Livre du professeur. Mathématiques. collection zénius. Delphine ALeIXANDRe Collège Camille Sée, Paris 15 e. Claire BeRLIOZ Lycée Français de New York

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1 Livre du professeur Mathématiques collection zénius 3 e Delphine ALeIXANDRe Collège Camille Sée, Paris 15 e Claire BeRLIOZ Lycée Français de New York Laure BROTReAUD Collège Pierre Loti, Rochefort Jean-Claude PeRRINAUD

2 Couverture : Éric DOXAT Maquette intérieure : Barbara TAMADONPOUR Réalisation : STDI Infographie : STDI Coordination éditoriale : Marie Maunier Aux termes du code de la propriété intellectuelle, toute reproduction ou représentation intégrale ou partielle de la présente publication, faite par quelque procédé que ce soit (reprographie, microfilmage, scannérisation, numérisation ), sans le consentement de l auteur ou de ses ayants droit ou ayant cause, est illicite et constitue une contrefaçon sanctionnée par les articles L et suivants du code de la propriété intellectuelle. L autorisation d effectuer des reproductions par reprographie doit être obtenue auprès du Centre Français d exploitation du droit de Copie (CFC), 20 rue des Grands- Augustins Paris Tél. : Fax : Magnard Paris, , allée de la 2 e D.B., Paris ISBN : Ce manuel est imprimé sur un papier provenant d une forêt durablement gérée.

3 Sommaire Présentation générale du manuel... 4 Programme Outils de calcul et puissance Arithmétique Calcul littéral Racine carrée Équations et inéquations Notion de fonction Proportionnalité et grandeurs composées Fonctions linéaires, fonctions affines Systèmes d équations Statistiques Probabilités Mémento de géométrie Théorème de Thalès Agrandissement et réduction Trigonométrie Angle inscrit, angle au centre Polygones réguliers Espace Se préparer au brevet Magnard, 2012 Zénius 3 e Livre du professeur 3

4 Présentation générale du manuel Le manuel est structuré en 15 chapitres. Le sommaire détaillé (p. 2-3) comporte les objectifs du programme, pour faciliter le repérage dans le manuel. Un sommaire des méthodes (p. 4) permet de visualiser rapidement les méthodes pas à pas proposées dans chaque chapitre. Au cours de l année, l élève pourra également consulter le mémento de géométrie, (p ) qui est un rappel des principales propriétés vues en classes de 6 e, 5 e et 4 e, et utiles en classe de 3 e (celles-ci sont accompagnées d exercices de révisions), la boîte à outils (rappel visuel des constructions géométriques vues en classes de 6 e, 5 e et 4 e, et fiches méthodes sur l utilisation des tableurs et des logiciels de géométrie, p ) et le formulaire (Garde arrière). L organisation des chapitres L organisation des chapitres est récurrente, ce qui permet de circuler plus facilement dans le manuel. La page d ouverture Cette page donne les objectifs du chapitre et propose des exercices de révision à réaliser avant de commencer les activités. La rubrique «Je me rappelle» permet de faire un point rapide sur les pré-requis nécessaires au chapitre. Les questions portent sur des notions qui ont déjà été traitées au cours des années antérieures, ou dans l un des chapitres précédents du manuel. La rubrique «J utilise un vocabulaire précis» amène les élèves à être vigilants sur le vocabulaire qu ils emploient. Je cherche Les activités sont construites de manière progressive. Elles s appuient sur les commentaires du programme officiel, proposent des énoncés concrets et des manipulations géométriques, et suivent l ordre des notions abordées dans le cours. Chaque activité est suivie d une rubrique «Ai-je bien compris?» qui constitue une passerelle vers le cours. Elle permet de dégager un bilan oral, éventuellement suivi d une trace écrite. Il s agit de formaliser ce qui a été découvert et de s approprier les résultats obtenus. J apprends la leçon Chaque double-page de cours se compose : d une page de leçon à gauche, avec les propriétés et définitions clairement mises en évidence et toujours accompagnées d exemples ; d une page d exercices «Testez votre compréhension du cours» à droite. Les exercices de «Testez votre compréhension du cours» sont des séries de questions simples, ayant pour but de vérifier la bonne compréhension du cours et de cibler les erreurs fréquentes afin d y remédier immédiatement. Ils complètent ponctuellement le cours. Je découvre des méthodes Les méthodes permettent d insister sur les principaux savoir-faire du programme. L exercice résolu est un modèle. L élève peut s y référer pour résoudre les exercices d application. Les étapes successives sont clairement mises en évidence par un fond bleu afin de guider l élève dans sa démarche. Le texte en bleu propose une rédaction-type. Pour les constructions géométriques, la figure est réalisée en bleu. Chaque méthode est suivie d une batterie d exercices d application directe. Les énoncés sont proches de celui de l exercice résolu. Je m entraîne Ces exercices permettent de réinvestir les méthodes découvertes dans les pages précédentes. Ils peuvent ainsi être résolus par une grande majorité des élèves. Ils sont classés par compétence, ce qui permet de les repérer rapidement. À l intérieur de chaque compétence, ces exercices sont rangés par ordre de difficulté croissante. Chaque chapitre contient une rubrique «Je calcule mentalement», pour permettre à la classe de s entraîner efficacement au calcul mental. 4 Magnard, 2012 Zénius 3 e Livre du professeur

5 Je m entraîne au brevet L élève apprend à rédiger, grâce à l exercice d annales résolu, et bénéficie de précieux conseils pour optimiser ses chances le jour de l examen. Une sélection d exercices d annales, fréquemment rencontrés au brevet, vient compléter cet entraînement. J approfondis Les exercices de cette page mêlent plusieurs compétences du chapitre, voire des compétences acquises dans plusieurs chapitres. L exercice «Prise d initiatives» permet de travailler la capacité des élèves à proposer une démarche de résolution. Une liste d indications pour l évaluation est donnée en fin de manuel (p. 307). elle peut être utilisée comme aide ou pour s évaluer sur les 8 items du socle (la grille des compétences est à télécharger sur Le casse-tête est un exercice se voulant plus ludique. Son côté «défi» sera particulièrement apprécié des élèves. «Je m entraîne» et «J approfondis» proposent une grande variété d exercices aussi bien en termes de forme (Travail en groupe, Défis, Jeux, etc.) que de fond (Histoire des arts, Mathématiques et SVT, Mathématiques et Géographie, etc.) Je clique Cette page propose une fiche de TP informatique, permettant d exploiter les capacités des logiciels et tableurs, pour émettre des conjectures. Cette activité peut être suivie d exercices permettant de réinvestir les techniques découvertes. Je rédige à la maison Chaque devoir à la maison proposé est constitué d un ou de plusieurs exercices de synthèse et de réflexion pour lesquels l enseignant pourra fournir des éléments d information après une phase de recherche menée par l élève. L exposé donne un aspect concret aux mathématiques et valorise un enseignement interdisciplinaire. Je prépare le contrôle L élève doit pouvoir travailler de façon autonome cette page de préparation au contrôle. elle lui permet de cerner savoirs et savoir-faire qu il doit maîtriser à l issue du chapitre. La rubrique «Je mémorise l orthographe» permet à l élève de «photographier» les mots importants et éventuellement de s exercer à les recopier sans faire de faute. La rubrique «Je m exerce» fournit une série d exercices types susceptibles d être proposés au contrôle. La rubrique «Je m évalue» permet à l élève de faire le point. Les réponses du QCM et des exercices de cette page se trouvent à la fin de chaque chapitre, où chaque erreur est commentée. Les ressources numériques Voici un récapitulatif des types de ressources que vous pourrez rencontrer dans les chapitres du manuel : À copier/coller Contrôle-type Le professeur trouvera sur le site ressources un contrôle-type à imprimer et à distribuer à ses élèves. Il est possible de sélectionner des exercices parmi ceux proposés, afin d adapter la durée du contrôle au niveau de sa classe et/ou à ses exigences. Figures et tableaux Certains exercices (tableau, figure géométrique ) sont mis à la disposition de l enseignant pour être photocopiés et distribués aux élèves. Figures et tableurs prêts à l emploi Certains exercices utilisent les logiciels de géométrie dynamique ou tableurs. Le professeur trouvera sur le site ressources les figures et tableurs prêts à l emploi. Tutoriels Ces enregistrements vidéos commentés (par écrit) accompagnent l élève dans l utilisation ou la création d un fichier de tableur ou de logiciel de géométrie. Ils sont principalement liés aux pages «Je clique», et sont facilement accessibles sur les sites Élève et ressources. Les exercices Vocabulaire : Le professeur pourra inviter les élèves à se connecter sur le site Élève où l exercice de vocabulaire est rendu interactif, permettant une révision plus ludique. QCM : La rubrique «Je m évalue» est accessible sur le site Élève. Sa mise en forme interactive permet de motiver les élèves dans cette phase d entraînement. Méthodes animées Dans certains chapitres, une ou deux méthodes repérées par un logo sont complétées par une animation dynamique. Liens Internet Le site Élève propose des liens Internet permettant aux élèves de compléter leur recherche. Vous pourrez retrouver la liste complète des ressources numériques en 4 e de couverture de ce livre du professeur. Magnard, 2012 Zénius 3 e Livre du professeur 5

6 Programme de mathématiques 3 e Bulletin officiel spécial n 6 du 28 août 2008 Les objectifs généraux et l organisation de l enseignement des mathématiques décrits dans l introduction générale des programmes de mathématiques pour le collège demeurent valables pour la classe de troisième : consolider, enrichir et structurer les acquis des classes précédentes, conforter l acquisition des méthodes et des modes de pensée caractéristiques des mathématiques, développer la capacité à utiliser les mathématiques dans différents domaines (vie courante, autres disciplines), notamment à l occasion de l étude de thèmes de convergence. À la fin de cette classe terminale du collège, la maîtrise par les élèves de plusieurs types de savoirs est visée : dans le domaine des nombres et du calcul : calcul numérique (nombres entiers, décimaux et fractionnaires, relatifs ou non, proportionnalité) et premiers éléments de calcul littéral ; dans le domaine de l organisation et la gestion de données : premiers éléments de base en statistique descriptive et en probabilité ; dans le domaine géométrique : figures de base et propriétés de configurations du plan et de l espace ; dans le domaine des grandeurs et de la mesure : grandeurs usuelles, grandeurs composées et changements d unités ; dans le domaine des TICE : utilisation d un tableur-grapheur et d un logiciel de construction géométrique. Note : les points du programme (connaissances et capacités) qui ne sont pas exigibles pour le socle commun des connaissances et des compétences sont en italiques. Certains commentaires ou exemples d activités, liés à des connaissances et des capacités qui ne font pas partie du socle, sont écrits en italique dans la troisième colonne mais correspondent à des situations que doivent travailler tous les élèves car ces connaissances et ces capacités restent des objectifs d enseignement du programme. 1. Organisation et gestion de données, fonctions L un des objectifs est de faire émerger progressivement, sur des exemples, la notion de fonction en tant que processus faisant correspondre, à un nombre, un autre nombre. Les exemples mettant en jeu des fonctions sont issus de situations concrètes ou de thèmes interdisciplinaires. Les fonctions linéaires et affines apparaissent alors comme des exemples particuliers de tels processus. L utilisation des expressions «est fonction de» ou «varie en fonction de», amorcée dans les classes précédentes, est poursuivie et est associée à l introduction de la notation f(x). L usage du tableur grapheur contribue aussi à la mise en place du concept, dans ses aspects numériques comme dans ses aspects graphiques. La notion d équation de droite n est pas au programme de la classe de troisième. Pour les séries statistiques, l étude des paramètres de position est poursuivie : médiane et quartiles. Une première approche de la dispersion est envisagée. L éducation mathématique rejoint ici l éducation du citoyen : prendre l habitude de s interroger sur la signification des nombres utilisés, sur l information apportée par un résumé statistique. De même, c est pour permettre au citoyen d aborder l incertitude et le hasard dans une perspective rationnelle que sont introduits les premiers éléments relatifs à la notion de probabilité. Objectifs La résolution de problèmes a pour objectifs : de synthétiser le travail conduit sur la proportionnalité dans les classes antérieures, d approcher la notion de fonction et d acquérir une première connaissance des fonctions linéaires et affines, de poursuivre la mise en place de paramètres de position et de dispersion d une série statistique, d initier à la notion de probabilité par l étude d exemples simples. Connaissances 1.1. Notion de fonction Image, antécédent, notations f(x), x f(x). Capacités Déterminer l image d un nombre par une fonction déterminée par une courbe, un tableau de données ou une formule. Déterminer un antécédent par lecture directe dans un tableau ou sur une représentation graphique Fonction linéaire, fonction affine Proportionnalité. Fonction linéaire Coefficient directeur de la droite représentant une fonction linéaire. Déterminer par le calcul l image d un nombre donné et l antécédent d un nombre donné. Déterminer l expression algébrique d une fonction linéaire à partir de la donnée d un nombre non nul et de son image. 6 Magnard, 2012 Zénius 3 e Livre du professeur

7 Représenter graphiquement une fonction linéaire. Connaître et utiliser la relation y = ax entre les coordonnées (x,y) d un point M qui est caractéristique de son appartenance à la droite représentative de la fonction linéaire x Æ ax. Fonction affine Coefficient directeur et ordonnée à l origine d une droite représentant une fonction affine Statistique Caractéristiques de position. Approche de caractéristiques de dispersion Notion de probabilité Lire et interpréter graphiquement le coefficient d une fonction linéaire représentée par une droite. Déterminer par le calcul l image d un nombre donné et l antécédent d un nombre donné. Connaître et utiliser la relation y = ax + b entre les coordonnées (x,y) d un point M qui est caractéristique de son appartenance à la droite représentative de la fonction linéaire x ax + b. Déterminer une fonction affine à partir de la donnée de deux nombres et de leurs images. Représenter graphiquement une fonction affine. Lire et interpréter graphiquement les coefficients d une fonction affine représentée par une droite. Déterminer la fonction affine associée à une droite donnée dans un repère. Une série statistique étant donnée (sous forme de liste ou de tableau ou par une représentation graphique) : déterminer une valeur médiane de cette série et en donner la signification ; déterminer des valeurs pour les premier et troisième quartiles et en donner la signification ; déterminer son étendue. Exprimer et exploiter les résultats de mesures d une grandeur. Comprendre et utiliser des notions élémentaires de probabilité. Calculer des probabilités dans des contextes familiers. 2. Nombres et Calculs La pratique du calcul numérique (exact ou approché) sous ses différentes formes en interaction (calcul mental, calcul à la main, calcul à la machine ou avec un ordinateur) a les mêmes objectifs que dans les classes antérieures : maîtrise des procédures de calcul effectivement utilisées ; acquisition de savoir-faire dans la comparaison des nombres ; réflexion et initiative dans le choix de l écriture appropriée d un nombre suivant la situation. Pour le calcul littéral, l un des objectifs visés est qu il prenne sa place dans les moyens d expression des élèves, à côté de la langue usuelle, de l emploi des nombres ou des représentations graphiques. C est en développant notamment des activités où le calcul littéral présente du sens et où il reste simple à effectuer que l on amène l élève à recourir à l écriture algébrique lorsqu elle est pertinente. Objectifs La résolution de problèmes a pour objectifs : d entretenir le calcul mental, le calcul à la main et de l usage raisonnée des calculatrices, d assurer la maîtrise des calculs sur les nombres rationnels, d amorcer les calculs sur les radicaux et de poursuivre les calculs sur les puissances, de familiariser les élèves aux raisonnements arithmétiques, de compléter les bases du calcul littéral et d en conforter le sens, notamment par le recours à des équations ou des inéquations du premier degré pour résoudre des problèmes, de savoir choisir l écriture appropriée d un nombre ou d une expression littérale suivant la situation. Connaissances 2.1. Nombres entiers et rationnels Diviseurs communs à deux entiers, PGCD. Capacités Connaître et utiliser un algorithme donnant le PGCD de deux entiers (algorithme des soustractions, algorithme d Euclide). Calculer le PGCD de deux entiers. Déterminer si deux entiers donnés sont premiers entre eux. Magnard, 2012 Zénius 3 e Livre du professeur 7

8 Fractions irréductibles. Opérations sur les nombres relatifs en écriture fractionnaire. [Reprise du programme du cycle central] Simplifier une fraction donnée pour la rendre irréductible Calculs élémentaires sur les radicaux Racine carrée d un nombre positif. Produit et quotient de deux radicaux Écritures littérales Puissances. Factorisation. Savoir que, si a désigne un nombre positif, a est le nombre positif dont le carré est a et utiliser les égalités : ( a) 2 = a, a 2 = a. Déterminer, sur des exemples numériques, les nombres x tels que x 2 = a, où a est un nombre positif. Sur des exemples numériques, où a et b sont deux nombres positifs, utiliser les égalités : ab= a b, a b = a (b non nul). b Utiliser sur des exemples les égalités : a m a n = a m+n m ; a m-n a n a (a m ) n = a mn (ab) n = a n b n n n a a b n b où a et b sont des nombres non nuls et m et n des entiers relatifs. Factoriser des expressions algébriques dans lesquelles le facteur est apparent. Identités remarquables. Connaître les identités : (a + b)(a b) = a 2 b 2 (a + b) 2 = a 2 + 2ab + b 2 (a b) 2 = a 2 2ab + b 2 Les utiliser dans les deux sens sur des exemples numériques ou littéraux simples Équations et inéquations du premier degré Problèmes du premier degré : inéquation du premier degré à une inconnue, système de deux équations à deux inconnues. Problèmes se ramenant au premier degré : équations produits. Mettre en équation un problème. Résoudre une inéquation du premier degré à une inconnue à coefficients numériques ; représenter ses solutions sur une droite graduée. Résoudre algébriquement un système de deux équations du premier degré à deux inconnues admettant une solution et une seule ; en donner une interprétation graphique. Résoudre une équation mise sous la forme A(x).B(x) = 0, où A(x) et B(x) sont deux expressions du premier degré de la même variable x. 3. Géométrie Les objectifs des travaux géométriques demeurent ceux des classes antérieures du collège. L étude et la représentation d objets usuels du plan et de l espace se poursuivent ainsi que le calcul de grandeurs attachées à ces objets. Les travaux sur les solides permettent de mobiliser largement les résultats des classes antérieures. À ce titre, il convient d aborder la géométrie dans l espace suffisamment tôt dans l année scolaire. L étude des configurations usuelles est enrichie en particulier de la réciproque du théorème de Thalès et de l étude de l angle inscrit. Le recours à des logiciels de construction géométrique (par les élèves ou de manière collective) est intégré aux séquences d enseignement, dans l approche d une notion ou dans la résolution de problèmes. Objectifs La résolution de problèmes a pour objectifs : de connaître les objets usuels du plan et de l espace, de calculer les grandeurs attachées à ces objets, de développer les capacités heuristiques, les capacités de raisonnement et les capacités relatives à la formalisation d une démonstration ; d entretenir la pratique des constructions géométriques (aux instruments et à l aide d un logiciel de géométrie dynamique) et des raisonnements sous-jacents qu elles mobilisent ; de solliciter dans les raisonnements les propriétés géométriques et les relations métriques associées vues dans les classes antérieures ; de familiariser les élèves aux sections de solides de l espace. 8 Magnard, 2012 Zénius 3 e Livre du professeur

9 3.1. Figures planes Connaissances Triangle rectangle, relations trigonométriques. Configuration de Thalès. Agrandissement et réduction. [Reprise du programme de 4 e ] Angle inscrit, angle au centre. Polygones réguliers Configurations dans l espace Problèmes de sections planes de solides. Sphère, centre, rayon. Sections planes d une sphère. Capacités Connaître et utiliser les relations entre le cosinus, le sinus ou la tangente d un angle aigu et les longueurs de deux des côtés d un triangle rectangle. Déterminer, à l aide de la calculatrice, des valeurs approchées : du sinus, du cosinus et de la tangente d un angle aigu donné ; de l angle aigu dont on connaît le cosinus, le sinus ou la tangente. Connaître et utiliser la proportionnalité des longueurs pour les côtés des deux triangles déterminés par deux parallèles coupant deux droites sécantes. Connaître et utiliser un énoncé réciproque. Agrandir ou réduire une figure en utilisant la conservation des angles et la proportionnalité entre les longueurs de la figure initiale et celles de la figure à obtenir. Connaître et utiliser la relation entre un angle inscrit et l angle au centre qui intercepte le même arc. Construire un triangle équilatéral, un carré, un hexagone régulier, un octogone connaissant son centre et un sommet. Connaître et utiliser la nature des sections du cube, du parallélépipède rectangle par un plan parallèle à une face, à une arête. Connaître et utiliser la nature des sections du cylindre de révolution par un plan parallèle ou perpendiculaire à son axe. Connaître et utiliser les sections d un cône de révolution et d une pyramide par un plan parallèle à la base. Connaître la nature de la section d une sphère par un plan. Calculer le rayon du cercle intersection connaissant le rayon de la sphère et la distance du plan au centre de la sphère. Représenter la sphère et certains de ses grands cercles. 4. Grandeurs et mesures Les situations mettant en jeu des grandeurs sont souvent empruntées à la vie courante (aires de terrains, volumes de gaz, de liquides, vitesses, débits, coûts, etc.) mais aussi à d autres disciplines, notamment scientifiques, et permettent l interaction entre les mathématiques et d autres domaines. Les activités de comparaison d aires d une part, et de volumes d autre part, de figures ou d objets obtenus par agrandissement ou réduction, sont, en particulier, autant d occasions de manipulations de formules et de transformations d expressions algébriques. Comme dans les classes précédentes, l utilisation d unités dans les calculs sur les grandeurs est légitime. Elle est de nature à en faciliter le contrôle et à en soutenir le sens. Objectifs La résolution de problèmes a pour objectifs : d entretenir et de compléter les connaissances et les raisonnements relatifs aux calculs d aires et volumes, d étudier des situations dans lesquelles interviennent des grandeurs composées (produit ou quotient), notamment du point de vue des changements d unités. Connaissances 4.1. Aires et volumes Calculs d aires et volumes. Effet d une réduction ou d un agrandissement Grandeurs composées, changement d unités Capacités Calculer l aire d une sphère de rayon donné. Calculer le volume d une boule de rayon donné. Connaître et utiliser le fait que, dans un agrandissement ou une réduction de rapport k, l aire d une surface est multipliée par k 2, le volume d un solide est multiplié par k 3. Effectuer des changements d unités sur des grandeurs produits ou des grandeurs quotients. Vitesse moyenne. Magnard, 2012 Zénius 3 e Livre du professeur 9