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MAT-2101-3 · 1.1.3

Le cube et la racine cubique

Du carré au cube : une dimension de plus. Le volume, le signe des puissances paires et impaires, les astuces de calcul, et une différence surprenante avec la racine carrée pour les nombres négatifs.

Secondaire 2 Algèbre Cube et racine cubique 14 pages · notes de cours
1.1–1.3 · Définition et géométrie

Le cube d'un nombre

Après le carré, nous pouvons généraliser notre idée à trois dimensions.

Élever un nombre au cube signifie le multiplier par lui-même trois fois :

\[ 3^3 = 3\times3\times3 = 27 \qquad a^3 = a\times a\times a \]

Géométriquement, si un cube a des arêtes de longueur \(a\), son volume est \(V=a\times a\times a=a^3\) — on multiplie les trois dimensions (longueur × largeur × hauteur), qui sont ici toutes égales.

Du carré au cube

\(a^1\) → une dimension (longueur)  ·  \(a^2 = a\times a\) → deux dimensions (aire)  ·  \(a^3=a\times a\times a\) → trois dimensions (volume). Cette interprétation géométrique donne un sens concret aux exposants.

Visuel 3D interactif — arête ⇄ volume
3 × 3 × 3 = 3³ = 27
Le cube possède trois dimensions égales — le volume grandit beaucoup plus vite que l'arête.
1.4–1.5 · Cas particulier

Le cube d'un nombre négatif — et le signe d'une puissance

Le cube a une propriété différente du carré face aux nombres négatifs. \((-2)^2=4\) (positif), mais \((-2)^3=(-2)\times(-2)\times(-2)=-8\) (négatif). Les deux premiers facteurs négatifs donnent \((-)\times(-)=+\), mais le troisième facteur négatif redonne \((+)\times(-)=-\).

Le signe d'une puissance

Lorsqu'un nombre négatif est élevé à une puissance entière : une puissance paire donne un résultat positif; une puissance impaire donne un résultat négatif. Par exemple \((-3)^2=9\), \((-3)^3=-27\), \((-3)^4=81\).

Explorateur — le signe de (−a)ⁿ
(−3)³ = (−3)×(−3)×(−3) = −27
n = 3 est impair → le résultat est négatif.
(−3)²
9 (positif)
(−3)³
−27 (négatif)
1.6 · Calcul mental

Comment calculer un cube rapidement?

Comme pour le carré, il existe plusieurs raccourcis, tous fondés sur l'identité algébrique :

\[ (a+b)^3 = a^3 + 3a^2b + 3ab^2 + b^3 \]

Géométriquement, un grand cube de côté \((a+b)\) se découpe en 8 morceaux (contre 4 pour un carré) : un cube \(a^3\), trois blocs \(a^2b\), trois blocs \(ab^2\), et un petit cube \(b^3\) — car 3 dimensions donnent \(2^3=8\) régions, alors que 2 dimensions n'en donnaient que \(2^2=4\).

Explorateur d'astuces
21³ : proche de 20 → (20+1)³ = 20³ + 3(20)²(1) + 3(20)(1)² + 1³ = 8000+1200+60+1 = 9261
Vérification directe : 21 × 21 × 21 = 9261.
1.7–1.9 · Opération inverse

La racine cubique

La racine cubique est l'opération inverse du cube : si \(a^3=b\), alors la racine cubique de \(b\) est \(a\), notée \(\sqrt[3]{b}\). Par exemple, \(3^3=27\) donc \(\sqrt[3]{27}=3\). Géométriquement, si un cube a un volume de 125 cm³, son arête mesure \(\sqrt[3]{125}=5\) cm — la racine cubique permet de passer du volume à l'arête.

1³2³3³4³5³6³7³8³9³10³
1827641252163435127291000
Estimer une racine cubique — méthode de Newton
4³ = 64 ≤ 100 ≤ 125 = 5³ → ∛100 est entre 4 et 5.
x₀ = 5 (première estimation)
5Estimation actuelle
4,6416Valeur réelle (calculatrice)
Formule : \(x_{n+1} = \tfrac13\left(2x_n + \tfrac{a}{x_n^2}\right)\) — la même stratégie que la méthode de Héron, adaptée au cube.
1.10–1.11 · Différence clé

La racine cubique d'un nombre négatif

Une différence fondamentale avec la racine carrée

Dans les nombres réels, \(\sqrt{-a}\) n'est pas définie pour \(a>0\). Mais une racine cubique d'un nombre négatif est parfaitement définie : \((-3)^3=-27\), donc \(\sqrt[3]{-27}=-3\). Un nombre négatif multiplié trois fois par lui-même reste négatif — la racine cubique peut donc conserver le signe.

Comparateur — √(a²)=|a| contre ∛(a³)=a
a
−4
a² puis √(a²)
16 → |−4| = 4
a³ puis ∛(a³)
−64 → −4
La racine carrée « efface » toujours le signe (valeur absolue); la racine cubique le conserve.
Résumé de la différence
\[ \sqrt{a^2} = |a| \qquad \text{mais} \qquad \sqrt[3]{a^3} = a \quad \text{pour tout } a\in\mathbb{R} \]
1.12–1.14 · Applications

Exposants fractionnaires, algèbre et importance du cube

La racine cubique comme exposant fractionnaire

Comme pour la racine carrée, on peut écrire \(\sqrt[3]{a}=a^{1/3}\), car \((a^{1/3})^3=a^{(1/3)\times3}=a^1=a\). Plus généralement, \(\sqrt[n]{a}=a^{1/n}\) lorsque cette expression est définie.

En algèbre, \(x^3\) représente le cube de \(x\) et conserve l'information sur le signe : si \(x=2\), \(x^3=8\); si \(x=-2\), \(x^3=-8\). Une expression comme \(x^3+2x^2-x+5\) est un polynôme du troisième degré, puisque le plus grand exposant de la variable est 3 — les puissances \(x^2, x^3, x^4\), etc. permettent de classer les polynômes selon leur degré.

Pourquoi le cube est-il important?

En géométrie, \(V=a^3\) donne le volume d'un cube. En sciences, les unités de volume sont elles-mêmes cubiques : \(\text{cm}^3\), \(\text{m}^3\), \(\text{km}^3\) — par exemple \(1\,\text{m}^3=1\,\text{m}\times1\,\text{m}\times1\,\text{m}\). Le cube fait ainsi le lien entre les nombres, les dimensions géométriques et les phénomènes physiques, et sera au cœur de l'étude des polynômes du troisième degré.

Synthèse

À retenir

  • \(a^3 = a\times a\times a\) — géométriquement, le volume d'un cube d'arête \(a\).
  • Une puissance paire d'un nombre négatif est positive; une puissance impaire est négative.
  • \((a+b)^3=a^3+3a^2b+3ab^2+b^3\) explique toutes les astuces de calcul mental du cube.
  • \(\sqrt[3]{a^3}=a\) pour tout \(a\in\mathbb{R}\) — contrairement à \(\sqrt{a^2}=|a|\), la racine cubique d'un négatif est définie et conserve le signe.
  • \(\sqrt[3]{a}=a^{1/3}\).