Plan du chapitre. I. Barycentre de deux points pondérés — II. Barycentre de trois points pondérés — III. Barycentre de quatre points pondérés.
Dans tout le chapitre, on travaille dans le plan (P) rapporté, si besoin, à un repère (O;i,j).
I. Barycentre de deux points pondérés
1. Définition et existence
Définition 1
On appelle point pondéré tout couple (A,a) où A est un point du plan et a un réel (le poids ou coefficient de A).
Soient (A,a) et (B,b) deux points pondérés tels que a+b=0. Il existe un unique point G tel que
aGA+bGB=0.
Ce point est appelé barycentre du système {(A,a);(B,b)} ; on écrit G=bar{(A,a);(B,b)}.
Remarque
En introduisant A par la relation de Chasles : aGA+b(GA+AB)=0, d’où
AG=a+bbAB.
Cette égalité prouve l’existence et l’unicité de G et permet de le construire. Si a+b=0 (avec a=0), la relation devient aBA=0 : il n’y a pas de barycentre lorsque A=B.
Exemple 1
Soient A et B deux points tels que AB=6 cm. Construire G=bar{(A,2);(B,1)} et H=bar{(A,3);(B,−1)}.
Voir la solution
2+1=3=0 et AG=31AB : G est sur [AB] à 2 cm de A.
3−1=2=0 et AH=2−1AB : H est sur la droite (AB), du côté opposé à B par rapport à A, à 3 cm de A.
2. Propriétés
Propriété
Soit G=bar{(A,a);(B,b)} avec a+b=0.
Homogénéité : pour tout réel k=0, G=bar{(A,ka);(B,kb)}.
G appartient à la droite (AB) ; si a et b sont de même signe, G∈[AB].
Si a=b, G est le milieu de [AB] (on l’appelle isobarycentre de A et B).
Réciproquement, si AG=kAB, alors G=bar{(A,1−k);(B,k)}.
Exemple 2
Soit G le point défini par AG=52AB. Écrire G comme barycentre de A et B avec des poids entiers.
Voir la solution
D’après la réciproque, G=bar{(A,53);(B,52)}, et par homogénéité (on multiplie par 5) : G=bar{(A,3);(B,2)}.
Vérification : a+bb=52.
3. Réduction de la somme aMA+bMB
Propriété
Si a+b=0 et G=bar{(A,a);(B,b)}, alors pour tout point M du plan :
aMA+bMB=(a+b)MG.
À retenir
Pour déterminer un ensemble de points M vérifiant ∥aMA+bMB∥=k, on remplace la somme par (a+b)MG : on obtient MG=∣a+b∣k, c’est un cercle de centre G.
Application
Soient A, B tels que AB=5. Déterminer l’ensemble (Γ) des points M tels que ∥2MA+3MB∥=10.
Voir la solution
Soit G=bar{(A,2);(B,3)}, donc AG=53AB (AG=3). Pour tout M : 2MA+3MB=5MG.
∥5MG∥=10⟺MG=2 : (Γ) est le cercle de centre G et de rayon 2.
4. Coordonnées du barycentre
Propriété
Si A(xA;yA), B(xB;yB) et G=bar{(A,a);(B,b)} avec a+b=0, alors
xG=a+baxA+bxBetyG=a+bayA+byB.
Exemple 3
On donne A(1;2) et B(4;−1). Calculer les coordonnées de G=bar{(A,2);(B,1)}.
Voir la solution
xG=32×1+1×4=2 et yG=32×2+1×(−1)=1 : G(2;1).
II. Barycentre de trois points pondérés
Définition 2
Soient (A,a), (B,b), (C,c) trois points pondérés tels que a+b+c=0. Il existe un unique point G tel que
aGA+bGB+cGC=0,
appelé barycentre du système {(A,a);(B,b);(C,c)}. Il est caractérisé par
AG=a+b+cbAB+a+b+ccAC.
Propriété
Soit G=bar{(A,a);(B,b);(C,c)} avec a+b+c=0.
Homogénéité : on peut multiplier tous les poids par un même réel non nul.
Réduction : pour tout point M, aMA+bMB+cMC=(a+b+c)MG.
Associativité : si a+b=0 et H=bar{(A,a);(B,b)}, alors G=bar{(H,a+b);(C,c)}.
Si a=b=c, G est l’isobarycentre de A, B, C : c’est le centre de gravité du triangle ABC.
Exemple 4
Soit ABC un triangle. Construire G=bar{(A,1);(B,2);(C,1)} en utilisant l’associativité.
Voir la solution
Soit J le milieu de [AC] : J=bar{(A,1);(C,1)}. Par associativité, G=bar{(J,2);(B,2)} : G est le milieu de [JB].
Application
Soit ABC un triangle et G=bar{(A,2);(B,−1);(C,1)}. Exprimer AG en fonction de AB et AC.
Voir la solution
a+b+c=2, donc AG=2−1AB+21AC.
Méthode
Montrer que trois droites sont concourantes. On choisit un barycentre G de trois points et on montre, par associativité, que G appartient à chacune des trois droites.
Application
Soit ABC un triangle, I=bar{(A,1);(B,2)}, J=bar{(B,2);(C,3)} et K=bar{(A,1);(C,3)}. Montrer que les droites (CI), (AJ) et (BK) sont concourantes.
Voir la solution
Soit G=bar{(A,1);(B,2);(C,3)} (car 1+2+3=6=0). Par associativité :
G=bar{(I,3);(C,3)}, donc G∈(CI) ;
G=bar{(A,1);(J,5)}, donc G∈(AJ) ;
G=bar{(K,4);(B,2)}, donc G∈(BK).
Les trois droites passent par G : elles sont concourantes.
III. Barycentre de quatre points pondérés
Propriété
Les définitions et propriétés précédentes se prolongent à quatre points pondérés (A,a), (B,b), (C,c), (D,d) avec a+b+c+d=0 : le barycentre G vérifie aGA+bGB+cGC+dGD=0, et l’on dispose de la réduction, des coordonnées et de l’associativité.
Exemple 5
Soit ABCD un quadrilatère, I, J, K, L les milieux respectifs de [AB], [BC], [CD], [DA]. Montrer que les segments [IK] et [JL] ont le même milieu.
Voir la solution
Soit G l’isobarycentre de A, B, C, D. Par associativité :
G=bar{(I,2);(K,2)} : G est le milieu de [IK] ;
G=bar{(J,2);(L,2)} : G est le milieu de [JL].
Donc [IK] et [JL] ont le même milieu G (et IJKL est un parallélogramme).
Application
On donne A(0;0), B(4;0), C(4;2) et D(0;6). Calculer les coordonnées de G=bar{(A,1);(B,1);(C,2);(D,−1)}.
Voir la solution
1+1+2−1=3=0.
xG=30+4+8+0=4 et yG=30+0+4−6=−32 : G(4;−32).
Série d’exercices
Exercice 1 — Construction Facile★☆☆☆☆
Soient A et B deux points tels que AB=4 cm.
Construire G1=bar{(A,1);(B,3)}.
Construire G2=bar{(A,2);(B,−3)}.
Construire G3=bar{(A,−5);(B,−5)}.
Voir la solution
1)1+3=0 et AG1=43AB : G1∈[AB] avec AG1=3 cm.
2)2−3=−1=0 et AG2=−1−3AB=3AB : G2 est sur la demi-droite [AB) avec AG2=12 cm.
3) Les poids sont égaux (homogénéité : G3=bar{(A,1);(B,1)}) : G3 est le milieu de [AB], AG3=2 cm.
Exercice 2 — Retrouver les poids Facile★☆☆☆☆
Dans chaque cas, écrire le point G comme barycentre de A et B avec des poids entiers :
Dans un repère, on donne A(2;−1), B(−1;3) et C(4;1).
Calculer les coordonnées de G=bar{(A,1);(B,2)}.
Calculer les coordonnées de H=bar{(A,1);(B,1);(C,2)}.
Déterminer le réel a pour que E=bar{(A,2);(B,a)} appartienne à l’axe des ordonnées.
Voir la solution
1)xG=32+2×(−1)=0, yG=3−1+2×3=35 : G(0;35).
2)xH=42−1+8=49, yH=4−1+3+2=1 : H(49;1).
3) Il faut a=−2 et xE=2+a4−a=0, soit a=4. Alors E(0;35), c’est le point G de la question 1 (homogénéité).
Exercice 4 — Réduction et lieux Facile★★☆☆☆
Soient A et B deux points tels que AB=6.
Déterminer le point G tel que, pour tout M, 3MA−MB=2MG, et exprimer AG en fonction de AB.
Réduire MA+2MB.
Déterminer l’ensemble (C) des points M tels que ∥3MA−MB∥=4.
Déterminer l’ensemble (Δ) des points M tels que ∥2MA+MB∥=∥MA+2MB∥.
Voir la solution
1)3−1=2=0 ; soit G=bar{(A,3);(B,−1)} : 3MA−MB=2MG et AG=−21AB.
2) Avec H=bar{(A,1);(B,2)} (AH=32AB) : MA+2MB=3MH.
3)∥2MG∥=4⟺MG=2 : (C) est le cercle de centre G et de rayon 2.
4) Avec K=bar{(A,2);(B,1)} : ∥3MK∥=∥3MH∥⟺MK=MH. Comme AK=2=AH=4, K=H : (Δ) est la médiatrice de [KH] (c’est aussi celle de [AB], puisque K et H sont symétriques par rapport au milieu de [AB]).
Exercice 5 — Triangle et alignement Facile★★☆☆☆
Soit ABC un triangle, I le milieu de [AB] et G=bar{(A,1);(B,1);(C,2)}.
Montrer que G est le milieu de [CI].
Exprimer AG en fonction de AB et AC, puis construire G.
Soit J=bar{(A,1);(C,2)}. Montrer que les points B, G et J sont alignés.
Voir la solution
1)I=bar{(A,1);(B,1)} ; par associativité G=bar{(I,2);(C,2)} : G est le milieu de [CI].
2)1+1+2=4 : AG=41AB+21AC.
3) Par associativité, G=bar{(J,3);(B,1)}, donc G∈(BJ) : B, G, J sont alignés.
Exercice 6 — Droites concourantes Facile★★☆☆☆
Soit ABC un triangle. On considère I=bar{(A,2);(B,1)}, J le milieu de [BC] et K=bar{(A,2);(C,1)}.
Construire I, J et K.
Montrer que les droites (CI), (AJ) et (BK) sont concourantes en un point G que l’on précisera.
Voir la solution
1)AI=31AB, J milieu de [BC], AK=31AC.
2) Soit G=bar{(A,2);(B,1);(C,1)} (2+1+1=4=0). Par associativité :
G=bar{(I,3);(C,1)}∈(CI) ;
G=bar{(A,2);(J,2)} : G est le milieu de [AJ], donc G∈(AJ) ;
G=bar{(K,3);(B,1)}∈(BK).
Les trois droites sont concourantes en G, milieu de [AJ].
Exercice 7 — Parallélogramme Facile★★☆☆☆
Soit ABCD un parallélogramme de centre O.
Montrer que D=bar{(A,1);(B,−1);(C,1)}.
Montrer que O est l’isobarycentre de A, B, C, D.
Réduire, pour tout point M, le vecteur MA−MB+MC.
Voir la solution
1)1−1+1=1=0 ; le barycentre G vérifie AG=−AB+AC=BA+AC=BC. Or ABCD est un parallélogramme : BC=AD. Donc AG=AD et G=D.
2)O est le milieu de [AC] et de [BD] : O=bar{(A,1);(C,1)}=bar{(B,1);(D,1)}. Par associativité, l’isobarycentre de A, B, C, D est bar{(O,2);(O,2)}=O.
3) D’après 1) : MA−MB+MC=1⋅MD=MD.
Exercice 8 — Application physique Facile★★☆☆☆
Une tige rigide [AB] de masse négligeable mesure 1,2 m. On fixe une masse de 3 kg en A et une masse de 5 kg en B. Le centre de gravité G du système est le barycentre de {(A,3);(B,5)}.
Calculer la distance AG.
Quelle masse faudrait-il placer en A (la masse en B restant 5 kg) pour que G soit le milieu de [AB] ?
Voir la solution
1)AG=3+55AB, donc AG=85×1,2=0,75 m.
2)G milieu de [AB] exige des poids égaux : il faut 5 kg en A.
Exercice 9 — Quatre points Moyen★★★☆☆
Soit ABC un triangle de centre de gravité G1, et D un point du plan. On pose G=bar{(A,1);(B,1);(C,1);(D,3)}.
Montrer que G est le milieu de [G1D].
Déterminer l’ensemble des points M tels que ∥MA+MB+MC+3MD∥=12.
Voir la solution
1)G1=bar{(A,1);(B,1);(C,1)} ; par associativité G=bar{(G1,3);(D,3)} : G est le milieu de [G1D].
2)1+1+1+3=6 : MA+MB+MC+3MD=6MG. Donc 6MG=12⟺MG=2 : c’est le cercle de centre G et de rayon 2.
Exercice 10 — Lieu d’un barycentre Moyen★★★☆☆
Soit ABC un triangle et J le milieu de [AC]. Pour tout réel m, on pose Gm=bar{(A,1);(B,m);(C,1−m)}.
Justifier que Gm existe pour tout réel m.
Montrer que JGm=2mCB.
En déduire l’ensemble des points Gm lorsque m décrit R.
Voir la solution
1)1+m+(1−m)=2=0 pour tout m : Gm existe.
2)AGm=2mAB+21−mAC et AJ=21AC, donc
JGm=2mAB−2mAC=2m(AB+CA)=2mCB.
3) Quand m décrit R, 2m décrit R : l’ensemble des Gm est la droite passant par J et parallèle à (BC).