecteur, et utiliser des vecteurs unitaires, des vecteurs déplacement et des vecteurs position | En 2 ou 3 dimensions. |
| • comprendre la signification de tous les symboles utilisés lorsque l'équation d'une droite est exprimée sous la forme $\mathbf{r} = \mathbf{a} + t\mathbf{b}$, et trouver l'équation d'une droite, étant donné suffisamment d'informations | ex. : trouver l'équation d'une droite étant donné le vecteur position d'un point sur la droite et un vecteur directeur, ou les vecteurs position de deux points sur la droite. |
| • déterminer si deux droites sont parallèles, sécantes ou gauches, et trouver le point d'intersection de deux droites lorsqu'il existe | Le calcul de la distance minimale entre deux droites gauches n'est pas requis. Trouver l'équation de la perpendiculaire commune à deux droites gauches n'est pas non plus requis. |
| • utiliser des formules pour calculer le produit scalaire de deux vecteurs, et utiliser les produits scalaires dans des problèmes impliquant des droites et des points. | ex. : trouver l'angle entre deux droites, et trouver le pied de la perpendiculaire abaissée d'un point sur une droite ; les questions peuvent impliquer des objets en 3D tels que des parallélépipèdes rectangles, des tétraèdres (pyramides), etc. La connaissance du produit vectoriel n'est pas requise. |
Source : Programme Cambridge International

Un vecteur possède à la fois une grandeur et une direction. Écrivez-le sous forme de colonne, ou sous la forme $x\mathbf{i} + y\mathbf{j} + z\mathbf{k}$, ou sous la forme $\overrightarrow{AB}$.
- La grandeur (longueur) de $\mathbf{v} = x\mathbf{i} + y\mathbf{j} + z\mathbf{k}$ est $|\mathbf{v}| = \sqrt{x^2 + y^2 + z^2}$.
- Un vecteur unitaire a une norme égale à $1$ ; diviser un vecteur non nul par sa norme permet d'en obtenir un.
- Un vecteur position indique l'emplacement d'un point par rapport à l'origine ; un vecteur déplacement $\overrightarrow{AB} = \mathbf{b} - \mathbf{a}$ va d'un point à un autre. Multiplier par un scalaire (un nombre simple) étire un vecteur.
Additionner des vecteurs consiste à suivre l'un, puis l'autre, en plaçant l'origine du second à l'extrémité du premier. Si $\overrightarrow{AB} = k\,\overrightarrow{CD}$, les droites $AB$ et $CD$ sont parallèles, et $AB$ est $k$ fois plus long. Le milieu de $AB$ a pour vecteur position $\tfrac12(\mathbf{a} + \mathbf{b})$.
Exemple corrigé : géométrie vectorielle. $OABC$ est un parallélogramme avec $\overrightarrow{OA} = \mathbf{a}$ et $\overrightarrow{OC} = \mathbf{c}$. Montrez que ses diagonales se coupent en leur milieu.
$\overrightarrow{OB} = \mathbf{a} + \mathbf{c}$ (le long de $OA$, puis de $AB$, ce qui est égal à $OC$). Le milieu $M$ de l'autre diagonale $AC$ vérifie $\overrightarrow{OM} = \mathbf{a} + \tfrac12(\mathbf{c} - \mathbf{a}) = \tfrac12(\mathbf{a} + \mathbf{c}) = \tfrac12\overrightarrow{OB}$. Ainsi, $M$ est aussi le milieu de $OB$ : les diagonales se coupent en leur milieu.
Droites et produit scalaire
Une droite passant par le point $\mathbf{a}$ dans la direction $\mathbf{b}$ a pour équation vectorielle $\mathbf{r} = \mathbf{a} + t\mathbf{b}$. Deux droites peuvent être parallèles, se coupent en un point, ou être des droites gauches (non parallèles et ne jamais se rencontrer).

Le produit scalaire (produit point) de $\mathbf{a}$ et $\mathbf{b}$ est

Exemple résolu. Trouver l'angle entre $\mathbf{a} = \mathbf{i} + 2\mathbf{j} + 2\mathbf{k}$ et $\mathbf{b} = 2\mathbf{i} + 2\mathbf{j} + \mathbf{k}$.
Exemple résolu : deux droites se coupent-elles ? La droite $l$ est définie par $\mathbf{r} = \mathbf{i} + 3\mathbf{j} + t(\mathbf{i} - \mathbf{j} + 2\mathbf{k})$ et la droite $m$ par $\mathbf{r} = -\mathbf{j} + \mathbf{k} + s(3\mathbf{i} + 2\mathbf{j} + 3\mathbf{k})$. Montrer qu'elles se coupent et déterminer le point d'intersection.
Les vecteurs directeurs ne sont pas colinéaires, donc les droites ne sont pas parallèles. Utiliser des lettres distinctes pour les paramètres de chaque droite et égaliser les composantes :
Ajouter les équations $x$ et $y$ : on obtient $4 = -1 + 5s$, d'où $s = 1$ et ensuite $t = 2$. Vérifier maintenant avec la troisième équation : elle donne $2(2) = 4$ et $1 + 3(1) = 4$. Elle est vérifiée, donc les droites se coupent en $\mathbf{i} + 3\mathbf{j} + 2(\mathbf{i} - \mathbf{j} + 2\mathbf{k}) = 3\mathbf{i} + \mathbf{j} + 4\mathbf{k}$, au point $(3, 1, 4)$.
Si la troisième équation n'avait pas été vérifiée, les droites seraient gauches. Toujours utiliser l'équation qui n'a pas été utilisée dans le calcul comme contrôle.
Exemple corrigé : le pied de la perpendiculaire. Déterminez le point $F$ de la droite $\mathbf{r} = \mathbf{i} + \mathbf{k} + t(\mathbf{i} + \mathbf{j} + \mathbf{k})$ le plus proche de $P(4, 1, 3)$, ainsi que la plus courte distance entre $P$ et la droite.
Un point quelconque de la droite est $(1 + t,\ t,\ 1 + t)$, donc $\overrightarrow{PF} = (t - 3)\mathbf{i} + (t - 1)\mathbf{j} + (t - 2)\mathbf{k}$. Au point le plus proche, $\overrightarrow{PF}$ est perpendiculaire à la direction $\mathbf{i} + \mathbf{j} + \mathbf{k}$ :
Ainsi, $F = (3, 2, 3)$, $\overrightarrow{PF} = -\mathbf{i} + \mathbf{j}$, et la plus courte distance est $|\overrightarrow{PF}| = \sqrt2$.
Addition de vecteurs et produit scalaire
Faites glisser les deux vecteurs. Voyez le résultant (bout à tête) et le produit scalaire, qui est nul lorsqu'ils sont perpendiculaires.
| English | Français |
|---|---|
| vector/ˈvektə/ | vecteur |
| magnitude/ˈmæɡnɪtjuːd/ | module |
| modulus/ˈmɒdjʊləs/ | module |
| unit vector/ˈjuːnɪt ˈvektə/ | vecteur unitaire |
| position vector/pəˈzɪʃn ˈvektə/ | vecteur position |
| displacement vector/dɪˈspleɪsmənt ˈvektə/ | vecteur déplacement |
| scalar/ˈskeɪlə/ | scalaire |
| parallel/ˈpærəlel/ | parallèle |
| intersect/ˌɪntəˈsekt/ | intersection |
| skew lines/skjuː laɪnz/ | droites gauches |
| scalar product/ˈskeɪlə ˈprɒdʌkt/ | produit scalaire |
3.8
Équations différentielles
Programme
| Les candidats doivent être capables de : | Notes et exemples |
|---|---|
| formuler une simple affirmation impliquant un taux de variation sous forme d'équation différentielle | L'introduction et l'évaluation d'une constante de proportionnalité, si nécessaire, sont incluses. |
| trouver par intégration une forme générale de solution pour une équation différentielle du premier ordre dont les variables sont séparables | Incluant toutes les techniques d'intégration du sujet 3.5 ci-dessus. |
| utiliser une condition initiale pour trouver une solution particulière | |
| interpréter la solution d'une équation différentielle dans le contexte d'un problème modélisé par cette équation. | Lorsqu'une équation différentielle est utilisée pour modéliser une situation réelle, aucune connaissance spécialisée du contexte ne sera requise. |
Source : Programme Cambridge International
Une équation différentielle relie une grandeur à son taux de variation. Pour résoudre une équation du premier ordre dont les variables sont séparables, placez tous les termes $y$ d'un côté et tous les termes $x$ de l'autre, puis intégrez les deux côtés. Cela donne la solution générale, qui contient une constante. Une condition initiale (une valeur connue) fixe cette constante et donne la solution particulière.
Exemple résolu. Résoudre $\dfrac{dy}{dx} = xy$, sachant que $y = 1$ lorsque $x = 0$.
Séparer les variables et intégrer :
Exemple résolu : formation de l'équation. De l'eau fuit d'un réservoir. La profondeur $h$ cm diminue à un taux proportionnel à $\sqrt h$. À $t = 0$ minutes, la profondeur est de $16$ cm, et à $t = 10$ elle est de $9$ cm. Quand le réservoir sera-t-il vide ?
« Diminue à une vitesse proportionnelle à $\sqrt h$ » donne $\dfrac{dh}{dt} = -k\sqrt h$, avec $k > 0$. Séparons les variables et intégrons :
À $t = 0$ : $2\sqrt{16} = c$, donc $c = 8$. À $t = 10$ : $2\sqrt9 = -10k + 8$, donc $k = 0.2$. Le réservoir est vide lorsque $h = 0$ : $0 = -0.2t + 8$, donc $t = 40$ minutes.
Interprétation de la solution. La solution est $\sqrt h = 4 - 0.1t$, donc $h = (4 - 0.1t)^2$ pour $0 \le t \le 40$. La profondeur diminue rapidement au début, puis plus lentement à mesure que le réservoir se vide, car la vitesse dépend de $\sqrt h$. Le modèle s'arrête à $t = 40$ : pour des valeurs plus grandes de $t$, la formule ferait augmenter $h$ à nouveau, ce qui est impossible. Une question d'examen telle que « que devient $h$ lorsque $t$ devient grand ? » appelle une phrase de ce type, dans le contexte du problème.
Erreurs courantes. Omettre le signe moins pour une diminution, et ajouter la constante uniquement après réarrangement (donc écrire $y = e^{x^2/2} + c$ au lieu de $y = Ae^{x^2/2}$ dans l'exemple ci-dessus).

Champ de pentes
Chaque petite ligne montre le gradient $\frac{dy}{dx}$ à cet endroit. Une courbe solution suit les flèches — changez le point de départ pour en voir une différente.
3.9
Nombres complexes
Programme
| Les candidats doivent être capables de : | Notes et exemples |
|---|---|
| comprendre l'idée d'un nombre complexe, rappeler la signification des termes partie réelle, partie imaginaire, module, argument, conjugué, et utiliser le fait que deux nombres complexes sont égaux si et seulement si leurs parties réelles et imaginaires sont respectivement égales | Les notations $\text{Re } z$, $\text{Im } z$, $|z|$, $\arg z$, $z^*$ doivent être connues. L'argument d'un nombre complexe fera généralement référence à un angle $\theta$ tel que $-\pi < \theta \leqslant \pi$, mais dans certains cas, l'intervalle $0 \leqslant \theta < 2\pi$ peut être plus pratique. Les réponses peuvent utiliser soit l'intervelle, sauf si la question spécifie le contraire. |
| effectuer des opérations d'addition, de soustraction, de multiplication et de division de deux nombres complexes exprimés sous forme cartésienne $x + \text{i}y$ | Pour les calculs impliquant la multiplication ou la division, le détail complet du raisonnement doit être fourni. |
| utiliser le résultat selon lequel, pour une équation polynomiale à coefficients réels, toute racine non réelle apparaît par paires conjuguées | ex. : dans la résolution d'une équation cubique ou quartique où une racine complexe est donnée. |
| représenter géométriquement des nombres complexes au moyen d'un diagramme d'Argand | |
| effectuer des opérations de multiplication et de division de deux nombres complexes exprimés sous forme polaire $r(\cos \theta + \text{i}\sin \theta) \equiv r\text{e}^{\text{i}\theta}$ | Incluant les résultats $|z_1 z_2| = |z_1||z_2|$ et $\arg(z_1 z_2) = \arg(z_1) + \arg(z_2)$, et les résultats correspondants pour la division. |
| trouver les deux racines carrées d'un nombre complexe | ex. : les racines carrées de $5 + 12\text{i}$ en forme cartésienne exacte. Le détail complet du raisonnement doit être fourni. |
| comprendre en termes simples les effets géométriques de la conjugaison d'un nombre complexe et de l'addition, de la soustraction, de la multiplication et de la division de deux nombres complexes | |
| illustrer de simples équations et inégalités impliquant des nombres complexes au moyen de lieux géométriques dans un diagramme d'Argand | ex. : $|z - a| < k$, $|z - a| = |z - b|$, $\arg(z - a) = \alpha$. |
Source : Programme Cambridge International

Un nombre complexe a la forme $z = x + iy$, où $i^2 = -1$. Ici, $x$ est la partie réelle et $y$ est la partie imaginaire. Cette $x + iy$ est la forme cartésienne. Deux nombres complexes sont égaux uniquement si leurs parties réelles correspondent et leurs parties imaginaires correspondent.
- Le conjugué de $z = x + iy$ est $z^* = x - iy$. Pour un polynôme à coefficients réels, toute racine non réelle apparaît par paires conjuguées.
- Le module est $|z| = \sqrt{x^2 + y^2}$ (sa distance à l'origine) et, pour $z\ne0$, l'argument est l'angle du point, mesuré à partir du demi-axe réel positif. Zéro n'a pas d'argument.
- Vous pouvez tracer $z$ comme un point sur un diagramme d'Argand (le plan complexe).
- La forme polaire est $z = r(\cos\theta + i\sin\theta) = re^{i\theta}$, où $r = |z|$ et $\theta$ est l'argument. Multiplier multiplie les modules et additionne les arguments.
- Les lieux géométriques 轨迹 satisfaisant une condition sur $z$ sont tracés sur le diagramme d'Argand — par exemple $|z - a| = r$ est un cercle, $|z - a| = |z - b|$ une médiatrice, et $\arg(z - a) = \theta$ une demi-droite. Les racines carrées d'un nombre complexe proviennent de la résolution de $w^2 = z$.

Pour diviser, multiplier le numérateur et le dénominateur par le conjugué du dénominateur.
Exemple corrigé : forme polaire. $z_1 = 2\left(\cos\tfrac{\pi}{3} + i\sin\tfrac{\pi}{3}\right)$ et $z_2 = 4\left(\cos\tfrac{\pi}{6} + i\sin\tfrac{\pi}{6}\right)$. Déterminez $z_1z_2$ et $\dfrac{z_1}{z_2}$.
Multipliez les modules et additionnez les arguments : $z_1z_2 = 8\left(\cos\tfrac{\pi}{2} + i\sin\tfrac{\pi}{2}\right) = 8i$. Divisez les modules et soustrayez les arguments : $\dfrac{z_1}{z_2} = \tfrac12\left(\cos\tfrac{\pi}{6} + i\sin\tfrac{\pi}{6}\right) = \dfrac{\sqrt3}{4} + \dfrac14 i$.
Exemple résolu. Écrire $\dfrac{3 + i}{1 - i}$ sous la forme $x + iy$.
Exemple résolu : module et argument. Trouver le module et l'argument de $z = -1 + \sqrt3\,i$.
$|z| = \sqrt{(-1)^2 + (\sqrt3)^2} = 2$. Le point $(-1, \sqrt3)$ se trouve dans le second quadrant, donc le placer avant d'utiliser la calculatrice. L'angle avec l'axe réel négatif est $\tan^{-1}\sqrt3 = \tfrac{\pi}{3}$, donc $\arg z = \pi - \tfrac{\pi}{3} = \tfrac{2\pi}{3}$. Par conséquent $z = 2\left(\cos\tfrac{2\pi}{3} + i\sin\tfrac{2\pi}{3}\right)$.
La touche $\tan^{-1}\!\left(\tfrac{\sqrt3}{-1}\right)$ d'une calculatrice donne $-\tfrac{\pi}{3}$, ce qui correspond au mauvais quadrant. De même, utiliser $\arg(-1 - i) = -\tfrac{3\pi}{4}$, et non $\tfrac{\pi}{4}$.
Exemple résolu : racine carrée. Trouver les racines carrées de $3 + 4i$.
Poser $(a + bi)^2 = 3 + 4i$ avec $a$ et $b$ réels. Alors $a^2 - b^2 + 2abi = 3 + 4i$, donc comparer les parties réelle et imaginaire :
Substituer $b = \dfrac{2}{a}$ : $a^2 - \dfrac{4}{a^2} = 3$, donc $a^4 - 3a^2 - 4 = 0$, ce qui donne $(a^2 - 4)(a^2 + 1) = 0$. Puisque $a$ est réel, $a^2 = 4$, donc $a = 2$ avec $b = 1$, ou $a = -2$ avec $b = -1$. Les racines carrées sont $\pm(2 + i)$. Vérification : $(2 + i)^2 = 4 + 4i - 1 = 3 + 4i$.
Une équation ou une inégalité en $z$ décrit un lieu géométrique (un chemin ou une région) sur le diagramme d'Argand. Par exemple, $|z - a| = r$ est un cercle de rayon $r$ centré en $a$.

Le diagramme d'Argand
Faites glisser le point. Un nombre complexe $a + bi$ est un point sur le plan ; son module est la distance à l'origine et son argument est l'angle.
| English | Français |
|---|---|
| argument/ˈɑːɡjuːmənt/ | argument |
| Argand diagram/ˈɑːɡænd ˈdaɪəɡræm/ | diagramme d'Argand |
| polar form/ˈpəʊlə fɔːm/ | forme polaire |
| locus/ˈləʊkəs/ | lieu géométrique |
3.9
Conseils d'examen
- Décomposer une fonction rationnelle en fractions partielles avant d'intégrer ou de développer.
- Choisir la bonne technique d'intégration (substitution, par parties ou fractions partielles) selon la forme de l'intégrande.
- Utiliser le produit scalaire (point) pour l'angle entre vecteurs et tester la perpendicularité ; écrire une droite comme $\mathbf{r} = \mathbf{a} + t\mathbf{b}$.
- Donner les nombres complexes sous la forme demandée (cartésienne ou module-argument) et les représenter sur un diagramme d'Argand.
- Lorsqu'une réponse est « exacte », conservez $\ln$, $e$, $\pi$ et les radicaux ; ne donnez des décimales que si cela est demandé.
- Pour déterminer $k$ et $n$ à partir d'un graphique logarithmique, écrivez d'abord l'équation logarithmique sous la forme $Y = mX + c$, puis lisez le coefficient directeur et l'ordonnée à l'origine.
- Pour trouver le pied d'une perpendiculaire, écrivez un point quelconque de la droite à l'aide de son paramètre, puis posez que son produit scalaire avec la direction est nul.
| English | Français |
|---|---|
| perpendicular/ˌpɜːpənˈdɪkjʊlə/ | perpendiculaire |
| differential equation/ˌdɪfəˈrenʃl ɪˈkweɪʒn/ | équation différentielle |
| separable/ˈsepərəbl/ | séparable |
| general solution/ˈdʒenərəl səˈluːʃn/ | solution générale |
| initial condition/ɪˈnɪʃl kənˈdɪʃn/ | condition initiale |
| particular solution/pəˈtɪkjʊlə səˈluːʃn/ | solution particulière |
| complex number/ˈkɒmpleks ˈnʌmbə/ | nombre complexe |
| real part/rɪəl pɑːt/ | partie réelle |
| imaginary part/ɪˈmædʒɪnəri pɑːt/ | partie imaginaire |
| Cartesian form/kɑːˈtiːzɪən fɔːm/ | forme cartésienne |
| conjugate/ˈkɒndʒuːɡeɪt/ | conjugué |
Leçons interactives sur ce sujet
Traversez-le étape par étape, avec des exercices à vérification instantanée.