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3ᵉ · Chapitre 12 · Espace et géométrie
Transformations de figures, effets sur longueurs, angles, aires et volumes, lien avec Thalès.
Regarde la grande aiguille d'une horloge : en un quart d'heure, elle tourne d'un quart de tour autour du centre du cadran. Regarde maintenant une photo sur ton téléphone : en écartant deux doigts, tu l'agrandis sans la déformer. Ces deux gestes du quotidien correspondent aux deux transformations de ce chapitre : la rotation, qui fait tourner les figures autour d'un point, et l'homothétie, qui les agrandit ou les réduit à partir d'un point. Aucune des deux ne déforme vraiment les figures : elles changent leur position ou leur taille, mais respectent leur forme.
En 5e, tu as étudié la symétrie centrale : faire tourner une figure d'un demi-tour autour d'un point. La rotation généralise cette idée : on tourne toujours autour d'un point, mais d'un angle quelconque, dans un sens qu'il faut préciser.
Définition
Une rotation est définie par trois éléments :
L'image d'un point (distinct de ) par la rotation de centre et d'angle , dans le sens inverse des aiguilles d'une montre, est le point tel que :
La définition est la même pour n'importe quel angle et n'importe quel sens.
Sur la figure, le point se trouve sur le cercle de centre passant par : c'est le sens de la condition , codée par les petits traits sur et . Le point a « glissé » le long de ce cercle d'un angle de , dans le sens indiqué par la flèche.
Deux remarques importantes :
Méthode
Pour construire l'image d'un point par la rotation de centre et d'angle , dans le sens inverse des aiguilles d'une montre :
Pour une figure entière (un triangle par exemple), on construit l'image de chaque sommet, puis on relie les points images dans le même ordre.
Propriété
Sur quadrillage, les demi-tours et les quarts de tour se construisent sans rapporteur ni compas, en comptant les carreaux.
Méthode
Quart de tour sur quadrillage. Pour construire l'image d'un point par le quart de tour de centre dans le sens des aiguilles d'une montre :
Sur la figure, le triangle a tourné d'un quart de tour autour de : le chemin de à (« carreaux vers la gauche, vers le bas ») est devenu « carreaux vers le haut, vers la gauche », ce qui mène à . Tu peux vérifier que l'angle mesure bien , et que la même règle fonctionne pour et .
Comme la symétrie centrale, la rotation déplace les figures sans les déformer. Les propriétés suivantes sont admises : on les observe et on les vérifie sur les constructions.
Propriété
Une rotation conserve :
En particulier :
Une figure et son image par une rotation sont donc superposables.
Exemple
Le triangle vérifie cm et , et son périmètre vaut cm. Si est l'image de par une rotation, alors, sans rien mesurer, on peut affirmer que cm, que et que le périmètre de vaut cm.
Les rotations sont partout dans les arts décoratifs. Une rosace s'obtient en faisant tourner un même motif autour d'un centre, par rotations successives d'un même angle.
Exemple
Sur la rosace ci-dessus, le pétale foncé est reproduit par rotations successives de autour du centre . Il faut pétales pour boucler le tour complet, car : une rotation de plus ramènerait le motif exactement sur sa position de départ.
On retrouve la même idée dans les frises (un motif répété le long d'une bande, parfois retourné par des demi-tours) et dans les pavages (un motif qui remplit le plan sans trou ni chevauchement, comme un carrelage) : beaucoup de pavages utilisent des quarts de tour ou des demi-tours pour faire tourner le motif d'une case à l'autre.
Changeons de geste : au lieu de faire tourner une figure, on va l'agrandir ou la réduire, comme avec un zoom. Il faut pour cela un point de départ (le centre) et un coefficient (le rapport).
Définition
Soit un point et un nombre positif. L'image d'un point par l'homothétie de centre et de rapport est le point tel que :
Le centre est son propre image.
Sur la figure, l'homothétie a pour centre et pour rapport : chaque point image se trouve sur la demi-droite issue de qui passe par le point de départ, mais deux fois plus loin de . Ainsi , et . Le triangle a exactement la même forme que , avec des côtés deux fois plus longs.
Définition
Soit un nombre positif. L'homothétie de rapport réalise :
Lorsque , chaque point reste sur place : la figure ne bouge pas.
Exemple
On applique au point l'homothétie de centre et de rapport , avec cm. L'image est le point de la demi-droite tel que cm : c'est le milieu du segment . Toutes les longueurs de la figure sont divisées par : c'est une réduction.
En 3e, le rapport d'une homothétie peut aussi être négatif. Dans ce cas, l'image passe de l'autre côté du centre.
Définition
Soit un point et un nombre négatif. L'image d'un point par l'homothétie de centre et de rapport est le point tel que :
Sur la figure, le rapport vaut : chaque point image est de l'autre côté de , à une distance fois plus grande (, et de même pour et ). Résultat : le triangle image est fois plus grand et il a la tête en bas, comme s'il avait aussi fait un demi-tour.
Un cas particulier mérite le détour : l'homothétie de centre et de rapport envoie chaque point sur le point situé de l'autre côté de , à la même distance. C'est exactement le demi-tour de centre , c'est-à-dire la symétrie centrale !
Propriété
Une homothétie de rapport (positif ou négatif) conserve :
De plus :
Attention : contrairement à la rotation, l'homothétie ne conserve pas les longueurs dès que . Une figure et son image ne sont alors pas superposables (elles n'ont pas la même taille), mais elles ont la même forme : c'est tout l'intérêt d'un agrandissement ou d'une réduction réussis.
Que deviennent les aires et les volumes dans un agrandissement ou une réduction ? Attention, ils ne sont pas multipliés par le rapport ! Pour le comprendre, imagine un carré de côté cm : un agrandissement de rapport en fait un carré de côté cm, dont l'aire vaut . L'aire a été multipliée par , et non par .
Propriété
Dans un agrandissement ou une réduction de rapport (avec ) :
Les angles, eux, ne changent pas.
Exemple
Un solide a une base d'aire et un volume de . On le réduit avec le rapport .
Tu connais bien la configuration du théorème de Thalès : deux triangles emboîtés qui partagent un sommet. Cette configuration cache en réalité... une homothétie.
Dans un triangle , plaçons un point sur le segment et un point sur le segment , de sorte que soit parallèle à .
Le petit triangle est alors l'image du grand triangle par l'homothétie de centre et de rapport : le centre ne bouge pas, l'image de est , et l'image de est . Comme l'homothétie multiplie toutes les longueurs par le même rapport, on retrouve exactement les égalités du théorème de Thalès :
Et la configuration « papillon », où et sont de l'autre côté de ? C'est la même histoire, avec une homothétie de centre et de rapport négatif : le triangle image est de l'autre côté du centre, retourné. Voilà pourquoi les rapports de Thalès s'écrivent de la même façon dans les deux configurations.
Méthode
Calculer une longueur avec une homothétie. Dans la configuration ci-dessus, on donne cm, cm et cm, et on cherche .
Symétrie axiale, symétrie centrale, rotation, homothétie : tu disposes maintenant d'une belle collection de transformations. Retiens l'essentiel : la rotation déplace les figures sans changer leurs dimensions, l'homothétie change leurs dimensions sans changer leur forme, et toutes les deux respectent les angles.
On peut le travailler ensemble dès cette semaine. Une séance ciblée sur ce chapitre, et vous repartez au minimum avec une méthode.