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Quelques interrogations à propos du "tableau de signes"

Dominique Gaud

Régionale de Poitiers

IREM de Poitiers

Membre de la Commission Inter IREM didactique

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Cet atelier s’appuie sur la recherche menée par l’équipe de l’IREM de Poitiers [1] associée à l’IREM de Paris VII dans le cadre du projet ADIREM-INRP.

[1] Equipe coordonnée par M.Cheymol, D. Gaud, J.P. Guichard, L. Jussiaume, C.

Robin.

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Les programmes

Mise en équation ; résolution algébrique.Résolution graphique d’équations et d’inéquations

Résoudre un équation ou une inéquation se ramenant au premier degré.Utiliser un tableau de signes pour résoudre une inéquation ou déterminer le signe d’une fonction.Résoudre graphiquement des équation ou inéquations du type : f(x)=k ; f(x)=g(x) ; f(x)<g(x) ;…

Pour un même problème, on combinera les apports des résolutions graphique et algébrique. On précisera les avantages et les limites de ces différents modes de résolution.On pourra utiliser les graphiques des fonctions de référence et leurs positions relatives.On ne s’interdira pas de donner un ou deux exemples de problème conduisant à une équation que l’on ne sait pas résoudre algébriquement et dont on déterminera des solutions approchées.

Le libellé diffère sensiblement de celui des programmes antérieurs dans la mesure où c’est la première fois que l’expression « tableau de signes » est citée.

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ActuellementUtiliser

le tableau de signes pour résoudre

une inéquation ou déterminer lesigne d’une

fonction

C ’est une nouveauté

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Analyse de quelques manuels

En quoi diffèrent et se ressemblent les différentes présentations des manuels.

Les présentations sont-elles conformes aux instructions officielles?

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Si on se réfère aux commentaires du programme, le cadre algébrique est à relier en permanence au cadre fonctionnel en faisant appel le plus fréquemment possible au registre graphique.

• “ Utiliser de façon raisonnée et efficace la calculatrice pour les calculs et pour les graphiques ”.

• “ Des activités liées aux fonctions, aux équations ou aux inéquations mettront en valeur l’information donnée par la forme d’une expression et motiveront la recherche d’une écriture adaptée ”.

• “ On multipliera les approches ”…

• La rubrique contenus spécifie “ mise en équation ; résolution algébrique, résolution graphique d’équations et d’inéquations ”.

• “ Pour un même problème, on combinera les apports des modes de résolution graphique et algébrique. On précisera les avantages et les limites de ces différents modes de résolution. On pourra utiliser les graphiques des fonctions de référence et leurs positions relatives. On ne s’interdira pas de donner un ou deux exemples de problèmes conduisant à une équation que l’on ne sait pas résoudre algébriquement et dont on cherchera des solutions approchées ”.

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La situation initiale présentée par l’IREM de Paris VII

Etape 1 : exemple

Pour des valeurs numériques données de x, vous devez calculer les valeurs numériques de l’expression suivante :

f(x) = (x – 2) (2x – 3)(x + 5)(4x + 1)(1 – x)

Sont-elles toujours positives ? Sont-elles toujours négatives?

Sont-elles quelquefois positives, quelquefois négatives ? Calculez !

Quand vous avez une réponse, appelez votre professeur.

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La situation initiale (suite)Etape 2 :

Trouvez un moyen qui vous permet de dire, très vite et de façon fiable, quand votre professeur vous propose une valeur numérique pour x, si l’expression est positive, négative ou nulle.

Les calculatrices ne sont pas autorisées.

Quand vous pensez avoir une méthode, appelez votre professeur.

Le tableau de signes : une technique au service de l’étude d’une expression polynomiale factorisée.

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Notre questionnement1- Pourquoi étudier le signe d’une expression polynomiale ?

A quoi cela sert-il ?

2- Comment étudier le signe d’une expression polynomiale ? Quelles sont les techniques utilisées ? Quelles sont les justifications de ces techniques données aux élèves actuellement ?

Le signe d’une expression polynomiale : où le trouve-t-on ? En quelle compagnie ? Quel est son rôle ? Comment l’étudier ?

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Où trouve-t-on des réponses?Dans le savoir savant : un regard historique

Dans le savoir enseigné : programmes et manuels

Historiquement, quand a-t-on étudié le signe d’une expression polynomiale, et pourquoi ?

Quand l’étude du signe d’une expression est-elle apparue dans les programmes ? Dans quels types de problèmes ? Quelles étaient les techniques utilisées ? Comment étaient-elles justifiées ?.

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Au niveau historique

Deux problèmes :

- la détermination du nombre de racines d’une équation polynomiale

- la détermination des racines d’une équation polynomiale

On peut distinguer deux périodes :

avant Cauchy : approche algébrique

après Cauchy : approche par l’analyse

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Avant Cauchy (1789- 1857)

Girard (1595—1632)

Descartes (1596-1650)

Rolle (1652- 1719)

Marquis de L’Hospital (1661-1704)

Euler (1707-1783)

D’Alembert (1717- 1783)

Lacroix (1765-1843)

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Avant Cauchy

Girard (1629), Descartes(1637) :

La détermination du nombre de racines par la méthode du nombre de variations de signe de l’expression.

Descartes 1596-1650

Girard 1595-1632

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Descartes (1637) : La Géométrie,

Il n’est question que d’équations. Les préoccupations de Descartes sont les suivantes :

• la détermination du nombre de racines d’une équation (nombre de vraies racines, de “ fausses racines ”…), résultat énoncé par Girard en 1629 dans son Invention nouvelle en algèbre ;

• le calcul des valeurs exactes - et non des valeurs approchées des solutions d'une équation ;

• la construction géométrique des racines.

• L’étude du signe d’une quantité algébrique n’apparaît pas.

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Descartes

1596-1650Exemple de problème de construction conduisant à une équation polynomiale

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Règles de Descartes

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Règles de Descartes

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Règles de Descartes: explication

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Rolle Algèbre (1690)

Rolle remarque que les racines, que nous appelons maintenant réelles, d’un polynôme sont nécessairement séparées par celles du polynôme, que l’on appelle maintenant polynôme dérivé, ces dernières par celles du polynôme dérivé second, et ainsi de suite. C’est la méthode appelée méthode des cascades.

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Le Marquis de l’Hospital (Analyse des infiniment petits pour l’intelligence des lignes

courbes, 1696) :

L’idée de variation apparaît page 42 : “ on conçoit aisément qu’une quantité qui diminue continuellement, ne peut devenir positive à négative sans passer par le zéro ”.

Le calcul infinitésimal ne s’intéresse pas à ce qui est devenu un point essentiel de notre enseignement à savoir les variations de signe d’une quantité.

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1- Où l’on donne les règles du calcul sur les différences.

2-Usage du calcul des différences pour trouver les tangentes à toute sorte de lignes courbes.

3- Usage du calcul différentiel pour trouver les plus grandes & les moindres appliquées.

4-Usage du calcul des différence pour trouver les points d ’inflexion& les points de rebroussement.

5- Usages des différences pour trouver les développées.

6-Usage du calcul des différences pour trouver des caustiques par réflexion.

7-Usage du calcul des différences pour trouver des caustiques par réfraction.

8-Usage du calcul des différences pour trouver les points des lignes courbes qui touchent une infinité de lignes données de position, droites ou courbes.

9- Solution de quelques problèmes qui dépendent des méthodes précédentes.

10- Nouvelle manière de se servir du calcul des différences dans les courbes géométriques, d ’où l ’on déduit la méthode M. Descartes &Hudde.

Table des matières

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D ’Alembert , Lacroix

D’Alembert(1784), Lacroix(1836) propose la détermination exacte ou approchée des racines à l’aide du signe de l’expression (méthode due à Newton). L’existence des racines est justifiée graphiquement.

L’étude du signe d’un polynôme associée à la recherche des racines : la technique du changement de signes ne peut pas être justifiée

La recherche des racines d’un polynôme se nourrit de l’étude du signe du polynôme.

D ’Alembert 1717-1783

Lacroix 1765-1843

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D’Alembert (Encyclopédie méthodique, 1784, ACL Editions), dans l’article

approximation,

• “ Théorème : Si en substituant dans une équation quelconque deux nombres différents à la place de l’inconnue, on obtient des résultats de signes contraires, l’une des valeurs de l’inconnue sera comprise entre les deux nombres substitués ”.

• De ce résultat, énoncé en théorème mais non démontré, il tire des corollaires permettant d’affirmer :* qu’un polynôme de degré impair a toujours une racine réelle,

* que tout polynôme unitaire de degré pair dont le terme constant est négatif admet une solution réelle,

* que tout polynôme unitaire dont le terme constant est négatif a au moins une racine positive,

Suit une technique pour trouver des valeurs approchées.

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Lacroix : seizième édition des Eléments d’algèbre de Lacroix (1836).

• Après avoir étudié tous les cas où l’on pouvait trouver des solutions exactes aux équations, Lacroix, dans le paragraphe intitulé Procédés pour approcher des racines d’une équation numérique (page 298), cite le principe suivant :

• “Lorsque l’on a trouvé deux quantités qui, substituées dans une équation à la place de l’inconnue, donnent deux résultats de signes contraires, on doit conclure qu’une des racines de l’équation proposée est comprise entre ces deux quantités, et est par conséquent réelle ”.

• Par ailleurs, Lacroix expose une technique justifiée pour reconnaître qu’une équation a des racines doubles.

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Euler , Introduction à l’analyse infinitésimale (1796) 

Euler énonce le théorème des valeurs intermédiaires pour les fonctions entières : “  Si une fonction entière Z (c’est à dire polynôme NDLR), en faisant z = a, prend la valeur A et en faisant z = b, prend la valeur B ; en mettant à la place de z des valeurs moyennes entre a et b, la fonction Z peut prendre toutes les valeurs moyennes qu’on voudra entre A et B ”.

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• Dans le chapitre “ De la recherche des facteurs trinômes ”, Euler s’intéresse à la factorisation des expressions polynomiales. Les techniques sont algébriques et s’appuient sur les propriétés des nombres complexes.

• Les factorisations obtenues sont utilisées pour sommer des séries infinies (chapitre 10) puis pour décomposer des fractions rationnelles en éléments simples.

• Dans le tome premier, on ne trouve aucune trace du signe de l’expression mais les techniques de factorisation des polynômes à coefficients réels sont bien présentes.

La localisation des racines conduit à la recherche (locale) du signe d’une expression.

Euler

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Bilan

Ainsi, on constate que, jusqu’à Cauchy, la problématique essentielle est :

• la recherche des valeurs exactes des racines d’une équation polynomiale,

• la localisation des racines pour la détermination de valeurs approchées des racines d’une équation polynomiale.

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Cauchy : la primauté de l’analyse dans l’approche

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Cauchy

La problématique de la variation des fonctions apparaît :

On étudie le signe de la dérivée pour déterminer les variations de fonctions dans le but de déterminer des extrema.

Ce travail s’inscrit dans un domaine externe aux mathématiques.

L’étude des variations d’une fonction à l’aide de sa dérivée fait vivre le signe d’un polynôme.

Cauchy 1789-1857

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Bolzano 1781-1848

“ Dans la théorie des équations, il y a deux théorèmes dont on pouvait dire récemment encore que la démonstration entièrement correcte est inconnue. L’un est le suivant : il faut qu’il y ait toujours, entre deux valeurs quelconques de la grandeur inconnue qui donnent deux résultats de signes opposés, au moins une racine réelle de l’équation. Voici l’autre : toute fonction algébrique rationnelle entière d’une grandeur variable peut être décomposée en facteurs réels du premier et second degré. ” Bolzano (1817)

Bolzano

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Avec Cauchy, la problématique de la variation des fonctions apparaît, de façon explicite mais non essentielle, dans les résumés de ses cours à l’Ecole Polytechnique (1823).

La recherche des variations se fait à partir de l’étude du signe de la dérivée. Cette problématique de la variation des fonctions semble être restée étrangère aux fondateurs et aux premiers utilisateurs du calcul infinitésimal.( Newton, Leibniz, Euler).

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Pourquoi étudier les variations de fonctions?

C'est essentiellement dans le cadre de l'étude et de la résolution des équations différentielles ou aux dérivées partielles, issues de la mécanique et de la physique (questions relatives aux petites oscillations des corps, à la stabilité du système solaire, au mouvement des fluides, à la diffusion de la chaleur) que l'intérêt d'une étude qualitative des fonctions va être défendu, par Poincaré mais d'abord par Sturm (Mémoires sur la résolution des équations numériques, 1835).

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Sturm (1835)

Détermination du nombre de zéros d’un polynôme à l’aide des signes d’une suite de polynômes.

L’étude du signe de polynômes est associée à la recherche des racines. La technique du changement de signes s’appuie sur une nouvelle technologie dans un cadre théorique.

Sturm 1803-1855

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Sturm « La résolution des équations numériques est une question qui n’a cessé d’occuper les géomètres, depuis l’origine de l’algèbre jusqu’à nos jours. Lagrange, le premier, a donné pour cet objet une méthode rigoureuse …/... Mais, dans l’application, la longueur des calculs .../… la rend presque impraticable. Le théorème dont le développement est l’objet de ce mémoire …/… fournit un moyen très sûr de connaître combien une équation a de racines réelles comprises entre deux nombres quelconques ; cette connaissance suffit pour conduire à la détermination effective de toutes les racines réelles.  »(Sturm 1835)

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Bilan Historiquement, dans le cas des fonctions polynômes, c'est à partir de leur forme développée que se fait la recherche des zéros. L’étude du signe est un moyen de détermination de ces zéros.

L’étude du signe d’une expression polynomiale factorisée ne vit pas dans le savoir savant.

La question se pose donc de comprendre ce qui a motivé, au niveau de l’enseignement :

- l’étude systématique du signe d’une expression algébrique .

- le choix des techniques qui sont proposées aux élèves pour conduire cette étude, les types de problèmes traités, leurs diverses formes au cours du temps.

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Dans l’enseignement

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Dans l’enseignement…

Etude des variations de fonctions

Equations paramétriques

du second degré

Le savoir savant de l’algèbre va essayer de s’adapter.

Le savoir savant de Cauchy va devenir savoir à enseigner.

Les deux techniques vont entrer en concurrence.

Par l’algèbre

Dérivées

Par l’analyse

Neveu 1908

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L’algèbre va résister quelque temps car l’étude de variations de certaines fonctions font « vivre » les équations paramétriques du second degré.

Mais l’étude des variations des fonctions par le signe de la dérivée va supplanter les techniques algébriques : les équations paramétriques n’ont plus de raisons d’être et vont disparaître peu à peu de l’enseignement (dans les années 1970).

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Etude des variations de fonctions

Par l’analyse(Dérivées)

Equations paramétriques

du second degré

Donc fonctions créées pourla circonstance … et que

l’on étudie encore

Naissance de traditions didactiques

Dans l’enseignement…

Les équations paramétriques du second degré ne vont plus pouvoir vivre et vont lentement disparaître.

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Un exemple : le programme de 1902

a- Classe de seconde C et D“ Variation de l’expression ax+b ; représentation graphique.Equation du second degré à une inconnue.- Nature et signe des racines.- Etude du trinôme du second degré. Changements de signes. Inégalités du second degré . Problèmes du second degré. Variations du trinôme du second degré ; représentation graphique.Variations de l’expression ax+b/cx+d; représentation graphique.

Notion de dérivées ; signification géométrique de la dérivée. –Le sens de variation est indiqué par le signe de la dérivée ; application à des exemples numériques très simples. ”En classe de mathématiques ces apprentissages sont repris et approfondis. A l’étude des fonctions du premier et du second degré , de la fonction homographique est ajoutée celle des fonctions bicarrées, des quotients de fonctions polynômes du second degré et des fonctions de la forme x3 + px + q.

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Un exemple:Neveu 1908

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Neveu 1908

Ce cours comprend trente cinq leçons• Les huit premières sont consacrées aux nombres, aux polynômes, aux

fractions rationnelles• Les leçons 9 à 14 traitent des problèmes du premier degré : équations,

systèmes d’équation, problèmes qui y conduisent• Les leçons 15 à 22 traitent des problèmes du second degré• Les leçons 23 à 27 sont consacrées à l’étude des fonctions au programme• Les leçons 28 à 31 traitent de la dérivation et de ses applications à l’étude

des fonctions et aux calculs de surfaces et de volumes • L’étude du signe d’une expression occupe une place importante dans

l’ouvrage, 13% du volume de l’ouvrage y est directement consacrée , 20% du volume si l’on ajoute les études faites sur la factorisation des polynômes et sur les fractions rationnelles pour pouvoir en étudier le signe.

• Les études de signe sont constamment utilisées pour les études de fonctions qui sont conduites de deux manières (pour les mêmes fonctions) :

– Directement dans les chapitres 23 à 27– A l’aide des dérivées dans les chapitres 28 à 31

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Des exemples de mise en œuvre dans les manuels avant 2000

du tableau de signes• Neveu (1908)

• Maillard (1962)

• Riche (1970)

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Une technique écologiquement viable...

D’autres techniques sont apparues puis ont disparues…

Pourquoi?

Maillard 1962

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Maillard 1962

Résoudre l’inéquation (x-5)(x-1)(x-2)(x+3)>0

Les facteurs successifs s’annulent respectivement pour les valeurs 5 ; -1 ; 2 ;-3. Nous rangeons ces valeurs par ordre croissant : -3 ; -1 ; 2 ; 5.

D’après ce qui précède, nous pouvons conclure que pour x>5 tous les facteurs sont positifs et l’inéquation est vérifiée.

Si maintenant x prend une valeur comprise entre 2 et 5, seul le facteur x-5 change de signe et le produit change de signe. Le produit est donc négatif pour 2< x <5. Et le raisonnement se poursuit…/…

Le schéma indique les changements de signe

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Riche (1970)

Remarquons que la valeur d’un polynôme du premier degré change de signe quand x “ traverse ” son zéro. La valeur d’un polynôme du second degré change de signe si x “ traverse ” un zéro simple du polynôme, mais elle ne change pas de signe si x “ traverse ” un zéro double.

• Ce résultat est général ; la valeur d’un polynôme P ne peut changer de signe que si x “ traverse ” un zéro du polynôme P, si x “ traverse un zéro simple (d’ordre 1) ou triple (d’ordre 3), la valeur de P(x) changera de signe ; si x “ traverse ” un zéro double (d’ordre 2) ou un zéro quadruple (d’ordre 4), la valeur de P(x) ne changera pas de signe.

• Considérons, par exemple, le polynôme. P est un polynôme du 7ième

degré. Il admet –2 comme zéro double,1 comme zéro simple, 3 comme zéro triple, 5 comme zéro simple. Sur chacun des intervalles ]– ∞, 1[, ]1, 3[, ]3, 5[, ]5, + ∞[, P(x) conserve un signe constant. Calculons la valeur de P(x) pour x appartenant à l’un de ces intervalles. Par exemple P(0), P(0)<0 ; P(x) est donc négatif lorsque x décrit ]-2, 1[. D’où le tableau :

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Riche (suite)

x- -2 1 3 5 +P(x) – - + - +

C o n s i d é r o n s , p a r e x e m p l e , l e p o l y n ô m e 2 3( ) 6 3 ( 2 ) ( 1 ) ( 3 ) ( 5 )P x x x x x . P e s t u n p o l y n ô m e d u 7 i è m e d e g r é . I l a d m e t – 2 c o m m e z é r o d o u b l e ,1 c o m m e z é r o s i m p l e , 3 c o m m e z é r o t r i p l e , 5 c o m m e z é r o s i m p l e . S u r c h a c u n d e s i n t e r v a l l e s ] – 8 , 1 [ , ] 1 , 3 [ , ] 3 , 5 [ , ] 5 , + 8 [ , P ( x ) c o n s e r v e u n s i g n e c o n s t a n t . C a l c u l o n s l a v a l e u r d e P ( x ) p o u r x a p p a r t e n a n t à l ’ u n d e c e s i n t e r v a l l e s . P a r e x e m p l e P ( 0 ) , P ( 0 ) < 0 ; P ( x ) e s t d o n c n é g a t i f l o r s q u e x d é c r i t ] - 2 , 1 [ .D ’ o ù l e t a b l e a u :

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Conclusions ( provocations ?)

Quelles sont les raisons d’être de ce que l’on enseigne ?

Peut-on trouver des situations motivantes sur des notions insignifiantes?

Je vous renvoie au travail de la Commission Inter IREM didactique actuel