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Vecteurs et translations — cours

1ère année · section Tronc commun · mathématiques, programme officiel tunisien.

Le cours

Point de départ · 1

Deux segments [AB][AB] et [CD][CD] ont la même longueur (3 cm3\text{ cm}), mais les droites (AB)(AB) et (CD)(CD) ne sont pas parallèles. Les vecteurs AB\vec{AB} et CD\vec{CD} sont-ils égaux ?

Remarque

Pour que deux vecteurs soient égaux, la même longueur ne suffit pas : ils doivent aussi avoir la même direction (droites parallèles) et le même sens.

Définition · 2

Définition d'un vecteur

Deux points AA et BB définissent le vecteur AB\vec{AB}.

Vocabulaire

  • OrigineAA
  • ExtrémitéBB

Direction : droite (AB)Sens : de A vers BLongueur : AB\text{Direction : droite } (AB) \quad | \quad \text{Sens : de } A \text{ vers } B \quad | \quad \text{Longueur : } AB

Remarque

Si A=BA = B, on obtient le vecteur nul, noté 0\vec{0} : AA=0\vec{AA} = \vec{0}.

Exemple travaillé · 3

Déterminer les trois caractéristiques du vecteur AB\vec{AB} représenté sur la figure.

1

Direction : la droite (AB)(AB).

2

Sens : de AA vers BB.

3

Longueur : la distance ABAB.

Piège classique · 4

Soient AA et BB deux points distincts. Quel est l'ensemble des points MM vérifiant AM=AB\vec{AM} = \vec{AB} ?

Attention

Penser que l'ensemble est un cercle de centre AA, en confondant l'égalité vectorielle avec l'égalité de distance AM=ABAM=AB.

À la place : AM=AB\vec{AM} = \vec{AB} impose la même origine AA, la même direction, le même sens et la même longueur. L'extrémité est unique : M=BM = B.

Vérification · 5

D'après la figure ci-dessus, quelle égalité vectorielle est correcte ?

Remarque

AB\vec{AB} et CD\vec{CD} ont la même direction, le même sens et la même longueur. EF\vec{EF} a la même direction et la même longueur, mais un sens opposé.

Point de départ · 6

On donne quatre points A,B,C,DA, B, C, D non alignés tels que AB=CD\vec{AB} = \vec{CD}. Quelle est la nature du quadrilatère formé par ces points ?

Remarque

AB=CD\vec{AB}=\vec{CD} signifie que les segments [AB][AB] et [CD][CD] ont même direction, même sens et même longueur : ils forment les côtés opposés d'un parallélogramme.

Définition · 7

Égalité vectorielle et parallélogramme

Soient A,B,C,DA, B, C, D quatre points non alignés.

AB=CD    ABDC est un paralleˊlogramme\vec{AB} = \vec{CD} \iff ABDC \text{ est un parallélogramme}

AB=CD    [AD] et [BC] ont le meˆme milieu\vec{AB} = \vec{CD} \iff [AD] \text{ et } [BC] \text{ ont le même milieu}

AB=CD    AC=BD\vec{AB} = \vec{CD} \iff \vec{AC} = \vec{BD}

Piège classique · 8

Si AB=CD\vec{AB} = \vec{CD} avec A,B,CA, B, C non alignés, quel est le nom exact du parallélogramme formé ?

Attention

Nommer le quadrilatère ABCDABCD par automatisme alphabétique.

À la place : AB=CD\vec{AB}=\vec{CD} signifie que les segments opposés sont [AB][AB] et [CD][CD]. Les sommets consécutifs forment le parallélogramme ABDCABDC.

Exemple travaillé · 9

Soient A,B,C,D,E,FA, B, C, D, E, F six points tels que BE=DA\vec{BE} = \vec{DA} et CB=FD\vec{CB} = \vec{FD}. Montrer que CE=FA\vec{CE} = \vec{FA}.

1

BE=DA\vec{BE} = \vec{DA} caractérise le parallélogramme BEDABEDA, donc AE=DB\vec{AE} = \vec{DB}.

2

CB=FD\vec{CB} = \vec{FD} caractérise le parallélogramme CBDFCBDF, donc CF=DB\vec{CF} = \vec{DB}.

3

Par transitivité avec le vecteur pivot DB\vec{DB} : AE=CF\vec{AE} = \vec{CF}.

4

AE=CF\vec{AE} = \vec{CF} caractérise le parallélogramme AECFAECF, donc CE=FA\vec{CE} = \vec{FA}.

Vérification · 10

MNPQMNPQ est un parallélogramme. Quelle égalité vectorielle est vraie ?

Remarque

Dans le parallélogramme MNPQMNPQ, les côtés opposés [MN][MN] et [QP][QP] sont parallèles et de même longueur, dans le même sens : MN=QP\vec{MN} = \vec{QP}.

Point de départ · 11

Le point II est le milieu du segment [AB][AB]. Quelle égalité vectorielle est correcte ?

Remarque

De AA vers II et de II vers BB, le déplacement s'effectue dans la même direction, le même sens et avec la même longueur : AI=IB\vec{AI} = \vec{IB}.

Définition · 12

Caractérisation vectorielle du milieu

Soient AA et BB deux points distincts et II un point du plan.

I est le milieu de [AB]    AI=IBI \text{ est le milieu de } [AB] \iff \vec{AI} = \vec{IB}

IA=BI\vec{IA} = \vec{BI}

Remarque

AI\vec{AI} et IB\vec{IB} ont la même direction (droite (AB)(AB)), le même sens et la même longueur (AI=IBAI=IB).

Piège classique · 13

Soient AA et BB deux points distincts. Quel est l'ensemble des points MM tels que MB=MA\vec{MB} = \vec{MA} ?

Attention

Penser que l'ensemble est la médiatrice de [AB][AB], en confondant l'égalité vectorielle avec l'égalité de distances MB=MAMB=MA.

À la place : Deux vecteurs ayant la même origine MM sont égaux si et seulement si leurs extrémités sont confondues (A=BA=B). Comme ABA \neq B, aucun point MM ne convient : l'ensemble est vide.

Exemple travaillé · 14

Soit ABCABC un triangle. On pose BA=CE\vec{BA} = \vec{CE} et AC=BF\vec{AC} = \vec{BF}. Montrer que CC est le milieu du segment [EF][EF].

1

Par hypothèse : BA=CE\vec{BA} = \vec{CE}.

2

AC=BF\vec{AC} = \vec{BF} équivaut à AB=CF\vec{AB} = \vec{CF}.

3

En inversant le sens des vecteurs opposés : BA=FC\vec{BA} = \vec{FC}.

4

Par transitivité : FC=CE\vec{FC} = \vec{CE}.

5

L'égalité FC=CE\vec{FC} = \vec{CE} prouve que CC est le milieu du segment [EF][EF].

Vérification · 15

BB est le milieu du segment [AC][AC]. Quelle égalité vectorielle est vraie ?

Remarque

BB est le milieu de [AC][AC] équivaut à AB=BC\vec{AB} = \vec{BC} (même sens, de AA vers CC).

Point de départ · 16

On fait glisser un point MM selon le vecteur u\vec{u} pour obtenir un point MM'. Quelle égalité vectorielle traduit ce déplacement ?

Remarque

Le vecteur du déplacement a pour origine le point de départ MM et pour extrémité le point d'arrivée MM' : on a MM=u\vec{MM'} = \vec{u}.

Définition · 17

Définition de la translation

Soit u\vec{u} un vecteur et MM un point du plan.

M=tu(M)    MM=uM' = t_{\vec{u}}(M) \iff \vec{MM'} = \vec{u}

tAB(A)=Bt_{\vec{AB}}(A) = B

Remarque

La translation de vecteur nul 0\vec{0} est l'identité du plan : t0(M)=Mt_{\vec{0}}(M) = M.

Exemple travaillé · 18

Soient AA et BB deux points distincts. Construire le point M=tAB(M)M' = t_{\vec{AB}}(M) selon la position du point MM.

1

Par définition de la translation : MM=AB\vec{MM'} = \vec{AB}.

2

Si M(AB)M \notin (AB) : l'égalité MM=AB\vec{MM'} = \vec{AB} caractérise le parallélogramme ABMMABM'M. On construit donc le quatrième sommet MM' de ce parallélogramme.

3

Si M(AB)M \in (AB) : MM' est le point de la droite (AB)(AB) tel que MM=ABMM' = AB, dans le même sens que le vecteur AB\vec{AB}.

Vérification · 19

ABCDABCD est un parallélogramme. Quelle est l'image du point DD par la translation de vecteur AB\vec{AB} ?

Remarque

Dans le parallélogramme ABCDABCD, on a l'égalité DC=AB\vec{DC} = \vec{AB}. L'image de DD par la translation de vecteur AB\vec{AB} est donc le point CC car DC=AB\vec{DC} = \vec{AB}.

Point de départ · 20

On applique à une droite Δ\Delta une translation de vecteur u\vec{u}. Si u\vec{u} est parallèle à Δ\Delta, que devient la droite ?

Remarque

Chaque point de Δ\Delta se déplace sur la droite Δ\Delta elle-même : l'ensemble des points obtenus redonne exactement la droite Δ\Delta.

Définition · 21

Image d'une droite par une translation

Soit Δ\Delta une droite et u\vec{u} un vecteur.

tu(Δ)=ΔavecΔ//Δt_{\vec{u}}(\Delta) = \Delta' \quad \text{avec} \quad \Delta' // \Delta

Si u//Δ, alors tu(Δ)=Δ\text{Si } \vec{u} // \Delta, \text{ alors } t_{\vec{u}}(\Delta) = \Delta

Piège classique · 22

Quelle est l'image de la droite (AB)(AB) par la translation de vecteur AB\vec{AB} ?

Attention

Tracer une droite parallèle distincte de (AB)(AB).

À la place : Le vecteur AB\vec{AB} est porté par (AB)(AB). La droite glisse sur elle-même : tAB((AB))=(AB)t_{\vec{AB}}((AB)) = (AB).

Exemple travaillé · 23

ABCDABCD est un parallélogramme. Déterminer tAD((AB))t_{\vec{AD}}((AB)) et tDC((AB))t_{\vec{DC}}((AB)).

1

L'image de AA par tADt_{\vec{AD}} est DD. L'image de (AB)(AB) est la droite parallèle à (AB)(AB) passant par DD, c'est-à-dire (DC)(DC).

2
tAD((AB))=(DC)t_{\vec{AD}}((AB)) = (DC)
3

Comme ABCDABCD est un parallélogramme, DC=AB\vec{DC} = \vec{AB} : le vecteur DC\vec{DC} est directeur de (AB)(AB).

4
tDC((AB))=(AB)t_{\vec{DC}}((AB)) = (AB)

Vérification · 24

ABCDABCD est un parallélogramme. Quelle est l'image de la droite (BC)(BC) par la translation de vecteur AD\vec{AD} ?

Remarque

Dans le parallélogramme ABCDABCD, on a AD=BC\vec{AD} = \vec{BC}. Le vecteur de translation est porté par (BC)(BC), donc tAD((BC))=(BC)t_{\vec{AD}}((BC)) = (BC).

Point de départ · 25

Pour construire l'image d'un cercle ζ\zeta de centre OO et de rayon rr par une translation, que suffit-il de faire ?

Remarque

La translation conserve les distances : le rayon ne change pas. Il suffit de translater le centre OO et de tracer le cercle de même rayon.

Définition · 26

Propriétés de conservation par translation

tu(ζ(O,r))=ζ(O,r)avecOO=ut_{\vec{u}}(\zeta_{(O,r)}) = \zeta'_{(O',r)} \quad \text{avec} \quad \vec{OO'} = \vec{u}

Toute translation conserve les distances, l'alignement, les milieux, les angles géométriques, le parallélisme et l'orthogonalité.

tu(D1D2)=tu(D1)tu(D2)t_{\vec{u}}(D_1 \cap D_2) = t_{\vec{u}}(D_1) \cap t_{\vec{u}}(D_2)

Piège classique · 27

Soit ζ\zeta un cercle de centre AA et de rayon 3 cm3\text{ cm}. Quelle est l'image de ζ\zeta par la translation de vecteur AB\vec{AB} ?

Attention

Modifier le rayon du cercle ou remplacer le rayon par la longueur ABAB.

À la place : La translation conserve les distances : le nouveau centre est tAB(A)=Bt_{\vec{AB}}(A) = B et le rayon reste strictement égal à 3 cm3\text{ cm}.

Exemple travaillé · 28

Soit ABCABC un triangle d'orthocentre HH. On pose t=tut = t_{\vec{u}}. On note A,B,CA', B', C' et HH' les images respectives de A,B,CA, B, C et HH par tt. Montrer que HH' est l'orthocentre du triangle ABCA'B'C'.

1

Dans le triangle ABCABC, (AH)(AH) est perpendiculaire à (BC)(BC) et (BH)(BH) est perpendiculaire à (AC)(AC).

2

La translation conserve l'orthogonalité : t((AH))=(AH)t((AH)) = (A'H') est perpendiculaire à t((BC))=(BC)t((BC)) = (B'C'), donc (AH)(A'H') est une hauteur de ABCA'B'C'.

3

De même, t((BH))=(BH)t((BH)) = (B'H') est perpendiculaire à t((AC))=(AC)t((AC)) = (A'C'), donc (BH)(B'H') est une autre hauteur de ABCA'B'C'.

4

La translation conserve l'intersection : H=t((AH)(BH))=(AH)(BH)H' = t((AH) \cap (BH)) = (A'H') \cap (B'H'). Le point HH' est donc l'orthocentre du triangle ABCA'B'C'.

Vérification · 29

Soit un triangle ABCABC rectangle en AA avec AB=3AB = 3 et AC=4AC = 4. On pose A=tu(A)A' = t_{\vec{u}}(A), B=tu(B)B' = t_{\vec{u}}(B) et C=tu(C)C' = t_{\vec{u}}(C). Compléter les mesures du triangle transformé ABCA'B'C'.

Remarque

La translation conserve les distances et l'orthogonalité : AB=AB=3A'B' = AB = 3 et l'angle en AA' reste égal à 9090^{\circ}.

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