Quelle transformation du plan multiplie toutes les distances par un réel k>0 fixé et conserve les mesures des angles orientés ?
Remarque
L'homothétie de rapport k>0 multiplie toutes les distances par k et conserve les angles orientés. La rotation, quant à elle, conserve toutes les distances (k=1) et tourne les vecteurs d'un angle orienté θ.
Point de départ · 2
Tourner et agrandir simultanément
On transforme un triangle ABC en un triangle A′B′C′ tel que pour tous points M et N, M′N′=2MN et (MN,M′N′)≡3π[2π]. Cette transformation peut-elle être uniquement une rotation ou uniquement une homothétie ?
Remarque
Une rotation conserve toujours les distances (M′N′=MN), ce qui contredit M′N′=2MN. Une homothétie conserve la direction des droites (l'angle orienté vaut 0 ou π), ce qui contredit l'angle 3π. Il s'agit d'une nouvelle transformation combinant les deux effets : une similitude directe.
Définition · 3
Définition et forme réduite d'une similitude directe
S est la similitude directe de centre Ω, de rapport k>0 et d’angle θ si S(Ω)=Ω et si pour tout M=Ω d’image M′:
⎩⎨⎧ΩM′=kΩM(ΩM,ΩM′)≡θ[2π]
Toute similitude directe S de centre Ω, de rapport k=1 et d’angle θ admet une deˊcomposition unique, dite forme reˊduite :
S=h(Ω,k)∘R(Ω,θ)=R(Ω,θ)∘h(Ω,k)
Exemple travaillé · 4
Exemple : Caractérisation dans un triangle rectangle isocèle
Dans le plan orienté, on considère un triangle OAB isocèle et rectangle en O tel que (OA,OB)≡2π[2π]. Soit S la similitude directe de centre O qui transforme A en B. Déterminer le rapport k et une mesure de son angle θ.
1
Le centre de la similitude est le point invariant O.
2
L'image de A par S est B. Le rapport k est le quotient de la distance au centre de l'image par celle de l'antécédent :
k=OAOB
3
Le triangle OAB étant isocèle en O, on a OA=OB, d'où :
k=1
4
L'angle θ de la similitude est la mesure de l'angle orienté entre le vecteur centre-antécédent et le vecteur centre-image :
θ≡(OA,OB)≡2π[2π]
5
Puisque k=1, S est la rotation de centre O et d'angle 2π.
Exemple travaillé · 5
Exemple : Rapport distinct de 1 et image d'un point dans un carré
Soit ABCD un carré direct de centre O tel que (AB,AD)≡2π[2π]. Soit S la similitude directe de centre D qui envoie O sur C. Déterminer le rapport k et l'angle θ de S, puis déterminer l'image du sommet A par S.
1
Le centre de la similitude est D et S(O)=C. Le rapport de S s'exprime par :
k=DODC
2
Dans le carré ABCD de côté c, la diagonale mesure DB=c2, donc DO=2c2=2c. On en déduit :
k=2cc=2
3
L'angle de S est l'angle orienté formé par les vecteurs issus du centre :
θ≡(DO,DC)≡4π[2π]
4
Soit A′=S(A). D'après les éléments caractéristiques de S, A′ vérifie :
DA′=2DAet(DA,DA′)≡4π[2π]
5
Dans le carré direct, la diagonale [DB] vérifie DB=2DA et (DA,DB)≡4π[2π]. Par unicité, on conclut :
S(A)=B
Piège classique · 6
Attention : Angle géométrique versus angle orienté
Dans le plan orienté, ABC est un triangle équilatéral direct vérifiant (AB,AC)≡3π[2π]. Soit f la similitude directe de centre B qui transforme A en C. Quel est l'angle de f ?
Attention
Répondre 3π en se fiant à la mesure géométrique non orientée de l'angle du triangle équilatéral.
À la place : L'angle de la similitude est l'angle orienté (BA,BC). En partant de BA vers BC, le sens de rotation est indirect (sens horaire), donc (BA,BC)≡−3π[2π].
Vérification · 7
Vérification : Calcul du rapport et de l'angle
Soit S la similitude directe de centre O transformant E en F. On donne OE=4, OF=6 et (OE,OF)≡−4π[2π]. Complète les éléments caractéristiques de S :
Remarque
Le rapport est le quotient k=OEOF=46=23. L'angle de la similitude est directement la mesure orientée (OE,OF)≡−4π[2π].
Point de départ · 8
Du plan complexe à la similitude
Soit la transformation qui, à tout point M(z), associe le point M′(z′) tel que z′=2iz. Quel est l'effet géométrique de la multiplication par 2i sur le vecteur OM ?
Remarque
Puisque ∣2i∣=2 et arg(2i)≡2π[2π], la distance OM est multipliée par 2 et l'angle orienté (u,OM′) augmente de 2π. C'est la similitude directe de centre O, de rapport 2 et d'angle 2π.
Définition · 9
Écriture complexe d'une similitude directe
f est une similitude directe si et seulement si son eˊcriture complexe est de la forme :
z′=az+b(a∈C∗,b∈C)
Le coefficient a détermine le rapport et l'angle de f :
k=∣a∣etθ≡arg(a)[2π]
Si a=1, f admet un unique point invariant Ω, centre de la similitude, d'affixe :
zΩ=1−ab
Exemple travaillé · 10
Exemple : Identifier les éléments caractéristiques
Soit f l'application définie par z′=(1−i)z+2+i. Déterminer la nature et les éléments caractéristiques de f.
1
f est de la forme z′=az+b avec a=1−i=0. Comme a∈/R, f est une similitude directe distincte d'une homothétie et d'une translation.
2
On calcule le rapport k=∣a∣ :
k=∣1−i∣=12+(−1)2=2
3
On calcule l'angle θ≡arg(a)[2π] :
1−i=2(22−i22)⟹θ≡−4π[2π]
4
Comme a=1, le centre Ω est l'unique point fixe vérifiant zΩ=1−ab :
zΩ=1−(1−i)2+i=i2+i=1(2+i)(−i)=1−2i
5
f est la similitude directe de centre Ω(1−2i), de rapport 2 et d'angle −4π.
Exemple travaillé · 11
Exemple : Déterminer la forme complexe par deux points
On donne les points A(1), B(i), A′(3i) et B′(−1+2i). Déterminer l'écriture complexe de la similitude directe S vérifiant S(A)=A′ et S(B)=B′.
1
L'application S s'écrit z′=az+b. En injectant les affixes de A et B et de leurs images :
{a(1)+b=3ia(i)+b=−1+2i
2
On soustrait la deuxième équation de la première pour éliminer b :
a(1−i)=3i−(−1+2i)=1+i
3
On isole a en multipliant par le conjugué du dénominateur :
a=1−i1+i=12+(−1)2(1+i)2=22i=i
4
On détermine b à l'aide de la première équation :
b=3i−a=3i−i=2i
5
L'écriture complexe cherchée est donc :
z′=iz+2i
Piège classique · 12
Attention : Homothétie de rapport négatif et angle
Soit h l'homothétie de centre A et de rapport −2, et R la rotation de centre B et d'angle 2π. Quel est l'angle de la similitude directe S=R∘h ?
Attention
Considérer que l'homothétie a un angle nul et conclure que l'angle de S est simplement 2π.
À la place : Une homothétie de rapport négatif k=−2 est une similitude directe de rapport ∣−2∣=2 et d'angle π. L'angle de la composée est donc θ≡2π+π≡−2π[2π].
Vérification · 13
Vérification : Composée analytique de similitudes
Soit S1 définie par z′=2iz+1 et S2 définie par z′=3iz+5−2i. Quelle est la nature de h=S1∘S2 ?
Remarque
L'expression de la composée est h(z)=2i(3iz+5−2i)+1=−6z+5+10i. Le coefficient de z étant −6∈R∗∖{1}, h est une homothétie de rapport −6 (de rapport de similitude 6 et d'angle π).
Point de départ · 14
Renverser les angles et changer d'échelle
Soit une transformation f qui multiplie toutes les distances par 2 et qui transforme tout angle orienté (u,v) en son opposé : (f(u),f(v))≡−(u,v)[2π]. Cette transformation peut-elle être une similitude directe ?
Remarque
Non, car toute similitude directe conserve les mesures des angles orientés. Une application qui multiplie les distances par k>0 et change les mesures des angles orientés en leurs opposées est une similitude indirecte.
Définition · 15
Définition et forme réduite d'une similitude indirecte
Une similitude indirecte f de rapport k>0 change la mesure de tout angle orienteˊ en son opposeˊe :
(f(u),f(v))≡−(u,v)[2π]
Si k=1, f admet un unique point invariant Ω, appelé centre de la similitude.
Il existe une unique droite Δ passant par Ω, appeleˊe axe de f, telle que :
f=h(Ω,k)∘SΔ=SΔ∘h(Ω,k)
L’iteˊration de f est une homotheˊtie de centre Ω et de rapport k2:
f∘f=h(Ω,k2)
Exemple travaillé · 16
Exemple : Déterminer le centre Ω via l'homothétie f∘f
Soit f une similitude indirecte telle que f(A)=B et f(B)=C, avec AB=2 et BC=6. Justifier que f admet un unique centre Ω et exprimer ΩC en fonction de ΩA.
1
On calcule d'abord le rapport k de la similitude indirecte f :
k=ABBC=26=3
2
Comme k=3=1, f admet un unique point invariant Ω, centre de la similitude.
3
La composée f∘f de deux similitudes indirectes de rapport 3 est une similitude directe de rapport 32=9 qui conserve l'orientation, c'est-à-dire une homothétie :
f∘f=h(Ω,9)
4
On évalue l'image du point A par la transformation composée f∘f :
f∘f(A)=f(f(A))=f(B)=C
5
Par la propriété caractéristique de l'homothétie h(Ω,9), on conclut :
ΩC=9ΩA
Exemple travaillé · 17
Exemple : Construction de l'axe Δ d'une similitude indirecte
Soit f une similitude indirecte de centre Ω, de rapport 2 et d'axe Δ. On donne un point A n'appartenant pas à Δ et son image A′=f(A). Comment construire l'axe Δ à partir du point A1=h(Ω,21)(A′) ?
1
On utilise la décomposition réduite f=h(Ω,2)∘SΔ. En composant par l'homothétie réciproque h(Ω,21), on isole l'action de la symétrie axiale :
A1 est donc l'image du point A par la réflexion orthogonale d'axe Δ.
4
Puisque A∈/Δ, la droite Δ est la médiatrice du segment [AA1]. Comme Ω∈Δ, Δ est la droite passant par Ω et le milieu du segment [AA1].
Piège classique · 18
Attention : Ne pas chercher le centre d'une similitude indirecte par les angles orientés
Soit f une similitude indirecte vérifiant f(A)=B et f(B)=C. Pourquoi est-il faux de chercher le centre Ω en écrivant (ΩA,ΩB)≡(ΩB,ΩC)[2π] ?
Attention
Penser qu'une similitude indirecte admet un angle orienté constant et tenter de construire son centre à l'aide d'arcs capables comme pour une similitude directe.
À la place : Une similitude indirecte inverse les angles orientés : (ΩB,ΩC)≡−(ΩA,ΩB)[2π]. Elle ne possède aucun angle caractéristique constant. Pour trouver Ω, on utilise exclusivement l'homothétie f∘f=h(Ω,k2).
Vérification · 19
Vérification : Itération d'une similitude indirecte
Soit f une similitude indirecte de centre Ω et de rapport k=21. Quelle est la nature et le rapport de la transformation f∘f ?
Remarque
La composée de deux similitudes indirectes est une similitude directe de rapport (21)×(21)=41. Les deux réflexions axiales se compensent pour donner une rotation d'angle nul : f∘f est l'homothétie de centre Ω et de rapport 41.
Point de départ · 20
L'effet du conjugué complexe
Une similitude directe a pour forme z′=az+b et conserve les angles orientés. Que produit l'opération de conjugaison z↦z sur la mesure des angles orientés ?
Remarque
Le passage au conjugué transforme z=reiα en z=re−iα. Il change tout angle orienté en son opposé : c'est la réflexion d'axe (O,u). Multipliée par un complexe a=0, la transformation z′=az+b multiplie les longueurs par ∣a∣ et inverse les angles orientés : c'est l'écriture complexe d'une similitude indirecte.
Définition · 21
Écriture complexe d'une similitude indirecte
f est une similitude indirecte si et seulement si son eˊcriture complexe est de la forme :
z′=az+b(a∈C∗,b∈C)
Son rapport de similitude est :
k=∣a∣
Si ∣a∣=1, f admet un unique point invariant Ω, centre de la similitude, dont l'affixe est :
zΩ=1−∣a∣2ab+b
Exemple travaillé · 22
Exemple : Calcul du rapport et du centre
Soit f l'application définie par z′=−2iz+6. Justifier que f est une similitude indirecte, préciser son rapport k et déterminer l'affixe de son centre Ω.
1
f est de la forme z′=az+b avec a=−2i=0 et b=6. C'est donc une similitude indirecte.
2
On calcule son rapport k=∣a∣ :
k=∣−2i∣=2
3
Comme k=2=1, f admet un unique centre Ω. On applique la formule spécifique avec a=−2i, b=6 et ∣a∣2=4 :
zΩ=1−∣a∣2ab+b=1−4(−2i)(6)+6
4
On simplifie l'expression :
zΩ=−36−12i=−2+4i
5
Le centre de f est le point Ω(−2+4i).
Piège classique · 23
Attention : Ne pas appliquer b/(1−a) à une écriture avec conjugué
Pour chercher le centre de f:z′=−2iz+6, un élève écrit zΩ=1−(−2i)6=1+2i6. Ce calcul est-il valable ?
Attention
Appliquer la formule du centre d'une similitude directe zΩ=1−ab à une similitude indirecte.
À la place : L'équation de point fixe est z=az+b. La présence du conjugué z empêche de factoriser par z. On doit obligatoirement utiliser la formule spécifique zΩ=1−∣a∣2ab+b ou résoudre le système en posant z=x+iy.
Exemple travaillé · 24
Exemple : Détermination analytique de l'axe Δ
Soit f la similitude indirecte définie par z′=−2iz+6, de centre Ω(−2+4i) et de rapport 2. Déterminer une équation cartésienne de son axe Δ.
1
Par définition, l'axe Δ est l'ensemble des points M(z) vérifiant la relation vectorielle :
ΩM′=2ΩM⟺z′−zΩ=2(z−zΩ)
2
On injecte l'expression de z′ et l'affixe zΩ=−2+4i :
−2iz+6−(−2+4i)=2(z−(−2+4i))
3
On simplifie les constantes dans chaque membre :
−2iz+8−4i=2z+4−8i
4
On pose z=x+iy avec x,y∈R, d'où z=x−iy :
−2i(x−iy)+8−4i=2(x+iy)+4−8i
5
On développe et on sépare parties réelles et parties imaginaires :
(−2y+8)+i(−2x−4)=(2x+4)+i(2y−8)
6
L'égalité des parties réelles et des parties imaginaires fournit deux équations identiques :
−2y+8=2x+4⟺2x+2y−4=0⟺x+y−2=0
7
L'axe Δ de la similitude indirecte f est la droite d'équation cartésienne x+y−2=0.
Vérification · 25
Vérification : Image d'un cercle par une similitude indirecte
Soit f la similitude indirecte d'écriture complexe z′=−3iz+1. Quelle est l'image par f du cercle C de centre A(i) et de rayon 2 ?
Remarque
Une similitude de rapport k transforme un cercle de centre A et de rayon R en un cercle de centre A′=f(A) et de rayon R′=k×R. Ici, k=∣−3i∣=3, donc le nouveau rayon est R′=3×2=6. Pour le centre : zA′=−3i(i)+1=−3i(−i)+1=−3+1=−2. L'image est donc le cercle de centre A′(−2) et de rayon 6.