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CORFEM IUFM de Grenoble 13-14 juin 2013

MODÉLISER DANS LA CLASSEDE MATHÉMATIQUES ?POURQUOI ? COMMENT ?QUELLES RELATIONSENTRE MATHÉMATIQUESET PHYSIQUE ?

Marc RogalskiUniversité des Sciences et Technologies de LilleUniversité Pierre et Marie CurieLaboratoire LDAR de l’université Paris Diderot

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PlanA. Quelques constats et principesI. Les fondements des mathématiques élémentaires

modélisent le réelII. Collège, lycée, supérieur : les mathématiques pour elles-

mêmes ? Comme le jeu d’échec ?III. Que nous dit l’histoire ?IV. Les mathématiques contribuent aux autres sciences et à la

vie socialeB. Interactions et modélisationI. Quels apports des mathématiques aux autres sciences ?II. Apports d’autres sciences aux mathématiques. Exemples

dans la classe.III. Quelques difficultés de la modélisation de phénomènes

physiques : exemples, modélisation et modes de penséeC. Modélisation et formation des maîtres

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A.I. Les fondements des mathématiquesélémentaires modélisent le réel

L’enseignement du comptage, de l’addition, du produitde nombres entiers : modélisation d’opérationssur le réel. Les fractions, les décimaux,…

La géométrie enseignée au primaire modélise l’espa-ce physique et ce qui y est invariant dans lesmouvements, par des figures matérielles au début(mesures, instruments) et des relations.

Personne n’imagine d’enseigner au primaire en par-tant des axiomes de Peano de l’arithmétique, ni àpartir des axiomes d’Euclide.

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A.II. Collèges, lycées, le supérieur :les mathématiques pour elles-mêmes ?Comme le jeu d’échec ?

Le processus de mathématisation : abstraction, dé-finitions, démonstrations, problèmes internes auxmathématiques… tout cela devient nécessaire.

L’essence des mathématiques, ce qui les rend utilisa-bles dans toutes les disciplines scientifiques, c’estleur caractère de grande généralité et leur absoluefiabilité, grâce à la rigueur apportée par la pratiquede la démonstration.

Cela peut devenir un jeu passionnant en lui-même.

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Le jeu d’échec aussi !Complexité, stratégies, découvertes empiriques,

raisonnements rigoureux, développements histo-riques, vif plaisir à jouer, à résoudre des problèmesd’échec : comme bien des sciences !

Pourtant, aucune des sociétés développées n’imposel’enseignement obligatoire du jeu d’échec, alorsqu’elles le font toutes pour les mathématiques.

Il y a donc des raisons, incompatibles avec l’idéedes mathématiques seulement pour elles-mêmes, qui expliquent que leur enseignement soitobligatoire. Il s’agit, bien sûr, de leur utilité socialeet scientifique, en particulier de leurs liens avecla physique.

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De plus, seule une toute petite minorité de nosélèves, et même de nos étudiants, sont destinés àse consacrer aux « mathématiques pures ».

De nombreuses professions n’utilisent pas demathématiques autres qu’élémentaires. Dansd’autres professions, elles ne serviront que d’outiltechnique. Seules les professions scientifiques(au sens large) exigent des mathématiques biendominées, qui en particulier seront utiles dans desactivités de modélisation.

En conclusion, il faut équilibrer dans l’enseigne-ment les mathématiques pour elles-mêmes etles mathématiques pour modéliser le réel.

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A.III. Que nous dit l’histoire ?L’histoire des mathématiques est étroitement liée

à celle des autres disciplines et à divers pro-blèmes intéressant la société. Quelques exem-ples bien connus :

• nombres purs et commerce ;• astronomie, calendrier, trigonométrie, logarithmes ;• covariations de grandeurs et fonctions ;• optimisation, variation, dérivée, vitesse, débit…;• mécanique, épidémies, équations différentielles ;• mouvements des fluides et fonctions de variables

complexes ;• jeux, assurances, probabilités ;• équations de la physique, analyse fonctionnelle…

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Il ne s’agit pas, bien souvent, d’applications demathématiques constituées, déjà là, mais de« double émergence ». D’ailleurs, bon nombre demathématiciens ont été aussi physiciens, astro-nomes, ont travaillé pour la marine, l’artillerie…

Cela n’exclut pas un fort développement des mathé-matiques à partir de problèmes internes (arith-métique, équations, algèbre, topologie…). C’estd’ailleurs l’interaction entre les aspects interneset externes qui semble le moteur le pluspuissant dans les progrès des mathématiques.

Cet aspect s’est très accentué depuis 50 ans, lesrelations entre mathématiques et physique sontdésormais omniprésentes. Mais aussi avec labiologie, l’informatique…

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A.IV. Les mathématiques contribuent auxautres sciences et à la vie sociale

Ouvrir un manuel de physique, de chimie, de bio-logie, d’économie : mathématiques outils etmathématiques constitutives de concepts(nous y reviendrons).

[La stupidité épistémologique des nouveauxprogrammes de sciences des lycées !]

De nombreuses activités sociales demandentdes mathématiques : pourcentages, modesélectoraux, intérêts, statistiques, probabilitéset risques, taux de croissance, d’imposition…

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Mathématiques cachées dans la complexité desobjets technologiques : est-ce prudent de com-plètement les ignorer ?

Que les élèves en aient une idée dans des cas oùc’est possible, qu’ils puissent dominer l’usage desmathématiques dans la vie sociale, savoir commentelles interviennent dans les autres disciplines : c’estun objectif de la culture citoyenne que l’école doitdonner, c’est l’un des enjeux de la vie démocra-tique de la société.

Cela doit se faire dans le respect du mode de pen-sée propre aux mathématiques, qu’il faut doncconfronter à d’autres modes de pensée.

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B.I. Quels apports des mathématiques auxautres sciences ?D’abord, les mathématiques constitutives.• Le concept de proportionnalité est au cœur de la

définition de bien des grandeurs physiques, il estinséparable de notions comme vitesse, débit, tauxd’accroissement, pente d’une droite.

• La mesure de grandeurs est constituée par et cons-titue la notion de nombre réel.

• Vitesse instantanée, débit non constant, équa-tions de phénomènes évolutifs sont fondateurs deet fondés par la notion de dérivée et par le calculdifférentiel.

• Mesurer une grandeur produit, c’est la mêmechose que définir l’intégrale (nous y reviendrons).

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• Des vecteurs mathématiques ou des forcesphysiques, lesquels fondent les autres ?

Mais on constate en fait de subtiles différences depoints de vue, quand mathématiciens et physi-ciens utilisent ce qui semble être la même notion.Cela concerne la nature des raisonnements faits,les types de « preuves », l’existence des objetsdéfinis ou calculés.

On peut alors, soit essayer de réduire ces différen-ces quand c’est possible, soit les analyser commereprésentatives des différences de paradigmesentre disciplines, et expliciter ces différences auxélèves. Nous y reviendrons.

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Les mathématiques servent aussi comme outil.

Des résultats (énoncés, techniques) sont utiliséscomme outil dans des activités sociales, ou pard’autres disciplines, en particulier dans leursactivités de mathématisation de leurs propresmodèles, à des fins de calculs, de prévisions, desimulations, de vérifications, d’adaptations, etc.

Faire cela avec les élèves, y compris avec desmoyens informatiques, peut être un moyen demotiver autrement des résultats mathématiques,d’avoir sur eux un autre point de vue, et de fairesentir le potentiel universel des mathématiquesdans les sciences et les activités sociales.

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B.II. Apport d’autres sciences aux mathé-matiques. Exemples dans la classe.(a) L’histoire du concept de fonction montre le grand

rôle qu’y a joué la covariation de grandeurs(physiques, géométriques…). Or l’introduction de lanotion de fonction en 3ème par la notion de gra-phe ne va pas du tout de soi pour les élèves : pour-quoi une courbe tracée dans le plan, uniquementnumérique, les ferait-elle penser à la notion defonction ? Une étude sur des élèves de 3ème etseconde a montré que cela ne passe pas du tout.

Il faut amener les élèves à penser eux-mêmes àquelque chose qui soit du type graphe pourreprésenter un phénomène où des grandeursvarient. Voici deux exemples.

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1/ Vous vous promenez sur les bords d’un square carré, qui aune statue en son centre. Pouvez-vous décrire commentvarie la distance entre la statue et vous lors de votrepromenade ? Essayez de le faire d’abord oralement, puisde transmettre un dessin pour expliquer cette variation à uncamarade qui ne peut vous entendre. Que deviendrait votredessin si la statue était à un coin du square ? (F. Hitt)

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Voici des dessins successivement proposés

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2/ Dans un récipient de forme cylindrique, un robinet débiterégulièrement de l’eau (1 litre par seconde). Représentezpar un dessin la variation du niveau de l’eau dans lerécipient, quand le temps s’écoule à partir du moment où onouvre le robinet.

On suppose maintenant que le récipient est formé de troiscylindres superposés (voir le dessin). Décrivez encore parun dessin la variation du niveau de l’eau.

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On a donc une approche d’abord qualitative. En troi-sième, on peut passer au modèle linéaire pourl’eau dans le cylindre, puis dans la deuxième formede récipient. En première ou terminale, le cas d’unrécipient en forme de tronc de cône la pointe en basva fournir un graphe en racine cubique du temps,en réinvestissant la dérivée et la primitive pourcalculer le volume (on y reviendra).

De façon générale, il est essentiel de lier l’étude desgraphes associées aux fonctions affines y =ax+b à la description de variations de grandeursà accroissements proportionnels. Cela donne enparticulier un point de vue plus opérationnel pourassocier la pente d’une droite à une vitesse, undébit, une intensité, etc.

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(b) La notion d’intégrale enseignée en terminale S ouen première année d’université est très malcomprise par les élèves ou les étudiants. Uneétude faite à Lille a montré qu’à peine 12% desétudiants en fin de L1 savaient réinvestir l’intégralepour mesurer une grandeurs produit, quand l’undes facteurs est variable (une fonction non con-stante). L’idée d’une procédure intégrale trèsgénérale :

découper, encadrer, sommer, passer à la limite n’est absolument pas comprise, or elle est essen-

tielle pour comprendre l’intégrale et savoir l’utiliser,concurremment avec une procédure dérivée-primitive

F(x+h)-F(x)=f(x)∆x +o(∆x).

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Voici une situation (due à D. Grenier, M. Legrand, F.Richard) qui est destinée à construire à la fois lesintégrales des physiciens et celles des mathé-maticiens (situation très robuste souvent utilisée).

Quelle est la force d’attraction F entre une barre finede 18 kg et 6 m de long et une masse ponctuellede 2 kg située dans le prolongement de la barre, à3 m ? On rappelle la loi de l’attraction universelleentre deux masses ponctuelles m et m’ à distance r:

F=Gmm’/r2.

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• Principe du centre de gravité ⇒ F=G• Découpage de la barre en 2 et même principe ⇒

F≈1,21G• Découpage en 6 ⇒ F ≈ 1,32G• Principe d’encadrement : concentrer la masse

d’un segment de la barre à l’une et à l’autre de sesbouts ⇒ 4/9G<F<4G, puis 0,72G<F<2,5G, puis(pour 6 morceaux) 1,07G<F<1,66G…

• Donc, par découpage, sommation et encadre-ment, on voit des résultats successifs, qu’on peutmener bien plus loin par un petit algorithme et untableur.

• L’idée de passage à la limite s’impose alors…c’est la procédure intégrale.

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Décontextualiser en physique : les grandeurs produits* densité constante × volume = masse ;* hauteur constante × longueur de la base = aire ;* hauteur constante × aire de la base = volume ;* vitesse constante × temps = distance parcourue ;* force constante × déplacement (colinéaire) = travail ;* pression constante × surface = force ;* (distance constante à un axe)2× masse ponctuelle =

moment d'inertie ;* (inverse de la distance constante)2 × produit des

masses ponctuelles = attraction

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Généralisons maintenant ces situations. Lesdeuxièmes facteurs sont associés à des domai-nes » Ω sur lesquels sont définis les premiersfacteurs, supposés maintenant être des fonc-tions f non constantes : densité en un point d’unvolume Ω, hauteur au-dessus d'un point de la baseΩ, pression en un point d'une surface Ω, distanced'un point de Ω à l'axe, etc.

De plus on peut définir la mesure m(A) d'une partie Ade Ω, ou du moins d'une classe de parties de Ω :aire, volume, masse, distance parcourue, tempsentre deux instants, sont supposés définis pour cesparties de Ω.

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A quelles conditions peut-on mesurer, ou mêmedéfinir, une grandeur I(Ω, f, m) ou ∫Ωf dm attachée àune grandeur physique décrite par le domaine Ω, lafonction f définie sur ce domaine et la mesure m ?(1) Si f = C (constante), I(Ω, f, m) = C×m(Ω).(2) L’additivité par rapport au domaine (Chasles).(3) La croissance : si f ≤ g, I(Ω, f, m) ≤ I(Ω, g, m).Pour mesurer une grandeur de la forme I(Ω, f, m)

vérifiant ces trois principes, on fait comme avecla barre : on découpe Ω en morceaux Ωi , onencadre f sur chaque morceau entre mi et Mi, parsommation on encadre la mesure par des som-mes inférieures et supérieuresΣmim(Ωi),ΣMim(Ωi), et on essaye de passer à la limite.

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On aboutit ainsi à une notion physique d’intégrale,utilisable pour mesurer des grandeurs, et qui vapouvoir servir de support de sens pour définirl’intégrale en mathématiques.

On a en fait intégré les « fonctions en escalier »Σλi1Ωi par Σλi m(Ωi). Et pour d’autres fonctions f ?

Il reste à définir la mesure A→m(A) de parties de Ω,puis à définir en quel sens on passe à la limite.

Deux choix pour la première question :(a1) Ω est un intervalle, les Ωi aussi, et leur mesure

est leur longueur (cas de la barre).(a2) Les Ωi sont les éléments d’une tribu, leur mesure

est la mesure de Lebesgue.

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Deux choix aussi pour la deuxième question :(b1) on approche f uniformément par des fonctions

en escalier ;(b2) l’approximation se fait au moyen de l’intégrale :

on dit que l’intégrale d’une certaine fonction enescalier est petite.

Si on recoupe, cela donne 4 théories mathémati-ques différentes de l’intégrale. Seule les combi-naisons

(a1b1) [fonctions réglées](a1b2) [intégrale de Darboux-Riemann] sont raison-

nables en L1-L2.Reste à voir comment cela se raccroche à l’intégrale

de terminale S [aire sous la courbe].

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Voici deux situations de modélisation apte à faire celien.

(1) Volume d’un tronc de cône de révolution.

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(2) Aire de la spirale d’Archimède (ρ = Cθ)

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Dans les deux cas la procédure intégrale fait interve-nir les sommes Σ1≤k≤n k2, et cela amène à l’airesous le graphe de la fonction x→x2.

De même, si on note V(x) le volume du tronc de côneentre les abscisses 0 et x, l’encadrement montreque V(x+∆x) - V(x) = µx2∆x + o(∆x), et le calcul de Vse ramène à une recherche de primitive.

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En tout cas, ce type de modélisation introduit à unedouble émergence de l’intégrale, à la fois enphysique et en mathématiques.

On est loin des diagrammes circulaires avec des mo-délisations séparées dans les deux disciplines.

En fait, les scientifiques font déjà des mathémati-ques dans leurs modélisations intradiscipli-naires, et la mathématisation utilise à plein desconcepts de la discipline physique.

De plus, l’étude du côté mathématique peut éclairerles lois physiques cherchées, de façon constitu-tive, pas seulement pour calculer. Nous y revien-drons.

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B.III. Quelques difficultés de la modélisation dephénomènes physiques : exemples, modélisationet modes de pensée(a) D’abord, la physique est difficile, il s’y présente

beaucoup d’obstacles épistémologiques dûs aufait que la pensée quotidienne se forge au contact d’unmonde réel simplifié par rapport à la physique [force etmouvement, par exemple…].

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(b) Puis il y a parfois dans les manuels de physiquedes modélisations parachutées… etcontradictoires.

Exemple. Chute des corps : résistance R = kV. Bateau sur sonerre : résistance R = kV2. Et le bateau va à l’infini !

Et si on essayait le rasoir d’Ockham ? Courbe concave àasymptote horizontale, passant par (0,0). La plus simple : y= at /(t+b). Ceci donne R = kV3/2 ! Donc une loi physiquepeut être fournie par la modélisation mathématique (enfait, résistance de types différents en vitesse faible ou forte).

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(c) Autre exemple où les mathématiques font découvrir unphénomène imprévu : le pendule en rotation.

En écrivant l’équation de l’équilibre, et en remarquant que xdoit être inférieur à l, on voit que le pendule ne s’écarte quesi la vitesse de rotation est supérieure à ω0.

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(d) Et si les mathématiques donnent apparemmentune absurdité ? Si un vase se vide par un petittrou…

La vitesse de sortie est v = (2gh)1/2 (énergies cinéti-que et potentielle), d’où l’équation h’ = - kh1/2, qui serésout en terminale par une primitive de h’/2h1/2. Ontrouve une parabole, et le vase se remplit toutseul après s’être vidé !!

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(e) Mathématiques et physiques : deux modes depensée parfois différents

Un exercice proposé en CAPES : « retrouver l’airedu disque en intégrant l’aire d’une mincecouronne ».

Mais… quand on écrit ∆S ≈ 2πr∆r, que signifie ce si-gne d’approximation ? Quelle est l’erreur ? Pourconclure que dS/dr = 2πr, que doit-on supposer surl’approximation ? Que l’erreur soit négligeable de-vant ∆r (erreur relative et non absolue).

Les physiciens vérifient rarement ce point, ils fontconfiance à leur intuition et leur expérience.

Du point de vue mathématique, cela signifie qu’on faitune hypothèse, qu’on en déduit un résultat (πr2) etqu’il conforte l’hypothèse faite : π(r+∆r)2-πr2 =2πr∆r+π(∆r)2, ce dernier terme est o(∆r).

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Un tel raisonnement est irrecevable pour les mathé-matiques ! Mais il est très courant et très efficaceen physique, dans la procédure de l’accroisse-ment différentiel : si une grandeur y dépend d’uneautre x, on essaye d’évaluer ∆y quand x varie de∆x. Les physiciens trouvent ∆y ≈ f(x,y)∆x et en dé-duisent l’équation différentielle y’ = f(x,y) [si f nedépend que de x, ils trouvent y’ ≈ f(x) et intègrent].

Les mathématiciens veulent démontrer, eux que l’ona ∆y = f(x,y)∆x + o(∆x), ou directement que ∆y/∆x aune limite f(x,y) quand ∆x→0.

Dans le cas du disque, c’est difficile : des majorationset minorations, et limite en 0 de sin x/x.

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Le concept mathématique en jeu ici est celuid’approximation affine locale, ou de dérivée :

f(x+∆x) = f(x)+f ’(x)∆x+r(x, ∆x)où le reste r est négligeable devant ∆x : r = o(∆x).Cela signifie que l’erreur relative (de méthode) en

supposant f affine (et non l’erreur absolue) tendvers 0 avec ∆x.

Un problème pour convaincre les élèves : calculersin(46°) « à la main ». Un amphi unanime peutaffirmer que dire que sin x ≈ x au voisinage de 0signifie que sinx = x+ε avec ε→0 quand x→0.Convaincre les élèves que ce n’est pas cela labonne formulation est difficile.

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(f) Pourquoi, comment donc modéliser en classe ?

• Mettre en valeur les concepts mathématiques utiles• Introduire à une co-construction de concepts• Expliciter les différences de paradigmes entre

mathématiques et physique• Exploiter ces différences pour mettre en valeur

des procédures mathématiques permettant deprouver (quand c’est possible) des argumentsimplicites de la physique (encadrements, continui-té, raisonnement à ε près, dérivée, concept denégligeabilité, intégrale…)

• Analyser, expliquer des phénomènes de la réalitésociale ou de la physique

• Ne pas « apprendre à modéliser » en soi

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C. Modélisation et formation des maîtres• Le principal problème est l’inculture physique des

étudiants de mathématiques arrivant en M1. Ilsemble nécessaire de leur apporter des complé-ments portant sur quelques concepts physiquesessentiels (le problème semble aussi grave pourles enseignants de physique, au point de mettre encause l’injonction d’enseigner la physique par desactivités dites « d’enquête »).

• Supposant ce problème réglé (!), on peut imaginerde faire traiter par les enseignants en formation denombreuses activités de modélisation, sous laforme de travail en petits groupes ou de sémi-naire (voir le master pro de l’université Paris 7).

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Merci