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Chapitre 10
Cours 3

Résolution de problèmes géométriques

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A
Problème de lieux géométriques

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Définition
Un lieu géométrique est un ensemble de points qui satisfont une même condition.
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Exemple
L'ensemble des points \text{M} qui vérifient :
  • \text{MA} = \text{MB} est la médiatrice du segment \text{[AB].}
  • \overrightarrow{\mathrm{AM}}=k \overrightarrow{\mathrm{AB}} est la droite \text{[AB]} ou une partie de celle-ci, suivant les valeurs de k.
  • \Omega \text{M}=r (avec r>0) est le cercle de centre \Omega et de rayon r .
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Application et méthode
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Énoncé
Suivant les valeurs de k, déterminer le lieu géométrique des points \text{M} du plan vérifiant : \overrightarrow{\mathrm{MA}} \cdot \overrightarrow{\mathrm{MB}}=k. On note \text{I} le milieu de \text{[AB].}
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Méthode

  • On transforme la relation donnée de façon à faire apparaître une relation connue.
  • On nomme le lieu géométrique obtenu et on précise ses éléments caractéristiques.
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Solution
D'après le théorème de la médiane on a : \overrightarrow{\mathrm{MA}} \cdot \overrightarrow{\mathrm{MB}}=\mathrm{MI}^{2}-\dfrac{1}{4} \mathrm{AB}^{2}.
Donc \overrightarrow{\mathrm{MA}} \cdot \overrightarrow{\mathrm{MB}}=k {\Leftrightarrow \mathrm{MI}^{2}-\dfrac{1}{4} \mathrm{AB}^{2}=k} {\Leftrightarrow \mathrm{MI}^{2}=k+\dfrac{1}{4} \mathrm{AB}^{2}}.
  • Si k+\dfrac{1}{4} \mathrm{AB}^{2}\lt0 alors il n'y a pas de solution : \mathcal{S}=\emptyset.
  • Si k+\dfrac{1}{4} \mathrm{AB}^{2} = 0 alors seul le point \text{I} vérifie \mathrm{MI}^{2}=0 : \mathcal{S}=\{\mathrm{I}\}.
  • Si k+\dfrac{1}{4} \mathrm{AB}^{2}\gt0 alors \mathcal{S} est le cercle de centre \text{I} et de rayon \sqrt{k+\dfrac{1}{4} \mathrm{AB}^{2}}.


Pour s'entraîner
exercices
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B
Problème d'optimisation géométrique

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Définition
Optimiser une quantité, c'est trouver un point ou un lieu qui la maximise ou qui la minimise.
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Exemple
Soient les points \text{A}(4\: ; 0) et \text{B}(0\: ; 11). On place un point \text{M} sur le segment \text{[AB]} et on place \text{N} et \text{P} sur les axes de façon à ce que \text{MNOP} soit un rectangle.
On veut savoir où placer le point \text{M} de façon à ce que l'aire du rectangle soit maximale.
Dans GeoGebra, on a tracé la figure et on a fait afficher un point \text{C} qui a pour abscisse celle du point \text{M} et pour ordonnée l'aire du rectangle.
Le point qui maximise cette aire est donc le point de coordonnées (2 \:; 5{,}5).
Placeholder pour Problème d'optimisation géométriqueProblème d'optimisation géométrique
Le zoom est accessible dans la version Premium.
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Application et méthode
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Énoncé
On cherche le point \text{M} qui minimise la quantité \text{MA}^2 +\text{MB}^2\text{A} et \text{B} sont deux points fixés du plan.
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Méthode

  • On transforme l'expression de façon à retrouver une ou des constantes ainsi qu'une valeur à minimiser facilement.
  • Il est encore une fois souvent utile de penser à la relation de Chasles pour insérer un point remarquable (milieu, centre de gravité, autre point de la figure).
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Solution
On appelle \text{I} le milieu de \text{[AB].}
On a donc \mathrm{MA}^{2}+\mathrm{MB}^{2}=(\overrightarrow{\mathrm{MI}}+\overrightarrow{\mathrm{IA}})^{2}+(\overrightarrow{\mathrm{MI}}+\overrightarrow{\mathrm{IB}})^{2},
puis \mathrm{MA}^{2}+\mathrm{MB}^{2}=2 \mathrm{MI}^{2}+2 \overrightarrow{\mathrm{MI}} \cdot(\overrightarrow{\mathrm{IA}}+\overrightarrow{\mathrm{IB}})+\dfrac{1}{2} \mathrm{AB}^{2}.
\overrightarrow{\mathrm{IA}}+\overrightarrow{\mathrm{IB}}=\overrightarrow{0}, donc on doit minimiser 2 \mathrm{MI}^{2}+\dfrac{1}{2} \mathrm{AB}^{2}. Pour \mathrm{M} \neq \mathrm{I}, 2 \mathrm{MI}^{2}>0, donc c'est pour \text{M} = \text{I} que la valeur atteint son minimum.

Pour s'entraîner
exercices
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C
Formule d'Al-Kashi

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Démonstration
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Remarque

Si \text{ABC} est rectangle en \text{A}, on retrouve le théorème de Pythagore.
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Propriété
Pour tout triangle \text{ABC}, on a : \text{BC}^2 = \text{AB}^2 + \text{AC}^2 - 2 \times \text{AB} \times \text{AC} \times \cos\left(\widehat{\text{BAC}}\right).

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