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) 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 ⟺ n’est écrit que lorsque chaque étape est réversible.
Introduction : points pondérés
Définition — point pondéré, système pondéré
Soient A un point du plan et a un réel. Le couple (A;a) est appelé point pondéré (ou point massif) ; le réel a est le poids (ou masse algébrique, ou coefficient) du point A. 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 A et B deux masses mA>0 et mB>0 ; elle est en équilibre sur un appui situé en un point G du segment [AB]. La loi du levier s’écrit : mA×GA=mB×GB.
Justifier qu’à l’équilibre mAGA+mBGB=0.
Le point G vérifiant mAGA+mBGB=0 est appelé barycentre des points pondérés (A;mA) et (B;mB). Montrer que : mAGA+mBGB=0⟺AG=mA+mBmBAB.
Préciser la position de G lorsque : a. mA=mB=1 ; b. mA=2 et mB=5.
On suppose mA=3 et AG=52AB. Déterminer mB.
Voir la solution
G∈[AB] : les vecteurs GA et GB sont colinéaires de sens contraires, de normes GA et GB. Le vecteur mAGA a pour norme mAGA, le vecteur mBGB a pour norme mBGB=mAGA et ils sont de sens contraires : leur somme est nulle.
Par la relation de Chasles, GB=GA+AB, donc mAGA+mBGB=(mA+mB)GA+mBAB. Ainsi mAGA+mBGB=0⟺(mA+mB)AG=mBAB⟺AG=mA+mBmBAB (division par mA+mB=0, réversible).
a. AG=21AB : G est le milieu de [AB]. b. AG=75AB : G est sur [AB], plus proche de B (le poids le plus fort).
3+mBmB=52⟺5mB=6+2mB⟺mB=2.
Activité 2
Soient a et b deux réels non tous deux nuls, A et B deux points distincts. On cherche les points G tels que aGA+bGB=0.
Montrer que aGA+bGB=0⟺(a+b)AG=bAB.
En déduire que, si a+b=0, aucun point G ne vérifie la relation.
On suppose a+b=0 et on note G′ le point défini par AG′=a+bbAB.
a. Montrer que G′ vérifie la relation.
b. En déduire qu’il existe un unique point G vérifiant la relation, et que G∈(AB).
Montrer que G vérifie GA+GB=0 si et seulement si G est le milieu de [AB].
Montrer que 1⋅GA+0⋅GB=0⟺G=A.
Voir la solution
aGA+b(GA+AB)=(a+b)GA+bAB, d’où l’équivalence.
Si a+b=0, la relation devient bAB=0 ; or b=−a=0 (les poids ne sont pas tous deux nuls) et AB=0 : impossible.
a. (a+b)AG′=bAB : d’après 1, G′ convient. b. Si G convient, AG=a+bbAB=AG′, donc G=G′ : unicité. AG et AB sont colinéaires : G∈(AB).
Avec a=b=1 : AG=21AB, c’est-à-dire G milieu de [AB].
Avec a=1, b=0 : AG=0, soit G=A.
2. Définition
Définition 1 : barycentre de deux points pondérés
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 ; on l’appelle barycentre du système {(A;a);(B;b)} et on note
G=bar{(A;a);(B;b)}⟺aGA+bGB=0.
Exemple 1
Dans chacun des cas suivants, déterminer deux réels a et b tels que G=bar{(A;a);(B;b)} :
3GA+2BA=0
GA+GB=2AB
AG=43AB.
Voir la solution
BA=BG+GA=−GB+GA, donc 3GA+2BA=0⟺5GA−2GB=0. Comme 5+(−2)=0 : G=bar{(A;5);(B;−2)}.
2AB=2AG+2GB=−2GA+2GB, donc la relation équivaut à 3GA−GB=0 : G=bar{(A;3);(B;−1)} (3−1=0).
Entre A et B, le point le plus proche de G est celui dont le poids a la plus grande valeur absolue ; si ∣a∣=∣b∣ (et a+b=0, donc a=b), G est le milieu de [AB].
Si a et b sont de même signe, G appartient au segment [AB] ; sinon G est sur la droite (AB), à l’extérieur du segment.
bar{(A;1);(B;1)} est l’isobarycentre de A et B : c’est le milieu de [AB].
Si a+b=0, le système {(A;a);(B;b)} n’a pas de barycentre.
Application 1
Déterminer deux réels a et b tels que G=bar{(A;a);(B;b)} dans chacun des cas :
3GA+7AG=0
2GA+BA=0
GA+GB=4AB
GA=31AB.
Voir la solution
3GA−7GA=−4GA=0, donc G=A : G=bar{(A;1);(B;0)} (tout couple (a;0) avec a=0 convient).
2GA+BG+GA=3GA−GB=0 : G=bar{(A;3);(B;−1)}.
GA+GB=−4GA+4GB⟺5GA−3GB=0 : G=bar{(A;5);(B;−3)}.
GA=31(AG+GB)=−31GA+31GB⟺34GA−31GB=0 : G=bar{(A;34);(B;−31)}, ou encore G=bar{(A;4);(B;−1)} (en multipliant la relation par 3).
3. Construction du barycentre
Propriété — construction
Si a+b=0 : G=bar{(A;a);(B;b)}⟺AG=a+bbAB⟺BG=a+baBA.
Exemple 2
Soient A et B deux points. Construire G dans chacun des cas :
G=bar{(A;−3);(B;−1)}, AB=4
G=bar{(A;−2);(B;5)}, AB=3
G=bar{(A;4);(B;−1)}, AB=6
G=bar{(A;−5);(B;3)}, AB=4.
Voir la solution
AG=−4−1AB=41AB : AG=1, G∈[AB].
AG=35AB : AG=5, G au-delà de B.
AG=3−1AB : AG=2, G du côté opposé à B par rapport à A.
AG=−23AB=−23AB : AG=6, du côté opposé à B.
Remarque 2
Soient A et B deux points distincts.
G est le milieu de [AB]⟺G=bar{(A;1);(B;1)}.
G∈(AB)⟺ il existe deux réels a et b, avec a+b=0, tels que G=bar{(A;a);(B;b)}. (Si AG=tAB, on peut prendre a=1−t et b=t.)
Application 2
Soient A et B deux points. Construire G dans chacun des cas :
G=bar{(A;2);(B;1)}, AB=3
G=bar{(A;−3);(B;4)}, AB=1
G=bar{(A;5);(B;−4)}, AB=1.
Voir la solution
AG=31AB : AG=1
AG=14AB=4AB : AG=4, au-delà de B
AG=1−4AB : AG=4, du côté opposé à B.
4. Homogénéité et propriété caractéristique
Activité 3
Soient a et b deux réels tels que a+b=0, et G=bar{(A;a);(B;b)}.
Soit k∈R∗. Montrer que kaGA+kbGB=0 et en déduire que G=bar{(A;ka);(B;kb)}.
Montrer que, pour tout point M : aMA+bMB=(a+b)MG.
Réciproquement, soit G′ un point tel que, pour tout point M, aMA+bMB=(a+b)MG′. Montrer que G′=G.
Dans un repère (O;;), on note A(xA;yA) et B(xB;yB). En prenant M=O, établir que G(a+baxA+bxB;a+bayA+byB).
Voir la solution
On divise la relation aGA+bGB=0 par k=0 ; la somme des nouveaux poids ka+b est non nulle, et l’unicité du barycentre donne le résultat.
aMA+bMB=a(MG+GA)+b(MG+GB)=(a+b)MG+=0aGA+bGB.
Avec M=G′ : aG′A+bG′B=0, donc G′ est le barycentre, i.e. G′=G par unicité.
OG=a+baOA+bOB ; les coordonnées de OA et OB sont (xA;yA) et (xB;yB), d’où le résultat.
Propriété — homogénéité
Pour tout k∈R∗ : G=bar{(A;a);(B;b)}⟺G=bar{(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)}. Montrer que G=bar{(A;3);(B;−5)}.
Voir la solution
Par homogénéité (division des poids par 50=0) : G=bar{(A;50150);(B;50−250)}=bar{(A;3);(B;−5)}.
Propriété — propriété caractéristique
Si a+b=0 : G=bar{(A;a);(B;b)}⟺(∀M∈(P))aMA+bMB=(a+b)MG.
Exemple 4
Soit ABC un triangle. On pose G=bar{(A;3);(B;2)} et G′=bar{(A;−3);(C;8)}.
À l’aide de la propriété caractéristique, montrer que (∀M∈(P))2MB+8MC=5MG+5MG′.
Soit I=bar{(B;2);(C;8)}.
a. Simplifier, par deux méthodes, le vecteur 2IB+8IC.
b. En déduire que I est le milieu du segment [GG′].
Voir la solution
Pour tout M : 3MA+2MB=5MG et −3MA+8MC=5MG′. En additionnant : 2MB+8MC=5MG+5MG′.
a. Méthode 1 : par définition de I, 2IB+8IC=0. Méthode 2 : en prenant M=I dans 1, 2IB+8IC=5IG+5IG′.
b. Donc 5IG+5IG′=0, soit IG+IG′=0 : I=bar{(G;1);(G′;1)} est le milieu de [GG′].
Remarque 3 — ensembles usuels de points
Soient A et B deux points distincts et R>0.
Condition sur M
Ensemble des points M
MA=R
cercle de centre A et de rayon R
MA=0
le singleton {A}
MA=−R
l’ensemble vide
MA≤R
disque fermé de centre A et de rayon R
MA=MB
médiatrice du segment [AB]
Exemple 5
Soient A et B deux points distincts et G=bar{(A;3);(B;1)}. Déterminer l’ensemble des points M du plan tels que :
3MA+MB=0
3MA+MB=12
3MA+MB=MA+3MB.
Voir la solution
Par la propriété caractéristique, pour tout M : 3MA+MB=4MG.
4MG=0⟺MG=0⟺M=G : l’ensemble est {G}.
4MG=12⟺MG=3 : cercle de centre G et de rayon 3.
Soit G′=bar{(A;1);(B;3)} : MA+3MB=4MG′. La condition équivaut à 4MG=4MG′, soit MG=MG′. Comme G=G′ (AG=41AB et AG′=43AB), l’ensemble est la médiatrice de [GG′].
5. Coordonnées du barycentre
Propriété — coordonnées
Dans un repère du plan, si A(xA;yA), B(xB;yB) et a+b=0 :
G=bar{(A;a);(B;b)}⟺xG=a+baxA+bxB et yG=a+bayA+byB.
Application 3
Dans un repère (O;;), on considère A(3;−1), B(6;5), C(−3;2), D(0;−1), et l’on pose G=bar{(A;1);(B;2)}, G′=bar{(C;1);(D;2)}.
Déterminer les coordonnées de G et de G′.
Soient I, J, K les milieux respectifs de [AC], [BD] et [GG′].
a. Déterminer les coordonnées de I, J et K.
b. Montrer, par deux méthodes, que I, J et K sont alignés.
Déterminer l’ensemble des points M tels que : a. MA+2MB=27 ; b. MA+2MB=MC+2MD.
a. I(0;21), J(3;2), K(2;23).
b. Méthode 1 (déterminant) : IJ(3;23), IK(2;1) et det(IJ;IK)=3×1−23×2=0 : vecteurs colinéaires, points alignés.
Méthode 2 (barycentre) : OK=21(OG+OG′)=61(OA+2OB+OC+2OD)=61(2OI+4OJ), donc K=bar{(I;1);(J;2)} et K∈(IJ).
a. MA+2MB=3MG : 3MG=27⟺MG=9 ; cercle de centre G(5;3) et de rayon 9.
b. MC+2MD=3MG′ : la condition équivaut à MG=MG′ ; c’est la médiatrice de [GG′], droite passant par K(2;23) et perpendiculaire à (GG′).
II. Barycentre de trois points pondérés
1. Définition et propriétés
Activité 4
Soient a, b, c trois réels non tous nuls et ABC un triangle. On cherche les points G tels que aGA+bGB+cGC=0.
Montrer que la relation équivaut à (a+b+c)AG=bAB+cAC.
En déduire que, si a+b+c=0, aucun point ne vérifie la relation.
On suppose a+b+c=0. Montrer qu’il existe un unique point G vérifiant la relation et que AG=a+b+cbAB+a+b+ccAC.
Montrer que, pour tout k∈R∗, G vérifie aussi kaGA+kbGB+kcGC=0.
Montrer que, pour tout point M : aMA+bMB+cMC=(a+b+c)MG.
En déduire les coordonnées de G dans un repère, en fonction de celles de A, B, C.
Propriété caractéristique : 3MA−2MB+MC=2MG et 4MA−4MB−2MC=2(2MA−2MB−MC)=2×(−1)MH. La condition équivaut à 2MG=2MH, soit MG=MH : c’est la médiatrice de [GH] (G=H : avec les coordonnées de la question 5, G(−25;23) et H(3;−3)).
Remarque 4
Si a+b+c=0, le système {(A;a);(B;b);(C;c)} n’a pas de barycentre.
bar{(A;1);(B;1);(C;1)} est l’isobarycentre de A, B, C : c’est le centre de gravité du triangle ABC.
2. Associativité du barycentre
Activité 5
Soient a, b, c des réels tels que a+b+c=0 et a+b=0, ABC un triangle, G=bar{(A;a);(B;b);(C;c)} et H=bar{(A;a);(B;b)}.
a. Vérifier que aGA+bGB=−cGC.
b. À l’aide de la propriété caractéristique de H, montrer que aGA+bGB=(a+b)GH.
c. En déduire que G=bar{(H;a+b);(C;c)} et que G∈(CH).
Cas particulier a=b=c=1 : on note I le milieu de [BC]. Montrer que G∈(CH) et G∈(AI) ; en déduire que G est le centre de gravité de ABC.
On suppose de plus b+c=0 et a+c=0 ; soient K=bar{(B;b);(C;c)} et L=bar{(A;a);(C;c)}. Montrer que (CH), (AK) et (BL) sont concourantes en G.
Voir la solution
a. Définition de G. b. Propriété caractéristique de H avec M=G. c. Donc (a+b)GH+cGC=0 avec (a+b)+c=0 : G=bar{(H;a+b);(C;c)}, et G∈(CH).
H est le milieu de [AB] ; par 1, G∈(CH) ; de même, en regroupant B et C, G=bar{(A;1);(I;2)}∈(AI). G est sur deux médianes : c’est le centre de gravité.
Comme en 1 : G=bar{(A;a);(K;b+c)}∈(AK) et G=bar{(B;b);(L;a+c)}∈(BL) ; les trois droites passent par G.
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)}.
Exemple 7
Soit ABC un triangle.
Placer D=bar{(A;3);(B;−2)} et G=bar{(A;3);(B;−2);(C;1)}.
À l’aide de l’associativité, montrer que G est le milieu de [CD].
Soient H=bar{(A;2);(B;3)}, E=bar{(B;3);(C;−4)} et F=bar{(A;2);(C;−4)}. Montrer que les droites (CH), (AE) et (BF) sont concourantes en un point que l’on précisera.
Voir la solution
AD=1−2AB=−2AB ; AG=2−2AB+21AC=−AB+21AC.
En regroupant A et B en D (poids 3−2=1) : G=bar{(D;1);(C;1)}, milieu de [CD].
Le système {(A;2);(B;3);(C;−4)} a un barycentre G′ car 2+3−4=1=0. Associativité : G′=bar{(H;5);(C;−4)}∈(CH) ; G′=bar{(A;2);(E;−1)}∈(AE) ; G′=bar{(F;−2);(B;3)}∈(BF). Les trois droites sont concourantes en G′=bar{(A;2);(B;3);(C;−4)}.
Application 4
Soient ABC un triangle, I le milieu de [BC] et G=bar{(A;2);(B;1);(C;1)}.
Montrer que G est le milieu de [AI], puis construire G.
Soit J=bar{(A;2);(B;1)}. Montrer que G∈(CJ) et préciser la position de G sur [CJ].
Voir la solution
I=bar{(B;1);(C;1)} ; associativité : G=bar{(A;2);(I;2)}, milieu de [AI].
Associativité : G=bar{(J;3);(C;1)}, donc G∈(CJ) et JG=41JC : G est sur [CJ], au quart à partir de J.
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 ABCD un quadrilatère et G l’isobarycentre de A, B, C, D. On note I, J, K, L, P, Q les milieux respectifs de [AB], [CD], [AD], [BC], [AC], [BD].
Montrer que G est le milieu de [IJ], de [KL] et de [PQ].
En déduire que les segments [IJ], [KL] et [PQ] ont le même milieu.
Voir la solution
G=bar{(A;1);(B;1);(C;1);(D;1)}. En regroupant A,B en I et C,D en J (poids 2 chacun) : G=bar{(I;2);(J;2)}, milieu de [IJ]. De même G=bar{(K;2);(L;2)} et G=bar{(P;2);(Q;2)}.
Les trois segments ont pour milieu commun G (en particulier IKJL est un parallélogramme).
Résumé : barycentre
Notion
Deux points (a+b=0)
Trois points (a+b+c=0)
Définition
aGA+bGB=0
aGA+bGB+cGC=0
Construction
AG=a+bbAB
AG=a+b+cbAB+a+b+ccAC
Homogénéité
poids ×k, k=0
poids ×k, k=0
Propriété caractéristique
aMA+bMB=(a+b)MG
aMA+bMB+cMC=(a+b+c)MG
Coordonnées
xG=a+baxA+bxB
xG=a+b+caxA+bxB+cxC
Cas particuliers
milieu : poids égaux
centre de gravité : poids égaux
Associativité
—
G=bar{(H;a+b);(C;c)} si H=bar{(A;a);(B;b)}
Alignement
G∈(AB)
regroupement ⇒ concours de droites
Série d’exercices
Remarque — méthodes utilisées
Construire un barycentre :AG=a+bbAB (deux points) ; AG=sbAB+scAC avec s=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 à ∣s∣MG (si s=0).
Tous les calculs (barycentres, coordonnées, paramètres) ont été contrôlés avec Python/sympy (build/verif_lot3.py).
Consignes.(P) désigne le plan. Toute réponse doit être justifiée ; le symbole ⟺ 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 ★ à ★★★★★.
Exercice 1 — Construction, associativité, lieu Facile★★☆☆☆
Soit ABC un triangle. On considère les points K=bar{(A;3);(B;−1)} et I=bar{(B;−1);(C;4)}.
a. Construire les points K et I.
b. Construire le point G=bar{(A;3);(B;−1);(C;4)}.
À l’aide de l’associativité du barycentre, montrer que G est le milieu du segment [AI].
a. À l’aide de la propriété caractéristique du barycentre, montrer que : CG=21CA−61CB et CK=23CA−21CB.
b. En déduire que les points C, K et G sont alignés.
Soit F=bar{(A;3);(C;4)}. Montrer que G∈(BF).
En déduire que les droites (AI), (CK) et (BF) sont concourantes et préciser leur point de concours.
Déterminer l’ensemble des points M du plan tels que 3MA−MB+4MC=18.
1. b. La somme des poids vaut 3−1+4=6=0 : AG=−61AB+64AC=−61AB+32AC (ou, plus simplement, voir la question 2).
2.I est le barycentre partiel de (B;−1) et (C;4), de poids −1+4=3. Par associativité, G=bar{(A;3);(I;3)} : les poids sont égaux, donc G est le milieu de [AI].
3. a. Propriété caractéristique de G avec M=C : 3CA−CB+4CC=6CG, donc CG=21CA−61CB. Propriété caractéristique de K avec M=C : 3CA−CB=2CK, donc CK=23CA−21CB.
3. b. On constate que CK=3(21CA−61CB)=3CG : les vecteurs sont colinéaires, donc C, K, G sont alignés.
4.F est le barycentre partiel de (A;3) et (C;4) (poids 7). Associativité : G=bar{(F;7);(B;−1)}, donc G∈(BF).
5. D’après 2, 3.b et 4, G appartient aux trois droites (AI), (CK) et (BF) : elles sont concourantes en G.
6. Pour tout M : 3MA−MB+4MC=6MG. La condition équivaut à 6MG=18, soit MG=3 : l’ensemble est le cercle de centre G et de rayon 3.
Exercice 2 — Barycentres de trois points, parallélogramme Moyen★★★☆☆
Soit ABC un triangle. On considère les points G=bar{(A;1);(B;1);(C;2)}, H=bar{(A;5);(B;−3);(C;2)} et le milieu D du segment [AB].
a. Montrer que AH=−43AB+21AC.
b. Construire les points H et D.
a. Écrire D comme barycentre des points A et B affectés de coefficients à préciser.
b. À l’aide de l’associativité du barycentre, montrer que G est le milieu de [DC].
c. Placer le point G sur la figure.
a. À l’aide de la propriété caractéristique du barycentre G, montrer que BG=41BA+21BC.
b. En déduire que BG=−43AB+21AC.
c. Montrer que le quadrilatère BGHA est un parallélogramme.
Soit E le milieu de [AC]. Montrer que les points H, E et G sont alignés.
Déterminer l’ensemble des points M du plan tels que 5MA−3MB+2MC=MA+MB+2MC.
Voir la solution
1. a. Somme des poids de H : 5−3+2=4. Donc AH=4−3AB+42AC=−43AB+21AC.
1. b. On place H grâce à 1.a et D au milieu de [AB] (figure ci-dessous).
2. a.D=bar{(A;1);(B;1)} (le milieu est l’isobarycentre).
2. b. Par associativité (poids 1+1=2) : G=bar{(D;2);(C;2)}, d’où G milieu de [DC].
2. c. Voir la figure.
3. a. Propriété caractéristique de G avec M=B : BA+BB+2BC=4BG, donc BG=41BA+21BC.
3. b.BA=−AB et BC=BA+AC=−AB+AC : BG=−41AB−21AB+21AC=−43AB+21AC.
3. c. D’après 1.a et 3.b, BG=AH. Comme H∈/(AB) (le coefficient de AC dans AH est non nul), le quadrilatère BGHA est un parallélogramme.
4.E=bar{(A;1);(C;1)}. On cherche une combinaison de H et G éliminant B : le système {(A;5);(B;−3);(C;2)} (poids total 4) réunion de 3 fois le système {(A;1);(B;1);(C;2)} (poids total 12) donne {(A;8);(B;0);(C;8)}. Par associativité, le barycentre de {(H;4);(G;12)} est celui de {(A;8);(C;8)}, c’est-à-dire E. Donc E=bar{(H;1);(G;3)}∈(HG) : H, E, G sont alignés.
5. Pour tout M : 5MA−3MB+2MC=4MH et MA+MB+2MC=4MG. La condition équivaut à MH=MG ; comme H=G (GH=BA=0, d’après le parallélogramme), l’ensemble est la médiatrice de [GH].
Soit ABC un triangle. On considère le point G=bar{(A;1);(B;4);(C;−2)}, le milieu I du segment [AC] et le point K défini par AK=54AB.
Montrer que AG=34AB−32AC et que BI=−AB+21AC.
En déduire que (BI)∥(AG).
a. Montrer que K=bar{(A;1);(B;4)}.
b. En déduire que les points C, K et G sont alignés.
Déterminer l’ensemble des points M du plan tels que MA+4MB=15.
Voir la solution
1. Somme des poids de G : 1+4−2=3, donc AG=34AB−32AC. Et BI=BA+AI=−AB+21AC.
2.−34BI=34AB−32AC=AG : les vecteurs BI et AG sont colinéaires, donc (BI)∥(AG).
3. a.AK=54AB=1+44AB, ce qui caractérise K=bar{(A;1);(B;4)}.
3. b. Associativité : G=bar{(K;5);(C;−2)}, donc G∈(CK) : C, K, G sont alignés.
4.MA+4MB=5MK ; la condition équivaut à 5MK=15, soit MK=3 : cercle de centre K et de rayon 3.
Exercice 4 — Associativité Facile★☆☆☆☆
Soit ABC un triangle et G le barycentre des points pondérés (A;2), (B;−3) et (C;5).
Construire le barycentre I des points pondérés (B;−3) et (C;5).
Montrer que G=bar{(A;1);(I;1)}.
En déduire la position de G sur la droite (AI).
Voir la solution
1.I=bar{(B;−3);(C;5)}, somme 2 : BI=25BC (I au-delà de C).
2. Associativité : G=bar{(A;2);(I;2)}, et par homogénéité (division par 2) G=bar{(A;1);(I;1)}.
3.G est le milieu du segment [AI].
Exercice 5 — Coordonnées du barycentre Facile★☆☆☆☆
Dans un repère (O;;), placer les points A(3;−1), B(1;2) et C(−5;4).
Soit G le barycentre des points pondérés (A;2), (B;1) et (C;1).
a. Déterminer les coordonnées de G, puis le placer.
b. La droite (BG) passe-t-elle par l’origine du repère ?
Voir la solution
1. Voir la figure.
2. a. Somme des poids : 4. xG=42×3+1−5=21, yG=42×(−1)+2+4=1 : G(21;1).
2. b.OG(21;1) et OB(1;2) : det(OG;OB)=21×2−1×1=0. Les points O, G, B sont alignés : oui, la droite (BG) passe par l’origine (et OG=21OB).
Exercice 6 — Alignement et lieux géométriques Moyen★★★☆☆
Soit ABC un triangle.
a. Construire le point I tel que BI=−2BC.
b. Montrer que I=bar{(B;3);(C;−2)}.
c. Montrer que AI=3AB−2AC.
Soit G=bar{(A;1);(B;3);(C;−2)}. Montrer que AG=23AB−AC.
a. En déduire que les points A, I et G sont alignés.
b. Construire le point G.
Déterminer l’ensemble des points M du plan dans chacun des cas suivants :
a. MA+3MB−2MC=3AB−2AC ;
b. 3MB−2MC=4.
Voir la solution
1. a. On reporte BI=−2BC : I est sur (BC), du côté opposé à C, avec BI=2BC.
1. b.BI=−2BC=3+(−2)−2BC, ce qui caractérise I=bar{(B;3);(C;−2)}.
1. c. Propriété caractéristique de I avec M=A : 3AB−2AC=(3−2)AI=AI.
2. Somme des poids de G : 1+3−2=2, donc AG=23AB−22AC=23AB−AC.
3. a.AG=21(3AB−2AC)=21AI : A, I, G sont alignés (G est même le milieu de [AI]).
3. b.G est le milieu de [AI] (figure).
4. a.MA+3MB−2MC=2MG et 3AB−2AC=AI (question 1.c). La condition équivaut à 2MG=AI, soit MG=2AI=GA : c’est le cercle de centre G passant par A, c’est-à-dire le cercle de diamètre [AI].
4. b.3MB−2MC=(3−2)MI=MI : la condition équivaut à MI=4 ; cercle de centre I et de rayon 4.
Exercice 7 — Barycentre de quatre points Facile★★☆☆☆
Soit ABCD un quadrilatère. On définit les points H, I et J par
CH=4AC−BC−2AD,I=bar{(A;2);(C;−4)},J=bar{(B;−1);(D;2)}.
Montrer que H=bar{(A;2);(B;−1);(C;−4);(D;2)}.
À l’aide de l’associativité du barycentre, montrer que H=bar{(I;−2);(J;1)}.
En déduire que I est le milieu du segment [JH].
Voir la solution
1. La somme des poids vaut 2−1−4+2=−1=0 ; soit H′ le barycentre du système. Propriété caractéristique avec M=C :
2CA−CB+2CD=−CH′, donc CH′=−2CA+CB−2CD.
Or −2CA=2AC, CB=−BC et −2CD=−2(CA+AD)=2AC−2AD. Ainsi CH′=4AC−BC−2AD=CH, donc H′=H : H=bar{(A;2);(B;−1);(C;−4);(D;2)}.
2.I est le barycentre partiel de (A;2) et (C;−4) (poids −2), J celui de (B;−1) et (D;2) (poids 1). Par associativité, H=bar{(I;−2);(J;1)}.
3.−2HI+HJ=0, donc HJ=2HI : I est le milieu de [JH]. (Autre écriture : IH=−11IJ=−IJ.)
Exercice 8 — Barycentre et paramètre Moyen★★★☆☆
Dans le plan muni d’un repère (O;;), on considère les points A(2;−1), B(−1;3) et C(0;2).
Déterminer les coordonnées du barycentre G du système pondéré {(A;3);(B;−2);(C;1)}.
Pour tout m∈R, on considère le barycentre Gm du système pondéré {(A;2m+1);(B;1−m);(C;−m)}.
a. Justifier l’existence de Gm pour tout m∈R.
b. Déterminer les coordonnées de Gm en fonction de m.
c. Déterminer l’ensemble des points Gm lorsque m décrit R.
Voir la solution
1. Somme des poids : 3−2+1=2. xG=23×2−2×(−1)+0=4, yG=23×(−1)−2×3+2=−27 : G(4;−27).
2. a.(2m+1)+(1−m)+(−m)=2=0 pour tout m : Gm existe pour tout m∈R.
2. b.xGm=22(2m+1)−(1−m)+0×(−m)=25m+1 et yGm=2−(2m+1)+3(1−m)+2(−m)=22−7m.
2. c.Si Gm(x;y), alors m=52x−1 et y=22−7m, d’où 10y=10−7(2x−1), soit 14x+10y−17=0 : Gm appartient à la droite (Δ):14x+10y−17=0.
Réciproquement, si M(x;y)∈(Δ), on pose m=52x−1 : alors x=25m+1 et y=1017−14x=22−7m, donc M=Gm.
L’ensemble des points Gm est la droite(Δ):14x+10y−17=0 (elle passe par G0(21;1), de vecteur directeur (5;−7)).
Exercice 9 — Droites concourantes Facile★★☆☆☆
Soit ABC un triangle et Y le milieu de [AC].
Placer, en justifiant les constructions, le barycentre U des points pondérés (B;3) et (C;1), puis le barycentre E des points pondérés (A;1) et (B;3).
Soit G=bar{(A;1);(B;3);(C;1)}. Montrer que G est aussi le barycentre des points pondérés (E;4) et (C;1).
Démontrer que les droites (EC), (BY) et (AU) sont concourantes.
2. Associativité (regroupement de A et B en E, poids 4) : G=bar{(E;4);(C;1)}.
3.Y=bar{(A;1);(C;1)}. Par associativité : G=bar{(E;4);(C;1)}∈(EC) ; G=bar{(Y;2);(B;3)}∈(BY) ; G=bar{(A;1);(U;4)}∈(AU). Les trois droites sont concourantes en G.
Exercice 10 — Quadrilatère et barycentre Moyen★★★☆☆
Soient a un réel non nul et ABCD un quadrilatère non aplati tel que CD=aAB.
Déterminer les réels b et c pour lesquels D est le barycentre du système pondéré {(A;1);(B;b);(C;c)}.
On suppose désormais que a=−21. Soient E le milieu de [CD] et F le milieu de [AE]. Déterminer les réels x et y pour lesquels F est le barycentre du système pondéré {(A;x);(B;−1);(C;y)}.
Voir la solution
1.AD=AC+CD=aAB+AC. Analyse : si D=bar{(A;1);(B;b);(C;c)} avec s=1+b+c=0, alors AD=sbAB+scAC. Comme A, B, C ne sont pas alignés (quadrilatère non aplati), les coefficients sont uniques : sb=a et sc=1. Donc c=s=1+b+c, d’où b=−1, puis s=−a1 et c=−a1.
Synthèse : pour b=−1 et c=−a1, s=−a1=0 et sbAB+scAC=aAB+AC=AD. Conclusion : D=bar{(A;1);(B;−1);(C;−a1)}.
2. Pour a=−21 : D=bar{(A;1);(B;−1);(C;2)} (poids total 2). E, milieu de [CD], est bar{(C;2);(D;2)} ; par associativité (on « éclate » D) : E=bar{(A;1);(B;−1);(C;2);(C;2)}=bar{(A;1);(B;−1);(C;4)} (poids total 4).
F, milieu de [AE], est bar{(A;4);(E;4)}=bar{(A;4+1);(B;−1);(C;4)}. Donc x=5 et y=4 (le poids de B étant imposé égal à −1, l’homogénéité rend ce couple unique).
Exercice 11 — Barycentre et figure paramétrée Moyen★★★☆☆
Soit ABC un triangle et soit k un réel non nul. On définit les points D et E par BD=kBC et AE=kAB.
Réaliser une figure pour k=21, puis une autre pour k=−2.
Montrer que D=bar{(B;1−k);(C;k)}.
Montrer que E=bar{(A;1−k);(B;k)}.
En déduire que, pour tout point M du plan,
MD+ME=MA+MB+kAC=2(MC′+kC′A′),
où A′ et C′ sont les milieux respectifs de [BC] et de [AB].
Soit I le milieu de [DE]. Déduire de la question précédente que les points I, C′ et A′ sont alignés.
Voir la solution
1. Figures pour k=21 (à gauche) et k=−2 (à droite) :
2.BD=kBC=(1−k)+kkBC, ce qui caractérise D=bar{(B;1−k);(C;k)} (somme 1=0).
3. De même AE=kAB caractérise E=bar{(A;1−k);(B;k)}.
4. Propriétés caractéristiques (sommes égales à 1) : MD=(1−k)MB+kMC et ME=(1−k)MA+kMB. En additionnant : MD+ME=MA+MB+k(MC−MA)=MA+MB+kAC.
Or MA+MB=2MC′ (C′ milieu de [AB]) et, par le théorème de la droite des milieux dans ABC, C′A′=21AC. Donc MD+ME=2(MC′+kC′A′).
5.I milieu de [DE] : MD+ME=2MI pour tout M. Avec M=C′ : 2C′I=2kC′A′, soit C′I=kC′A′ : I, C′, A′ sont alignés.
Exercice 12 — Droites concourantes et centre de gravité Moyen★★★☆☆
Soit ABC un triangle de centre de gravité G. On définit les points I, J, M, N, R et S par
AI=41AB,AJ=53AB,AM=41AC,AN=43AC,BR=52BC,BS=53BC.
Démontrer que les droites (IS), (MR) et (NJ) sont concourantes en G.
Voir la solution
On traduit chaque relation en barycentre (deux points) :
I=bar{(A;3);(B;1)}, J=bar{(A;2);(B;3)}, M=bar{(A;3);(C;1)}, N=bar{(A;1);(C;3)}, R=bar{(B;3);(C;2)}, S=bar{(B;2);(C;3)}.
(Par exemple AJ=53AB=2+33AB ; BR=52BC=3+22BC.)
G=bar{(A;1);(B;1);(C;1)}=bar{(A;3);(B;3);(C;3)} (homogénéité). Par associativité :
{(A;3);(B;1)}∪{(B;2);(C;3)} donne G=bar{(I;4);(S;5)}, donc G∈(IS) ;
{(A;3);(C;1)}∪{(B;3);(C;2)} donne G=bar{(M;4);(R;5)}, donc G∈(MR) ;
{(A;1);(C;3)}∪{(A;2);(B;3)} donne G=bar{(N;4);(J;5)}, donc G∈(NJ).
Les droites (IS), (MR) et (NJ) sont concourantes en G.
Exercice 13 — Parallélogramme et alignement Difficile★★★★☆
Soit ABCD un parallélogramme. On définit les points M, N, R et S par
M=bar{(A;2);(D;1)},N=bar{(A;2);(C;2);(D;1)},BR=31BCetBS=95BN.
Montrer que S=bar{(A;1);(B;1);(C;1)}.
Montrer que les points M, S et R sont alignés.
Soient T et U les points définis par CT=21CD et AU=kAB, où k∈[0;1]. Déterminer k pour que les points S, T et U soient alignés.
Voir la solution
ABCD étant un parallélogramme, AD=BC, soit AD=−AB+AC, ce qui caractérise D=bar{(A;1);(B;−1);(C;1)} (somme 1).
1. Par associativité (on éclate D) : N=bar{(A;2);(C;2);(A;1);(B;−1);(C;1)}, soit N=bar{(A;3);(B;−1);(C;3)} (poids 5).
BS=95BN=4+55BN caractérise S=bar{(B;4);(N;5)} ; en éclatant N : S=bar{(A;3);(B;4−1);(C;3)}, c’est-à-dire S=bar{(A;3);(B;3);(C;3)}, puis, par homogénéité, S=bar{(A;1);(B;1);(C;1)}.
2. En éclatant D : M=bar{(A;2);(D;1)} s’écrit M=bar{(A;3);(B;−1);(C;1)} (poids 3) et BR=31BC caractérise R=bar{(B;2);(C;1)}, donc aussi R=bar{(B;4);(C;2)} (poids 6). Le système {(M;3);(R;6)} équivaut à {(A;3);(B;−1+4);(C;1+2)}={(A;3);(B;3);(C;3)}. Donc S=bar{(M;3);(R;6)} et S∈(MR) : M, S, R sont alignés.
3. On se place dans le repère (A;AB;AD) : A(0;0), B(1;0), D(0;1), C(1;1). Alors S(32;31) (question 1), T(21;1) (milieu de [CD]) et U(k;0).
ST(−61;32), SU(k−32;−31) ;
det(ST;SU)=(−61)(−31)−32(k−32)=21−32k.
S, T, U alignés ⟺21−32k=0⟺k=43, qui appartient bien à [0;1].
Exercice 14 — Intersection de deux droites Difficile★★★★★
Soit ABCD un parallélogramme et soit α∈]0;+∞[. On définit les points K et L par
DK=(α+1)DBetCL=αBC.
Soit M le point d’intersection des droites (CK) et (DL). Montrer que DM=α2+α+1α+1DL.
Voir la solution
On utilise le repère (non nécessairement orthonormé) (D;DA;DC) : D(0;0), A(1;0), C(0;1) et B(1;1) (car DB=DA+DC).
DK=(α+1)DB : K(α+1;α+1).
CL=αBC=α(−1;0) : L(−α;1).
M∈(DL) : il existe s∈R tel que DM=sDL, soit M(−sα;s).
M∈(CK) : CM(−sα;s−1) et CK(α+1;α) sont colinéaires :
det(CK;CM)=(α+1)(s−1)−α(−sα)=s(α2+α+1)−(α+1)=0.
Comme α2+α+1>0 (et les droites ne sont pas parallèles, puisque det(DL;CK)=−α2−(α+1)=0), on obtient s=α2+α+1α+1, d’où
DM=α2+α+1α+1DL.