Mathematics · Livre 1 · Grades 1–9

Mathématiques du primaire et du collège

Mathématiques du primaire et du collège · Grades 1–9

65Racines carrées

Quelle longueur a la diagonale d’un carré de côté 11 ? Le théorème de Pythagore répond 2\sqrt 2, un nombre dont le carré est 22 — et qui se révèle ne pas être une fraction. Ce chapitre définit les racines carrées, établit les règles pour calculer avec elles, et enseigne à simplifier des expressions comme 75\sqrt{75}.

65.1 Définition et premières propriétés

Définition 65.1 (Racine carrée)

Soit a0a \geq 0. La racine carrée de aa, notée a\sqrt a, est l’unique nombre positif ou nul dont le carré est aa :

a0et(a)2=a.\sqrt a \geq 0 \qquad\text{et}\qquad \left(\sqrt a\right)^2 = a .

Les nombres négatifs n’ont pas de racine carrée, car tout carré est positif ou nul.

Exemple 65.2

49=7\sqrt{49} = 7, 0=0\sqrt 0 = 0, 1=1\sqrt 1 = 1, 2.25=1.5\sqrt{2.25} = 1.5. Les premières racines carrées à connaître par cœur sont celles des carrés parfaits : 1,4,9,16,25,36,49,64,81,100,121,1441, 4, 9, 16, 25, 36, 49, 64, 81, 100, 121, 144.

La diagonale d’un carré unité a pour longueur √12 + 12 = √2 1.414, par le théorème de Pythagore ( le rappelle). Ce nombre est irrationnel : ses décimales ne se répètent jamais.
La diagonale d’un carré unité a pour longueur 12+12=21.414\sqrt{1^2 + 1^2} = \sqrt2 \approx 1.414, par le théorème de Pythagore (Chapitre 69 le rappelle). Ce nombre est irrationnel : ses décimales ne se répètent jamais.

Proposition 65.3 (Racine carrée d’un carré)

Pour tout nombre réel xx (positif ou non) :

x2=x={xsi x0,xsi x<0.\sqrt{x^2} = \abs{x} = \begin{cases} x & \text{si } x \geq 0,\\ -x & \text{si } x < 0 . \end{cases}

Démonstration. Le nombre x\abs{x} est positif ou nul et son carré est x2x^2 (un nombre et son opposé ont le même carré). Étant l’unique nombre positif ou nul de carré x2x^2, il est x2\sqrt{x^2}.

Exemple 65.4

(5)2=25=5=5\sqrt{(-5)^2} = \sqrt{25} = 5 = \abs{-5} : la racine carrée « oublie » le signe, elle ne le restaure pas. En particulier x2=x\sqrt{x^2} = x est faux pour xx négatif.

65.2 Produits et quotients de racines carrées

Théorème 65.5 (Règles de multiplication et de division)

Pour tous a0a \geq 0 et b0b \geq 0 :

ab=a×b,et pour b>0:ab=ab.\sqrt{a b} = \sqrt a \times \sqrt b, \qquad\text{et pour } b > 0:\quad \sqrt{\frac ab} = \frac{\sqrt a}{\sqrt b} .

Démonstration. Le nombre a×b\sqrt a \times \sqrt b est positif ou nul (produit de nombres positifs ou nuls), et son carré est

(a×b)2=(a)2×(b)2=ab.\left(\sqrt a \times \sqrt b\right)^2 = \left(\sqrt a\right)^2 \times \left(\sqrt b\right)^2 = a b .

Par unicité du nombre positif ou nul dont le carré est abab, il égale ab\sqrt{ab}. La règle du quotient se prouve de la même façon.

Remarque 65.6 (Pas de telle règle pour les sommes !)

a+b\sqrt{a + b} n’est pas a+b\sqrt a + \sqrt b en général :

9+16=25=5,mais9+16=3+4=7.\sqrt{9 + 16} = \sqrt{25} = 5, \qquad\text{mais}\qquad \sqrt 9 + \sqrt{16} = 3 + 4 = 7 .

Méthode 65.7 (Simplifier n\sqrt n)

Pour simplifier la racine carrée d’un entier :

  1. trouver le plus grand carré parfait divisant nn (décomposer nn si besoin) ;
  2. scinder avec la règle du produit et extraire le carré : k2m=km\sqrt{k^2 m} = k\sqrt m ;
  3. vérifier qu’aucun carré parfait ne divise ce qui reste sous la racine.

Exemple 65.8

Simplifier 75\sqrt{75} : puisque 75=25×375 = 25 \times 3,

75=25×3=25×3=53.\sqrt{75} = \sqrt{25 \times 3} = \sqrt{25} \times \sqrt 3 = 5\sqrt3 .

Simplifier 72\sqrt{72} : puisque 72=36×272 = 36 \times 2, 72=62\sqrt{72} = 6\sqrt2. Et un quotient : 4916=4916=74\sqrt{\dfrac{49}{16}} = \dfrac{\sqrt{49}}{\sqrt{16}} = \dfrac74.

Exemple 65.9 (Additionner des racines carrées)

Les sommes de racines carrées ne se simplifient que lorsque les racines sont semblables. Calculer 12+2748\sqrt{12} + \sqrt{27} - \sqrt{48}, en simplifiant d’abord chaque terme :

12=4×3=23,27=9×3=33,48=16×3=43,\begin{align*} \sqrt{12} &= \sqrt{4 \times 3} = 2\sqrt3, \\ \sqrt{27} &= \sqrt{9 \times 3} = 3\sqrt3, \\ \sqrt{48} &= \sqrt{16 \times 3} = 4\sqrt3, \end{align*}

donc la somme est 23+3343=(2+34)3=32\sqrt3 + 3\sqrt3 - 4\sqrt3 = (2 + 3 - 4)\sqrt3 = \sqrt3.

Exemple 65.10 (Développer avec des racines carrées)

Les identités de l’algèbre s’appliquent aux racines carrées. Développer (5+2)2\left(\sqrt5 + 2\right)^2 avec (a+b)2=a2+2ab+b2(a+b)^2 = a^2 + 2ab + b^2 :

(5+2)2=5+2×25+4=9+45.\left(\sqrt5 + 2\right)^2 = 5 + 2 \times 2\sqrt5 + 4 = 9 + 4\sqrt5 .

Et avec la troisième identité, (a+b)(ab)=a2b2(a+b)(a-b) = a^2 - b^2 :

(7+3)(73)=73=4:\left(\sqrt7 + \sqrt3\right)\left(\sqrt7 - \sqrt3\right) = 7 - 3 = 4 :

le produit de deux nombres irrationnels peut être un entier.

65.3 L’équation x2=ax^2 = a

Théorème 65.11 (Résoudre x2=ax^2 = a)

  1. Si a>0a > 0, l’équation x2=ax^2 = a a exactement deux solutions : a\sqrt a et a-\sqrt a ;
  2. si a=0a = 0, la seule solution est 00 ;
  3. si a<0a < 0, il n’y a pas de solution.

Démonstration. Réécrire x2=ax^2 = a comme x2(a)2=0x^2 - \left(\sqrt a\right)^2 = 0 lorsque a0a \geq 0, et factoriser en différence de carrés :

(xa)(x+a)=0,\left(x - \sqrt a\right)\left(x + \sqrt a\right) = 0 ,

donc x=ax = \sqrt a ou x=ax = -\sqrt a (ils coïncident lorsque a=0a = 0). Lorsque a<0a < 0 il n’y a pas de solution, car x20>ax^2 \geq 0 > a pour tout xx.

Résoudre x2 = 3 sur la parabole y = x2 : la droite horizontale y = 3 la coupe aux deux abscisses ±√3.
Résoudre x2=3x^2 = 3 sur la parabole y=x2y = x^2 : la droite horizontale y=3y = 3 la coupe aux deux abscisses ±3\pm\sqrt3.

Exemple 65.12

x2=16x^2 = 16 : solutions 44 et 4-4. x2=5x^2 = 5 : solutions 5\sqrt5 et 5-\sqrt5 (valeurs exactes ; 52.236\sqrt5 \approx 2.236). x2=9x^2 = -9 : pas de solution. 3x2=213x^2 = 21 : diviser d’abord par 3, x2=7x^2 = 7, solutions ±7\pm\sqrt7.

65.4 Exercices

Exercice 65.1

Calculer sans calculatrice :

64,100,0.09,125,(13)2,(4)2.\sqrt{64}, \qquad \sqrt{100}, \qquad \sqrt{0.09}, \qquad \sqrt{\tfrac{1}{25}}, \qquad \left(\sqrt{13}\right)^2, \qquad \sqrt{(-4)^2} .
Solution

Solution de Exercice 65.1.

64=8\sqrt{64} = 8 ; 100=10\sqrt{100} = 10 ; 0.09=0.3\sqrt{0.09} = 0.3 (car 0.32=0.090.3^2 = 0.09) ; 125=15\sqrt{\frac{1}{25}} = \frac15 ; (13)2=13\left(\sqrt{13}\right)^2 = 13 ; (4)2=16=4=4\sqrt{(-4)^2} = \sqrt{16} = 4 = \abs{-4}.

Exercice 65.2

Simplifier :

50,45,98,300.\sqrt{50}, \qquad \sqrt{45}, \qquad \sqrt{98}, \qquad \sqrt{300} .
Solution

Solution de Exercice 65.2.

50=25×2=52\sqrt{50} = \sqrt{25 \times 2} = 5\sqrt2 ; 45=9×5=35\sqrt{45} = \sqrt{9 \times 5} = 3\sqrt5 ; 98=49×2=72\sqrt{98} = \sqrt{49 \times 2} = 7\sqrt2 ; 300=100×3=103\sqrt{300} = \sqrt{100 \times 3} = 10\sqrt3.

Exercice 65.3

Calculer et simplifier :

2×18,753,5×20,850.\sqrt2 \times \sqrt{18}, \qquad \frac{\sqrt{75}}{\sqrt3}, \qquad \sqrt5 \times \sqrt{20}, \qquad \frac{\sqrt{8}}{\sqrt{50}} .
Solution

Solution de Exercice 65.3.

2×18=36=6\sqrt2 \times \sqrt{18} = \sqrt{36} = 6.

753=753=25=5\dfrac{\sqrt{75}}{\sqrt3} = \sqrt{\dfrac{75}{3}} = \sqrt{25} = 5.

5×20=100=10\sqrt5 \times \sqrt{20} = \sqrt{100} = 10.

850=850=425=25\dfrac{\sqrt8}{\sqrt{50}} = \sqrt{\dfrac{8}{50}} = \sqrt{\dfrac{4}{25}} = \dfrac25.

Exercice 65.4

Résoudre : x2=36x^2 = 36 ; x2=11x^2 = 11 ; x2+4=0x^2 + 4 = 0 ; 2x2=502x^2 = 50.

Solution

Solution de Exercice 65.4.

x2=36x^2 = 36 : x=6x = 6 ou x=6x = -6.

x2=11x^2 = 11 : x=11x = \sqrt{11} ou x=11x = -\sqrt{11}.

x2+4=0x^2 + 4 = 0 signifie x2=4<0x^2 = -4 < 0 : pas de solution.

2x2=502x^2 = 50 : x2=25x^2 = 25, donc x=5x = 5 ou x=5x = -5.

Exercice 65.5

Réduire en un seul terme : 20+45\sqrt{20} + \sqrt{45}, puis 3818+23\sqrt8 - \sqrt{18} + \sqrt2.

Solution

Solution de Exercice 65.5.

20+45=25+35=55\sqrt{20} + \sqrt{45} = 2\sqrt5 + 3\sqrt5 = 5\sqrt5.

3818+2=3×2232+2=(63+1)2=423\sqrt8 - \sqrt{18} + \sqrt2 = 3 \times 2\sqrt2 - 3\sqrt2 + \sqrt2 = (6 - 3 + 1)\sqrt2 = 4\sqrt2.

Exercice 65.6 ★★

Développer et simplifier :

(3+1)2,(253)2,(6+2)(62).\left(\sqrt3 + 1\right)^2, \qquad \left(2\sqrt5 - 3\right)^2, \qquad \left(\sqrt6 + \sqrt2\right)\left(\sqrt6 - \sqrt2\right).
Solution

Solution de Exercice 65.6.

(3+1)2=3+23+1=4+23\left(\sqrt3 + 1\right)^2 = 3 + 2\sqrt3 + 1 = 4 + 2\sqrt3.

(253)2=4×52×3×25+9=29125\left(2\sqrt5 - 3\right)^2 = 4 \times 5 - 2 \times 3 \times 2\sqrt5 + 9 = 29 - 12\sqrt5.

(6+2)(62)=62=4\left(\sqrt6 + \sqrt2\right)\left(\sqrt6 - \sqrt2\right) = 6 - 2 = 4.

Exercice 65.7 ★★

Un champ carré a pour aire 64006400 m2^2. Quelle est la longueur de son côté ? De sa diagonale (valeur exacte, puis arrondie au mètre le plus proche) ?

Solution

Solution de Exercice 65.7.

Côté : 6400=80\sqrt{6400} = 80 m. Diagonale (Pythagore) : 802+802=802113\sqrt{80^2 + 80^2} = 80\sqrt2 \approx 113 m.

Exercice 65.8 ★★

Montrer que 12=22\dfrac{1}{\sqrt2} = \dfrac{\sqrt2}{2} (multiplier numérateur et dénominateur par 2\sqrt2). Utiliser le même truc pour écrire 63\dfrac{6}{\sqrt3} et 105\dfrac{10}{\sqrt5} sans racine carrée au dénominateur.

Solution

Solution de Exercice 65.8.

12=1×22×2=22\dfrac{1}{\sqrt2} = \dfrac{1 \times \sqrt2}{\sqrt2 \times \sqrt2} = \dfrac{\sqrt2}{2}.

63=633=23\dfrac{6}{\sqrt3} = \dfrac{6\sqrt3}{3} = 2\sqrt3. 105=1055=25\dfrac{10}{\sqrt5} = \dfrac{10\sqrt5}{5} = 2\sqrt5.

Exercice 65.9 ★★

Vrai ou faux ? Justifier par une preuve ou un contre-exemple.

  1. Pour tous a,b0a, b \geq 0 : ab=ab\sqrt{ab} = \sqrt a \sqrt b.
  2. Pour tous a,b0a, b \geq 0 : a+b=a+b\sqrt{a+b} = \sqrt a + \sqrt b.
  3. Pour tout xx : x2=x\sqrt{x^2} = x.
  4. (32)2=18\left(3\sqrt2\right)^2 = 18.
Solution

Solution de Exercice 65.9.

1. Vrai : c’est la règle du produit (Théorème 65.5).

2. Faux : 9+16=5\sqrt{9 + 16} = 5 mais 9+16=7\sqrt9 + \sqrt{16} = 7.

3. Faux pour xx négatif : (4)2=44\sqrt{(-4)^2} = 4 \neq -4. L’énoncé correct est x2=x\sqrt{x^2} = \abs{x}.

4. Vrai : (32)2=9×2=18\left(3\sqrt2\right)^2 = 9 \times 2 = 18.

Exercice 65.10 ★★★

Soit x=7+43x = \sqrt{7 + 4\sqrt3}. Calculer (2+3)2\left(2 + \sqrt3\right)^2, et en déduire une expression plus simple de xx. Même question pour 945\sqrt{9 - 4\sqrt5} (viser un carré de la forme (52)2\left(\sqrt5 - 2\right)^2, et faire attention au signe).

Solution

Solution de Exercice 65.10.

(2+3)2=4+43+3=7+43\left(2 + \sqrt3\right)^2 = 4 + 4\sqrt3 + 3 = 7 + 4\sqrt3. Donc x=7+43=(2+3)2=2+3x = \sqrt{7 + 4\sqrt3} = \sqrt{\left(2+\sqrt3\right)^2} = 2 + \sqrt3 (un nombre positif ou nul, donc la racine enlève juste le carré).

De même (52)2=545+4=945\left(\sqrt5 - 2\right)^2 = 5 - 4\sqrt5 + 4 = 9 - 4\sqrt5, et 52>0\sqrt5 - 2 > 0, donc 945=52\sqrt{9 - 4\sqrt5} = \sqrt5 - 2 (pas 252 - \sqrt5, qui est négatif !).

65.5 Problème : le nombre qui n’est pas une fraction

Problème 65.1

Devoir maison — la démonstration légendaire de l’irrationalité de 2\sqrt2, ses nombreux cousins, et la recette étonnamment efficace de Héron pour l’approcher

La diagonale du carré unité est une longueur parfaitement réelle — on l’a tracée dans Exemple 58.9 — et pourtant, comme les pythagoriciens l’ont découvert avec horreur il y a quelque vingt-cinq siècles, aucune fraction ne la mesure. La légende prétend que la découverte fut punie par noyade. Ce problème parcourt pas à pas la démonstration immortelle (quatre questions, et elle est à nous pour la vie), multiplie les victimes, et s’achève sur la recette qu’ont employée les ingénieurs pendant deux mille ans pour apprivoiser l’inapprivoisable.

Partie I — La démonstration.

  1. Traquons-le d’abord : vérifier que 1.4<2<1.51.4 < \sqrt2 < 1.5, puis que 1.41<2<1.421.41 < \sqrt2 < 1.42, en élevant les bornes au carré. Une décimale de plus : entre quels nombres à trois décimales 2\sqrt2 se situe-t-il ?
  2. Supposons maintenant — pour aboutir à une absurdité — que 2=ab\sqrt2 = \frac ab pour une certaine fraction irréductible (Méthode 64.16). Élever les deux membres au carré et montrer que a2=2b2a^2 = 2 b^2. Quelle est la parité de a2a^2 ?
  3. Les faits de parité du Problème 58.1 disent que les nombres impairs ont des carrés impairs. En déduire que aa est pair, écrire a=2ka = 2k, substituer — et montrer que bb doit être pair lui aussi.
  4. Où est la contradiction ? Conclure, et énoncer le théorème en entier : 2\sqrt2 est irrationnel — ce n’est le quotient d’aucun couple d’entiers.
  5. La démonstration s’est appuyée une fois, discrètement, sur le mot « irréductible ». Désigner l’étape exacte qui s’effondrerait sans lui, et expliquer pourquoi il était légitime de supposer la fraction irréductible dès le départ.

Partie II — Les victimes se multiplient.

  1. Un second style de démonstration, par les décompositions en facteurs premiers (Théorème 64.6) : dans a2=3b2a^2 = 3b^2, comparer la parité de l’exposant de 33 de chaque côté (Problème 64.1 : les carrés portent des exposants pairs). En conclure que 3\sqrt3 est irrationnel.
  2. Reprendre le même argument d’exposants sur a2=nb2a^2 = n b^2 pour un entier nn quelconque : pour quels nn produit-il une contradiction, et pour lesquels échoue-t-il ? Énoncer le résultat complet : n\sqrt n est irrationnel exactement lorsque …
  3. Démontrer le lemme protecteur : un rationnel non nul multiplié par un irrationnel donne un irrationnel. (Supposer rx=qr x = q avec r,qr, q rationnels, r0r \neq 0, et isoler xx.) En déduire que 222\sqrt2 et 22\frac{\sqrt2}{2} sont irrationnels.
  4. Démontrer que 1+21 + \sqrt2 est irrationnel. Puis la jolie : en supposant s=2+3s = \sqrt2 + \sqrt3 rationnel, calculer s2s^2, isoler 6\sqrt6, et trouver la contradiction.
  5. Tempérons l’enthousiasme : donner deux nombres irrationnels dont la somme est rationnelle, et deux dont le produit est rationnel. (L’irrationalité ne se conserve pas par les opérations — chaque cas réclame sa propre démonstration.)

Partie III — La recette de Héron. Deux mille ans avant les calculatrices, Héron d’Alexandrie approchait 2\sqrt2 ainsi : deviner xx ; remplacer la devinette par la moyenne de xx et de 2x\frac2x ; recommencer.

  1. Partir de la devinette x=1x = 1 et calculer les deux devinettes suivantes sous forme de fractions exactes.
  2. Calculer la troisième devinette, encore sous forme de fraction exacte, puis sa valeur décimale. Comparer avec la question 1 : combien de décimales de 2\sqrt2 sont déjà exactes ?
  3. L’idée derrière la recette : un rectangle d’aire 22 dont un côté vaut xx a l’autre côté égal à 2x\frac2x. Montrer que 2\sqrt2 se situe toujours entre xx et 2x\frac2x (examiner les deux cas x2>2x^2 > 2 et x2<2x^2 < 2) : faire la moyenne des deux côtés resserre donc le rectangle vers le carré.
  4. Les devinettes 32\frac32, 1712\frac{17}{12}, 577408\frac{577}{408} cachent une pépite : calculer 322×223^2 - 2 \times 2^2, puis 1722×12217^2 - 2 \times 12^2, puis 57722×4082577^2 - 2 \times 408^2. La partie I a démontré que a22b2=0a^2 - 2b^2 = 0 est impossible — de combien les fractions de Héron s’approchent-elles de l’impossible ?
  5. Bouquet final, en deux phrases : la diagonale du carré unité existe sur le papier, aucune fraction ne la mesure, et son écriture décimale ne peut jamais être périodique (Problème 63.1). Quelle sorte de « nouveaux nombres » la droite graduée doit-elle donc contenir — et où, dans cette série, leur histoire complète est-elle racontée ?
Solution

Solution de Problème 65.1.

1. 1.42=1.96<2<2.25=1.521.4^2 = 1.96 < 2 < 2.25 = 1.5^2 ; 1.412=1.9881<2<2.0164=1.4221.41^2 = 1.9881 < 2 < 2.0164 = 1.42^2. Trois décimales : 1.4142=1.999396<2<2.002225=1.41521.414^2 = 1.999396 < 2 < 2.002225 = 1.415^2, donc 1.414<2<1.4151.414 < \sqrt2 < 1.415.

2. En élevant 2=ab\sqrt2 = \frac ab au carré, on obtient 2=a2b22 = \frac{a^2}{b^2}, d’où a2=2b2a^2 = 2b^2 : le nombre a2a^2 est le double d’un entier — il est pair.

3. Si aa était impair, a2a^2 serait impair (Problème 58.1) ; comme a2a^2 est pair, aa est pair : a=2ka = 2k. En substituant : 4k2=2b24k^2 = 2b^2, donc b2=2k2b^2 = 2k^2 est pair, et par le même fait de parité, bb est pair.

4. aa et bb tous deux pairs signifie qu’ils sont tous deux divisibles par 22 — mais ab\frac ab était irréductible, sans aucun diviseur commun. Contradiction : la fraction supposée ne peut pas exister. Théorème : 2\sqrt2 est irrationnel.

5. La contradiction tient tout entière au mot « irréductible » : sans lui, « aa et bb tous deux pairs » ne contredit rien. Supposer la fraction irréductible est légitime parce que toute fraction possède une forme irréductible (Méthode 64.16 : diviser par le PGCD) — si 2\sqrt2 était une fraction quelconque, il serait aussi une fraction irréductible, et celle-là est impossible.

6. Dans les décompositions en facteurs premiers, les carrés portent des exposants pairs (Problème 64.1). Dans a2=3b2a^2 = 3b^2, l’exposant de 33 est pair à gauche, mais impair à droite (pair venant de b2b^2, plus un). Or aucun nombre n’a deux décompositions (Théorème 64.6) : contradiction, et 3\sqrt3 est irrationnel.

7. Dans a2=nb2a^2 = n b^2, l’argument trouve un nombre premier dont la parité de l’exposant se contredit exactement lorsqu’un nombre premier apparaît dans nn avec un exposant impair. Si tous les exposants de nn sont pairs, nn est un carré parfait (n=m2n = m^2, et n=m\sqrt n = m est entier). Résultat complet : n\sqrt n est irrationnel pour tout entier nn qui n’est pas un carré parfait — 2,3,5,6,7,8,10,\sqrt2, \sqrt3, \sqrt5, \sqrt6, \sqrt7, \sqrt8, \sqrt{10}, \dots

8. De rx=qr x = q avec r0r \neq 0 on tire x=qrx = \frac qr, un quotient de rationnels, donc rationnel. Ainsi, si xx est irrationnel, rxr x ne peut pas être rationnel : 222\sqrt2 et 22\frac{\sqrt2}{2} sont irrationnels (multiplicateurs 22 et 12\frac12).

9. Si 1+2=q1 + \sqrt2 = q était rationnel, alors 2=q1\sqrt2 = q - 1 le serait aussi : contradiction. Si s=2+3s = \sqrt2 + \sqrt3 était rationnel, alors s2=2+26+3=5+26s^2 = 2 + 2\sqrt6 + 3 = 5 + 2\sqrt6 le serait aussi, ce qui rendrait 6=s252\sqrt6 = \frac{s^2 - 5}{2} rationnel — or 6\sqrt6 est irrationnel (question 7). Donc 2+3\sqrt2 + \sqrt3 est irrationnel.

10. Sommes : 2\sqrt2 et 2-\sqrt2 (ou 2\sqrt2 et 121 - \sqrt2) sont chacun irrationnels, de sommes rationnelles 00 et 11. Produits : 2×2=2\sqrt2 \times \sqrt2 = 2. L’irrationalité peut s’évaporer au fil des opérations — d’où les démonstrations au cas par cas.

11. À partir de x=1x = 1 : moyenne de 11 et de 21=2\frac21 = 2 : x1=32x_1 = \frac32. Puis moyenne de 32\frac32 et de 23/2=43\frac{2}{3/2} = \frac43 : x2=12(32+43)=12176=17121.4167x_2 = \frac12\left(\frac32 + \frac43\right) = \frac12 \cdot \frac{17}{6} = \frac{17}{12} \approx 1.4167.

12. x3=12(1712+2417)=12289+288204=577408=1.4142156x_3 = \frac12\left(\frac{17}{12} + \frac{24}{17}\right) = \frac12 \cdot \frac{289 + 288}{204} = \frac{577}{408} = 1.4142156\ldots Face à 2=1.4142135\sqrt2 = 1.4142135\ldots : cinq décimales exactes après trois étapes — la recette double à peu près le nombre de décimales exactes à chaque tour.

13. Si x2>2x^2 > 2 (devinette trop grande), alors x>2x > \sqrt2, et 2x<22=2\frac2x < \frac{2}{\sqrt2} = \sqrt2 : le côté compagnon est trop petit. Si x2<2x^2 < 2, les inégalités s’inversent. Dans les deux cas, 2\sqrt2 se situe entre xx et 2x\frac2x, donc leur moyenne — la devinette suivante — est plus proche que le pire des deux côtés : le rectangle d’aire 22 devient plus carré à chaque étape.

14. 98=19 - 8 = 1 ; 289288=1289 - 288 = 1 ; 332929332928=1332\,929 - 332\,928 = 1. Chaque devinette ab\frac ab de Héron vérifie a22b2=1a^2 - 2b^2 = 1 : la partie I a démontré qu’atteindre 00 est impossible, et ces fractions manquent l’impossible d’exactement une unité — au plus près que des entiers puissent jamais aller.

15. La droite graduée doit contenir des nombres au-delà des fractions — des longueurs comme 2\sqrt2, dont les écritures décimales courent indéfiniment sans jamais se répéter : les nombres réels. Leur construction honnête est une histoire pour le volume suivant et, en toute rigueur, pour les volumes universitaires.

Termes définis dans ce chapitre

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