Puissances et écriture scientifique

Maîtriser les puissances entières relatives, calculer avec les puissances de 10, écrire un nombre en notation scientifique et contrôler un résultat par son ordre de grandeur.

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Cours

1. Puissances entières positives

Pour un entier n ≥ 1 :

aⁿ = a × a × ... × a, avec n facteurs égaux à a.

Cas particuliers : a¹ = a, 1ⁿ = 1 et 0ⁿ = 0 pour n ≥ 1.

Exemples

2⁴ = 2 × 2 × 2 × 2 = 16

(−3)³ = (−3) × (−3) × (−3) = −27

2. Exposant nul et exposant négatif

Pour a ≠ 0 et n ≥ 1 :

a⁰ = 1 et a⁻ⁿ = 1/aⁿ

Attention : 0⁰ n'est pas défini dans ce cours. Une puissance d'exposant négatif impose une base non nulle.

3. Règles de calcul

Pour a ≠ 0, b ≠ 0 et m, n ∈ ℤ :

  • aᵐ × aⁿ = aᵐ⁺ⁿ
  • aᵐ/aⁿ = aᵐ⁻ⁿ
  • (aᵐ)ⁿ = aᵐⁿ
  • (ab)ⁿ = aⁿbⁿ
  • (a/b)ⁿ = aⁿ/bⁿ

Exemples corrigés

2³ × 2⁻⁵ = 2⁻² = 1/4

3⁷/3⁴ = 3³ = 27

(5⁻²)³ = 5⁻⁶ = 1/5⁶

4³ × (4²)⁻⁵ = 4³ × 4⁻¹⁰ = 4⁻⁷

Même exposant : 2⁵ × 3⁵ = (2 × 3)⁵ = 6⁵.

En revanche, 2³ + 2⁴ ne devient pas 2⁷ : les règles de puissances concernent les produits et les quotients, pas les sommes.

4. Signe d'une puissance

  • une puissance paire d'un nombre négatif est positive : (−3)⁴ = 81 ;
  • une puissance impaire d'un nombre négatif est négative : (−3)³ = −27.

5. Puissances de 10

Pour n ≥ 1 :

10ⁿ s'écrit avec un 1 suivi de n zéros.

10⁻ⁿ = 1/10ⁿ

Exemples

10⁴ = 10 000

10⁻³ = 0,001

6. Écriture scientifique

Tout nombre décimal non nul s'écrit de manière unique sous la forme a × 10ᵖ, où 1 ≤ |a| < 10 et p ∈ ℤ.

Cette écriture est appelée écriture scientifique.

Exemples

53 200 = 5,32 × 10⁴

0,000407 = 4,07 × 10⁻⁴

7. Calculer en écriture scientifique

  1. regrouper les nombres décimaux et les puissances de 10 ;
  2. utiliser les règles de calcul sur les puissances ;
  3. ajuster le coefficient pour que 1 ≤ |a| < 10.

Exemple corrigé

[(6 × 10⁵)(3 × 10⁻⁸)]/(9 × 10⁻²)

= (18/9) × 10⁵⁻⁸⁺²

= 2 × 10⁻¹

8. Ordre de grandeur

L'écriture scientifique permet d'estimer rapidement un résultat et de détecter une éventuelle erreur de puissance de 10.

(3,1 × 10⁶)(1,9 × 10⁻³) ≈ (3 × 2) × 10³ = 6 × 10³

Erreur fréquente : 12,4 × 10³ n'est pas une écriture scientifique, car 12,4 ≥ 10. On écrit 1,24 × 10⁴.

Exercices d'entrainement

Exercice 1 — Définition

Écrire sous la forme d'une puissance puis calculer :

  • 2 × 2 × 2 × 2 × 2
  • (−3) × (−3) × (−3) × (−3)
  • 10 × 10 × 10
Afficher la correction

On compte les facteurs identiques pour déterminer l’exposant.

  1. Le facteur 2 apparaît cinq fois : 2⁵ = 32.
  2. Le facteur −3 apparaît quatre fois : (−3)⁴ = 9 × 9 = 81. L’exposant est pair, donc le résultat est positif.
  3. Le facteur 10 apparaît trois fois : 10³ = 1 000.

Exercice 2 — Exposants relatifs

Écrire sous forme fractionnaire puis calculer :

  • 2⁻³
  • 5⁻²
  • 10⁻⁴
Afficher la correction

Un exposant négatif donne l’inverse de la puissance correspondante.

  1. 2⁻³ = 1/2³ = 1/8 = 0,125.
  2. 5⁻² = 1/5² = 1/25 = 0,04.
  3. 10⁻⁴ = 1/10⁴ = 1/10 000 = 0,0001. Un exposant négatif ne signifie pas que le résultat est négatif.

Exercice 3 — Même base

Simplifier sous la forme d'une seule puissance :

  • 3⁵ × 3⁻²
  • 7⁴/7⁹
  • (2⁻³)⁴
Afficher la correction

Pour une même base, on additionne les exposants dans un produit et on les soustrait dans un quotient. Pour une puissance de puissance, on les multiplie.

  1. 3⁵ × 3⁻² = 3⁵⁺⁽⁻²⁾ = 3³.
  2. 7⁴/7⁹ = 7⁴⁻⁹ = 7⁻⁵.
  3. (2⁻³)⁴ = 2⁽⁻³⁾×⁴ = 2⁻¹².

Exercice 4 — Produits et quotients

Simplifier :

  • 2⁶ × 5⁶
  • 12⁴/3⁴
  • (3/5)⁻²
Afficher la correction

Des puissances de même exposant se regroupent en une puissance du produit ou du quotient.

  1. 2⁶ × 5⁶ = (2 × 5)⁶ = 10⁶ = 1 000 000.
  2. 12⁴/3⁴ = (12/3)⁴ = 4⁴ = 256.
  3. (3/5)⁻² = (5/3)² = 25/9. L’exposant négatif conduit à inverser la fraction, puis à l’élever au carré.

Exercice 5 — Signes et parenthèses

Calculer en justifiant le signe :

  • (−2)⁶
  • (−2)⁵
  • −2⁶
  • −(−2)⁵
Afficher la correction

Les parenthèses indiquent si le signe moins appartient à la base. Sans parenthèses, la puissance est prioritaire sur le signe moins placé devant.

  1. (−2)⁶ = 64 : la base est négative et l’exposant est pair.
  2. (−2)⁵ = −32 : la base est négative et l’exposant est impair.
  3. −2⁶ = −(2⁶) = −64 : le signe moins est à l’extérieur de la puissance.
  4. −(−2)⁵ = −(−32) = 32 : on prend l’opposé de −32.

Exercice 6 — Écriture scientifique

Écrire en notation scientifique :

  • 684 000
  • 0,000052
  • −73,4
Afficher la correction

On déplace la virgule pour obtenir un coefficient dont la valeur absolue est comprise entre 1 inclus et 10 exclu.

  1. 684 000 = 6,84 × 10⁵. La virgule est déplacée de cinq rangs vers la gauche ; on compense par 10⁵.
  2. 0,000052 = 5,2 × 10⁻⁵. La virgule est déplacée de cinq rangs vers la droite ; on compense par 10⁻⁵.
  3. −73,4 = −7,34 × 10¹. Le signe négatif est conservé et |−7,34| = 7,34.

Exercice 7 — Calcul scientifique

Calculer et donner le résultat en écriture scientifique :

  • (4 × 10⁷)(3 × 10⁻⁴)
  • (8 × 10⁻³)/(2 × 10⁵)
  • (6 × 10⁴)²
Afficher la correction

On calcule séparément les coefficients et les puissances de 10, puis on ajuste le coefficient.

  1. (4 × 10⁷)(3 × 10⁻⁴) = 12 × 10³ = 1,2 × 10⁴. On additionne les exposants : 7 + (−4) = 3.
  2. (8 × 10⁻³)/(2 × 10⁵) = 4 × 10⁻⁸. On divise les coefficients et on soustrait les exposants : −3 − 5 = −8.
  3. (6 × 10⁴)² = 6² × 10⁸ = 36 × 10⁸ = 3,6 × 10⁹. Le carré porte à la fois sur le coefficient et sur la puissance de 10.

Exercice 8 — Ordre de grandeur

  1. Estimer l'ordre de grandeur de (4,9 × 10⁸)(2,1 × 10⁻³).
  2. Une calculatrice affiche 1,029 × 10¹². Dire si cet affichage est cohérent avec l'estimation.
Afficher la correction

On estime d’abord le résultat avant de vérifier l’affichage proposé.

  1. En arrondissant 4,9 à 5 et 2,1 à 2, on obtient (5 × 10⁸)(2 × 10⁻³) = 10 × 10⁵ = 10⁶. Le résultat attendu est donc proche d’un million.
  2. Le calcul exact donne (4,9 × 2,1) × 10⁵ = 10,29 × 10⁵ = 1,029 × 10⁶. L’affichage 1,029 × 10¹² est incohérent : il est un million de fois trop grand. Il faut vérifier la saisie et les exposants.

Vidéo

Vidéo explicative sur les puissances et l'écriture scientifique :

À retenir

Pour multiplier des puissances de même base, on additionne les exposants.

Pour diviser des puissances de même base, on soustrait les exposants.

Une écriture scientifique a la forme a × 10ᵖ avec 1 ≤ |a| < 10.