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Translations — cours

2ème année · section Sciences · mathématiques, programme officiel tunisien.

Le cours

Point de départ · 1

On applique le même glissement de vecteur u\vec{u} aux points AA et BB pour obtenir AA' et BB'. Que peut-on dire des vecteurs AA\vec{AA'} et BB\vec{BB'} ?

Remarque

Tous les points du plan subissent le même déplacement : le vecteur qui relie chaque point à son image est toujours égal au vecteur constant u\vec{u}.

Définition · 2

Définition vectorielle de la translation

Soit u\vec{u} un vecteur du plan.

tu:PP,  MM    MM=ut_{\vec{u}} : P \to P, \; M \mapsto M' \iff \vec{MM'} = \vec{u}

MM' est l'image de MM par la translation tut_{\vec{u}}, et MM est l'antécédent de MM'.

t0=idPettu(M)=M    tu(M)=Mt_{\vec{0}} = \text{id}_P \quad \text{et} \quad t_{\vec{u}}(M) = M' \iff t_{-\vec{u}}(M') = M

Exemple travaillé · 3

Soient AA, BB, CC trois points non alignés et D=tAC(B)D = t_{\vec{AC}}(B). Démontre que le quadrilatère ABDCABDC est un parallélogramme.

1

On traduit la définition de l'image par translation en égalité vectorielle.

2
D=tAC(B)    BD=ACD = t_{\vec{AC}}(B) \iff \vec{BD} = \vec{AC}
3

L'égalité AC=BD\vec{AC} = \vec{BD} signifie que les segments opposés [AC][AC] et [BD][BD] sont parallèles, de même longueur et de même sens.

4
AC=BD    ABDC est un paralleˊlogramme\vec{AC} = \vec{BD} \iff ABDC \text{ est un parallélogramme}

Piège classique · 4

Si tAB(C)=Dt_{\vec{AB}}(C) = D, quel quadrilatère est un parallélogramme ?

Attention

Écrire machinalement que ABCDABCD est un parallélogramme.

À la place : L'égalité CD=AB\vec{CD} = \vec{AB} impose que [AB][AB] et [CD][CD] soient opposés et de même sens. Le quadrilatère formé est ABDCABDC (ou CDBACDBA), et non ABCDABCD qui serait croisé.

Piège classique · 5

Soit un vecteur u\vec{u} et un point BB'. On cherche le point BB, antécédent de BB' par la translation tut_{\vec{u}}. Quelle égalité vectorielle permet de construire BB à partir de BB' ?

Attention

Écrire BB=u\vec{B'B} = \vec{u} en ajoutant le vecteur u\vec{u} à partir du point connu BB'.

À la place : BB est l'antécédent de BB' signifie tu(B)=Bt_{\vec{u}}(B) = B', soit BB=u\vec{BB'} = \vec{u}. En inversant pour partir de BB', on obtient BB=u\vec{B'B} = -\vec{u}.

Vérification · 6

Soit MNPQMNPQ un parallélogramme. Complète les égalités :

Remarque

Dans le parallélogramme MNPQMNPQ, on a MN=QP\vec{MN} = \vec{QP}, donc tMN(Q)=Pt_{\vec{MN}}(Q) = P. De plus, MQ=NP\vec{MQ} = \vec{NP}, donc l'antécédent de QQ par tNPt_{\vec{NP}} est MM car tNP(M)=Qt_{\vec{NP}}(M) = Q.

Définition · 7

Propriété caractéristique de la translation

Une application ff du plan dans lui-même est une translation si et seulement si elle conserve les vecteurs formés par n'importe quel couple de points et leurs images.

f est une translation    M,NP,  MN=MNf \text{ est une translation} \iff \forall M, N \in P, \; \vec{M'N'} = \vec{MN}

Remarque

Si cette égalité vectorielle est vérifiée pour tous points MM et NN, alors le vecteur de déplacement MM\vec{MM'} est identique pour tout point du plan.

Point de départ · 8

Soit ff l'application qui à tout point MM associe le point MM' tel que MM=2MA2MB\vec{MM'} = 2\vec{MA} - 2\vec{MB}. Quelle est l'expression simplifiée de ce vecteur déplacement ?

Remarque

On factorise par 2 : 2(MAMB)=2(MA+BM)=2BA2(\vec{MA} - \vec{MB}) = 2(\vec{MA} + \vec{BM}) = 2\vec{BA}. Le point mobile MM a totalement disparu : le vecteur déplacement est constant, donc ff est la translation de vecteur 2BA2\vec{BA}.

Exemple travaillé · 9

Soient AA, BB et CC trois points distincts. Soit ff l'application qui à tout point MM associe MM' tel que MM=3MA2MBMC\vec{MM'} = 3\vec{MA} - 2\vec{MB} - \vec{MC}. Démontre que ff est une translation et précise son vecteur.

1

On utilise la relation de Chasles en choisissant le point fixe AA comme pivot pour décomposer MB\vec{MB} et MC\vec{MC}.

2
MM=3MA2(MA+AB)(MA+AC)\vec{MM'} = 3\vec{MA} - 2(\vec{MA} + \vec{AB}) - (\vec{MA} + \vec{AC})
3

On développe et on regroupe les termes contenant le point mobile MM.

4
MM=(321)MA2ABAC=2ABAC\vec{MM'} = (3 - 2 - 1)\vec{MA} - 2\vec{AB} - \vec{AC} = -2\vec{AB} - \vec{AC}
5

Le vecteur 2ABAC-2\vec{AB} - \vec{AC} ne dépend pas du point MM : il est constant. Donc ff est la translation de vecteur 2ABAC-2\vec{AB} - \vec{AC}.

Piège classique · 10

Face à l'expression v=3MA2MBMC\vec{v} = 3\vec{MA} - 2\vec{MB} - \vec{MC}, pourquoi est-il impossible de réduire cette somme en introduisant un barycentre GG ?

Attention

Chercher un barycentre GG en posant 3GA2GBGC=03\vec{GA} - 2\vec{GB} - \vec{GC} = \vec{0}.

À la place : Le barycentre d'un système pondéré n'existe que si la somme des coefficients est non nulle. Ici, 3+(2)+(1)=03 + (-2) + (-1) = 0 : le système n'admet aucun barycentre, mais la somme vectorielle est constante et définit une translation.

Exemple travaillé · 11

Soient AA et BB deux points distincts et aRa \in \mathbb{R}. À tout point MM, on associe MM' tel que MM=(a21)MAAB\vec{MM'} = (a^2-1)\vec{MA} - \vec{AB}. Détermine les valeurs du réel aa pour lesquelles cette application est une translation.

1

Pour que l'application soit une translation, le vecteur MM\vec{MM'} doit être constant, c'est-à-dire indépendant de la position de MM.

2

Le seul terme dépendant de MM est (a21)MA(a^2-1)\vec{MA}. Pour qu'il s'annule quel que soit le point MM, son coefficient doit être nul.

3
a21=0    a=1oua=1a^2 - 1 = 0 \iff a = 1 \quad \text{ou} \quad a = -1
4

Pour a{1  ;  1}a \in \{-1 \;;\; 1\}, on a MM=AB=BA\vec{MM'} = -\vec{AB} = \vec{BA}. L'application est alors la translation de vecteur BA\vec{BA}.

Vérification · 12

Soit gg l'application qui à MM associe MM' tel que MM=MA+MB2MC\vec{MM'} = \vec{MA} + \vec{MB} - 2\vec{MC}. Quel est le vecteur constant de cette translation ?

Remarque

En introduisant CC avec la relation de Chasles : MM=(MC+CA)+(MC+CB)2MC=CA+CB\vec{MM'} = (\vec{MC} + \vec{CA}) + (\vec{MC} + \vec{CB}) - 2\vec{MC} = \vec{CA} + \vec{CB}.

Définition · 13

Image d'une droite et conservation des directions

L'image d'une droite par une translation est toujours une droite qui lui est parallèle.

tu((D))=(D)    (D)(D)t_{\vec{u}}((D)) = (D') \implies (D') \parallel (D)

La translation conserve le parallélisme et l'orthogonalité :

(D1)(D2)    tu((D1))tu((D2))(D_1) \parallel (D_2) \implies t_{\vec{u}}((D_1)) \parallel t_{\vec{u}}((D_2))
(D1)(D2)    tu((D1))tu((D2))(D_1) \perp (D_2) \implies t_{\vec{u}}((D_1)) \perp t_{\vec{u}}((D_2))

Exemple travaillé · 14

Soit ABCDABCD un parallélogramme. Détermine l'image de la droite (AB)(AB) par la translation tACt_{\vec{AC}}.

1

On cherche l'image d'un point connu appartenant à la droite (AB)(AB).

2
A(AB)ettAC(A)=CA \in (AB) \quad \text{et} \quad t_{\vec{AC}}(A) = C
3

L'image de la droite (AB)(AB) est la droite parallèle à (AB)(AB) passant par le point image CC.

4

Dans le parallélogramme ABCDABCD, la parallèle à (AB)(AB) passant par CC est la droite (CD)(CD).

5
tAC((AB))=(CD)t_{\vec{AC}}((AB)) = (CD)

Piège classique · 15

Soit un triangle ABCABC et Δ\Delta la droite parallèle à (BC)(BC) passant par AA. Quelle est l'image de la droite Δ\Delta par la translation tBCt_{\vec{BC}} ?

Attention

Penser que la translation déplace nécessairement la droite Δ\Delta en une nouvelle droite parallèle distincte.

À la place : Le vecteur de translation BC\vec{BC} est parallèle à la droite Δ\Delta. Tout point de Δ\Delta est translaté en un point qui reste sur Δ\Delta. La droite est globalement invariante : tBC(Δ)=Δt_{\vec{BC}}(\Delta) = \Delta.

Exemple travaillé · 16

Soit ABCDABCD un rectangle et MM un point du plan n'appartenant pas à (AB)(AB). On note (D)(D) la perpendiculaire à (AB)(AB) passant par MM. Détermine l'image de la droite (D)(D) par la translation tADt_{\vec{AD}}.

1

ABCDABCD est un rectangle, donc les côtés opposés sont perpendiculaires aux côtés adjacents : (AD)(AB)(AD) \perp (AB).

2

Par hypothèse, (D)(AB)(D) \perp (AB). Deux droites perpendiculaires à une même troisième sont parallèles entre elles.

3
(D)(AD)(D) \parallel (AD)
4

Le vecteur de translation AD\vec{AD} est donc un vecteur directeur de la droite (D)(D).

5
tAD((D))=(D)t_{\vec{AD}}((D)) = (D)

Vérification · 17

Soit ABCDABCD un parallélogramme de centre OO. Quelle est l'image de la droite (AC)(AC) par la translation tAOt_{\vec{AO}} ?

Remarque

Le vecteur AO\vec{AO} est porté par la droite (AC)(AC) (car O[AC]O \in [AC]). La translation s'effectue le long de la droite : (AC)(AC) est globalement invariante, son image est donc (AC)(AC) elle-même.

Définition · 18

Conservation de l'alignement, du milieu et du barycentre

La translation conserve les relations barycentriques et les positions relatives des points sur une droite.

A,B,C aligneˊs    tu(A),tu(B),tu(C) aligneˊsA, B, C \text{ alignés} \implies t_{\vec{u}}(A), t_{\vec{u}}(B), t_{\vec{u}}(C) \text{ alignés}

I=AB    tu(I)=tu(A)tu(B)I = A * B \implies t_{\vec{u}}(I) = t_{\vec{u}}(A) * t_{\vec{u}}(B)
G=bar{(A,a),(B,b)}    tu(G)=bar{(tu(A),a),(tu(B),b)}G = \text{bar}\{(A, a), (B, b)\} \implies t_{\vec{u}}(G) = \text{bar}\{(t_{\vec{u}}(A), a), (t_{\vec{u}}(B), b)\}

Exemple travaillé · 19

Soit ABCABC un triangle, II le milieu de [BC][BC] et tt la translation de vecteur BA\vec{BA}. On pose H=t(B)H = t(B), K=t(I)K = t(I) et C=t(C)C' = t(C). Démontre que KK est le milieu du segment [AC][AC'].

1

On détermine l'image de chaque point par la translation tt.

2
t(B)=A(car BA=BA),t(I)=Kett(C)=Ct(B) = A \quad (\text{car } \vec{BA} = \vec{BA}), \quad t(I) = K \quad \text{et} \quad t(C) = C'
3

Par hypothèse, II est le milieu du segment [BC][BC].

4

La translation conserve le milieu d'un segment : l'image du milieu est le milieu des images.

5
I=BC    t(I)=t(B)t(C)    K=ACI = B * C \implies t(I) = t(B) * t(C) \iff K = A * C'

Piège classique · 20

Trois points AA, BB, CC sont alignés. On note AA', BB', CC' leurs images respectives par une translation tut_{\vec{u}}. Quelle est la méthode la plus directe pour justifier que AA', BB', CC' sont alignés ?

Attention

Calculer les vecteurs AB\vec{A'B'} et AC\vec{A'C'} avec la relation de Chasles pour démontrer à nouveau leur colinéarité.

À la place : Puisque A,B,CA, B, C sont alignés, la conservation de l'alignement par translation permet de conclure immédiatement que A,B,CA', B', C' sont alignés, sans refaire de calcul vectoriel.

Définition · 21

Conservation des distances et isométrie

La translation est une isométrie : elle conserve les distances, les mesures des angles géométriques et les aires.

tu(A)=Aettu(B)=B    AB=ABt_{\vec{u}}(A) = A' \quad \text{et} \quad t_{\vec{u}}(B) = B' \implies A'B' = AB

BAC^=BAC^\widehat{BAC} = \widehat{B'A'C'}

Remarque

L'image d'un polygone par une translation est un polygone superposable (isométrique) de même nature et de mêmes dimensions.

Exemple travaillé · 22

Soit ABCABC un triangle isocèle en AA. Soient AA', BB', CC' les images respectives de AA, BB, CC par une translation tut_{\vec{u}}. Démontre que le triangle ABCA'B'C' est isocèle en AA'.

1

La translation conserve les distances entre tous les points du plan.

2
AB=ABetAC=ACA'B' = AB \quad \text{et} \quad A'C' = AC
3

Le triangle ABCABC est isocèle en AA, donc AB=ACAB = AC.

4

Par égalité des longueurs translatées :

5
AB=AB=AC=AC    AB=ACA'B' = AB = AC = A'C' \implies A'B' = A'C'
6

Le triangle ABCA'B'C' possède deux côtés de même longueur, il est donc isocèle en AA'.

Vérification · 23

Soit GG le barycentre des points pondérés (A,2)(A, 2) et (B,3)(B, 3). On applique une translation tut_{\vec{u}} qui transforme AA en AA', BB en BB' et GG en GG'. Complète les propriétés de l'image :

Remarque

La translation conserve les coefficients barycentriques : GG' est le barycentre de (A,2)(A', 2) et (B,3)(B', 3). Tout barycentre de deux points appartient à la droite qui les relie, donc AA', BB' et GG' sont alignés.

Définition · 24

Image d'un cercle et conservation du contact

L'image d'un cercle par une translation est un cercle de même rayon, dont le centre est l'image du centre initial.

tu(C(O,R))=C(O,R)avecO=tu(O)t_{\vec{u}}(\mathcal{C}(O, R)) = \mathcal{C}'(O', R) \quad \text{avec} \quad O' = t_{\vec{u}}(O)

La translation conserve le contact et les tangentes :

(Δ tangente aˋ C en M)    (tu(Δ) tangente aˋ tu(C) en tu(M))(\Delta \text{ tangente à } \mathcal{C} \text{ en } M) \implies (t_{\vec{u}}(\Delta) \text{ tangente à } t_{\vec{u}}(\mathcal{C}) \text{ en } t_{\vec{u}}(M))

Exemple travaillé · 25

Soit C\mathcal{C} un cercle de centre OO et de rayon RR. Soient AA et BB deux points fixes. Pour tout point MM variable sur C\mathcal{C}, on construit le point NN tel que MN=AB\vec{MN} = \vec{AB}. Détermine l'ensemble décrit par le point NN lorsque MM décrit C\mathcal{C}.

1

L'égalité vectorielle MN=AB\vec{MN} = \vec{AB} caractérise une translation.

2
N=tAB(M)N = t_{\vec{AB}}(M)
3

Le point MM décrit le cercle C(O,R)\mathcal{C}(O, R). Par conséquent, son image NN décrit l'image du cercle C\mathcal{C} par la translation tABt_{\vec{AB}}.

4
tAB(C(O,R))=C(O,R)avecO=tAB(O)t_{\vec{AB}}(\mathcal{C}(O, R)) = \mathcal{C}'(O', R) \quad \text{avec} \quad O' = t_{\vec{AB}}(O)
5

Le lieu géométrique des points NN est le cercle C\mathcal{C}' de centre O=tAB(O)O' = t_{\vec{AB}}(O) et de même rayon RR.

Piège classique · 26

Soit HH l'orthocentre d'un triangle ABMABM, défini comme l'intersection de deux hauteurs (D1)(D_1) et (D2)(D_2). Pour déterminer l'image de HH par une translation tt, quelle est la démarche rigoureuse ?

Attention

Chercher à calculer directement une relation vectorielle pour le point isolé HH sans utiliser les droites qui le définissent.

À la place : Puisque H=(D1)(D2)H = (D_1) \cap (D_2), son image est l'intersection des droites translatées : t(H)=t(D1)t(D2)t(H) = t(D_1) \cap t(D_2). Il suffit de déterminer les images des deux hauteurs sécantes.

Exemple travaillé · 27

Soient II et JJ deux points distincts du plan. Pour tout point MM, on pose M1=SI(M)M_1 = S_I(M) et M=SJ(M1)M' = S_J(M_1). Démontre que l'application t=SJSIt = S_J \circ S_I est une translation dont on précisera le vecteur.

1

On traduit les symétries centrales en égalités vectorielles à partir des milieux.

2
M1=SI(M)    MM1=2IM1etM=SJ(M1)    M1M=2M1JM_1 = S_I(M) \iff \vec{MM_1} = 2\vec{IM_1} \quad \text{et} \quad M' = S_J(M_1) \iff \vec{M_1M'} = 2\vec{M_1J}
3

On utilise la relation de Chasles pour exprimer le déplacement global MM\vec{MM'}.

4
MM=MM1+M1M=2IM1+2M1J=2(IM1+M1J)=2IJ\vec{MM'} = \vec{MM_1} + \vec{M_1M'} = 2\vec{IM_1} + 2\vec{M_1J} = 2(\vec{IM_1} + \vec{M_1J}) = 2\vec{IJ}
5

Le vecteur 2IJ2\vec{IJ} est constant et indépendant du point MM. L'application SJSIS_J \circ S_I est donc la translation de vecteur 2IJ2\vec{IJ}.

Vérification · 28

Soit C\mathcal{C} un cercle de centre OO et de rayon 44. Si tt est la translation de vecteur u\vec{u}, quelles sont les caractéristiques du cercle image C=t(C)\mathcal{C}' = t(\mathcal{C}) ?

Remarque

La translation conserve les dimensions : le rayon reste égal à 44. Le nouveau centre est le point image O=t(O)O' = t(O), tel que OO=u\vec{OO'} = \vec{u}.

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