Jobineries

Blogue de Gilles G. Jobin, Gatineau, Québec.

samedi 24 septembre 2005

1$ ÷ ½

Dans l'un des très nombreux commentaires au billet Défi à Découverte, M. Lyons demande comment faire pour expliquer le problème donné en titre à de jeunes enfants. Il nous donne aussi deux cas concrets de cet énoncé. Je reviens ici sur ces exemples, car, à mon avis, ils ne rendent pas vraiment justice à l'énoncé.

Exemple 1 : «[...] les postes d'essence vendront leur précieux liquide au demi-litre et que 1$ pour 1 demi-litre semblera moins dispendieux que 2$ du litre (ce qui se calcule en effectuant : 1$ ÷ ½ = 2$).»

En fait, la question ici est si ½ litre vaut 1 $, que vaut 1 litre?

Algébriquement, on a : Soit x la valeur d'un litre, alors ½x = 1$ (un demi litre vaut 1$). Évidemment, personne à part un prof de maths ou, comme moi, un ex-prof de maths, ne pensera à mettre ce problème en équation.

La solution est donc : x = 1$ ÷ ½ = 2$. Cependant, dans la tête de la majorité des gens, à mon avis, on ne resout pas du tout ce problème de cette manière. On fait plutôt :

2 · ½x = 2 · 1$ donc x = 2$. Ici, il n'y a eu AUCUNE division !!! Posez ce problème autour de vous et je suis à peu près convaincu qu'on vous répondra tous par «Ben voyons, ça va coûter 2 fois 1 $.» Il m'étonnerait grandement qu'un seul de vos répondants parle de DIVISION!

Exemple 2 : «[...] j'apporte seulement 20$, ce qui risque de ne représenter que la moitié du prix de ma commande (Je prévois que cette commande devrait coûter 20$ ÷ ½ = 40$).»

C'est le même problème que l'exemple 1, mais cette fois, on remplace le mot demi par moitié. Algébriquement : 20 $ = x/2 (la moitié de x). Encore une fois, je pense que toute personne non-mathématicienne le résout non pas en divisant 20 par ½, mais bien à multipliant 20 par 2. On arguera que cela revient au même. Mais je crois que pour appuyer sur la notion de division, on doit trouver des problèmes qui appellent d'abord ce concept dans sa résolution.

Les exemples cités ne sont pas, d'après moi, des exemples concrets de 1$ ÷ ½ mais plutôt la manière d'écrire une résolution d'une équation du premier degré de type ½x = 1. Didactiquement parlant, je crois que la question qui'il faut se poser est la suivante : peut-on expliquer l'opération division sans avoir besoin du concept de la multiplication? Autrement dit, peut-on illustrer la force de la division pour ce qu'elle vaut en elle-même?

Voyons chez les nombres naturels.

12 ÷ 4. On s'entend généralement sur deux interprétations ici :

1. La division contenance : Combien de paquets de 4 pommes peut-on faire avec 12 pommes. Il faut apprendre à l'enfant que le symbole ÷ est bien pratique pour illustrer l'idée de contenance. Remarquez aussi que les unités du dividende et du diviseur sont les mêmes. La réponse est un nombre de paquets.

2. La division partage : Prenons un cas classique. On achète un cadeau de 100$ à un ami et on se partage le coût à 8 personnes. La solution arithmétique appelle clairement une division. On ne pensera généralement pas «8 fois quoi donne 100$», mais plutôt «100 divisé par 8 donne le montant que je dois payer.» La réponse est un coût par personne. À mon avis, ce genre de problème fait partie de l'univers de la division.

La beauté de la division chez les naturels est qu'elle peut se percevoir facilement comme une opération à part entière et qui n'a pas vraiment besoin de l'opération multiplication pour exister, car la symbolique de la division représente ces idées de partage ou de contenance.

C'est seulement par la suite qu'un enfant pourra «découvrir» que la division et la multiplication sont deux visions d'une même réalité conceptuelle, mais avec de jolies exceptions (par exemple 8x0 = 0, mais 0÷0...) C'est un peu comme cette illusion d'optique où on voit parfois une vielle dame, parfois une jeune fille. L'enfant apprendra à «voir» une division dans la multiplication et une multiplication dans la division.

Peut-on illustrer purement (c'est-à-dire sans avoir à l'esprit l'opération inverse de multiplication) la division de fractions? Y'a-t-il des situations vraiment concrètes, comme celle du prix du cadeau qu'on se partage) qui force naturellement l'utilisation de la division par une fraction? En cinquante ans, dans ma vie de tous les jours, je n'ai jamais rencontré ce genre de problèmes... Même si j'en avais rencontré une ou deux fois, cela mérite-t-il qu'on s'y attarde à l'école? Si oui, pourquoi? (Ma réponse, qui est positive, fera sans doute l'objet d'un futur billet. En attendant, pourquoi ne pas m'indiquer la vôtre?)

Par ailleurs, je crois qu'il est judicieux d'imprégner les enfants dans le langage «fractionnaire» (moitié, demi, tiers, etc.) et je crois qu'il réussira à peu près sans peine à trouver plein de réponses à des questions du genre «Papa te donne 5$ mais ça correspond à la moitié du jeu que tu veux acheter. Combien coûte le jeu?» Mais il m'étonnerait grandement qu'il fasse dans sa tête l'opération division pour résoudre ce problème. Comme la majorité d'entre nous, il multipliera simplement pas deux.

Cela me rappelle le texte ci-dessous que vous trouverez dans le merveilleux petit livre de Normand Baillargeon publié chez Lux «Petit cours d'autodéfense intellectuelle».

«On vous montre, déposée sur une talbe, quatre cartes dont les faces visibles indiquent :
D - F - 3 - 7
Chaque carte présente sur une face une lettre et sur l'autre face un chiffre. On vous demande ensuite quelles cartes vous devrez retrouner pour vérifier que la règle suivante a été respectée : si une carte présente un D sur une face, alors elle doit avoir un 3 sur son autre face.
L'expérience, qui a fréquemment été réalisée et avec un grand nombre de sujets, montre qu'à moins d'avoir fait des mathématiques un peu avancées, de la logique ou de la programmation, la plupart des gens répondent D et 3, soit la première et la troisième carte. Ce n'est pas exact : il faut retourner la première et la dernière carte.
La premère parce qu'il pourrait y avoir autre chose qu'un 3 sur l'autre face, ce qui infirmerait l'hypothèse. [...] De même, c'est pour confirmer l'hypothèse qu'on a retourné la troisième carte (le 3) : on cherchait un D de l'autre côté. Mais pensez-y: cela ne changerait rien quoi qu'il y ait de l'autre côté. L'hypothèse dit que s'il y a un D, alors il y a un 3; elle ne dit pas que s'il y a un3, il doit y avoir un D!
La quatrième carte est cruciale. S'il devait y avoir un D sur l'autre face, notre hypothèse serait réfutée. [...]
Ce petit test amusant a été repris par des chercheurs en psychologie évolutionniste pour montrer que, si l'on raisonne sur un exemple mettant en jeu la détec­tion de tricheurs, le raisonnement devient beaucoup plus facile. Voyons de quoi il retourne pour conclure sur ce sujet.
On vous explique que vous travaillez comme res­ponsable de la sécurité dans un bar. Ce bar est acces­sible à des jeunes de moins de 18 ans et à des adultes. Cependant, les jeunes gens ne doivent absolument pas consommer d'alcool. Si un jeune de moins de 18 ans était surpris à en consommer dans le bar, celui-ci perdrait aussitôt son permis. Votre tâche, en tant que responsable de la sécurité du bar, est de vous assu­rer qu'aucun jeune n'y consomme d'alcool. Heureu­sement, chaque client circule en portant, bien visible, une carte : sur une des faces on trouve un chiffre, qui indique son âge; sur l'autre face, ce qu'il consomme.
Vous êtes dans le bar et vous remarquez les quatre cartes suivantes
Cola Bière 28 16
Quelles cartes retournerez-vous pour vous assurer que personne ne consomme d'alcool illégalement?
Notez que, bien qu'il soit facile et résolu par tout le monde, sur le plan formel, ce problème est exacte­ment le même que le précédent. » (pages 208-209)

mardi 13 septembre 2005

Défi à Découverte

Il est rare qu'on entende parler des mathématiques au primaire à la télé. Dimanche dernier, on a eu droit à un petit 15 minutes avec M. Robert Lyons. Ce dernier a illustré que les enfants étaient capables de factoriser des trinômes. Je reviens sur ce problème car il cache selon moi d'énormes pièges. Comme on ne voyait pas la fin de la leçon de M. Lyons, il est difficile de porter un jugement sur l'efficacité de celle-ci.
Le problème

Les enfants devaient factoriser 6x2 + 5xy + y2.

Au tableau, on voyait 6 carrés, 5 bâtonnets et un petit cube. L'enseignant demandait aux élèves de faire un «plancher» rectangulaire et sans trou avec ces formes. (Désolé pour mon illustration : j'ai fait ça rapidement avec OpenOffice Draw.)

Après quelques essais, tous arrivaient à un résultat pouvant se traduire par «la réponse» (3x + y)(2x + y).

Clairement, le carré représentait le x·x. Le bâtonnet : x·y et M. Lyons avait choisi le cube comme représentant y2. Mais le plus dangereux est que cette représentation est ... incohérente : Pourquoi un cube pour représenter un carré ??? Je n'ai entendu aucun enfant poser la question. Il est vrai que pour la durée du reportage, ils ont certainement dû couper plusieurs interventions des élèves ce qui est bien dommage. En tout cas, j'aurais bien aimé entendre la réponse de M. Lyons.

Autre question. Pourquoi prendre un carré (physique) pour représenter x2 ? Tout le monde répondra par l'évidence même que x·x PEUT être représenté par un carré. Ah oui? En fait, un NOMBRE naturel carré peut être FIGURÉ (on appelle d'ailleurs cela un nombre figuré) sous une forme carrée. Par exemple, 16 est un nombre carré.

Il y aussi des nombres triangulaires (1, 3, 6, 10, etc.), pentagonaux, etc. desquels on peut trouver d'intéressantes propriétés.

Clairement on peut représenter x2 sous la forme d'un carré si on sait que x fait partie de l'ensemble des réels positifs non transcendants (par exemple pi2 ne peut pas se réprésenter sous forme d'un carré de pi sur pi car pi est transcendant.). Or, pour bien faire les choses, l'algèbre étant d'abord une généralisation utile, dans le trinôme de départ, x et y sont des nombres RÉELS (généralisation utile) et, donc, peuvent être entre autres négatifs ou transcendants. Quel sens aura alors ce carré physique si x est négatif? Et la factorisation est-elle toujours possible dans les cas où x ou y sont transcendants? L'image mentale d'un carré risque ici de nous amener une conclusion qui pourrait être fausse pour TOUS les nombres. D'accord, ce n'est pas le cas ici, mais il reste que cette image ne peut être utilisée comme preuve. Cette vision donne de la plausibilité à la réponse mais n'est en aucun point algébriquement et mathématiquement rigoureuse. La manipulation peut servir de support au raisonnement, mais elle ne le remplace pas. Encore une fois, le reportage ne montrait nulle part les questionnements soulevés par les élèves. L'objectivation était aussi absente du montage.

Par ailleurs, la traduction d'un nombre carré en surface peut aussi poser problème. 16 peut prendre la forme d'un carré, mais on ne parlera certainement pas ici de surface ! Or, le plancher, c'est d'abord une surface. Mais j'ai déjà parlé de ce piège dans un autre billet.

L'idée de factoriser «physiquement» est riche et vraiment intéressante. On voit la solution apparaître sous nos yeux et on a l'impression que l'algèbre, c'est pas si compliqué après tout. Mais pour ne pas créer de fausses représentations dans l'esprit des élèves, il faut porter énormément attention sur ce que les enfants ont réellement compris. Et s'assurer que malgré la simplicité de l'algèbre, l'élève sache bien que ce n'est tout de même pas une matière simpliste.

dimanche 11 septembre 2005

Beauté IV

Un matin, juste au lever du soleil, un moine bouddhiste commence à gravir une montagne. Le sentier, très étroit, monte en spirale jusqu'au temple qui brille au sommet.
Le moine grimpe tantôt vite, tantôt lentement et s'arrête plusieurs fois pour se reposer et manger les fruits secs qu'il tire de sa besace. Il arrive au temple peu avant le coucher du soleil. Après quelques jours de jeûne et de méditation il se met en devoir de redescendre, part au lever du jour, prend le même chemin, va plus ou moins vite, s'arrête plusieurs fois. Cependant il va plus vite en moyenne, bien entendu, à la descente qu'à la montée.
Démontrez qu'il existe un point du sentier que le moine occupera à chaque voyage exactement à la même heure.

(Scientific American, 1961. J'emprunte ici la version tirée du livre Le cri d'Archimède, d'Arthur Koestler, Calman-Lévy, 1965, trad. Geroges Pradier.)
Écoutons Koestler : « Je me suis amusé à poser ce problème à des amis, hommes de science et autres. Certains essayent les mathématiques; certains veulent "raisonner" et arrivent à la conclusion que ce serait une coîncidence invraisemblable que le moine se trouve à la même heure au même endroit en deux occasions différentes. Mais d'autres - appartenant à la catégorie des visuels - voient la solution [...].» (op. cit. p. 166)

Voyez-vous la solution?

Pour ceux qui seraient tentés d'utiliser les mathématiques, voici le théorème qui vous aidera :