Mathématiques du primaire et du collège · Grades 1–9
55Fractions : les quatre opérations
Ce chapitre achève l’arithmétique des fractions : addition et soustraction avec n’importe quels dénominateurs, multiplication, et — la nouveauté — la division, qui se révèle être une multiplication déguisée. Les signes du Chapitre 54 accompagnent le voyage.
55.1 Additionner avec n’importe quels dénominateurs
Méthode 55.1 (Dénominateur commun)
Pour additionner ou soustraire et :
- trouver un multiple commun de et (le produit fonctionne toujours ; un plus petit économise des efforts) ;
- réécrire les deux fractions avec ce dénominateur ;
- additionner ou soustraire les numérateurs ; simplifier.
Exemple 55.2
Calculer . Un multiple commun de et est :
Avec des signes : .
55.2 Multiplier des fractions
Théorème 55.3 (Produit de fractions)
Pourquoi, sur une figure. Prendre de d’un carré : couper le carré en bandes verticales et en garder ; couper horizontalement en et garder rangées de ce qui reste. La partie gardée est une grille de petites cellules sur : fraction . ∎
Exemple 55.4
Simplifier avant de multiplier, en barrant les facteurs communs :
(le facteur et un facteur s’annulent entre haut et bas). Avec des signes, les règles de Théorème 54.1 s’appliquent d’abord : .
55.3 Diviser des fractions
Définition 55.5 (Inverse)
L’inverse d’un nombre non nul est le nombre qui, multiplié par , donne . L’inverse de est , puisque ; l’inverse d’un entier est .
Théorème 55.6 (Diviser, c’est multiplier par l’inverse)
Pour :
Exemple 55.7
Contrôle de bon sens : diviser par , un nombre plus petit que , doit donner un résultat plus grand que — et en effet ().
Exemple 55.8 (Barres de fraction dans des barres de fraction)
Un « double étage » n’est qu’une division écrite verticalement :
Repérer d’abord la barre principale (la plus longue), puis appliquer Théorème 55.6.
Méthode 55.9 (Calculs mixtes)
Dans une expression mélangeant fractions et les quatre opérations :
- appliquer les priorités habituelles (Chapitre 45) ;
- convertir chaque division en multiplication par l’inverse ;
- décider les signes d’abord (Méthode 54.6), puis multiplier ou trouver des dénominateurs communs ;
- simplifier à la première occasion.
Exemple 55.10
55.4 Exercices
Exercice 55.1 ★
Calculer et simplifier :
Solution
Solution de Exercice 55.1.
.
.
.
Exercice 55.2 ★
Calculer (signes d’abord) :
Solution
Solution de Exercice 55.2.
.
.
.
Exercice 55.3 ★
Calculer, en simplifiant avant de multiplier :
Solution
Solution de Exercice 55.3.
(simplifier par et par ).
(simplifier par et par ).
(signes contraires : négatif).
Exercice 55.4 ★
Donner l’inverse de : ; ; ; .
Exercice 55.5 ★
Calculer :
Solution
Solution de Exercice 55.5.
.
.
.
Exercice 55.6 ★
Calculer les doubles étages :
Solution
Solution de Exercice 55.6.
.
.
.
Exercice 55.7 ★
Calculer, en respectant les priorités :
Exercice 55.8 ★★
Un réservoir est plein aux . On ajoute de la capacité du réservoir. Quelle fraction du réservoir est maintenant pleine ? Quelle fraction est encore vide ?
Solution
Solution de Exercice 55.8.
Plein : du réservoir. Vide : .
Exercice 55.9 ★★
Les trois quarts des élèves d’une classe ont réussi un contrôle ; parmi ceux-ci, les deux tiers ont obtenu plus de sur . Quelle fraction de la classe a obtenu plus de ? Si cela représente élèves, quelle est la taille de la classe ?
Solution
Solution de Exercice 55.9.
Fraction avec plus de : de la classe. Si cela fait élèves, la classe en compte .
Exercice 55.10 ★★
Une corde de m doit être coupée en morceaux de m chacun. Combien de morceaux obtient-on ? (Une division de fractions — vérifier que la réponse est un nombre entier.)
Solution
Solution de Exercice 55.10.
morceaux — un nombre entier, pas de corde perdue.
Exercice 55.11 ★★
Calculer
Solution
Solution de Exercice 55.11.
: division d’abord : ; puis .
(le carré est positif).
Exercice 55.12 ★★★
Simplifier l’expression
(commencer par la fraction la plus intérieure et remonter, une barre à la fois).
Solution
Solution de Exercice 55.12.
De l’intérieur vers l’extérieur : ; puis ; puis
55.5 Problème : les fractions égyptiennes
Problème 55.1
Devoir maison — toute fraction est une somme de fractions unitaires deux à deux distinctes
Une fraction unitaire est une fraction de numérateur . Les scribes de l’Égypte ancienne — le papyrus Rhind a été copié vers av. J.-C. — écrivaient toute fraction comme une somme de fractions unitaires deux à deux distinctes : jamais , mais . Une telle somme s’appelle une écriture égyptienne de la fraction. Ce problème transforme les techniques d’addition et de comparaison de ce chapitre (Méthode 55.1) en une méthode — publiée par Fibonacci en — qui produit une écriture égyptienne de toute fraction comprise entre et , et s’achève sur une énigme d’héritage restée célèbre.
Partie I — Fractions unitaires et identité de dédoublement.
- Calculer et , et en déduire des écritures égyptiennes de et de .
- Vérifier l’entrée des scribes pour : montrer que .
Vérifier que et que . Démontrer ensuite l’identité de dédoublement : pour tout entier ,
- En déduire une écriture égyptienne de lui-même, comme somme de trois fractions unitaires distinctes.
- Dédoubler le dernier terme de pour obtenir une seconde écriture égyptienne de , à trois fractions unitaires. Expliquer pourquoi aucune fraction n’a d’écriture égyptienne unique.
Partie II — La méthode gloutonne de Fibonacci. La méthode est la suivante : retrancher la plus grande fraction unitaire qui tient, et recommencer avec ce qui reste.
- En passant par des dénominateurs communs, montrer que . Pourquoi cela prouve-t-il que est la plus grande fraction unitaire inférieure à ?
- Calculer . Quelle écriture de la méthode gloutonne produit-elle ?
- Passons à . Montrer que la plus grande fraction unitaire inférieure à est , et calculer .
Montrer que la plus grande fraction unitaire inférieure à est (comparer à puis à ), calculer , et conclure :
Vérifier cette écriture directement avec le dénominateur commun .
- Appliquer la méthode gloutonne à , en vérifiant à chaque étape que la fraction unitaire choisie est bien la plus grande qui tienne, et vérifier l’écriture finale.
Partie III — Pourquoi la méthode s’arrête toujours, et le dix-huitième chameau.
- Aux questions 7 à 10, la méthode a été appliquée à , et . Pour chacune, dresser la liste des numérateurs des restes successifs (avant toute simplification). Qu’observe-t-on ?
Pour une fraction et un entier , montrer que
Supposons que la méthode gloutonne retranche de : alors tient, mais est déjà trop grande, . En mettant les deux au dénominateur commun , en déduire que , donc que le nouveau numérateur vérifie
Expliquer pourquoi cela démontre que la méthode s’arrête toujours.
- Un vieux conte : un père meurt en laissant chameaux, en léguant du troupeau à son aîné, au deuxième, au troisième — et aucune des parts n’est un nombre entier de chameaux. Un voisin prête à la famille un dix-huitième chameau ; les enfants prennent , et chameaux, et le chameau emprunté est rendu. Calculer et expliquer le tour de passe-passe : pourquoi le troupeau a-t-il pu se partager en chameaux entiers, et pourquoi aucun enfant n’a-t-il reçu moins que ce que promettait le testament ?
- Réparer le testament : proposer trois fractions unitaires distinctes dont la somme vaut exactement , et donner la plus petite taille de troupeau pour laquelle les trois parts sont des nombres entiers de chameaux.
Solution
Solution de Problème 55.1.
1. et . Donc et sont des écritures égyptiennes (les fractions unitaires y sont bien distinctes).
2. Avec le dénominateur commun :
3. , et . En général, le dénominateur commun de et de est :
4. Partir de et dédoubler la seconde moitié par la question 3 :
trois fractions unitaires distinctes.
5. En dédoublant le de , on obtient
Aucune écriture égyptienne n’est jamais unique : l’identité de dédoublement peut toujours remplacer la fraction unitaire de plus grand dénominateur par deux nouvelles fractions unitaires encore plus petites — de toute écriture on en fabrique donc une autre.
6. Avec le dénominateur : . Avec le dénominateur : . Les fractions unitaires décroissent à mesure que leur dénominateur grandit, ; comme (et tout ce qui la dépasse) est trop grande et que tient, est la plus grande fraction unitaire inférieure à .
7. : la méthode gloutonne produit , exactement l’entrée des scribes de la question 2.
8. Avec le dénominateur : , tandis que la seule fraction unitaire plus grande, , dépasse . Donc est la plus grande qui tienne, et
9. Avec le dénominateur : , donc est trop grande. Avec le dénominateur : , donc tient : c’est la plus grande fraction unitaire inférieure à . Alors
Vérification : .
10. Première étape : et , on retranche donc : . Deuxième étape : est trop grande, et tient ; on retranche donc : . Conclusion :
11. Les numérateurs des restes successifs sont : pour : , puis ; pour : , puis , puis ; pour : , puis , puis . Chaque liste est strictement décroissante.
12. Le dénominateur commun de et de est :
13. Au dénominateur commun , l’inégalité compare les numérateurs et :
et en ajoutant aux deux membres on obtient . Ainsi, après chaque étape gloutonne, le numérateur du reste (question 12) est un entier strictement plus petit que le précédent. Or des entiers ne peuvent pas décroître strictement indéfiniment : après au plus étapes, le reste a pour numérateur — c’est une fraction unitaire — ou vaut , et la méthode s’arrête.
14. Avec le dénominateur commun :
c’est-à-dire moins que : le testament a oublié du troupeau. Ce manque est tout le secret du tour. Sur chameaux, les parts , , sont les entiers , et , dont la somme vaut : exactement le troupeau, et le dix-huitième chameau rentre chez lui. Et personne ne peut se plaindre : sur chameaux, le testament promettait , puis , puis chameaux, et chaque enfant a reçu strictement davantage (, et ). Le oublié est ce que le chameau du voisin a comblé le temps du partage.
15. La question 4 fournit le testament réparé :
Les parts sont entières lorsque la taille du troupeau est divisible par , par et par — c’est-à-dire divisible par . Le plus petit troupeau convenable compte chameaux : parts , et , et rien ne reste.