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Chapitre 5 — Barycentre dans le plan

Semestre 1

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Cours

Plan du chapitre. Introduction : points pondérés — I. Barycentre de deux points pondérés (définition, construction, homogénéité, propriété caractéristique, coordonnées) — II. Barycentre de trois points pondérés (définition et propriétés, associativité) — III. Barycentre de quatre points pondérés — Résumé.

Cadre. (P)(P) désigne le plan. On utilise le calcul vectoriel (relation de Chasles, colinéarité) et, pour les lieux géométriques, les ensembles usuels (cercle, médiatrice). Dans les solutions, le symbole   ⟺  \iff n’est écrit que lorsque chaque étape est réversible.

Introduction : points pondérés

Définition — point pondéré, système pondéré

Soient AA un point du plan et aa un réel. Le couple (A;a)(A;a) est appelé point pondéré (ou point massif) ; le réel aa est le poids (ou masse algébrique, ou coefficient) du point AA. Une famille finie de points pondérés est appelée système pondéré.

I. Barycentre de deux points pondérés

1. Activités d’introduction

Activité 1 : le levier

Une barre rigide, de masse négligeable, porte aux points AA et BB deux masses mA>0m_A>0 et mB>0m_B>0 ; elle est en équilibre sur un appui situé en un point GG du segment [AB][AB]. La loi du levier s’écrit : mA×GA=mB×GBm_A\times GA=m_B\times GB.

Figure
  1. Justifier qu’à l’équilibre mAGA→+mBGB→=0⃗m_A\V{GA}+m_B\V{GB}=\vec0.
  2. Le point GG vérifiant mAGA→+mBGB→=0⃗m_A\V{GA}+m_B\V{GB}=\vec0 est appelé barycentre des points pondérés (A;mA)(A;m_A) et (B;mB)(B;m_B). Montrer que : mAGA→+mBGB→=0⃗  ⟺  AG→=mBmA+mBAB→m_A\V{GA}+m_B\V{GB}=\vec0\iff\V{AG}=\dfrac{m_B}{m_A+m_B}\V{AB}.
  3. Préciser la position de GG lorsque : a. mA=mB=1m_A=m_B=1 ; b. mA=2m_A=2 et mB=5m_B=5.
  4. On suppose mA=3m_A=3 et AG→=25AB→\V{AG}=\frac25\V{AB}. Déterminer mBm_B.
Voir la solution
  1. G∈[AB]G\in[AB] : les vecteurs GA→\V{GA} et GB→\V{GB} sont colinéaires de sens contraires, de normes GAGA et GBGB. Le vecteur mAGA→m_A\V{GA} a pour norme mA GAm_A\,GA, le vecteur mBGB→m_B\V{GB} a pour norme mB GB=mA GAm_B\,GB=m_A\,GA et ils sont de sens contraires : leur somme est nulle.
  2. Par la relation de Chasles, GB→=GA→+AB→\V{GB}=\V{GA}+\V{AB}, donc mAGA→+mBGB→=(mA+mB)GA→+mBAB→m_A\V{GA}+m_B\V{GB}=(m_A+m_B)\V{GA}+m_B\V{AB}. Ainsi mAGA→+mBGB→=0⃗  ⟺  (mA+mB)AG→=mBAB→  ⟺  AG→=mBmA+mBAB→m_A\V{GA}+m_B\V{GB}=\vec0\iff(m_A+m_B)\V{AG}=m_B\V{AB}\iff\V{AG}=\frac{m_B}{m_A+m_B}\V{AB} (division par mA+mB≠0m_A+m_B\neq0, réversible).
  3. a. AG→=12AB→\V{AG}=\frac12\V{AB} : GG est le milieu de [AB][AB]. b. AG→=57AB→\V{AG}=\frac57\V{AB} : GG est sur [AB][AB], plus proche de BB (le poids le plus fort).
  4. mB3+mB=25  ⟺  5mB=6+2mB  ⟺  mB=2\frac{m_B}{3+m_B}=\frac25\iff5m_B=6+2m_B\iff m_B=2.

Activité 2

Soient aa et bb deux réels non tous deux nuls, AA et BB deux points distincts. On cherche les points GG tels que aGA→+bGB→=0⃗a\V{GA}+b\V{GB}=\vec0.

  1. Montrer que aGA→+bGB→=0⃗  ⟺  (a+b)AG→=bAB→a\V{GA}+b\V{GB}=\vec0\iff(a+b)\V{AG}=b\V{AB}.
  2. En déduire que, si a+b=0a+b=0, aucun point GG ne vérifie la relation.
  3. On suppose a+b≠0a+b\neq0 et on note G′G' le point défini par AG′→=ba+bAB→\V{AG'}=\dfrac{b}{a+b}\V{AB}. a. Montrer que G′G' vérifie la relation. b. En déduire qu’il existe un unique point GG vérifiant la relation, et que G∈(AB)G\in(AB).
  4. Montrer que GG vérifie GA→+GB→=0⃗\V{GA}+\V{GB}=\vec0 si et seulement si GG est le milieu de [AB][AB].
  5. Montrer que 1⋅GA→+0⋅GB→=0⃗  ⟺  G=A1\cdot\V{GA}+0\cdot\V{GB}=\vec0\iff G=A.
Voir la solution
  1. aGA→+b(GA→+AB→)=(a+b)GA→+bAB→a\V{GA}+b(\V{GA}+\V{AB})=(a+b)\V{GA}+b\V{AB}, d’où l’équivalence.
  2. Si a+b=0a+b=0, la relation devient bAB→=0⃗b\V{AB}=\vec0 ; or b=−a≠0b=-a\neq0 (les poids ne sont pas tous deux nuls) et AB→≠0⃗\V{AB}\neq\vec0 : impossible.
  3. a. (a+b)AG′→=bAB→(a+b)\V{AG'}=b\V{AB} : d’après 1, G′G' convient. b. Si GG convient, AG→=ba+bAB→=AG′→\V{AG}=\frac{b}{a+b}\V{AB}=\V{AG'}, donc G=G′G=G' : unicité. AG→\V{AG} et AB→\V{AB} sont colinéaires : G∈(AB)G\in(AB).
  4. Avec a=b=1a=b=1 : AG→=12AB→\V{AG}=\frac12\V{AB}, c’est-à-dire GG milieu de [AB][AB].
  5. Avec a=1a=1, b=0b=0 : AG→=0⃗\V{AG}=\vec0, soit G=AG=A.

2. Définition

Définition 1 : barycentre de deux points pondérés

Soient (A;a)(A;a) et (B;b)(B;b) deux points pondérés tels que a+b≠0a+b\neq0. Il existe un unique point GG tel que aGA→+bGB→=0⃗a\V{GA}+b\V{GB}=\vec0 ; on l’appelle barycentre du système {(A;a);(B;b)}\{(A;a);(B;b)\} et on note G=bar⁡{(A;a);(B;b)}  ⟺  aGA→+bGB→=0⃗.G=\bary{(A;a);(B;b)}\iff a\V{GA}+b\V{GB}=\vec0 .

Exemple 1

Dans chacun des cas suivants, déterminer deux réels aa et bb tels que G=bar⁡{(A;a);(B;b)}G=\bary{(A;a);(B;b)} :

  1. 3GA→+2BA→=0⃗3\V{GA}+2\V{BA}=\vec0
  2. GA→+GB→=2AB→\V{GA}+\V{GB}=2\V{AB}
  3. AG→=34AB→\V{AG}=\frac34\V{AB}.
Voir la solution
  1. BA→=BG→+GA→=−GB→+GA→\V{BA}=\V{BG}+\V{GA}=-\V{GB}+\V{GA}, donc 3GA→+2BA→=0⃗  ⟺  5GA→−2GB→=0⃗3\V{GA}+2\V{BA}=\vec0\iff5\V{GA}-2\V{GB}=\vec0. Comme 5+(−2)≠05+(-2)\neq0 : G=bar⁡{(A;5);(B;−2)}G=\bary{(A;5);(B;-2)}.
  2. 2AB→=2AG→+2GB→=−2GA→+2GB→2\V{AB}=2\V{AG}+2\V{GB}=-2\V{GA}+2\V{GB}, donc la relation équivaut à 3GA→−GB→=0⃗3\V{GA}-\V{GB}=\vec0 : G=bar⁡{(A;3);(B;−1)}G=\bary{(A;3);(B;-1)} (3−1≠03-1\neq0).
  3. AG→=34(AG→+GB→)  ⟺  14AG→−34GB→=0⃗  ⟺  −14GA→−34GB→=0⃗\V{AG}=\frac34(\V{AG}+\V{GB})\iff\frac14\V{AG}-\frac34\V{GB}=\vec0\iff-\frac14\V{GA}-\frac34\V{GB}=\vec0 : G=bar⁡{(A;−14);(B;−34)}G=\bary{\left(A;-\frac14\right);\left(B;-\frac34\right)} (somme −1≠0-1\neq0).

Remarque 1

  • Entre AA et BB, le point le plus proche de GG est celui dont le poids a la plus grande valeur absolue ; si ∣a∣=∣b∣|a|=|b| (et a+b≠0a+b\neq0, donc a=ba=b), GG est le milieu de [AB][AB].
  • Si aa et bb sont de même signe, GG appartient au segment [AB][AB] ; sinon GG est sur la droite (AB)(AB), à l’extérieur du segment.
  • bar⁡{(A;1);(B;1)}\bary{(A;1);(B;1)} est l’isobarycentre de AA et BB : c’est le milieu de [AB][AB].
  • Si a+b=0a+b=0, le système {(A;a);(B;b)}\{(A;a);(B;b)\} n’a pas de barycentre.

Application 1

Déterminer deux réels aa et bb tels que G=bar⁡{(A;a);(B;b)}G=\bary{(A;a);(B;b)} dans chacun des cas :

  1. 3GA→+7AG→=0⃗3\V{GA}+7\V{AG}=\vec0
  2. 2GA→+BA→=0⃗2\V{GA}+\V{BA}=\vec0
  3. GA→+GB→=4AB→\V{GA}+\V{GB}=4\V{AB}
  4. GA→=13AB→\V{GA}=\frac13\V{AB}.
Voir la solution
  1. 3GA→−7GA→=−4GA→=0⃗3\V{GA}-7\V{GA}=-4\V{GA}=\vec0, donc G=AG=A : G=bar⁡{(A;1);(B;0)}G=\bary{(A;1);(B;0)} (tout couple (a;0)(a;0) avec a≠0a\neq0 convient).
  2. 2GA→+BG→+GA→=3GA→−GB→=0⃗2\V{GA}+\V{BG}+\V{GA}=3\V{GA}-\V{GB}=\vec0 : G=bar⁡{(A;3);(B;−1)}G=\bary{(A;3);(B;-1)}.
  3. GA→+GB→=−4GA→+4GB→  ⟺  5GA→−3GB→=0⃗\V{GA}+\V{GB}=-4\V{GA}+4\V{GB}\iff5\V{GA}-3\V{GB}=\vec0 : G=bar⁡{(A;5);(B;−3)}G=\bary{(A;5);(B;-3)}.
  4. GA→=13(AG→+GB→)=−13GA→+13GB→  ⟺  43GA→−13GB→=0⃗\V{GA}=\frac13(\V{AG}+\V{GB})=-\frac13\V{GA}+\frac13\V{GB}\iff\frac43\V{GA}-\frac13\V{GB}=\vec0 : G=bar⁡{(A;43);(B;−13)}G=\bary{\left(A;\frac43\right);\left(B;-\frac13\right)}, ou encore G=bar⁡{(A;4);(B;−1)}G=\bary{(A;4);(B;-1)} (en multipliant la relation par 33).

3. Construction du barycentre

Propriété — construction

Si a+b≠0a+b\neq0 : G=bar⁡{(A;a);(B;b)}  ⟺  AG→=ba+bAB→  ⟺  BG→=aa+bBA→\quad G=\bary{(A;a);(B;b)}\iff\V{AG}=\dfrac{b}{a+b}\V{AB}\iff\V{BG}=\dfrac{a}{a+b}\V{BA}.

Exemple 2

Soient AA et BB deux points. Construire GG dans chacun des cas :

  1. G=bar⁡{(A;−3);(B;−1)}G=\bary{(A;-3);(B;-1)}, AB=4AB=4
  2. G=bar⁡{(A;−2);(B;5)}G=\bary{(A;-2);(B;5)}, AB=3AB=3
  3. G=bar⁡{(A;4);(B;−1)}G=\bary{(A;4);(B;-1)}, AB=6AB=6
  4. G=bar⁡{(A;−5);(B;3)}G=\bary{(A;-5);(B;3)}, AB=4AB=4.
Voir la solution
  1. AG→=−1−4AB→=14AB→\V{AG}=\frac{-1}{-4}\V{AB}=\frac14\V{AB} : AG=1AG=1, G∈[AB]G\in[AB].
  2. AG→=53AB→\V{AG}=\frac53\V{AB} : AG=5AG=5, GG au-delà de BB.
  3. AG→=−13AB→\V{AG}=\frac{-1}{3}\V{AB} : AG=2AG=2, GG du côté opposé à BB par rapport à AA.
  4. AG→=3−2AB→=−32AB→\V{AG}=\frac{3}{-2}\V{AB}=-\frac32\V{AB} : AG=6AG=6, du côté opposé à BB.
Figure

Remarque 2

Soient AA et BB deux points distincts.

  • GG est le milieu de [AB]  ⟺  G=bar⁡{(A;1);(B;1)}[AB]\iff G=\bary{(A;1);(B;1)}.
  • G∈(AB)  ⟺  G\in(AB)\iff il existe deux réels aa et bb, avec a+b≠0a+b\neq0, tels que G=bar⁡{(A;a);(B;b)}G=\bary{(A;a);(B;b)}. (Si AG→=tAB→\V{AG}=t\V{AB}, on peut prendre a=1−ta=1-t et b=tb=t.)

Application 2

Soient AA et BB deux points. Construire GG dans chacun des cas :

  1. G=bar⁡{(A;2);(B;1)}G=\bary{(A;2);(B;1)}, AB=3AB=3
  2. G=bar⁡{(A;−3);(B;4)}G=\bary{(A;-3);(B;4)}, AB=1AB=1
  3. G=bar⁡{(A;5);(B;−4)}G=\bary{(A;5);(B;-4)}, AB=1AB=1.
Voir la solution
  1. AG→=13AB→\V{AG}=\frac13\V{AB} : AG=1AG=1
  2. AG→=41AB→=4AB→\V{AG}=\frac41\V{AB}=4\V{AB} : AG=4AG=4, au-delà de BB
  3. AG→=−41AB→\V{AG}=\frac{-4}{1}\V{AB} : AG=4AG=4, du côté opposé à BB.
Figure

4. Homogénéité et propriété caractéristique

Activité 3

Soient aa et bb deux réels tels que a+b≠0a+b\neq0, et G=bar⁡{(A;a);(B;b)}G=\bary{(A;a);(B;b)}.

  1. Soit k∈R∗k\in\R^*. Montrer que akGA→+bkGB→=0⃗\frac ak\V{GA}+\frac bk\V{GB}=\vec0 et en déduire que G=bar⁡{(A;ak);(B;bk)}G=\bary{\left(A;\frac ak\right);\left(B;\frac bk\right)}.
  2. Montrer que, pour tout point MM : aMA→+bMB→=(a+b)MG→a\V{MA}+b\V{MB}=(a+b)\V{MG}.
  3. Réciproquement, soit G′G' un point tel que, pour tout point MM, aMA→+bMB→=(a+b)MG′→a\V{MA}+b\V{MB}=(a+b)\V{MG'}. Montrer que G′=GG'=G.
  4. Dans un repère (O;ı⃗;ȷ⃗)(O;\vec\imath;\vec\jmath), on note A(xA;yA)A(x_A;y_A) et B(xB;yB)B(x_B;y_B). En prenant M=OM=O, établir que G(axA+bxBa+b;ayA+byBa+b)G\left(\dfrac{ax_A+bx_B}{a+b};\dfrac{ay_A+by_B}{a+b}\right).
Voir la solution
  1. On divise la relation aGA→+bGB→=0⃗a\V{GA}+b\V{GB}=\vec0 par k≠0k\neq0 ; la somme des nouveaux poids a+bk\frac{a+b}k est non nulle, et l’unicité du barycentre donne le résultat.
  2. aMA→+bMB→=a(MG→+GA→)+b(MG→+GB→)=(a+b)MG→+aGA→+bGB→⏟=0⃗a\V{MA}+b\V{MB}=a(\V{MG}+\V{GA})+b(\V{MG}+\V{GB})=(a+b)\V{MG}+\underbrace{a\V{GA}+b\V{GB}}_{=\vec0}.
  3. Avec M=G′M=G' : aG′A→+bG′B→=0⃗a\V{G'A}+b\V{G'B}=\vec0, donc G′G' est le barycentre, i.e. G′=GG'=G par unicité.
  4. OG→=aOA→+bOB→a+b\V{OG}=\frac{a\V{OA}+b\V{OB}}{a+b} ; les coordonnées de OA→\V{OA} et OB→\V{OB} sont (xA;yA)(x_A;y_A) et (xB;yB)(x_B;y_B), d’où le résultat.

Propriété — homogénéité

Pour tout k∈R∗k\in\R^* :  G=bar⁡{(A;a);(B;b)}  ⟺  G=bar⁡{(A;ka);(B;kb)}\ G=\bary{(A;a);(B;b)}\iff G=\bary{(A;ka);(B;kb)}. Multiplier (ou diviser) tous les poids par un même réel non nul ne change pas le barycentre.

Exemple 3

Soit G=bar⁡{(A;150);(B;−250)}G=\bary{(A;150);(B;-250)}. Montrer que G=bar⁡{(A;3);(B;−5)}G=\bary{(A;3);(B;-5)}.

Voir la solution

Par homogénéité (division des poids par 50≠050\neq0) : G=bar⁡{(A;15050);(B;−25050)}=bar⁡{(A;3);(B;−5)}G=\bary{\left(A;\frac{150}{50}\right);\left(B;\frac{-250}{50}\right)}=\bary{(A;3);(B;-5)}.

Propriété — propriété caractéristique

Si a+b≠0a+b\neq0 : G=bar⁡{(A;a);(B;b)}  ⟺  (∀M∈(P))  aMA→+bMB→=(a+b)MG→\quad G=\bary{(A;a);(B;b)}\iff\big(\forall M\in(P)\big)\ \ a\V{MA}+b\V{MB}=(a+b)\V{MG}.

Exemple 4

Soit ABCABC un triangle. On pose G=bar⁡{(A;3);(B;2)}G=\bary{(A;3);(B;2)} et G′=bar⁡{(A;−3);(C;8)}G'=\bary{(A;-3);(C;8)}.

  1. À l’aide de la propriété caractéristique, montrer que (∀M∈(P))  2MB→+8MC→=5MG→+5MG′→\big(\forall M\in(P)\big)\ \ 2\V{MB}+8\V{MC}=5\V{MG}+5\V{MG'}.
  2. Soit I=bar⁡{(B;2);(C;8)}I=\bary{(B;2);(C;8)}. a. Simplifier, par deux méthodes, le vecteur 2IB→+8IC→2\V{IB}+8\V{IC}. b. En déduire que II est le milieu du segment [GG′][GG'].
Voir la solution
  1. Pour tout MM : 3MA→+2MB→=5MG→3\V{MA}+2\V{MB}=5\V{MG} et −3MA→+8MC→=5MG′→-3\V{MA}+8\V{MC}=5\V{MG'}. En additionnant : 2MB→+8MC→=5MG→+5MG′→2\V{MB}+8\V{MC}=5\V{MG}+5\V{MG'}.
  2. a. Méthode 1 : par définition de II, 2IB→+8IC→=0⃗2\V{IB}+8\V{IC}=\vec0. Méthode 2 : en prenant M=IM=I dans 1, 2IB→+8IC→=5IG→+5IG′→2\V{IB}+8\V{IC}=5\V{IG}+5\V{IG'}. b. Donc 5IG→+5IG′→=0⃗5\V{IG}+5\V{IG'}=\vec0, soit IG→+IG′→=0⃗\V{IG}+\V{IG'}=\vec0 : I=bar⁡{(G;1);(G′;1)}I=\bary{(G;1);(G';1)} est le milieu de [GG′][GG'].

Remarque 3 — ensembles usuels de points

Soient AA et BB deux points distincts et R>0R>0.

Condition sur MMEnsemble des points MM
MA=RMA=Rcercle de centre AA et de rayon RR
MA=0MA=0le singleton {A}\{A\}
MA=−RMA=-Rl’ensemble vide
MA≤RMA\le Rdisque fermé de centre AA et de rayon RR
MA=MBMA=MBmédiatrice du segment [AB][AB]

Exemple 5

Soient AA et BB deux points distincts et G=bar⁡{(A;3);(B;1)}G=\bary{(A;3);(B;1)}. Déterminer l’ensemble des points MM du plan tels que :

  1. ∥3MA→+MB→∥=0\nv{3\V{MA}+\V{MB}}=0
  2. ∥3MA→+MB→∥=12\nv{3\V{MA}+\V{MB}}=12
  3. ∥3MA→+MB→∥=∥MA→+3MB→∥\nv{3\V{MA}+\V{MB}}=\nv{\V{MA}+3\V{MB}}.
Voir la solution

Par la propriété caractéristique, pour tout MM : 3MA→+MB→=4MG→3\V{MA}+\V{MB}=4\V{MG}.

  1. ∥4MG→∥=0  ⟺  MG=0  ⟺  M=G\nv{4\V{MG}}=0\iff MG=0\iff M=G : l’ensemble est {G}\{G\}.
  2. 4MG=12  ⟺  MG=34MG=12\iff MG=3 : cercle de centre GG et de rayon 33.
  3. Soit G′=bar⁡{(A;1);(B;3)}G'=\bary{(A;1);(B;3)} : MA→+3MB→=4MG′→\V{MA}+3\V{MB}=4\V{MG'}. La condition équivaut à 4MG=4MG′4MG=4MG', soit MG=MG′MG=MG'. Comme G≠G′G\neq G' (AG→=14AB→\V{AG}=\frac14\V{AB} et AG′→=34AB→\V{AG'}=\frac34\V{AB}), l’ensemble est la médiatrice de [GG′][GG'].

5. Coordonnées du barycentre

Propriété — coordonnées

Dans un repère du plan, si A(xA;yA)A(x_A;y_A), B(xB;yB)B(x_B;y_B) et a+b≠0a+b\neq0 : G=bar⁡{(A;a);(B;b)}  ⟺  xG=axA+bxBa+b  et  yG=ayA+byBa+b.G=\bary{(A;a);(B;b)}\iff x_G=\frac{ax_A+bx_B}{a+b}\ \text{ et }\ y_G=\frac{ay_A+by_B}{a+b}.

Application 3

Dans un repère (O;ı⃗;ȷ⃗)(O;\vec\imath;\vec\jmath), on considère A(3;−1)A(3;-1), B(6;5)B(6;5), C(−3;2)C(-3;2), D(0;−1)D(0;-1), et l’on pose G=bar⁡{(A;1);(B;2)}G=\bary{(A;1);(B;2)}, G′=bar⁡{(C;1);(D;2)}G'=\bary{(C;1);(D;2)}.

  1. Déterminer les coordonnées de GG et de G′G'.
  2. Soient II, JJ, KK les milieux respectifs de [AC][AC], [BD][BD] et [GG′][GG']. a. Déterminer les coordonnées de II, JJ et KK. b. Montrer, par deux méthodes, que II, JJ et KK sont alignés.
  3. Déterminer l’ensemble des points MM tels que : a. ∥MA→+2MB→∥=27\nv{\V{MA}+2\V{MB}}=27 ; b. ∥MA→+2MB→∥=∥MC→+2MD→∥\nv{\V{MA}+2\V{MB}}=\nv{\V{MC}+2\V{MD}}.
Voir la solution
  1. G(3+123;−1+103)=G(5;3)G\left(\frac{3+12}{3};\frac{-1+10}{3}\right)=G(5;3) ;  G′(−3+03;2−23)=G′(−1;0)\ G'\left(\frac{-3+0}{3};\frac{2-2}{3}\right)=G'(-1;0).
  2. a. I(0;12)I\left(0;\frac12\right), J(3;2)J\left(3;2\right), K(2;32)K\left(2;\frac32\right). b. Méthode 1 (déterminant) : IJ→(3;32)\V{IJ}\left(3;\frac32\right), IK→(2;1)\V{IK}(2;1) et det⁡(IJ→;IK→)=3×1−32×2=0\det(\V{IJ};\V{IK})=3\times1-\frac32\times2=0 : vecteurs colinéaires, points alignés. Méthode 2 (barycentre) : OK→=12(OG→+OG′→)=16(OA→+2OB→+OC→+2OD→)=16(2OI→+4OJ→)\V{OK}=\frac12(\V{OG}+\V{OG'})=\frac16(\V{OA}+2\V{OB}+\V{OC}+2\V{OD})=\frac16\big(2\V{OI}+4\V{OJ}\big), donc K=bar⁡{(I;1);(J;2)}K=\bary{(I;1);(J;2)} et K∈(IJ)K\in(IJ).
  3. a. MA→+2MB→=3MG→\V{MA}+2\V{MB}=3\V{MG} : 3MG=27  ⟺  MG=93MG=27\iff MG=9 ; cercle de centre G(5;3)G(5;3) et de rayon 99. b. MC→+2MD→=3MG′→\V{MC}+2\V{MD}=3\V{MG'} : la condition équivaut à MG=MG′MG=MG' ; c’est la médiatrice de [GG′][GG'], droite passant par K(2;32)K\left(2;\frac32\right) et perpendiculaire à (GG′)(GG').

II. Barycentre de trois points pondérés

1. Définition et propriétés

Activité 4

Soient aa, bb, cc trois réels non tous nuls et ABCABC un triangle. On cherche les points GG tels que aGA→+bGB→+cGC→=0⃗a\V{GA}+b\V{GB}+c\V{GC}=\vec0.

  1. Montrer que la relation équivaut à (a+b+c)AG→=bAB→+cAC→(a+b+c)\V{AG}=b\V{AB}+c\V{AC}.
  2. En déduire que, si a+b+c=0a+b+c=0, aucun point ne vérifie la relation.
  3. On suppose a+b+c≠0a+b+c\neq0. Montrer qu’il existe un unique point GG vérifiant la relation et que AG→=ba+b+cAB→+ca+b+cAC→\V{AG}=\dfrac{b}{a+b+c}\V{AB}+\dfrac{c}{a+b+c}\V{AC}.
  4. Montrer que, pour tout k∈R∗k\in\R^*, GG vérifie aussi akGA→+bkGB→+ckGC→=0⃗\frac ak\V{GA}+\frac bk\V{GB}+\frac ck\V{GC}=\vec0.
  5. Montrer que, pour tout point MM : aMA→+bMB→+cMC→=(a+b+c)MG→a\V{MA}+b\V{MB}+c\V{MC}=(a+b+c)\V{MG}.
  6. En déduire les coordonnées de GG dans un repère, en fonction de celles de AA, BB, CC.
Voir la solution
  1. Chasles : aGA→+b(GA→+AB→)+c(GA→+AC→)=(a+b+c)GA→+bAB→+cAC→a\V{GA}+b(\V{GA}+\V{AB})+c(\V{GA}+\V{AC})=(a+b+c)\V{GA}+b\V{AB}+c\V{AC}.
  2. Si a+b+c=0a+b+c=0 : la relation s’écrit bAB→+cAC→=0⃗b\V{AB}+c\V{AC}=\vec0 ; AB→\V{AB} et AC→\V{AC} n’étant pas colinéaires, b=c=0b=c=0, puis a=0a=0 : contraire à l’hypothèse.
  3. La relation équivaut à AG→=ba+b+cAB→+ca+b+cAC→\V{AG}=\frac{b}{a+b+c}\V{AB}+\frac{c}{a+b+c}\V{AC}, qui définit un unique point.
  4. On divise la relation par k≠0k\neq0.
  5. Même calcul que dans l’activité 3 (Chasles avec le point MM).
  6. Avec M=OM=O : OG→=aOA→+bOB→+cOC→a+b+c\V{OG}=\frac{a\V{OA}+b\V{OB}+c\V{OC}}{a+b+c}, d’où les formules ci-dessous.

Définition 2 : barycentre de trois points pondérés et propriétés

Soient (A;a)(A;a), (B;b)(B;b), (C;c)(C;c) trois points pondérés tels que a+b+c≠0a+b+c\neq0.

  1. Il existe un unique point GG, le barycentre du système, tel que :  G=bar⁡{(A;a);(B;b);(C;c)}  ⟺  aGA→+bGB→+cGC→=0⃗\ G=\bary{(A;a);(B;b);(C;c)}\iff a\V{GA}+b\V{GB}+c\V{GC}=\vec0.
  2. Construction :  AG→=ba+b+cAB→+ca+b+cAC→\ \V{AG}=\dfrac{b}{a+b+c}\V{AB}+\dfrac{c}{a+b+c}\V{AC}.
  3. Homogénéité : pour tout k∈R∗k\in\R^*, G=bar⁡{(A;ka);(B;kb);(C;kc)}G=\bary{(A;ka);(B;kb);(C;kc)}.
  4. Propriété caractéristique :  G=bar⁡{(A;a);(B;b);(C;c)}  ⟺  (∀M) aMA→+bMB→+cMC→=(a+b+c)MG→\ G=\bary{(A;a);(B;b);(C;c)}\iff\big(\forall M\big)\ a\V{MA}+b\V{MB}+c\V{MC}=(a+b+c)\V{MG}.
  5. Coordonnées :  xG=axA+bxB+cxCa+b+c\ x_G=\dfrac{ax_A+bx_B+cx_C}{a+b+c} et yG=ayA+byB+cyCa+b+cy_G=\dfrac{ay_A+by_B+cy_C}{a+b+c}.

Exemple 6

  1. Déterminer des réels aa, bb, cc tels que G=bar⁡{(A;a);(B;b);(C;c)}G=\bary{(A;a);(B;b);(C;c)}, sachant que 2GA→+GB→−GC→=3AB→−2AC→2\V{GA}+\V{GB}-\V{GC}=3\V{AB}-2\V{AC}.
  2. Dans un repère, placer A(0;2)A(0;2), B(2;1)B(2;1), C(−1;−1)C(-1;-1), puis les points H=bar⁡{(A;6);(B;−6);(C;−3)}H=\bary{(A;6);(B;-6);(C;-3)} et D=bar⁡{(A;1);(B;−1);(C;−1)}D=\bary{(A;1);(B;-1);(C;-1)}.
  3. Montrer que H=bar⁡{(A;2);(B;−2);(C;−1)}H=\bary{(A;2);(B;-2);(C;-1)}.
  4. Montrer vectoriellement que le quadrilatère ADHBADHB est un parallélogramme.
  5. Déterminer les coordonnées de HH et de DD.
  6. Retrouver, à l’aide des coordonnées, que ADHBADHB est un parallélogramme.
  7. Déterminer l’ensemble des points MM tels que ∥3MA→−2MB→+MC→∥=∥4MA→−4MB→−2MC→∥\nv{3\V{MA}-2\V{MB}+\V{MC}}=\nv{4\V{MA}-4\V{MB}-2\V{MC}} (GG est le point de la question 1).
Voir la solution
  1. 3AB→−2AC→=3(AG→+GB→)−2(AG→+GC→)=−GA→+3GB→−2GC→3\V{AB}-2\V{AC}=3(\V{AG}+\V{GB})-2(\V{AG}+\V{GC})=-\V{GA}+3\V{GB}-2\V{GC}. La relation équivaut donc à 3GA→−2GB→+GC→=0⃗3\V{GA}-2\V{GB}+\V{GC}=\vec0 ; comme 3−2+1=2≠03-2+1=2\neq0 : G=bar⁡{(A;3);(B;−2);(C;1)}G=\bary{(A;3);(B;-2);(C;1)}.
  2. HH : somme −3-3, AH→=−6−3AB→+−3−3AC→=2AB→+AC→\V{AH}=\frac{-6}{-3}\V{AB}+\frac{-3}{-3}\V{AC}=2\V{AB}+\V{AC}. DD : somme −1-1, AD→=AB→+AC→\V{AD}=\V{AB}+\V{AC}. (Figure ci-dessous.)
  3. Homogénéité : on divise les poids par 33.
  4. BH→=BA→+AH→=−AB→+2AB→+AC→=AB→+AC→=AD→\V{BH}=\V{BA}+\V{AH}=-\V{AB}+2\V{AB}+\V{AC}=\V{AB}+\V{AC}=\V{AD}. Donc AD→=BH→\V{AD}=\V{BH} : ADHBADHB est un parallélogramme (les points AA, BB, DD n’étant pas alignés).
  5. xH=2×0−2×2−1×(−1)−1=3x_H=\frac{2\times0-2\times2-1\times(-1)}{-1}=3, yH=2×2−2×1−1×(−1)−1=−3y_H=\frac{2\times2-2\times1-1\times(-1)}{-1}=-3 : H(3;−3)H(3;-3). xD=0−2+1−1=1x_D=\frac{0-2+1}{-1}=1, yD=2−1+1−1=−2y_D=\frac{2-1+1}{-1}=-2 : D(1;−2)D(1;-2).
  6. AD→(1;−4)\V{AD}(1;-4) et BH→(1;−4)\V{BH}(1;-4) : AD→=BH→\V{AD}=\V{BH}.
  7. Propriété caractéristique : 3MA→−2MB→+MC→=2MG→3\V{MA}-2\V{MB}+\V{MC}=2\V{MG} et 4MA→−4MB→−2MC→=2(2MA→−2MB→−MC→)=2×(−1)MH→4\V{MA}-4\V{MB}-2\V{MC}=2\big(2\V{MA}-2\V{MB}-\V{MC}\big)=2\times(-1)\V{MH}. La condition équivaut à 2MG=2MH2MG=2MH, soit MG=MHMG=MH : c’est la médiatrice de [GH][GH] (G≠HG\neq H : avec les coordonnées de la question 5, G(−52;32)G\left(-\frac52;\frac32\right) et H(3;−3)H(3;-3)).
Figure

Remarque 4

  • Si a+b+c=0a+b+c=0, le système {(A;a);(B;b);(C;c)}\{(A;a);(B;b);(C;c)\} n’a pas de barycentre.
  • bar⁡{(A;1);(B;1);(C;1)}\bary{(A;1);(B;1);(C;1)} est l’isobarycentre de AA, BB, CC : c’est le centre de gravité du triangle ABCABC.

2. Associativité du barycentre

Activité 5

Soient aa, bb, cc des réels tels que a+b+c≠0a+b+c\neq0 et a+b≠0a+b\neq0, ABCABC un triangle, G=bar⁡{(A;a);(B;b);(C;c)}G=\bary{(A;a);(B;b);(C;c)} et H=bar⁡{(A;a);(B;b)}H=\bary{(A;a);(B;b)}.

  1. a. Vérifier que aGA→+bGB→=−cGC→a\V{GA}+b\V{GB}=-c\V{GC}. b. À l’aide de la propriété caractéristique de HH, montrer que aGA→+bGB→=(a+b)GH→a\V{GA}+b\V{GB}=(a+b)\V{GH}. c. En déduire que G=bar⁡{(H;a+b);(C;c)}G=\bary{(H;a+b);(C;c)} et que G∈(CH)G\in(CH).
  2. Cas particulier a=b=c=1a=b=c=1 : on note II le milieu de [BC][BC]. Montrer que G∈(CH)G\in(CH) et G∈(AI)G\in(AI) ; en déduire que GG est le centre de gravité de ABCABC.
  3. On suppose de plus b+c≠0b+c\neq0 et a+c≠0a+c\neq0 ; soient K=bar⁡{(B;b);(C;c)}K=\bary{(B;b);(C;c)} et L=bar⁡{(A;a);(C;c)}L=\bary{(A;a);(C;c)}. Montrer que (CH)(CH), (AK)(AK) et (BL)(BL) sont concourantes en GG.
Voir la solution
  1. a. Définition de GG. b. Propriété caractéristique de HH avec M=GM=G. c. Donc (a+b)GH→+cGC→=0⃗(a+b)\V{GH}+c\V{GC}=\vec0 avec (a+b)+c≠0(a+b)+c\neq0 : G=bar⁡{(H;a+b);(C;c)}G=\bary{(H;a+b);(C;c)}, et G∈(CH)G\in(CH).
  2. HH est le milieu de [AB][AB] ; par 1, G∈(CH)G\in(CH) ; de même, en regroupant BB et CC, G=bar⁡{(A;1);(I;2)}∈(AI)G=\bary{(A;1);(I;2)}\in(AI). GG est sur deux médianes : c’est le centre de gravité.
  3. Comme en 1 : G=bar⁡{(A;a);(K;b+c)}∈(AK)G=\bary{(A;a);(K;b+c)}\in(AK) et G=bar⁡{(B;b);(L;a+c)}∈(BL)G=\bary{(B;b);(L;a+c)}\in(BL) ; les trois droites passent par GG.

Propriété — associativité

Le barycentre de trois points pondérés ne change pas si l’on remplace deux d’entre eux par leur barycentre partiel (s’il existe) affecté de la somme de leurs poids : G=bar⁡{(A;a);(B;b);(C;c)}H=bar⁡{(A;a);(B;b)}, a+b≠0}⟹G=bar⁡{(H;a+b);(C;c)}.\left.\begin{array}{l}G=\bary{(A;a);(B;b);(C;c)}\\ H=\bary{(A;a);(B;b)},\ a+b\neq0\end{array}\right\}\Longrightarrow G=\bary{(H;a+b);(C;c)}.

Exemple 7

Soit ABCABC un triangle.

  1. Placer D=bar⁡{(A;3);(B;−2)}D=\bary{(A;3);(B;-2)} et G=bar⁡{(A;3);(B;−2);(C;1)}G=\bary{(A;3);(B;-2);(C;1)}.
  2. À l’aide de l’associativité, montrer que GG est le milieu de [CD][CD].
  3. Soient H=bar⁡{(A;2);(B;3)}H=\bary{(A;2);(B;3)}, E=bar⁡{(B;3);(C;−4)}E=\bary{(B;3);(C;-4)} et F=bar⁡{(A;2);(C;−4)}F=\bary{(A;2);(C;-4)}. Montrer que les droites (CH)(CH), (AE)(AE) et (BF)(BF) sont concourantes en un point que l’on précisera.
Voir la solution
  1. AD→=−21AB→=−2AB→\V{AD}=\frac{-2}{1}\V{AB}=-2\V{AB} ; AG→=−22AB→+12AC→=−AB→+12AC→\V{AG}=\frac{-2}{2}\V{AB}+\frac12\V{AC}=-\V{AB}+\frac12\V{AC}.
  2. En regroupant AA et BB en DD (poids 3−2=13-2=1) : G=bar⁡{(D;1);(C;1)}G=\bary{(D;1);(C;1)}, milieu de [CD][CD].
  3. Le système {(A;2);(B;3);(C;−4)}\{(A;2);(B;3);(C;-4)\} a un barycentre G′G' car 2+3−4=1≠02+3-4=1\neq0. Associativité : G′=bar⁡{(H;5);(C;−4)}∈(CH)G'=\bary{(H;5);(C;-4)}\in(CH) ; G′=bar⁡{(A;2);(E;−1)}∈(AE)G'=\bary{(A;2);(E;-1)}\in(AE) ; G′=bar⁡{(F;−2);(B;3)}∈(BF)G'=\bary{(F;-2);(B;3)}\in(BF). Les trois droites sont concourantes en G′=bar⁡{(A;2);(B;3);(C;−4)}G'=\bary{(A;2);(B;3);(C;-4)}.
Figure

Application 4

Soient ABCABC un triangle, II le milieu de [BC][BC] et G=bar⁡{(A;2);(B;1);(C;1)}G=\bary{(A;2);(B;1);(C;1)}.

  1. Montrer que GG est le milieu de [AI][AI], puis construire GG.
  2. Soit J=bar⁡{(A;2);(B;1)}J=\bary{(A;2);(B;1)}. Montrer que G∈(CJ)G\in(CJ) et préciser la position de GG sur [CJ][CJ].
Voir la solution
  1. I=bar⁡{(B;1);(C;1)}I=\bary{(B;1);(C;1)} ; associativité : G=bar⁡{(A;2);(I;2)}G=\bary{(A;2);(I;2)}, milieu de [AI][AI].
  2. Associativité : G=bar⁡{(J;3);(C;1)}G=\bary{(J;3);(C;1)}, donc G∈(CJ)G\in(CJ) et JG→=14JC→\V{JG}=\frac14\V{JC} : GG est sur [CJ][CJ], au quart à partir de JJ.

III. Barycentre de quatre points pondérés

Propriété

  • Les définitions et propriétés précédentes (existence et unicité si la somme des poids est non nulle, construction, homogénéité, propriété caractéristique, coordonnées) s’étendent à quatre points pondérés.
  • Associativité : on peut remplacer deux ou trois des points par leur barycentre partiel (s’il existe), affecté de la somme de leurs poids, sans changer le barycentre du système.

Application 5

Soit ABCDABCD un quadrilatère et GG l’isobarycentre de AA, BB, CC, DD. On note II, JJ, KK, LL, PP, QQ les milieux respectifs de [AB][AB], [CD][CD], [AD][AD], [BC][BC], [AC][AC], [BD][BD].

  1. Montrer que GG est le milieu de [IJ][IJ], de [KL][KL] et de [PQ][PQ].
  2. En déduire que les segments [IJ][IJ], [KL][KL] et [PQ][PQ] ont le même milieu.
Voir la solution
  1. G=bar⁡{(A;1);(B;1);(C;1);(D;1)}G=\bary{(A;1);(B;1);(C;1);(D;1)}. En regroupant A,BA,B en II et C,DC,D en JJ (poids 22 chacun) : G=bar⁡{(I;2);(J;2)}G=\bary{(I;2);(J;2)}, milieu de [IJ][IJ]. De même G=bar⁡{(K;2);(L;2)}G=\bary{(K;2);(L;2)} et G=bar⁡{(P;2);(Q;2)}G=\bary{(P;2);(Q;2)}.
  2. Les trois segments ont pour milieu commun GG (en particulier IKJLIKJL est un parallélogramme).

Résumé : barycentre

NotionDeux points (a+b≠0a+b\neq0)Trois points (a+b+c≠0a+b+c\neq0)
DéfinitionaGA→+bGB→=0⃗a\V{GA}+b\V{GB}=\vec0aGA→+bGB→+cGC→=0⃗a\V{GA}+b\V{GB}+c\V{GC}=\vec0
ConstructionAG→=ba+bAB→\V{AG}=\frac{b}{a+b}\V{AB}AG→=ba+b+cAB→+ca+b+cAC→\V{AG}=\frac{b}{a+b+c}\V{AB}+\frac{c}{a+b+c}\V{AC}
Homogénéitépoids ×k\times k, k≠0k\neq0poids ×k\times k, k≠0k\neq0
Propriété caractéristiqueaMA→+bMB→=(a+b)MG→a\V{MA}+b\V{MB}=(a+b)\V{MG}aMA→+bMB→+cMC→=(a+b+c)MG→a\V{MA}+b\V{MB}+c\V{MC}=(a+b+c)\V{MG}
CoordonnéesxG=axA+bxBa+bx_G=\frac{ax_A+bx_B}{a+b}xG=axA+bxB+cxCa+b+cx_G=\frac{ax_A+bx_B+cx_C}{a+b+c}
Cas particuliersmilieu : poids égauxcentre de gravité : poids égaux
Associativité—G=bar⁡{(H;a+b);(C;c)}G=\bary{(H;a+b);(C;c)} si H=bar⁡{(A;a);(B;b)}H=\bary{(A;a);(B;b)}
AlignementG∈(AB)G\in(AB)regroupement ⇒\Rightarrow concours de droites

Série d’exercices

Remarque — méthodes utilisées

  • Construire un barycentre : AG→=ba+bAB→\V{AG}=\frac{b}{a+b}\V{AB} (deux points) ; AG→=bsAB→+csAC→\V{AG}=\frac{b}{s}\V{AB}+\frac{c}{s}\V{AC} avec s=a+b+cs=a+b+c (trois points), ou associativité.
  • Alignement / concours : on écrit un point comme barycentre de deux autres (associativité) ; trois droites sont concourantes si un même barycentre appartient aux trois.
  • Lieux : la propriété caractéristique ramène ∥aMA→+bMB→+cMC→∥\nv{a\V{MA}+b\V{MB}+c\V{MC}} à ∣s∣ MG|s|\,MG (si s≠0s\neq0).
  • Tous les calculs (barycentres, coordonnées, paramètres) ont été contrôlés avec Python/sympy (build/verif_lot3.py).

Consignes. (P)(P) désigne le plan. Toute réponse doit être justifiée ; le symbole   ⟺  \iff n’est employé que si chaque étape est réversible. Les constructions demandées se font à la règle et au compas, en justifiant la position des points par une relation vectorielle. Difficulté : de ★\bigstar à ★★★★★\bigstar\bigstar\bigstar\bigstar\bigstar.

Exercice 1 — Construction, associativité, lieu Facile ★★☆☆☆

Soit ABCABC un triangle. On considère les points K=bar⁡{(A;3);(B;−1)}K=\bary{(A;3);(B;-1)} et I=bar⁡{(B;−1);(C;4)}I=\bary{(B;-1);(C;4)}.

  1. a. Construire les points KK et II. b. Construire le point G=bar⁡{(A;3);(B;−1);(C;4)}G=\bary{(A;3);(B;-1);(C;4)}.
  2. À l’aide de l’associativité du barycentre, montrer que GG est le milieu du segment [AI][AI].
  3. a. À l’aide de la propriété caractéristique du barycentre, montrer que :
    CG→=12CA→−16CB→\V{CG}=\frac12\V{CA}-\frac16\V{CB} et CK→=32CA→−12CB→\V{CK}=\frac32\V{CA}-\frac12\V{CB}. b. En déduire que les points CC, KK et GG sont alignés.
  4. Soit F=bar⁡{(A;3);(C;4)}F=\bary{(A;3);(C;4)}. Montrer que G∈(BF)G\in(BF).
  5. En déduire que les droites (AI)(AI), (CK)(CK) et (BF)(BF) sont concourantes et préciser leur point de concours.
  6. Déterminer l’ensemble des points MM du plan tels que ∥3MA→−MB→+4MC→∥=18\nv{3\V{MA}-\V{MB}+4\V{MC}}=18.
Voir la solution

1. a. K=bar⁡{(A;3);(B;−1)}K=\bary{(A;3);(B;-1)} : AK→=−12AB→\V{AK}=\frac{-1}{2}\V{AB}.  I=bar⁡{(B;−1);(C;4)}\ I=\bary{(B;-1);(C;4)} : BI→=43BC→\V{BI}=\frac43\V{BC}.

1. b. La somme des poids vaut 3−1+4=6≠03-1+4=6\neq0 : AG→=−16AB→+46AC→=−16AB→+23AC→\V{AG}=-\frac16\V{AB}+\frac46\V{AC}=-\frac16\V{AB}+\frac23\V{AC} (ou, plus simplement, voir la question 2).

Figure

2. II est le barycentre partiel de (B;−1)(B;-1) et (C;4)(C;4), de poids −1+4=3-1+4=3. Par associativité, G=bar⁡{(A;3);(I;3)}G=\bary{(A;3);(I;3)} : les poids sont égaux, donc GG est le milieu de [AI][AI].

3. a. Propriété caractéristique de GG avec M=CM=C : 3CA→−CB→+4CC→=6CG→3\V{CA}-\V{CB}+4\V{CC}=6\V{CG}, donc CG→=12CA→−16CB→\V{CG}=\frac12\V{CA}-\frac16\V{CB}. Propriété caractéristique de KK avec M=CM=C : 3CA→−CB→=2CK→3\V{CA}-\V{CB}=2\V{CK}, donc CK→=32CA→−12CB→\V{CK}=\frac32\V{CA}-\frac12\V{CB}.

3. b. On constate que CK→=3(12CA→−16CB→)=3CG→\V{CK}=3\left(\frac12\V{CA}-\frac16\V{CB}\right)=3\V{CG} : les vecteurs sont colinéaires, donc CC, KK, GG sont alignés.

4. FF est le barycentre partiel de (A;3)(A;3) et (C;4)(C;4) (poids 77). Associativité : G=bar⁡{(F;7);(B;−1)}G=\bary{(F;7);(B;-1)}, donc G∈(BF)G\in(BF).

5. D’après 2, 3.b et 4, GG appartient aux trois droites (AI)(AI), (CK)(CK) et (BF)(BF) : elles sont concourantes en GG.

6. Pour tout MM : 3MA→−MB→+4MC→=6MG→3\V{MA}-\V{MB}+4\V{MC}=6\V{MG}. La condition équivaut à 6MG=186MG=18, soit MG=3MG=3 : l’ensemble est le cercle de centre GG et de rayon 33.

Exercice 2 — Barycentres de trois points, parallélogramme Moyen ★★★☆☆

Soit ABCABC un triangle. On considère les points G=bar⁡{(A;1);(B;1);(C;2)}G=\bary{(A;1);(B;1);(C;2)}, H=bar⁡{(A;5);(B;−3);(C;2)}H=\bary{(A;5);(B;-3);(C;2)} et le milieu DD du segment [AB][AB].

  1. a. Montrer que AH→=−34AB→+12AC→\V{AH}=-\frac34\V{AB}+\frac12\V{AC}. b. Construire les points HH et DD.
  2. a. Écrire DD comme barycentre des points AA et BB affectés de coefficients à préciser. b. À l’aide de l’associativité du barycentre, montrer que GG est le milieu de [DC][DC]. c. Placer le point GG sur la figure.
  3. a. À l’aide de la propriété caractéristique du barycentre GG, montrer que BG→=14BA→+12BC→\V{BG}=\frac14\V{BA}+\frac12\V{BC}. b. En déduire que BG→=−34AB→+12AC→\V{BG}=-\frac34\V{AB}+\frac12\V{AC}. c. Montrer que le quadrilatère BGHABGHA est un parallélogramme.
  4. Soit EE le milieu de [AC][AC]. Montrer que les points HH, EE et GG sont alignés.
  5. Déterminer l’ensemble des points MM du plan tels que ∥5MA→−3MB→+2MC→∥=∥MA→+MB→+2MC→∥\nv{5\V{MA}-3\V{MB}+2\V{MC}}=\nv{\V{MA}+\V{MB}+2\V{MC}}.
Voir la solution

1. a. Somme des poids de HH : 5−3+2=45-3+2=4. Donc AH→=−34AB→+24AC→=−34AB→+12AC→\V{AH}=\frac{-3}{4}\V{AB}+\frac24\V{AC}=-\frac34\V{AB}+\frac12\V{AC}.

1. b. On place HH grâce à 1.a et DD au milieu de [AB][AB] (figure ci-dessous).

2. a. D=bar⁡{(A;1);(B;1)}D=\bary{(A;1);(B;1)} (le milieu est l’isobarycentre).

2. b. Par associativité (poids 1+1=21+1=2) : G=bar⁡{(D;2);(C;2)}G=\bary{(D;2);(C;2)}, d’où GG milieu de [DC][DC].

2. c. Voir la figure.

Figure

3. a. Propriété caractéristique de GG avec M=BM=B : BA→+BB→+2BC→=4BG→\V{BA}+\V{BB}+2\V{BC}=4\V{BG}, donc BG→=14BA→+12BC→\V{BG}=\frac14\V{BA}+\frac12\V{BC}.

3. b. BA→=−AB→\V{BA}=-\V{AB} et BC→=BA→+AC→=−AB→+AC→\V{BC}=\V{BA}+\V{AC}=-\V{AB}+\V{AC} :  BG→=−14AB→−12AB→+12AC→=−34AB→+12AC→\ \V{BG}=-\frac14\V{AB}-\frac12\V{AB}+\frac12\V{AC}=-\frac34\V{AB}+\frac12\V{AC}.

3. c. D’après 1.a et 3.b, BG→=AH→\V{BG}=\V{AH}. Comme H∉(AB)H\notin(AB) (le coefficient de AC→\V{AC} dans AH→\V{AH} est non nul), le quadrilatère BGHABGHA est un parallélogramme.

4. E=bar⁡{(A;1);(C;1)}E=\bary{(A;1);(C;1)}. On cherche une combinaison de HH et GG éliminant BB : le système {(A;5);(B;−3);(C;2)}\{(A;5);(B;-3);(C;2)\} (poids total 44) réunion de 33 fois le système {(A;1);(B;1);(C;2)}\{(A;1);(B;1);(C;2)\} (poids total 1212) donne {(A;8);(B;0);(C;8)}\{(A;8);(B;0);(C;8)\}. Par associativité, le barycentre de {(H;4);(G;12)}\{(H;4);(G;12)\} est celui de {(A;8);(C;8)}\{(A;8);(C;8)\}, c’est-à-dire EE. Donc E=bar⁡{(H;1);(G;3)}∈(HG)E=\bary{(H;1);(G;3)}\in(HG) : HH, EE, GG sont alignés.

5. Pour tout MM : 5MA→−3MB→+2MC→=4MH→5\V{MA}-3\V{MB}+2\V{MC}=4\V{MH} et MA→+MB→+2MC→=4MG→\V{MA}+\V{MB}+2\V{MC}=4\V{MG}. La condition équivaut à MH=MGMH=MG ; comme H≠GH\neq G (GH→=BA→≠0⃗\V{GH}=\V{BA}\neq\vec0, d’après le parallélogramme), l’ensemble est la médiatrice de [GH][GH].

Exercice 3 — Parallélisme, alignement, cercle Facile ★★☆☆☆

Soit ABCABC un triangle. On considère le point G=bar⁡{(A;1);(B;4);(C;−2)}G=\bary{(A;1);(B;4);(C;-2)}, le milieu II du segment [AC][AC] et le point KK défini par AK→=45AB→\V{AK}=\frac45\V{AB}.

  1. Montrer que AG→=43AB→−23AC→\V{AG}=\frac43\V{AB}-\frac23\V{AC} et que BI→=−AB→+12AC→\V{BI}=-\V{AB}+\frac12\V{AC}.
  2. En déduire que (BI)∥(AG)(BI)\parallel(AG).
  3. a. Montrer que K=bar⁡{(A;1);(B;4)}K=\bary{(A;1);(B;4)}. b. En déduire que les points CC, KK et GG sont alignés.
  4. Déterminer l’ensemble des points MM du plan tels que ∥MA→+4MB→∥=15\nv{\V{MA}+4\V{MB}}=15.
Voir la solution

1. Somme des poids de GG : 1+4−2=31+4-2=3, donc AG→=43AB→−23AC→\V{AG}=\frac43\V{AB}-\frac23\V{AC}. Et BI→=BA→+AI→=−AB→+12AC→\V{BI}=\V{BA}+\V{AI}=-\V{AB}+\frac12\V{AC}.

2. −43BI→=43AB→−23AC→=AG→-\frac43\V{BI}=\frac43\V{AB}-\frac23\V{AC}=\V{AG} : les vecteurs BI→\V{BI} et AG→\V{AG} sont colinéaires, donc (BI)∥(AG)(BI)\parallel(AG).

3. a. AK→=45AB→=41+4AB→\V{AK}=\frac45\V{AB}=\frac{4}{1+4}\V{AB}, ce qui caractérise K=bar⁡{(A;1);(B;4)}K=\bary{(A;1);(B;4)}.

3. b. Associativité : G=bar⁡{(K;5);(C;−2)}G=\bary{(K;5);(C;-2)}, donc G∈(CK)G\in(CK) : CC, KK, GG sont alignés.

4. MA→+4MB→=5MK→\V{MA}+4\V{MB}=5\V{MK} ; la condition équivaut à 5MK=155MK=15, soit MK=3MK=3 : cercle de centre KK et de rayon 33.

Exercice 4 — Associativité Facile ★☆☆☆☆

Soit ABCABC un triangle et GG le barycentre des points pondérés (A;2)(A;2), (B;−3)(B;-3) et (C;5)(C;5).

  1. Construire le barycentre II des points pondérés (B;−3)(B;-3) et (C;5)(C;5).
  2. Montrer que G=bar⁡{(A;1);(I;1)}G=\bary{(A;1);(I;1)}.
  3. En déduire la position de GG sur la droite (AI)(AI).
Voir la solution

1. I=bar⁡{(B;−3);(C;5)}I=\bary{(B;-3);(C;5)}, somme 22 : BI→=52BC→\V{BI}=\frac52\V{BC} (II au-delà de CC).

2. Associativité : G=bar⁡{(A;2);(I;2)}G=\bary{(A;2);(I;2)}, et par homogénéité (division par 22) G=bar⁡{(A;1);(I;1)}G=\bary{(A;1);(I;1)}.

3. GG est le milieu du segment [AI][AI].

Figure

Exercice 5 — Coordonnées du barycentre Facile ★☆☆☆☆

  1. Dans un repère (O;ı⃗;ȷ⃗)(O;\vec\imath;\vec\jmath), placer les points A(3;−1)A(3;-1), B(1;2)B(1;2) et C(−5;4)C(-5;4).
  2. Soit GG le barycentre des points pondérés (A;2)(A;2), (B;1)(B;1) et (C;1)(C;1). a. Déterminer les coordonnées de GG, puis le placer. b. La droite (BG)(BG) passe-t-elle par l’origine du repère ?
Voir la solution

1. Voir la figure.

2. a. Somme des poids : 44.  xG=2×3+1−54=12\ x_G=\frac{2\times3+1-5}{4}=\frac12,  yG=2×(−1)+2+44=1\ y_G=\frac{2\times(-1)+2+4}{4}=1 : G(12;1)G\left(\frac12;1\right).

2. b. OG→(12;1)\V{OG}\left(\frac12;1\right) et OB→(1;2)\V{OB}(1;2) : det⁡(OG→;OB→)=12×2−1×1=0\det(\V{OG};\V{OB})=\frac12\times2-1\times1=0. Les points OO, GG, BB sont alignés : oui, la droite (BG)(BG) passe par l’origine (et OG→=12OB→\V{OG}=\frac12\V{OB}).

Figure

Exercice 6 — Alignement et lieux géométriques Moyen ★★★☆☆

Soit ABCABC un triangle.

  1. a. Construire le point II tel que BI→=−2BC→\V{BI}=-2\V{BC}. b. Montrer que I=bar⁡{(B;3);(C;−2)}I=\bary{(B;3);(C;-2)}. c. Montrer que AI→=3AB→−2AC→\V{AI}=3\V{AB}-2\V{AC}.
  2. Soit G=bar⁡{(A;1);(B;3);(C;−2)}G=\bary{(A;1);(B;3);(C;-2)}. Montrer que AG→=32AB→−AC→\V{AG}=\frac32\V{AB}-\V{AC}.
  3. a. En déduire que les points AA, II et GG sont alignés. b. Construire le point GG.
  4. Déterminer l’ensemble des points MM du plan dans chacun des cas suivants : a. ∥MA→+3MB→−2MC→∥=∥3AB→−2AC→∥\nv{\V{MA}+3\V{MB}-2\V{MC}}=\nv{3\V{AB}-2\V{AC}} ; b. ∥3MB→−2MC→∥=4\nv{3\V{MB}-2\V{MC}}=4.
Voir la solution

1. a. On reporte BI→=−2BC→\V{BI}=-2\V{BC} : II est sur (BC)(BC), du côté opposé à CC, avec BI=2BCBI=2BC.

1. b. BI→=−2BC→=−23+(−2)BC→\V{BI}=-2\V{BC}=\frac{-2}{3+(-2)}\V{BC}, ce qui caractérise I=bar⁡{(B;3);(C;−2)}I=\bary{(B;3);(C;-2)}.

1. c. Propriété caractéristique de II avec M=AM=A : 3AB→−2AC→=(3−2)AI→=AI→3\V{AB}-2\V{AC}=(3-2)\V{AI}=\V{AI}.

2. Somme des poids de GG : 1+3−2=21+3-2=2, donc AG→=32AB→−22AC→=32AB→−AC→\V{AG}=\frac32\V{AB}-\frac22\V{AC}=\frac32\V{AB}-\V{AC}.

3. a. AG→=12(3AB→−2AC→)=12AI→\V{AG}=\frac12\left(3\V{AB}-2\V{AC}\right)=\frac12\V{AI} : AA, II, GG sont alignés (GG est même le milieu de [AI][AI]).

3. b. GG est le milieu de [AI][AI] (figure).

4. a. MA→+3MB→−2MC→=2MG→\V{MA}+3\V{MB}-2\V{MC}=2\V{MG} et ∥3AB→−2AC→∥=AI\nv{3\V{AB}-2\V{AC}}=AI (question 1.c). La condition équivaut à 2MG=AI2MG=AI, soit MG=AI2=GAMG=\frac{AI}2=GA : c’est le cercle de centre GG passant par AA, c’est-à-dire le cercle de diamètre [AI][AI].

4. b. 3MB→−2MC→=(3−2)MI→=MI→3\V{MB}-2\V{MC}=(3-2)\V{MI}=\V{MI} : la condition équivaut à MI=4MI=4 ; cercle de centre II et de rayon 44.

Figure

Exercice 7 — Barycentre de quatre points Facile ★★☆☆☆

Soit ABCDABCD un quadrilatère. On définit les points HH, II et JJ par CH→=4AC→−BC→−2AD→,I=bar⁡{(A;2);(C;−4)},J=bar⁡{(B;−1);(D;2)}.\V{CH}=4\V{AC}-\V{BC}-2\V{AD},\qquad I=\bary{(A;2);(C;-4)},\qquad J=\bary{(B;-1);(D;2)}.

  1. Montrer que H=bar⁡{(A;2);(B;−1);(C;−4);(D;2)}H=\bary{(A;2);(B;-1);(C;-4);(D;2)}.
  2. À l’aide de l’associativité du barycentre, montrer que H=bar⁡{(I;−2);(J;1)}H=\bary{(I;-2);(J;1)}.
  3. En déduire que II est le milieu du segment [JH][JH].
Voir la solution

1. La somme des poids vaut 2−1−4+2=−1≠02-1-4+2=-1\neq0 ; soit H′H' le barycentre du système. Propriété caractéristique avec M=CM=C : 2CA→−CB→+2CD→=−CH′→2\V{CA}-\V{CB}+2\V{CD}=-\V{CH'}, donc CH′→=−2CA→+CB→−2CD→\V{CH'}=-2\V{CA}+\V{CB}-2\V{CD}. Or −2CA→=2AC→-2\V{CA}=2\V{AC}, CB→=−BC→\V{CB}=-\V{BC} et −2CD→=−2(CA→+AD→)=2AC→−2AD→-2\V{CD}=-2(\V{CA}+\V{AD})=2\V{AC}-2\V{AD}. Ainsi CH′→=4AC→−BC→−2AD→=CH→\V{CH'}=4\V{AC}-\V{BC}-2\V{AD}=\V{CH}, donc H′=HH'=H :  H=bar⁡{(A;2);(B;−1);(C;−4);(D;2)}\ H=\bary{(A;2);(B;-1);(C;-4);(D;2)}.

2. II est le barycentre partiel de (A;2)(A;2) et (C;−4)(C;-4) (poids −2-2), JJ celui de (B;−1)(B;-1) et (D;2)(D;2) (poids 11). Par associativité, H=bar⁡{(I;−2);(J;1)}H=\bary{(I;-2);(J;1)}.

3. −2HI→+HJ→=0⃗-2\V{HI}+\V{HJ}=\vec0, donc HJ→=2HI→\V{HJ}=2\V{HI} : II est le milieu de [JH][JH]. (Autre écriture : IH→=1−1IJ→=−IJ→\V{IH}=\frac{1}{-1}\V{IJ}=-\V{IJ}.)

Exercice 8 — Barycentre et paramètre Moyen ★★★☆☆

Dans le plan muni d’un repère (O;ı⃗;ȷ⃗)(O;\vec\imath;\vec\jmath), on considère les points A(2;−1)A(2;-1), B(−1;3)B(-1;3) et C(0;2)C(0;2).

  1. Déterminer les coordonnées du barycentre GG du système pondéré {(A;3);(B;−2);(C;1)}\{(A;3);(B;-2);(C;1)\}.
  2. Pour tout m∈Rm\in\R, on considère le barycentre GmG_m du système pondéré {(A;2m+1);(B;1−m);(C;−m)}\{(A;2m+1);(B;1-m);(C;-m)\}. a. Justifier l’existence de GmG_m pour tout m∈Rm\in\R. b. Déterminer les coordonnées de GmG_m en fonction de mm. c. Déterminer l’ensemble des points GmG_m lorsque mm décrit R\R.
Voir la solution

1. Somme des poids : 3−2+1=23-2+1=2.  xG=3×2−2×(−1)+02=4\ x_G=\frac{3\times2-2\times(-1)+0}{2}=4,  yG=3×(−1)−2×3+22=−72\ y_G=\frac{3\times(-1)-2\times3+2}{2}=-\frac72 : G(4;−72)G\left(4;-\frac72\right).

2. a. (2m+1)+(1−m)+(−m)=2≠0(2m+1)+(1-m)+(-m)=2\neq0 pour tout mm : GmG_m existe pour tout m∈Rm\in\R.

2. b. xGm=2(2m+1)−(1−m)+0×(−m)2=5m+12x_{G_m}=\frac{2(2m+1)-(1-m)+0\times(-m)}{2}=\frac{5m+1}{2} et yGm=−(2m+1)+3(1−m)+2(−m)2=2−7m2y_{G_m}=\frac{-(2m+1)+3(1-m)+2(-m)}{2}=\frac{2-7m}{2}.

2. c. Si Gm(x;y)G_m(x;y), alors m=2x−15m=\frac{2x-1}{5} et y=2−7m2y=\frac{2-7m}{2}, d’où 10y=10−7(2x−1)10y=10-7(2x-1), soit 14x+10y−17=014x+10y-17=0 : GmG_m appartient à la droite (Δ):14x+10y−17=0(\Delta):14x+10y-17=0. Réciproquement, si M(x;y)∈(Δ)M(x;y)\in(\Delta), on pose m=2x−15m=\frac{2x-1}{5} : alors x=5m+12x=\frac{5m+1}{2} et y=17−14x10=2−7m2y=\frac{17-14x}{10}=\frac{2-7m}{2}, donc M=GmM=G_m. L’ensemble des points GmG_m est la droite (Δ):14x+10y−17=0(\Delta):14x+10y-17=0 (elle passe par G0(12;1)G_0\left(\frac12;1\right), de vecteur directeur (5;−7)(5;-7)).

Exercice 9 — Droites concourantes Facile ★★☆☆☆

Soit ABCABC un triangle et YY le milieu de [AC][AC].

  1. Placer, en justifiant les constructions, le barycentre UU des points pondérés (B;3)(B;3) et (C;1)(C;1), puis le barycentre EE des points pondérés (A;1)(A;1) et (B;3)(B;3).
  2. Soit G=bar⁡{(A;1);(B;3);(C;1)}G=\bary{(A;1);(B;3);(C;1)}. Montrer que GG est aussi le barycentre des points pondérés (E;4)(E;4) et (C;1)(C;1).
  3. Démontrer que les droites (EC)(EC), (BY)(BY) et (AU)(AU) sont concourantes.
Voir la solution

1. U=bar⁡{(B;3);(C;1)}U=\bary{(B;3);(C;1)} : BU→=14BC→\V{BU}=\frac14\V{BC}.  E=bar⁡{(A;1);(B;3)}\ E=\bary{(A;1);(B;3)} : AE→=34AB→\V{AE}=\frac34\V{AB}.

2. Associativité (regroupement de AA et BB en EE, poids 44) : G=bar⁡{(E;4);(C;1)}G=\bary{(E;4);(C;1)}.

3. Y=bar⁡{(A;1);(C;1)}Y=\bary{(A;1);(C;1)}. Par associativité : G=bar⁡{(E;4);(C;1)}∈(EC)G=\bary{(E;4);(C;1)}\in(EC) ; G=bar⁡{(Y;2);(B;3)}∈(BY)G=\bary{(Y;2);(B;3)}\in(BY) ; G=bar⁡{(A;1);(U;4)}∈(AU)G=\bary{(A;1);(U;4)}\in(AU). Les trois droites sont concourantes en GG.

Figure

Exercice 10 — Quadrilatère et barycentre Moyen ★★★☆☆

Soient aa un réel non nul et ABCDABCD un quadrilatère non aplati tel que CD→=aAB→\V{CD}=a\V{AB}.

  1. Déterminer les réels bb et cc pour lesquels DD est le barycentre du système pondéré {(A;1);(B;b);(C;c)}\{(A;1);(B;b);(C;c)\}.
  2. On suppose désormais que a=−12a=-\frac12. Soient EE le milieu de [CD][CD] et FF le milieu de [AE][AE]. Déterminer les réels xx et yy pour lesquels FF est le barycentre du système pondéré {(A;x);(B;−1);(C;y)}\{(A;x);(B;-1);(C;y)\}.
Voir la solution

1. AD→=AC→+CD→=aAB→+AC→\V{AD}=\V{AC}+\V{CD}=a\V{AB}+\V{AC}. Analyse : si D=bar⁡{(A;1);(B;b);(C;c)}D=\bary{(A;1);(B;b);(C;c)} avec s=1+b+c≠0s=1+b+c\neq0, alors AD→=bsAB→+csAC→\V{AD}=\frac bs\V{AB}+\frac cs\V{AC}. Comme AA, BB, CC ne sont pas alignés (quadrilatère non aplati), les coefficients sont uniques : bs=a\frac bs=a et cs=1\frac cs=1. Donc c=s=1+b+cc=s=1+b+c, d’où b=−1b=-1, puis s=−1as=-\frac1a et c=−1ac=-\frac1a. Synthèse : pour b=−1b=-1 et c=−1ac=-\frac1a, s=−1a≠0s=-\frac1a\neq0 et bsAB→+csAC→=aAB→+AC→=AD→\frac bs\V{AB}+\frac cs\V{AC}=a\V{AB}+\V{AC}=\V{AD}. Conclusion :  D=bar⁡{(A;1);(B;−1);(C;−1a)}\ D=\bary{(A;1);(B;-1);\left(C;-\tfrac1a\right)}.

2. Pour a=−12a=-\frac12 : D=bar⁡{(A;1);(B;−1);(C;2)}D=\bary{(A;1);(B;-1);(C;2)} (poids total 22). EE, milieu de [CD][CD], est bar⁡{(C;2);(D;2)}\bary{(C;2);(D;2)} ; par associativité (on « éclate » DD) : E=bar⁡{(A;1);(B;−1);(C;2);(C;2)}=bar⁡{(A;1);(B;−1);(C;4)}E=\bary{(A;1);(B;-1);(C;2);(C;2)}=\bary{(A;1);(B;-1);(C;4)} (poids total 44). FF, milieu de [AE][AE], est bar⁡{(A;4);(E;4)}=bar⁡{(A;4+1);(B;−1);(C;4)}\bary{(A;4);(E;4)}=\bary{(A;4+1);(B;-1);(C;4)}. Donc x=5x=5 et y=4y=4 (le poids de BB étant imposé égal à −1-1, l’homogénéité rend ce couple unique).

Exercice 11 — Barycentre et figure paramétrée Moyen ★★★☆☆

Soit ABCABC un triangle et soit kk un réel non nul. On définit les points DD et EE par BD→=kBC→\V{BD}=k\V{BC} et AE→=kAB→\V{AE}=k\V{AB}.

  1. Réaliser une figure pour k=12k=\frac12, puis une autre pour k=−2k=-2.

  2. Montrer que D=bar⁡{(B;1−k);(C;k)}D=\bary{(B;1-k);(C;k)}.

  3. Montrer que E=bar⁡{(A;1−k);(B;k)}E=\bary{(A;1-k);(B;k)}.

  4. En déduire que, pour tout point MM du plan, MD→+ME→=MA→+MB→+kAC→=2(MC′→+kC′A′→),\V{MD}+\V{ME}=\V{MA}+\V{MB}+k\V{AC}=2\left(\V{MC'}+k\V{C'A'}\right), où A′A' et C′C' sont les milieux respectifs de [BC][BC] et de [AB][AB].

  5. Soit II le milieu de [DE][DE]. Déduire de la question précédente que les points II, C′C' et A′A' sont alignés.

Voir la solution

1. Figures pour k=12k=\frac12 (à gauche) et k=−2k=-2 (à droite) :

Figure Figure

2. BD→=kBC→=k(1−k)+kBC→\V{BD}=k\V{BC}=\frac{k}{(1-k)+k}\V{BC}, ce qui caractérise D=bar⁡{(B;1−k);(C;k)}D=\bary{(B;1-k);(C;k)} (somme 1≠01\neq0).

3. De même AE→=kAB→\V{AE}=k\V{AB} caractérise E=bar⁡{(A;1−k);(B;k)}E=\bary{(A;1-k);(B;k)}.

4. Propriétés caractéristiques (sommes égales à 11) : MD→=(1−k)MB→+kMC→\V{MD}=(1-k)\V{MB}+k\V{MC} et ME→=(1−k)MA→+kMB→\V{ME}=(1-k)\V{MA}+k\V{MB}. En additionnant : MD→+ME→=MA→+MB→+k(MC→−MA→)=MA→+MB→+kAC→\V{MD}+\V{ME}=\V{MA}+\V{MB}+k(\V{MC}-\V{MA})=\V{MA}+\V{MB}+k\V{AC}. Or MA→+MB→=2MC′→\V{MA}+\V{MB}=2\V{MC'} (C′C' milieu de [AB][AB]) et, par le théorème de la droite des milieux dans ABCABC, C′A′→=12AC→\V{C'A'}=\frac12\V{AC}. Donc MD→+ME→=2(MC′→+kC′A′→)\V{MD}+\V{ME}=2\left(\V{MC'}+k\V{C'A'}\right).

5. II milieu de [DE][DE] : MD→+ME→=2MI→\V{MD}+\V{ME}=2\V{MI} pour tout MM. Avec M=C′M=C' : 2C′I→=2kC′A′→2\V{C'I}=2k\V{C'A'}, soit C′I→=kC′A′→\V{C'I}=k\V{C'A'} : II, C′C', A′A' sont alignés.

Exercice 12 — Droites concourantes et centre de gravité Moyen ★★★☆☆

Soit ABCABC un triangle de centre de gravité GG. On définit les points II, JJ, MM, NN, RR et SS par AI→=14AB→,AJ→=35AB→,AM→=14AC→,AN→=34AC→,BR→=25BC→,BS→=35BC→.\V{AI}=\tfrac14\V{AB},\quad\V{AJ}=\tfrac35\V{AB},\quad\V{AM}=\tfrac14\V{AC},\quad\V{AN}=\tfrac34\V{AC},\quad\V{BR}=\tfrac25\V{BC},\quad\V{BS}=\tfrac35\V{BC}. Démontrer que les droites (IS)(IS), (MR)(MR) et (NJ)(NJ) sont concourantes en GG.

Voir la solution

On traduit chaque relation en barycentre (deux points) : I=bar⁡{(A;3);(B;1)}I=\bary{(A;3);(B;1)}, J=bar⁡{(A;2);(B;3)}J=\bary{(A;2);(B;3)}, M=bar⁡{(A;3);(C;1)}M=\bary{(A;3);(C;1)}, N=bar⁡{(A;1);(C;3)}N=\bary{(A;1);(C;3)}, R=bar⁡{(B;3);(C;2)}R=\bary{(B;3);(C;2)}, S=bar⁡{(B;2);(C;3)}S=\bary{(B;2);(C;3)}. (Par exemple AJ→=35AB→=32+3AB→\V{AJ}=\frac35\V{AB}=\frac{3}{2+3}\V{AB} ; BR→=25BC→=23+2BC→\V{BR}=\frac25\V{BC}=\frac{2}{3+2}\V{BC}.)

G=bar⁡{(A;1);(B;1);(C;1)}=bar⁡{(A;3);(B;3);(C;3)}G=\bary{(A;1);(B;1);(C;1)}=\bary{(A;3);(B;3);(C;3)} (homogénéité). Par associativité :

  • {(A;3);(B;1)}∪{(B;2);(C;3)}\{(A;3);(B;1)\}\cup\{(B;2);(C;3)\} donne G=bar⁡{(I;4);(S;5)}G=\bary{(I;4);(S;5)}, donc G∈(IS)G\in(IS) ;
  • {(A;3);(C;1)}∪{(B;3);(C;2)}\{(A;3);(C;1)\}\cup\{(B;3);(C;2)\} donne G=bar⁡{(M;4);(R;5)}G=\bary{(M;4);(R;5)}, donc G∈(MR)G\in(MR) ;
  • {(A;1);(C;3)}∪{(A;2);(B;3)}\{(A;1);(C;3)\}\cup\{(A;2);(B;3)\} donne G=bar⁡{(N;4);(J;5)}G=\bary{(N;4);(J;5)}, donc G∈(NJ)G\in(NJ).

Les droites (IS)(IS), (MR)(MR) et (NJ)(NJ) sont concourantes en GG.

Exercice 13 — Parallélogramme et alignement Difficile ★★★★☆

Soit ABCDABCD un parallélogramme. On définit les points MM, NN, RR et SS par M=bar⁡{(A;2);(D;1)},N=bar⁡{(A;2);(C;2);(D;1)},BR→=13BC→etBS→=59BN→.M=\bary{(A;2);(D;1)},\quad N=\bary{(A;2);(C;2);(D;1)},\quad\V{BR}=\tfrac13\V{BC}\quad\text{et}\quad\V{BS}=\tfrac59\V{BN}.

  1. Montrer que S=bar⁡{(A;1);(B;1);(C;1)}S=\bary{(A;1);(B;1);(C;1)}.
  2. Montrer que les points MM, SS et RR sont alignés.
  3. Soient TT et UU les points définis par CT→=12CD→\V{CT}=\frac12\V{CD} et AU→=kAB→\V{AU}=k\V{AB}, où k∈[0;1]k\in[0;1]. Déterminer kk pour que les points SS, TT et UU soient alignés.
Voir la solution

ABCDABCD étant un parallélogramme, AD→=BC→\V{AD}=\V{BC}, soit AD→=−AB→+AC→\V{AD}=-\V{AB}+\V{AC}, ce qui caractérise D=bar⁡{(A;1);(B;−1);(C;1)}D=\bary{(A;1);(B;-1);(C;1)} (somme 11).

1. Par associativité (on éclate DD) : N=bar⁡{(A;2);(C;2);(A;1);(B;−1);(C;1)}N=\bary{(A;2);(C;2);(A;1);(B;-1);(C;1)}, soit N=bar⁡{(A;3);(B;−1);(C;3)}N=\bary{(A;3);(B;-1);(C;3)} (poids 55). BS→=59BN→=54+5BN→\V{BS}=\frac59\V{BN}=\frac{5}{4+5}\V{BN} caractérise S=bar⁡{(B;4);(N;5)}S=\bary{(B;4);(N;5)} ; en éclatant NN : S=bar⁡{(A;3);(B;4−1);(C;3)}S=\bary{(A;3);(B;4-1);(C;3)}, c’est-à-dire S=bar⁡{(A;3);(B;3);(C;3)}S=\bary{(A;3);(B;3);(C;3)}, puis, par homogénéité, S=bar⁡{(A;1);(B;1);(C;1)}S=\bary{(A;1);(B;1);(C;1)}.

2. En éclatant DD : M=bar⁡{(A;2);(D;1)}M=\bary{(A;2);(D;1)} s’écrit M=bar⁡{(A;3);(B;−1);(C;1)}M=\bary{(A;3);(B;-1);(C;1)} (poids 33) et BR→=13BC→\V{BR}=\frac13\V{BC} caractérise R=bar⁡{(B;2);(C;1)}R=\bary{(B;2);(C;1)}, donc aussi R=bar⁡{(B;4);(C;2)}R=\bary{(B;4);(C;2)} (poids 66). Le système {(M;3);(R;6)}\{(M;3);(R;6)\} équivaut à {(A;3);(B;−1+4);(C;1+2)}={(A;3);(B;3);(C;3)}\{(A;3);(B;-1+4);(C;1+2)\}=\{(A;3);(B;3);(C;3)\}. Donc S=bar⁡{(M;3);(R;6)}S=\bary{(M;3);(R;6)} et S∈(MR)S\in(MR) : MM, SS, RR sont alignés.

3. On se place dans le repère (A;AB→;AD→)(A;\V{AB};\V{AD}) : A(0;0)A(0;0), B(1;0)B(1;0), D(0;1)D(0;1), C(1;1)C(1;1). Alors S(23;13)S\left(\frac23;\frac13\right) (question 1), T(12;1)T\left(\frac12;1\right) (milieu de [CD][CD]) et U(k;0)U(k;0). ST→(−16;23)\V{ST}\left(-\frac16;\frac23\right), SU→(k−23;−13)\V{SU}\left(k-\frac23;-\frac13\right) ; det⁡(ST→;SU→)=(−16)(−13)−23(k−23)=12−23k\det(\V{ST};\V{SU})=\left(-\frac16\right)\left(-\frac13\right)-\frac23\left(k-\frac23\right)=\frac12-\frac23k. SS, TT, UU alignés   ⟺  12−23k=0  ⟺  k=34\iff\frac12-\frac23k=0\iff k=\frac34, qui appartient bien à [0;1][0;1].

Exercice 14 — Intersection de deux droites Difficile ★★★★★

Soit ABCDABCD un parallélogramme et soit α∈ ]0;+∞[\alpha\in\,]0;+\infty[. On définit les points KK et LL par DK→=(α+1)DB→etCL→=αBC→.\V{DK}=(\alpha+1)\V{DB}\qquad\text{et}\qquad\V{CL}=\alpha\V{BC}. Soit MM le point d’intersection des droites (CK)(CK) et (DL)(DL). Montrer que DM→=α+1α2+α+1DL→\V{DM}=\dfrac{\alpha+1}{\alpha^2+\alpha+1}\V{DL}.

Voir la solution

On utilise le repère (non nécessairement orthonormé) (D;DA→;DC→)(D;\V{DA};\V{DC}) : D(0;0)D(0;0), A(1;0)A(1;0), C(0;1)C(0;1) et B(1;1)B(1;1) (car DB→=DA→+DC→\V{DB}=\V{DA}+\V{DC}).

  • DK→=(α+1)DB→\V{DK}=(\alpha+1)\V{DB} : K(α+1;α+1)K(\alpha+1;\alpha+1).
  • CL→=αBC→=α(−1;0)\V{CL}=\alpha\V{BC}=\alpha(-1;0) : L(−α;1)L(-\alpha;1).

M∈(DL)M\in(DL) : il existe s∈Rs\in\R tel que DM→=sDL→\V{DM}=s\V{DL}, soit M(−sα;s)M(-s\alpha;s). M∈(CK)M\in(CK) : CM→(−sα;s−1)\V{CM}(-s\alpha;s-1) et CK→(α+1;α)\V{CK}(\alpha+1;\alpha) sont colinéaires : det⁡(CK→;CM→)=(α+1)(s−1)−α(−sα)=s(α2+α+1)−(α+1)=0.\det(\V{CK};\V{CM})=(\alpha+1)(s-1)-\alpha(-s\alpha)=s(\alpha^2+\alpha+1)-(\alpha+1)=0 . Comme α2+α+1>0\alpha^2+\alpha+1>0 (et les droites ne sont pas parallèles, puisque det⁡(DL→;CK→)=−α2−(α+1)≠0\det(\V{DL};\V{CK})=-\alpha^2-(\alpha+1)\neq0), on obtient s=α+1α2+α+1s=\dfrac{\alpha+1}{\alpha^2+\alpha+1}, d’où DM→=α+1α2+α+1 DL→.\V{DM}=\frac{\alpha+1}{\alpha^2+\alpha+1}\,\V{DL}.

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