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# Chapitre 5 Géométrie plane seconde et terminale

## 5.1 Les transformations planes

### 5.1.1 La translation

Définition Une translation de vecteur V est une transformation ponctuelle qui, à un point M fait correspondre un point M′ tel que :
MM′=V
Propriétés Soient 2 points A et B et leurs transformés A′ et B′ par la translation de vecteur V.
On a par hypothèse : AA′=V et BB′=V. On en déduit que AB=A′B′.
La transformée d’une droite est une droite de même direction.
Le transformé d’un cercle est un cercle de même rayon.
La translation conserve les angles.
Avec Xcas `translation(B-A,M)` (resp `translation(a+i*b,M)`) désigne le translaté de M dans la translation de vecteur AB (resp d’affixe a+ib).
Une visualisation On considère la translation de vecteur 2+i.
On veut visualiser l’image par cette translation des 4 carrés :

    C1:=carre(i,1+i,affichage=1+rempli);
    C2:=carre(1,2,affichage=2+rempli);
    C3:=carre(i+1,2+i,affichage=3+rempli);
    C4:=carre(0,1,affichage=4+rempli)

On tape :

    C1:=carre(i,1+i,affichage=1+rempli);
    translation(2+i,C1,affichage=1+rempli);
    C2:=carre(1,2,affichage=2+rempli);
    translation(2+i,C2,affichage=2+rempli);
    C3:=carre(i+1,2+i,affichage=3+rempli);
    translation(2+i,C3,affichage=3+rempli);
    C4:=carre(0,1,affichage=4+rempli);
    translation(2+i,C4,affichage=4+rempli);
    translation(1+i,carre(0,1),affichage=4+rempli)

On obtient :

### 5.1.2 La rotation

Définition Une rotation de centre O et d’angle t est une transformation ponctuelle qui, à un point M fait correspondre un point M′ tel que :
OM=OM′ et (OM,OM′=t+2nπ (n∈
Z)
Propriétés Soient 2 points A et B et leurs transformés A′ et B′ par la rotation de centre O et d’angle t. On a :
AB=A′B′ et (AB,A′B′=t+2nπ La transformée d’une droite est une droite.
Le transformé d’un cercle est un cercle de même rayon.
La rotation conserve les angles.
Avec Xcas `rotation(O,t,M)` désigne le transformé de M dans la rotation de de centre, le point O, et d’angle t.
`rotation(a+i*b,t,M)` désigne le transformé de M dans la rotation de centre, le point d’affixe a+ib, et d’angle t.
Une visualisation On considère la rotation de centre C=(−2,0) et d’angle π/3.
On veut visualiser l’image par cette rotation des 4 carrés : `C1, C2, C3, C4`.
On tape :

    C1:=carre(i,1+i,affichage=1+rempli);
    rotation(-2,pi/3,C1,affichage=1+rempli);
    C2:=carre(1,2,affichage=2+rempli);
    rotation(-2,pi/3,C2,affichage=2+rempli);
    C3:=carre(i+1,2+i,affichage=3+rempli);
    rotation(-2,pi/3,C3,affichage=3+rempli);
    C4:=carre(0,1,affichage=4+rempli);
    rotation(-2,pi/3,C4,affichage=4+rempli);
    C:=point(-2)

On obtient :

### 5.1.3 La symétrie droite et la symétrie point

Définition La symétrie par rapport à une droite d est une transformation ponctuelle qui, à un point M fait correspondre un point M′ tel que le segment MM′ soit perpendiculaire à d en son milieu i.e.d est la médiatrice de MM′
La symétrie par rapport à un point O est une rotation de centre O et d’angle π (cf rotation pour les propriétés).
Propriétés de la symétrie droite La transformée d’une droite est une droite.
Le transformé d’un cercle est un cercle de même rayon.
La symétrie transforme un angle en son opposé.
Avec Xcas `symetrie(droite(A,B),M)` ou `symetrie(A,B,M)` désigne le transformé de M dans la symétrie par rapport à la droite AB.
`symetrie(O,M)` désigne le transformé de M dans la symétrie de centre O.
Une visualisation On considère la symétrie par rapport à la droite passant par `A:=point(0)` et `B:= point(-1/2+i)`.
On veut visualiser l’image par cette symétrie des 4 carrés : `C1, C2, C3, C4`.
On tape :

    C1:=carre(i,1+i,affichage=1+rempli);
    C2:=carre(1,2,affichage=2+rempli);
    C3:=carre(i+1,2+i,affichage=3+rempli);
    C4:=carre(0,1,affichage=4+rempli)
    symetrie(droite(0,-1/2+i),C1,affichage=1+rempli);
    symetrie(droite(0,-1/2+i),C2,affichage=2+rempli);
    symetrie(droite(0,-1/2+i),C3,affichage=3+rempli);
    symetrie(droite(0,-1/2+i),C4,affichage=4+rempli);
    droite(0,-0.5+i)

### 5.1.4 L’homothétie

Définition L’homothétie de centre O et de rapport k est une transformation ponctuelle qui, à un point M fait correspondre un point M′ tel que :
OM′=kOM
Propriétés Soient 2 points A et B et leurs transformés A′ et B′ par l’homothétie de centre O et de rapport k. On a :
A′B′=kAB.
La transformée d’une droite est une droite parallèle.
Le transformé d’un cercle de rayon R est un cercle de rayon kR.
L’homothétie conserve les angles.
Avec Xcas `homothetie(O,k,M)` désigne le transformé de M dans l’homothétie de centre O et de rapport k.
Une visualisation On considère la homothétie de centre C=(−2,0) et de rapport 1/2.
On veut visualiser l’image par cette homothétie des 4 carrés : `C1, C2, C3, C4`.
On tape :

    C1:=carre(i,1+i,affichage=1+rempli);
    homothetie(-2,1/2,C1,affichage=1+rempli);
    C2:=carre(1,2,affichage=2+rempli);
    homothetie(-2,1/2,C2,affichage=2+rempli);
    C3:=carre(i+1,2+i,affichage=3+rempli);
    homothetie(-2,1/2,C3,affichage=3+rempli);
    C4:=carre(0,1,affichage=4+rempli);
    homothetie(-2,1/2,C4,affichage=4+rempli);
    C:=point(-2)

On obtient :

### 5.1.5 La similitude

Définition La similitude de centre O, de rapport k et d’angle t est une transformation ponctuelle qui, à un point M fait correspondre un point M′ tel que :
OM′=k*OM et (OM,OM′)=t
Propriétés Soient 2 points A et B et leurs transformés A′ et B′ par la similitude de centre O de rapport k et d’angle t. On a :
A′B′=kAB et (AB,A′B′)=t.
La transformée d’une droite est une droite.
Le transformé d’un cercle de rayon R est un cercle de rayon kR.
La similitude conserve les angles.
Avec Xcas `similitude(O,k,t,M)` désigne le transformé de M dans la similitude de centre O, de rapport k et d’angle t.
Une visualisation On considère la similitude de centre C=(−2,0) et de rapport 1/2 et d’angle 2*pi/3.
On veut visualiser l’image par cette similitude des 4 carrés : `C1, C2, C3, C4`.
On tape :

    C1:=carre(i,1+i,affichage=1+rempli);
    similitude(-2,1/2,2*pi/3,C1,affichage=1+rempli);
    C2:=carre(1,2,affichage=2+rempli);
    similitude(-2,1/2,2*pi/3,C2,affichage=2+rempli);
    C3:=carre(i+1,2+i,affichage=3+rempli);
    similitude(-2,1/2,2*pi/3,C3,affichage=3+rempli);
    C4:=carre(0,1,affichage=4+rempli);
    similitude(-2,1/2,2*pi/3,C4,affichage=4+rempli);
    C:=point(-2)

On obtient :

### 5.1.6 L’inversion

Définition Une inversion de centre C et de puissance k est une transformation ponctuelle qui, à un point M fait correspondre un point M′ tel que :
OM*OM′=k
Propriétés Deux points quelconques et leurs inverses sont cocycliques ou sont alignés avec le centre d’inversion.
L’inverse d’une droite passant par le centre d’inversion est elle-même.
L’inverse d’une droite ne passant pas par le centre d’inversion est un cercle passant par le centre d’inversion dont le diamètre est perpendiculaire à la droite.
Avec Xcas `inversion(C,k,M)` désigne le point inverse de M dans l’inversion de centre C et de puissance k.
Une visualisation On considère l’inversion de centre 0 et de puissance 1.
On veut visualiser l’image par cette inversion des 3 carrés :
`carre(i,1+i,affichage=1+rempli),
carre(i+1,2+i,affichage=3+rempli),
carre(1,2,affichage=2+rempli)`
Pour pouvoir remplir une figure ayant comme contour des arcs de cercles on va écrire une procédure qui trace les arcs avec des polygones.
On tape :

    arcpoly(z0,r,a,b):={
    return seq(z0+r*exp(i*t),t=a..b,0.05),z0+r*exp(i*b);
    }:;
    arccorde(z0,r,a,b,coul):={
    local L;
    L:=arcpoly(z0,r,a,b);
    return polygone(L,affichage=coul+rempli)
    }:;
    arcpolyepais(z0,r,a,b,ep,coul):={
    local L;
    L:=z0+(r-ep)*exp(i*a),z0+r*exp(i*a),arcpoly(z0,r,a,b),
      z0+(r)*exp(i*b),z0+(r-ep)*exp(i*b),arcpoly(z0,r-ep,b,a);
    return affichage(polygone(L),c+rempli);
    }:;

Ainsi `arccorde` dessinera la surface comprise entre l’arc et la corde avec la couleur `coul` et `arcpolyepais` dessinera la surface comprise entre 2 arcs, l’un de rayon `r` et l’autre de rayon `r-ep` avec la couleur `coul`.
On tape :

    triangle(1,1+i,i,affichage=4+rempli),
    polygone(a1,a2,a3,affichage=1+rempli),
    polygone(b1,b2,b3,affichage=2+rempli),
    polygone(a2,b2,c1,c2,affichage=3+rempli),
    carre(i,1+i,affichage=1+rempli),
    carre(i+1,2+i,affichage=3+rempli),
    carre(1,2,affichage=2+rempli),legende(0,"O")

On obtient :
Les figures de même couleur sont inverses l’une de l’autre (en particulier les inverses des points de la figure bleue sont aussi dans la figure bleue qui est globalement invariante)

## 5.2 Un problème de partage

### 5.2.1 Le problème

Un père possède un terrain triangulaire. Il veut forer un puits à l’intérieur de son terrain, de façon qu’á sa mort chacun de ses 3 fils possède un morceau triangulaire de même surface ayant accès au puits.

Soit ABC le terrain initial et P l’emplacement du puits.
Chaque fils aura comme morceau ABP ou APC ou BCP et ces morceaux doivent avoir même aire qui est le tiers de l’aire de ABC.
Donc la hauteur de ABP doit être le tiers de la hauteur de ABC issue de C et la hauteur de BCP doit être le tiers de la hauteur de ABC issue de A.
Avec `Xcas` on clique sur 3 points et on tape dans un ècran de géométrie :

    triangle(A,B,C);
    I:=A+(C-A)/3;
    dc:=parallele(I,droite(B,A));
    J:=A+2*(C-A)/3;
    da:=parallele(J,droite(B,C));
    P:=inter_unique(da,dc);
    affichage ([segment(P,A),segment(P,B),segment(P,C)],rouge)
    K:=B+(A-B)/3

On obtient :

On tape pour vérifier :
`aire(A,B,P),aire(B,C,P),aire(C,A,P)`
Propriétés du point `P`
`I` est le milieu de `AJ`, `IP` est parallèle à `AK` donc `P` est le milieu de `KJ`. `AP` est une médiane de `AKJ`, `KJ` est parallèle à `BC` donc `AP` est une médiane de `ABC`.
On montrerait de même que `BP` et `CP` sont des médianes de `ABC`.
`P` est donc le centre de gravité du triangle `ABC` ou encore l’isobarycentre des 3 points `A,B,C`.
On tape pour vérifier :
`affichage(isobarycentre(A,B,C),point_width_2)`

### 5.2.2 Généralisation du problème

Un père possède un terrain triangulaire et a n fils (n=3,4,5...).
Il veut forer un puits à l’intérieur de son terrain, de façon qu’á sa mort, chacun de ses n fils possède un morceau triangulaire de même surface ayant accès au puits. Déterminer le nombre de solutions possibles.

Pour n=4, on cherche 2 points `P` et `D` avec `D` par exemple sur `BC` (il y a donc 3 solutions selon que l’on choisit `D` sur `BC` ou sur `AC` ou sur `AB`) pour que chaque fils ait comme morceau ABP ou APC ou BDP ou DCP et que ces morceaux soient de même aire à savoir le quart de l’aire de ABC.
Avec `Xcas` on clique sur 3 points et on tape dans un ècran de géométrie :

    triangle(A,B,C);
    I:=A+(C-A)/4;
    dc:=parallele(I,droite(B,A));
    J:=A+(C-A)/2;
    da:=parallele(J,droite(B,C));
    P:=inter_unique(da,dc);
    D:=milieu(B,C);
    affichage ([segment(P,A),segment(P,B),segment(P,C),
                segment(P,D)],rouge);
    K:=B+(A-B)/2;

On obtient :

On tape pour vérifier :
`aire(A,B,P),aire(B,D,P),aire(C,A,P),aire(D,C,P)`
Propriétés du point `P`
`I` est le milieu de `AJ`, `IP` est parallèle à `AK` donc `P` est le milieu de `KJ`. `AP` est une médiane de `AKJ`, `KJ` est parallèle à `BC` donc `AP` est la médiane `AD` de `ABC`.
De plus `P` est le milieu de `AD` puisque `J` est le milieu de `AC`, `JP` est parallèle à `DC` .
`P` est donc le barycentre des 3 points `[A,2],[B,1],[C,1]`.
On tape pour vérifier :
`affichage(barycentre([A,2],[B,1],[C,1]),point_width_2)`.
Les 2 autres solutions, pour l’emplacement du puits, sont obtenues avec :
`affichage(barycentre([A,1],[B,2],[C,1]),point_width_2)`
`affichage(barycentre([A,1],[B,1],[C,2]),point_width_2)`
Pour n=5, on cherche 3 points `P, D` et `E` avec `D et E` sur un même côté par exemple sur `BC` ou `D` et `E` sur des côtés différents par exemple `D` sur `BC` et `E` par exemple sur `AC` (il y a donc en tout 6 solutions : 3 solutions selon que l’on choisit `D` et `E` sur `BC` ou sur `AC` ou sur `AB` et 3 solutions selon que l’on choisit `D` et `E` pas sur `BC` ou pas sur `AC` ou pas sur `AB`) pour que chaque fils ait comme morceau un triangle de sommets pris parmi `A,B,C,D,E,P` et que ces morceaux soient de même aire à savoir le cinquième de l’aire de ABC.
Avec `Xcas` on clique sur 3 points et on tape dans un ècran de géométrie :

    triangle(A,B,C);
    I:=A+(C-A)/5
    dc:=parallele(I,droite(B,A));
    J:=A+2*(C-A)/5;
    da:=parallele(J,droite(B,C));
    P:=inter_unique(da,dc);
    D:=B+(C-B)/3;
    E:=B+2*(C-B)/3;
    affichage ([segment(P,A),segment(P,B),segment(P,C),
                segment(P,D),segment(P,E)],rouge)
    K:=B+3*(A-B)/5;
    affichage(barycentre([A,3],[B,1],[C,1]),point_width_2);

On obtient :

On tape pour vérifier :
`aire(A,B,P),aire(B,D,P),aire(C,A,P),aire(D,E,P),aire(E,C,P)`
Propriétés du point `P`
`I` est le milieu de `AJ`, `IP` est parallèle à `AK` donc `P` est le milieu de `KJ`. `AP` est une médiane de `AKJ`, `KJ` est parallèle à `BC` donc `AP` est la médiane de `ABC`.
De plus `P` est situé au 2/5 de cette médiane de `AD` puisque `J` est situé au 2/5 de `AC`, `JP` est parallèle à `DC`.
Donc l’aire de `PBC` vaut les 3/5 de l’aire de `ABC` `P` est donc le barycentre des 3 points `[A,3],[B,1],[C,1]`.
On tape pour vérifier :
`affichage(barycentre([A,2],[B,1],[C,1]),point_width_2)`.
On voit le partage en rouge sur la figure lorsque le puits est en `P`.
Les 2 autres solutions, pour l’emplacement du puits lorsque l’on choisit `D` et `E` sur le même côté, sont obtenues avec :
`affichage(barycentre([A,1],[B,2],[C,1]),point_width_2)`
`affichage(barycentre([A,1],[B,1],[C,2]),point_width_2)`
Les 3 autres solutions, pour l’emplacement du puits lorsque l’on choisit `D` et `E` sur des côtés, sont obtenues avec :
`affichage(barycentre([A,2],[B,2],[C,1]),point_width_2)`
`affichage(barycentre([A,2],[B,1],[C,2]),point_width_2)`
`Q:=affichage(barycentre([A,1],[B,2],[C,2]),point_width_2)`
On voit le partage en vert sur la figure lorsque le puits est en `Q` :

On généralise aisément.
On montre par récurrence que le nombre de solutions pour n (n>3) est : (n−2)(n−1)/2.
En effet on cherche le nombre de triplets d’entiers non nuls de somme n i.e. on cherche le nombre de triplets (a,b,c)∈ ℕ*3 vérifiant a+b+c=n. pour n=3 ce nombre est 1=(n−2)(n−1)/2 car (1+1+1=3)
Hypothèse de recurrence : pour n ce nombre est (n−2)(n−1)/2,
pour n+1, on cherche le nombre de triplets d’entiers non nuls de somme n+1 :
si a+b+c=n+1, c’est que a+b<n+1 car c ≠ 0
Donc le problème revient à chercher le nombre de couples (a,b) d’entiers non nuls de somme strictement inférieure à n+1. Par hypothèse de recurrence, le nombre de couples (a,b) d’entiers non nuls de somme strictement inférieure à n est (n−2)(n−1)/2. Il reste donc à comptabiliser les couples (a,b) d’entiers non nuls de somme n : il y en n−1 puisque a peut prendre n−1 valeurs. Donc le nombre de triplets d’entiers non nuls de somme n+1 est :
(n−2)(n−1)/2+n−1=(n−1)(n−2+2)/2=(n−1)n/2. On a ainsi montrer par récurrence que le nombre de solutions pour le partage en n triangles de même aire est (n−2)(n−1)/2.
Il est interessant de voir alors la disposition des différents puits les uns par rapport aux autres : il forme un reseau triangulaire de côté n−2 et on retrouve alors le nombre de puits avec la formule :
1+2+...+(n−2)=(n−2)(n−1)/2.

## 5.3 Le sigle CE

Il existe une différence subtile entre le sigle CE "Comformité Européenne" indiquant que le produit répond à des normes de sécurité et qu’il peut circuler librement en Europe et le sigle CE signifiant "China Export".
Seul l’espace entre le C et le E et différent : dans le sigle chinois le C et le E sont plus proches.
Alors soyez vigilant !

### 5.3.1 Le sigle "Comformité Européenne"

On tape :

    cercle(-5,5);
    cercle(-5,4);
    cercle(4,5);
    cercle(4,4);
    c1:=cercle(-5,5,pi/2,3*pi/2,affichage=rempli);
    c2:=cercle(-5,4,pi/2,3*pi/2,affichage=rempli+ 7);
    c3:=cercle(4,5,pi/2,3*pi/2,affichage=rempli);
    c4:=cercle(4,4,pi/2,3*pi/2,affichage=rempli+ 7);
    rectangle(i/2,-i/2,4,affichage=rempli);
    papier_quadrille(1,pi/2,x=-11..10,y=-6..6);

On obtient :

### 5.3.2 Le sigle "China Export"

On tape :

    cercle(1,5);
    cercle(1,4);
    c1:=cercle(-5,5,pi/2,3*pi/2,affichage=rempli);
    c2:=cercle(-5,4,pi/2,3*pi/2,affichage=rempli+ 7);
    c5:=cercle(1,5,pi/2,3*pi/2,affichage=rempli);
    c6:=cercle(1,4,pi/2,3*pi/2,affichage=rempli+ 7);
    rectangle(-3+i/2,-3-i/2,4,affichage=rempli);
    papier_quadrille(1,pi/2,x=-11..10,y=-6..6);
    cercle(-5,5);
    cercle(-5,4);

On obtient :

## 5.4 Le cercle inscrit

### 5.4.1 Le problème

Soient ABC un triangle et M un point qui se déplace sur le segment BC. Soit I (resp J) le centre du cercle inscrit au triangle ABM (resp ACM). Montrer que le cercle de diamètre IJ passe par un point fixe lorsque le point M se déplace sur le segment BC.

### 5.4.2 Les lemmes

#### Lemme1

Soient c est un cercle de diamètre AB et une corde MP avec M et P situé d’un même côté de AB. Soient A1 et B1 les projections respectives de A et B sur MP.
Alors

▸

A1M

=

▸

PB1

En effet le centre de c est le milieu de AB et donc il se projette sur le milieu de MP. Comme le milieu de AB se projette sur le milieu O1 de A1B1, on a A1B1 et MP ont même milieu.
Donc :

▸

A1M

=

▸

A1O1

+

▸

O1M

=

▸

O1B1

+

▸

PO1

=

▸

PB1

#### Lemme2

Soient ABC un triangle et K le centre de son cercle inscrit.
Alors K est le barycentre des points [A,a],[B,b],[C,c] où a,b,c sont les longueurs des côtés BC, AC, AB.

Si la bissectrice intérieure de l’angle A coupe BC en A1 on a : A1B/A1C=c/b donc b*A1B=c*A1C ou encore puisque A1 se trouve sur le segment BC :

b*

▸

A1B

+c*

▸

A1C

=0

donc A1 est le barycentre de [B,b],[C,c].

Si la bissectrice intérieure de l’angle B coupe AC en B1 on a : B1A/B1C=c/a donc a*B1A=c*B1C ou encore puisque B1 se trouve sur le segment AC :

a*

▸

B1A

+c*

▸

B1C

=0

donc B1 est le barycentre de [A,a],[C,c].
Donc le barycentre des points [A,a],[B,b],[C,c] est l’intersection de AA1 et de BB1 c’est à dire l’intersection des bissectrices K qui est le centre du cercle inscrit.

#### Lemme3

Soient un triangle ABC et K1 un point de la droite BC.
Alors K1 est la projection sur BC du centre du cercle inscrit à ABC si et seulement si :

K1B−K1C=AB−AC

Soit K le centre du cercle inscrit à ABC.
Soient K1, K2 et K3 les projections respectives de K sur BC, AC et AB. Puisque les côtés AB,AC,BC sont des tangentes au cercle inscrit et que K1,K2,K3 sont les points de contact de ces tangentes, on a :

BK1=BK3, CK1=CK2, AK2=AK3

et K1, K2 et K3 se trouvent respectivement sur les segments sur BC, AC et AB. Donc :

AB−AC=AK3+K3B−(AK2+K2C)=K1B−K1C

Soit K1 tel que K1B−K1C=AB−AC.
Le point K1 se trouve sur le segment BC en effet si K1 était à l’exterieur de BC on aurait |K1B−K1C|=|BC|>|AB−AC| d’apres l’inégalité triangulaire ce qui condredit l’hypothèse K1B−K1C=AB−AC. L’égalité K1B−K1C=AB−AC définit un seul point K1 du segment BC, ce point est donc la projection du centre du cercle inscrit à ABC

### 5.4.3 La solution géométrique

Pour la solution géométrique, on va se servir des lemmes 1 et 3. La bissectrice de l’angle BMA et la bissectrice de l’angle CMA sont perpendiculaire donc M est sur le cercle de diamétre IJ. Ce cercle coupe le segment BC en M et P. Montrons que P est fixe. Soient I1 et J1 les projections de I et J sur BC.

D’après le lemme3 on a :
I1B−I1M=AB−AM et
J1M−J1C=AM−AC donc

I1B−I1M+J1M−J1C=AB−AM+AM−AC=AB−AC

Puisque I1 et J1 sont entre B et C, et que M et P sont entre I1 et J1, on a M et P sont entre B et C.
D’après le lemme1 on a :
I1M=PJ1 et I1P=MJ1 donc

I1B−I1M+J1M−J1C=I1B−PJ1+I1P−J1C

M et P sont entre B et C donc I1B+I1P=PB et PJ1+J1C=PC d’où :

PB−PC=AB−AC

Le point P est fixe et P est la projection du centre K du cercle inscrit à ABC.

### 5.4.4 La solution avec `Xcas`

Le choix des paramètres est important ! Sans perte de généralité, on peut prendre l’origine du repère en B, et C sur l’axe des x d’abscisse a. Le point M est donc sur l’axe des x d’abscisse m<a .
Si on choisit comme paramètres les coordonnèes de A, `Xcas` n’arrive pas à faire les calculs (cf la remarque ci-après). Mais si on choisit comme paramètres les longueurs b et c des côtés AC et AB les calculs sont simples même si on ne définit pas les centres des cercles inscrits comme des barycentres : on peut indifférement mettre pour définir I :
`I:=barycentre([A,m],[B,l1],[M,c]);` (cf lemme2) ou
`I:=normal(centre(inscrit(A,B,M)));` (idem pour définir J et K) On tape :

    B:=point(0);
    supposons(a=[1,0,2,0.1]);
    C:=point(a);
    supposons(b=[0.9,0,2,0.1]);
    supposons(c=[1.1,0,2,0.1]);
    A:=inter(cercle(B,c),cercle(C,b))[1];
    triangle(A,B,C);
    supposons(m=[0.4,0,a,0.1]);
    M:=point(m);
    b1:=longueur(A,M);
    I:=barycentre([A,m],[B,b1],[M,c]);
    J:=barycentre([A,a-m],[C,b1],[M,b]);
    K:=barycentre([A,a],[B,b],[C,c],affichage=1);
    I1:=projection(droite(y=0),I,affichage=quadrant3);
    J1:=projection(droite(y=0),J,affichage=quadrant4);
    K1:=projection(droite(y=0),K,affichage=quadrant2+
                                   epaisseur_point_2);

On obtient :

On tape :

`simplify(2*longueur(B,K1)-a))`

On obtient :

`-b+c`

cela prouve le lemme3 puisque CK1=a−BK1 on a :

BK1−CK1=2*BK1−a=c−b=AB−AC

On tape en se servant du lemme1 pour définir P :

`P:=I1+vecteur(M,J1):;`
`simplify(affixe(P))`

On obtient :

`(a-b+c)/2`

Donc P est fixe.
On tape :

`simplify(affixe(K1))`

On obtient :

`(a-b+c)/2`

Donc P et K1 sont confondus.

Remarque On peut aussi faire faire le calcul à `Xcas` avec au départ plus de paramètres que nécessaire et donner ensuite les relations entre ces paramètres seulement à la fin des calculs.
On choisit comme paramètres :
a1 l’abscisse de A,
a l’abscisse de C,
m l’abscisse de M,
b1 la longueur de AM,
b la longueur de AC,
c la longueur de AB.
cos(B) le cosinus de l’angle B qu triangle ABC Ces paramètres vérifient :
a1=c*cos(B)
b12=m2+c2−2m*c*cos(B)
b2=c2+a2−2a*c*cos(B)
Si on note i1 l’affixe de I1, j1 l’affixe de J1 et p1 l’affixe de P1, on a, avec les notations précédentes, PB−PC=2*PB−a.
On tape :

    i1:=affixe(barycentre([point(a1),m],[point(0),b1],[point(m),c]));
    j1:=affixe(barycentre([point(a1),a-m],[point(m),b],[point(a),b1]));
    p1:=simplify(i1+j1-m);
    res:=simplify(2*p1-1);
    res:=simplify(subst(subst(res,[a1=c*cos(B),b1^2=m^2+c^2-2*m*c*cos(B)]),
                cos(B)=(-b^2+c^2+a^2)/(2*c*a)));

On obtient alors facilement pour PB−PC=2*PB−a=`res` :
`-b+c`
Donc PB−PC=c−b=AB−AC.

## 5.5 Un problème de surface minimum

Ce problème a ète donné aux olympiades académiques de 2005.

### 5.5.1 Le problème

Soit une feuille de papier rectangulaire ABCD de côtés AB=4 unités et BC=6 unités. Soient R un point du segment AB et, T un point du segment CB. R et T sont tels que si on plie la feuille selon le segment RT le point B se trouve sur le segment AD. On appelle S le point du segment AD qui coincide avec B lors du pliage.
On pose AR=a et BT=b.

- Trouver les valeurs minimales et maximales de a,
- Trouver une relation entre a et b,
- Trouver la valeur de a pour laquelle l’aire de BRT est minimale.

### 5.5.2 La figure

On peut faire la figure à l’aide d’une feuille de papier que l’on plie de façon à amener le coin B de la feuille sur AD ou bien, on utilise `Xcas` mais alors :

- on peut définir tout d’abord S, puis définir la pliure comme la médiatrice m de BS, puis on trouve les points R et T comme intersection de m avec les segments AB et BC.
  Grâce à `s:=element(0..6);S:=point(s*i);` on peut faire bouger le point S sur AD.
  On tape (voir `minis.xws`) :

      A:=point(0);
      B:=point(4);
      C:=point(4+6*i);
      D:=point(6*i);
      quadrilatere(A,B,C,D);
      assume(s=[2,0,6]);
      S:=point(s*i);
      m:=mediatrice(B,S);
      R:=inter_unique(m,droite(A,B));
      T:=inter_unique(m,droite(C,B));
      equation(m);
      r:=coordonnees(R);
      t:=normal(coordonnees(T));
      AT:=aire(triangle(R,B,T));

  On obtient :
- on peut définir tout d’abord R d’abscisse a, puis définir le point S comme intersection du cercle de centre R et de rayon 4−a avec le segment AD, puis la pliure comme la médiatrice m de BS,

  On tape (voir `minia.xws`):

      A:=point(0);
      B:=point(4);
      C:=point(4+6*i);
      D:=point(6*i);
      quadrilatere(A,B,C,D);
      assume(a=[1,0,4]);
      R:=point(a);
      S:=inter(cercle(R,4-a),segment(A,D))[0];
      m:=mediatrice(B,S);
      T:=inter_unique(m,droite(C,B));
      equation(m);
      coordonnees(S);
      normal(coordonnees(T));
      AT:=aire(triangle(R,B,T));
      plotfunc(AT-5,a);
      segment(R,a+i*(AT-5));

Dans les 2 cas, on obtient, après réglage de la fenêtre graphique, la figure :

### 5.5.3 Les calculs avec `Xcas`

On obtient :

- dans le premier cas :
  `equation(m)` et on obtient `Y=(4/s*X+(s```^```2-16)/(2*s))`
  `coordonnees(R)` et on obtient `[-1/8*s```^```2+2,0]`
  `normal(coordonnees(T))` et on obtient `[4,(s```^```2+16)/(2*s)]`
  `AT:=aire(triangle(R,B,T))` et on obtient `(s```^```2+16)/2/s*(1/8*s```^```2+2)/2`
  mais toutes les réponses sont fonction de `s` qui a été choisi comme paramètre.
  Si on veut avoir la relation liant b et a on tape :
  `factor(resultant(a-r[0],numer(b-t[1]),s))`
  on obtient :
  `32*(2*a```^```2+a*b```^```2-16*a-2*b```^```2+32)` donc `2*a```^```2+a*b```^```2-16*a-2*b```^```2+32=0`
- dans le deuxième cas :
  pour `equation(m)`, on obtient `y=((-(sqrt(-2*a+4)))/(a-2)*x+a*sqrt(-2*a+4)/(a-2))`
  pour `coordonnees(S)`, on obtient `[0,sqrt((-a+4)```^```2-a```^```2)]`
  pour `normal(coordonnees(T))`, on obtient `[4,(a-4)*sqrt(-2*a+4)/(a-2)]`
  pour `AT:=aire(triangle(R,B,T))`, on obtient `(a-4)*sqrt(-2*a+4)/(a-2)*(4-a)/2`
  donc `b=(a-4)*sqrt(-2*a+4)/(a-2)` ou encore :
  si a≠ 2 on a :
  `factor(b```^```2*(a-2)```^```2-(a-4)```^```2*(4-2*a))=0` `(a-2)*(b```^```2*a-2*b```^```2+2*a```^```2-16*a+32)=0` donc `2*a```^```2+a*b```^```2-16*a-2*b```^```2+32=0`

### 5.5.4 La démonstration

#### Les valeurs minimales et maximales de a

En faisant bouger `s` ou `a`, on voit que `R` va se déplacer du point `A` au point `R1` d’abscisse `a1` qui correspond à `S` en `S1` et `T` en `C`, c’est à dire lorsque `m` passe par `C`.
On a alors :
S=0+i*s avec 0 ≤ s ≤ 6 et SC=6 donc S est sur le cercle de centre `C` et de rayon 6 qui a pour équation : (X−4)2+(Y−6)2=36
si X=0 on a (Y−6)2=36−16=20 donc s=6−√20=6−2√5
On a :
S1R1=4−a1, AR1=a1 et AS1=6−2√5
comme le triangle AS1R1 est rectangle en A on a :
(4−a1)2=a12+(6−2√5)2=a12+−24*√5+56
donc
−8*a1=−24*√5+40
donc a1=3*√5−5.
Autre solution :
Le triangle DS1C est rectangle donc DS12=36−16=20=(6−s1)2 soit DS1=2√5
Les triangles rectangles AR1S1 et DS1C sont semblables donc :
AR1/DS1=a1/(2√5)=R1S1/S1C=(4−a1)/6 soit
a1(6+2√5)=8√5 donc
a1=8√5*(6−2√5)/16=3√5−5
Donc 0 ≤ a ≤ 3√5−5 ≃ 1.7082039325.

#### Relation entre a et b

Soit E la projection de T sur AD.
Le triangle ARS est rectangle en A donc AS2=SR2−AR2 soit :
s2=(4−a)2−a2=8*(2−a) Les triangles rectangles ARS et EST sont semblables donc :
RS/ST=(4−a)/b=AS/ET=s/4 soit
s=4(4−a)/b, soit s2=16*(4−a)2/b2=8*(2−a) donc :
(2−a)*b2−2*(4−a)2=0
Si on développe :
`expand((2-a)*b```^```2-2*(4-a)```^```2)`, on trouve `-b```^```2*a+2*b```^```2-2*a```^```2+16*a-32`

#### Valeur de a pour que l’aire de BRT soit minimale

On veut avoir (4−a)*b minimum. On pose u=(4−a)*b on a donc :
b=u/(4−a) donc =0 soit
(2−a)*u2=2*(4−a)4 c’est à dire :
u2=2*(4−a)4/(2−a)
On cherche les variations de u et on tape :
`factor(diff(2*(4-a)```^```4/(2-a),a))`
On obtient :
`(-2*(3*a-4)*(a-4)```^```3)/((a-2)```^```2)` `u*u’` est positif pour `a>4/3` et est negatif pour `a<4/3`.
Donc lorsque `a=4/3`, `u` est minimum.
On tape :
`subst(2*(4-a)```^```4/(2-a),a=4/3)`
On obtient :
`4096/27` Donc la surface minimum vaut :
`normal(sqrt(4096/27))=(192*sqrt(3))/27`
la valeur de `b` est :
`normal((192*sqrt(3))/27/(4-4/3))=8*sqrt(3)/3` a valeur de `s` est :
`normal(sqrt(8*(2-4/3)))=(4*sqrt(3))/3`
Dans ce cas le triangle BTR est un demi triangle équilatéral puisque :
`b=8*sqrt(3)/3` et `4-a=8/3`.
L’angle `T` du triangle isocèle BTS vaut donc pi/3 : ce triangle est donc équilatéral.

## 5.6 La boite de biscuits

### 5.6.1 L’énoncé 1

On veut emballer 40 biscuits d’epaisseur 0.5 cm et ayant la forme d’un quart de cercle de rayon 5 cm dans une boite ayant la forme d’un parallélépipède rectangle. Les biscuits sont dans 2 sachets fraicheur de 20 biscuits et ayant chacun 10 cm de haut.

- On décide de mettre les 2 sachets bout à bout. Quelle sont les dimensions de la boite et calculer sa surface.
- On décide de mettre les 2 sachets de façon qu’ils soient tangents. Quelle sont les dimensions de la boite et calculer sa surface.
- Quelle est la boite la plus économique ?

### 5.6.2 Solution de l’énoncé 1

La réponse :

- La boite a comme dimension : 20× 5× 5. Sa surface est donc: 2*5*5+20*4*5=450 cm2.
- On ouvre un écran de géométrie (`Alt+g`) et on tape : `cercle(point(0),5,0,pi/2,affichage=1+rempli)` cela dessine le premier biscuit. La position du deuxième biscuit aura pour centre `point(a,5)` et il faut trouver `a` pour que les 2 cercles soient tangents.
  On tape :

       cercle(point(0),5,0,pi/2,affichage=1+rempli);
      supposons(a=[8.66,5,10,0.01]);
       cercle(point(a,5),5,pi,3*pi/2,affichage=3+rempli);
      I:=inter(cercle(point(a,5),5,pi,3*pi/2),
      cercle(point(0),5,0,pi/2))

  et on fait bouger le curseur `a`. On trouve que `a` est proche de 8.66 car il n’y a qu’un point d’intersection.
  Pour faire un calcul exact à la main, il suffit de savoir que le point de tangence des deux biscuits se trouve au milieu du segment qui joint les centres qui est ici le `segment(0,point(a+5*i))`. Lorsque les 2 cercles sont tangents ce segment a pour longueur 10 cm. Donc on a d’après le théorème de Pythagore :
  a2=102−52=75 donc a=5√3 ≃ 8.66025403784.
  La boite a comme dimension : 10× 5× 5√3. Sa surface est donc: 2*5*5√3+10*2*(5+ 5√3)=100+150√3=359.807621135 cm2
- La deuxième boite de suface 359.807621135 cm2 est la plus économique.

On a :

### 5.6.3 L’énoncé 2

On veut emballer 40 biscuits d’epaisseur 0.5 cm et ayant la forme d’un quart de cercle de rayon 5 cm dans une boite ayant la forme d’un parallélépipède rectangle. Les biscuits sont dans 5 sachets fraicheur de 8 biscuits et ayant chacun 4 cm de haut.
On décide de mettre un sachet dans chaque coin de la boite et 1 sachet au milieu, de façon qu’ils soient tangents aux 4 autres. Quelle est la dimension de la boite de surface minimum ?

### 5.6.4 Solution de l’énoncé 2

La réponse :
On ouvre un écran de géométrie (`Alt+g`). Le premier biscuit sera `cercle(point(0),5,0,pi/2,affichage=1+rempli)`.
On choisit un paramètre `a` et on positionne le deuxième biscuit dans le coin `D:=point(0,10+2*a)`
Le cinquième biscuit (celui que l’on met au milieu de la boite) aura pour centre I qui sera le point d’intersection de la tangente au biscuit 1 d’équation y=−x+5*√2 avec y=5+a.
Le troisième biscuit doit être tangents au cinquième biscuit, son centre J est donc sur l’axe des x et sur le cercle de centre I et de rayon 10. IL faut bien sûr imposer que `abscisse(J)>=10` Il faut trouver `a` pour que la surface de la boite soient minimum.
On tape :

    cercle(point(0),5,0,pi/2,affichage=1+rempli);
    supposons(a=[1.66,0,5,0.01]);
    cercle(point(0,10+2*a),5,3*pi/2,2*pi,affichage=2+rempli);
    I:=inter_unique(droite(y=5+a),droite(y=-x+5*sqrt(2)));
    cercle(I,5,-pi/4,pi/4,affichage=5+rempli);
    J:=inter(droite(y=0),cercle(I,10))[0]:;
    cercle(J,5,pi/2,pi,affichage=3+rempli);
    cercle(translation((10+2*a)*i,J),4,pi,3*pi/2,affichage=5+rempli);
    xj:=normal(abscisse(J))
    evalf(xj*(10+2*a)*2+2*4*(xj+10+2*a)

et on fait bouger le curseur `a`. On trouve que `a` varie entre 0 et 0.453289254261.
En effet : `xj:=normal(abscisse(J))` renvoie :
`-a+5*sqrt(2)-5+sqrt(-a```^```2-10*a+75)` et
`evalf(solve(-a```^```2-10*a+75-(15+a-5*sqrt(2))```^```2=0,a))`
renvoie `[-13.3822214424,0.453289254261]`
la surface de la boite est donc :
`xj*(10+2*a)*2+8*(xj+10+2*a)`
qui varie de `380.477011792` à `385.361761927` lorsque `a` varie de `0` à `0.45`
Donc on prend `a=0` et alors `xj` vaut `5*sqrt(2)-5+5sqrt(3)` ou encore `10.7313218497`
La boite est donc de dimensions 4*5*(5√2−5+5√3) et sa surface vaut `20*(5*sqrt(2)-5+5*sqrt(3))+8*(5*sqrt(2)-5+5*sqrt(3)+80)` c’està dire :
`28*(5*sqrt(2)-5+5*sqrt(3))+80` ou encore `380.477011792`
On obtient :

## 5.7 Une construction géométrique : inscrire un carré dans une "goutte"

### 5.7.1 L’énoncé

Une goutte d’eau representée ci-dessous est constituée par 2 demi-cercles C2 et C3 de centre O2 et O3 et rayon r et d’un demi-cercle C1 de centre O et de rayon 2r.
On cherche à placer 4 A,B,C,D points surle contour de cette goutte pour que ABCD soit un carré.
Pour chercher, on fait la figure suivante et on tape dans un écran de géométrie :

    C1:=cercle(0,6,0,pi):;C1;
    C2:=cercle(3,3,0,pi):;C2;
    C3:=cercle(-3,3,pi,2*pi):;C3;
    a:=element(0 .. pi,1.947787474,0.031415927);
    A:=element(C1,a);
    c:=element(pi .. (2*pi),4.618141269,0.031415927)
    C:=element(C3,c);
    C4:=cercle(A,C,affichage=rouge);
    B:=inter(C4,C1)[0];
    D:=inter(C4,C2)[1];
    polygone(A,B,C,D);
    O:=point(0);

On fait bouger les curseurs `a` et `c` pour essayer d’avoir un rectangle et on obtient :
Il semble que le segment CD passe par O.

### 5.7.2 Des lemmes sur les rectangles et leur cercle circonscrit

Les lemmes qui suivent vont montrer que si un rectangle direct ABCD a ses sommets sur le pourtour de la goutte un de ses sommets est le point d’intersection A de C1 et C3 et son côté CD passe par 0.
Lemme 1
Si 3 sommets d’un rectangle sont sur un demi-cercle Γ de centre O, alors le quatrième sommet se trouve sur le demi-cercle γ symétrique de Γ par rapport à O. Dans le cas de la goutte cela veut dire que si un rectangle a ses sommets sur le pourtour de la goutte, il ne peut pas y avoir 3 sommets sur le même demi cercle.
Lemme 2
Si 2 sommets M et P d’un rectangle sont sur un demi-cercle Γ de centre O, alors ces sommets sont consécutifs car sinon le centre de Γ serait le milieu de MP et le rectangle aura ses 4 sommets sur le cercle de diamètre MP (cercle qui contient Γ). Dans le cas de la goutte cela veut dire que si un rectangle a deux sommets sur un même demi-cercle (faisant partie du pourtour de la goutte) alors ces 2 sommets sont consécutifs.
Lemme 3
Soient c1, c2 et c3 les cercles complétant C1, C2 et C3 Montrons qu’il n’y a pas de rectangle ayant tous ses sommets sur C2∪ C3. En effet, si par exemple A et B sont sur C3 et si C et D sont sur C2 : l’angle A est droit donc le symétrique B1 de B par rapport à O3 se trouve sur AD et sur c3 et l’angle B est droit donc le symétrique A1 de A par rapport à O3 se trouve sur BC et sur c3 : les deux droites AD et BC sont donc symétriques par rapport à O3.
De même l’angle C est droit donc le symétrique D1 de D par rapport à O2 e trouve sur BC et sur c2 etc...Donc les deux droites AD et BC sont donc symétriques par rapport à O2.
Donc AD et BC sont paralléles à O2O3 c’est à dire que AB et AC sont confondus et le rectangle se réduit à une droite.
Lemme 4
Supposons qu’il y ait 2 sommets A et B sur le demi-cercle C2. Les côtés AD et BC sont symétriques par rapport à O2 et ces côtés coupent C1 et C3 en des points qui sont de part et d’autre de AB. Donc A et B ne sont pas consécutifs.
Lemme 5
Supposons qu’il y ait 2 sommets A et B sur le demi-cercle C3. Les côtés AD et BC sont symétriques par rapport à O3.
Supposons que D soit sur C1 et que AD coupe c1 en D1. L’angle D est droit donc DC passe par D2 symétrique de D1 par rapport à O et donc D2 est sur C1.
BC coupe le cercle c3 en A3 symétrique de A par rapport à O3 et coupe le cercle C2 en A2 et en C. L’angle C est droit donc DC passe par A3 symétrique de A2 par rapport à O2 et donc A3 est sur c2.
Donc si DC passe par D2 situé sur C1, il ne peut pas couper c2 que si D2 et A3 sont confondus et sont sur la droitre OO2 c’est à dire si A se trouve en P intersection de C1 et C3.
Même raisonnement si C est sur C1 et D sur C2.

Lemme 6
Il y a 2 sommets sur le demi-cercle C Soient da et db les perpendiculaires à AB en A et B. Considérons A1 et B1 les symétriques de A et B par rapport à O. Puisque AA1 et BB1 sont des diamètres du cercle de centre O et de rayon 2r, da passe par B1 et db passe par A1. AB1 et A1B sont des segments symétriques par rapport à O et les demi-cercles de rayon r sont aussi symétriques par rapport à O. Donc AB1 et A1B coupent les demi-cercles de rayon r en deux points D et C symétriques par rapport à O. Donc DC passe par O.

### 5.7.3 Construction du carré

Si A et B sont sur le demi-cercle de centre O et de rayon 2r alors le segment CD passe par O si les angles A et B de ABCD sont droits, On tape :

    C1:=cercle(0,6,0,pi):;C1;
    C2:=cercle(3,3,0,pi):;C2;
    C3:=cercle(-3,3,pi,2*pi):;C3;
    O:=point(0);
    a:=element(0 .. pi,1.947787474,0.031415927);
    A:=element(C1,a);
    b:=element(0 .. pi,2.82743343,0.031415927;)
    B:=element(C1,b);
    C5:=cercle(0,6,pi,2*pi):;affichage(C5,1);
    A1:=symetrie(O,A);
    B1:=symetrie(O,B);
    s1:=segment(A,B1):;s1;
    s2:=segment(A1,B):;s2;
    D:=inter(C2,s1)[1];
    C:=inter(C3,s2)[1];
    segment(A,B);

On obtient :

Pour avoir un carré il suffira de choisir OA=2r et OD=AD/2 donc OD2+AD2=5*OD2=4*r2 c’est à dire :
OD=2r√5/5.
Dans la figure on a choisit r=3 donc OD=6/5*sqrt5 OD est donc l’hypoténuse d’un triangle rectangle de côté 6/5 et 12/5. Si le point `D1:=point(12/5,6/5):;D1`, on a OD=OD1.
On tape dans un écran de géométrie :

    C1:=cercle(0,6,0,pi):;C1;
    C2:=cercle(3,3,0,pi):;C2;
    C3:=cercle(-3,3,pi,2*pi):;C3;
    O:=point(0);
    D1:=point(12/5,6/5):;D1;
    D:=inter(C2,cercle(O,longueur(O,D1)))[0];
    C:=symetrie(O,D);
    carre(C,D,A,B);

On obtient :
On remarque que :
le point B est sur l’axe des x car l’angle C est droit,
le point D a pour coordonnées 6/5,12/5.

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