Exercice : coupes du cube Soit ABCDEFGH un cube. Dans les trois cas suivants (K appartient au segment [FG], K appartient au segment [GH], K appartient au segment [HE]), tracer les sections du cube par le plan (IJK) (I appartient au segment [BF] et J appartient au segment [EF]) en perspective cavalière. Solution : coupes du cube Le traitement du premier exemple est fort simple. La coupe du cube par un plan est le triangle IJK. Le traitement du second exemple reste encore relativement simple. Il suffit de remarquer que les plans (EFG) et (CFG) se coupent selon la droite (FG) pour construire le point Q. La coupe du cube par un plan est le quadrilatère IJKL. Le traitement du dernier exemple requiert une petite gymnastique.
Il suffit de remarquer que les plans (EFG) et (CFG) se coupent selon la droite (FG) pour construire le point Q. Aussi, les plans (ABC) et (ABF) se coupent selon la droite (AB) pour construire le point R. Et encore, les plans (BCG) et (HCG) se coupent selon la droite (CG) pour construire le point S. La coupe du cube par un plan est l'hexagone IJKLMN. Remarque : en déplaçant quelque peu le point I on aurait également pu voir une coupe pentagonale. Remarque : au lieu de ne considérer ce problème que comme un problème d'intersection, j'aurais pu aussi utiliser la propriété qui dit qu'un plan coupe des plans parallèles en des droites parallèles. Exercice [Lyon, 2004] On fixe un cube ABCDEFGH, d'arête 1. Une représentation du cube en perspective cavalière et son patron sont donnés sur le document-réponse que l'on remettra avec la copie. Par exemple, le sommet A du cube est représenté par les points A 1, A 2, A 3 du patron. On appelle "distance" entre deux points M et N de la surface du cube, la longueur du plus court chemin tracé sur la surface du cube et qui relie ces deux points. Pour ne pas confondre la "distance" avec la distance usuelle, on la notera d(m,n). Par exemple, la "distance" de G à C est 1, car le plus court chemin qui les relie est l'arête [GC]. En revanche, la "distance" de G à A est strictement plus grande que la longueur usuelle de la diagonale [AG] du cube. 1) Compléter le patron en nommant tous les sommets du cube. (On ne demande pas de justifications pour cette question.) 2) a) Tracer, en rouge sur le patron, l'ensemble des points qui représentent des points de la ligne
brisée ACG (réunion des segments [AC] et [CG]). 2) b) Calculer la longueur l de la ligne brisée ACG. 2) c) Soit J le point de la ligne brisée ACG qui est à mi-chemin de A et G, c'est-à-dire tel que d(a,j) = AJ = l/2. Décrire, justifier et effectuer une construction du point J sur le patron. 3) Décrire et représenter sur le patron l'ensemble des points M de la surface du cube qui sont à la même "distance" de G que C, c'est-à-dire tels que d(g,m) = d(g,c). 4) a) Parmi les chemins qui relient les sommets A et G, et qui sont totalement contenus dans les faces ABCD et CDHG, on considère le plus court. Le tracer en bleu sur le patron, puis sur le cube en perspective, en précisant chaque étape de la construction. 4) b) Quelle est la longueur de ce chemin? Document-réponse à rendre avec la copie Solution [Lyon, 2004] 1) Compléter le patron en nommant tous les sommets du cube. (On ne demande pas de justifications pour cette question.) Je peux compléter face par face...
2) a) Tracer, en rouge sur le patron, l'ensemble des points qui représentent des points de la ligne brisée ACG (réunion des segments [AC] et [CG]). Je dois donc juste tracer chacun des segments [AC] et [CG] sur le patron. 2) b) Calculer la longueur l de la ligne brisée ACG. Il me suffit d'additionner les longueurs de chacun des segments [AC] (de longueur 2 comme diagonale d'un carré de côté 1) et [CG] (de longueur 1), et l = 1 + 2.
2) c) Soit J le point de la ligne brisée ACG qui est à mi-chemin de A et G, c'est-à-dire tel que d(a,j) = AJ = l/2. Décrire, justifier et effectuer une construction du point J sur le patron. Algorithme de construction (construction en vert). Je trace le petit arc de cercle Γ de centre C et de rayon [CG 1 ] et d'extrémités G 1 et G 2. Je prolonge le segment [A 2 C] de manière à construire le point Ω comme point de concours de Γ et de la droite (A 2 C). J'ai ainsi construit un segment [A 2 Ω] de longueur l. A la règle et au compas, je construis le milieu J du segment [A 2 Ω]. J'ai ainsi construit un point J qui est tel que d(a,j) = AJ = l/2 et qui appartient à la ligne brisée ACG car ( 2 > 1. Ce point J est donc le point demandé. 3) Décrire et représenter sur le patron l'ensemble des points M de la surface du cube qui sont à la même "distance" de G que C, c'est-à-dire tels que d(g,m) = d(g,c). J'ai d(g,c)=1. On me demande donc l'ensemble des points tels que d(g,m) = 1. Il suffit de réduire l'étude à chacune des faces du cube et d'utiliser la définition du cercle, à savoir "le cercle de centre G et de rayon 1 est l'ensemble des points du plan en question qui sont à distance (usuelle) de G égale à 1. L'ensemble M de la surface du cube qui sont à la même "distance" de G que C est la réunion des trois petits arcs de cercles suivants (représentation en rose) : le petit arc de cercle de centre G 1 et de rayon 1 et d'extrémités F 1 et C,
le petit arc de cercle de centre G 2 et de rayon 1 et d'extrémités C et H, le petit arc de cercle de centre G 1 et de rayon 1 et d'extrémités H et F 2. 4) a) Parmi les chemins qui relient les sommets A et G, et qui sont totalement contenus dans les faces ABCD et CDHG, on considère le plus court. Le tracer en bleu sur le patron, puis sur le cube en perspective, en précisant chaque étape de la construction. Algorithme de construction (construction en bleu).
Sur le patron... Je trace le segment [A 2 G 2 ]. Soit Θ le point de concours des droites (CD) et (A 2 G 2 ). En utilisant le théorème de Thalès avec les droites parallèles (BA 2 ) et (CΘ) (qui sont parallèles comme côtés opposés du carré ABCD) et les sécantes (A 2 G 2 ) et (BG 2 ) (la droite (BG 2 ) passe par C car BCG 2 = BCD + DCG 2 = 90 + 90 = 180 comme somme d'angles de carrés), on démontre que CΘ = 1/2 et donc Θ est milieu du segment [CD]. Sur la perspective... A la règle et au compas, je construis le milieu Θ du segment [CD]. Je trace ensuite les segments [AΘ] et [ΘG]. 4) b) Quelle est la longueur de ce chemin? Le théorème de Pythagore appliqué au triangle A 2 BG 2, rectangle en B (car A2 BG 2 = 90 comme angle d'un carré), donne que la longueur du chemin concerné qui n'est autre que A 2 G 2 se calcule par A 2 G 2 = (A 2 B 2 + BG 2 2 ) = 5. Exercice [Martinique, 2000] On considère une famille (F) de quadrilatères définie comme suit : Un quadrilatère ABCD appartient à (F) s'il est convexe et si ses diagonales [AC] et [BD] sont perpendiculaires. 1. Pour chacune des affirmations suivantes dire si elle est vraie ou fausse. Argumenter la réponse. 1.a) Tous les rectangles appartiennent à (F). 1.b) Certains éléments de (F) sont des parallélogrammes. 2. On considère un quadrilatère ABCD de (F). Soient E, F, G et H les milieux respectifs de [AB], [BC], [CD] et [DA]. 2.a) Quelle est la nature du quadrilatère EFGH? Le démontrer. 2.b) Quelle est la condition supplémentaire à imposer à ABCD pour que EFGH soit un carré? Le justifier. 3. On considère un quadrilatère ABCD de (F) tel que AC = BD = 10 cm, AB = 6 cm et l'angle ABC est droit. 3.a) Construire à la règle et au compas, le quadrilatère ABCD. 3.b) Si O est le point d'intersection des diagonales [AC] et [BD], calculer BC puis BO. 3.c) La figure obtenue est le début d'un patron d'un tétraèdre BADC dont ABC et ACD représentent deux faces perpendiculaires (si ACD est la base, [OB] est la hauteur du tétraèdre). 3.c)i) Montrer que le triangle BOD est rectangle. En utilisant les résultats précédents, déduire une construction, en vraie grandeur, de la longueur de l'arête [BD] du tétraèdre BACD. 3.c)ii) Terminer le patron, avec règle et compas, en laissant apparaître les traces justificatives des constructions. Solution [Martinique, 2000] 1. Pour chacune des affirmations suivantes dire si elle est vraie ou fausse. Argumenter la réponse. 1.a) Tous les rectangles appartiennent à (F).
1.b) Certains éléments de (F) sont des parallélogrammes. 1.a) est FAUX. En général, un rectangle n'a pas ses diagonales perpendiculaires. Lorsque les diagonales sont perpendiculaires, le rectangle est alors un carré. 1.b) est VRAI. Le losange est un parallélogramme qui possède des diagonales perpendiculaires. 2.a) Quelle est la nature du quadrilatère EFGH? Le démontrer. 2.b) Quelle est la condition supplémentaire à imposer à ABCD pour que EFGH soit un carré? Le justifier. Je commence par tracer la figure. EFGH est le parallélogramme de Varignon du quadrilatère ABCD (voir exercice : le parallélogramme de Varignon). Ainsi, EFGH est un rectangle. Si, de plus, les diagonales de ABCD sont de même mesure, EFGH est un carré. 3.a) Construire à la règle et au compas, le quadrilatère ABCD. Je trace un segment [AC] tel que AC = 10 cm ; je place le point I, milieu du segment [AC], donc le point I tel que AI = IC = 5 cm ; soit C 1 le cercle de centre A et de rayon 6 cm et soit C 2 le cercle de centre I et de rayon 5 cm ; soit B l'un des points de concours des cercles C 1 et C 2 (l'angle ABC intercepte le diamètre [AC] et est, par conséquent, droit) et soit B' l'autre ; je trace la droite (BB') qui est perpendiculaire à la droite (AC) (en effet, (AC) est la médiatrice du segment [BB'] car AB = AB' et IB = IB') ; je place le point D sur la droite (BB') de telle façon que les points D et B soient de part et d'autre de la droite (AC) et que BD = 10 cm ; je trace le quadrilatère ABCD. Je propose la figure... 3.b) Si O est le point d'intersection des diagonales [AC] et [BD], calculer BC puis BO. Par application du théorème de Pythagore dans le triangle ABC rectangle en B, je trouve AC 2 = AB 2
+ BC 2, puis BC = (10 2-6 2 ) cm = 8 cm. Pour trouver OB, je calcule de deux manières l'aire du triangle ABC : Aire(ABC) = (BA x BC)/2 = (AC x OB)/2 pour déduire que OB = (BA x BC)/AC = (6 x 8)/10 cm = 4,8 cm. 3.c)i) Montrer que le triangle BOD est rectangle. En utilisant les résultats précédents, déduire une construction, en vraie grandeur, de la longueur de l'arête [BD] du tétraèdre BACD. L'énoncé nous dit que [OB] est hauteur du tétraèdre BADC, ce qui implique que la droite (OB) est orthogonale à toute droite du plan (ACD). En particulier, la droite (OB) est perpendiculaire à la droite (OD) et le triangle OBD est rectangle en O. Construction utilisant règle non graduée et compas de BD : je trace un cercle, un diamètre [MN] de ce cercle et je prends un point O sur ce cercle distinct de M et de N (l'angle MON est alors un angle droit car il intercepte un diamètre de ce cercle) ; je place B sur la demi-droite [OM) en reportant à l'aide du compas la longueur OB depuis la figure initiale ; je place D sur la demi-droite [ON) en reportant à l'aide du compas la longueur OD depuis la figure initiale ; je trace le segment [BD]. 3.c)ii) Terminer le patron, avec règle et compas, en laissant apparaître les traces justificatives des constructions. Les tracés relatifs à cette question sont portés en rouge.
Exercice [Limoges, 1998] D'après Maths CM2 - Nouvelle Collection -, Thevenet, Bordas, 1996, p. 117. 16 Observe le patron A quelle figure correspond ce patron? A un prisme? A une pyramide? A un cube? 1. Comment reconnaître que la figure ci-dessus, composée de quatre triangles, ne peut pas être le patron d'un prisme, ni celui d'un cube? 2. On admettra qu'il s'agit d'un patron de pyramide et on considérera que ce patron est constitué à partir d'un carré ABCD, dont les côtés mesurent 4 cm. Dire, en justifiant votre réponse, où doivent être placés le point E sur le segment [BC] et le point F sur le segment [CD] pour qu'on ait bien affaire à un patron de pyramide. 3. Etablir quelle est la nature précise de chacune des quatre faces de la pyramide. 4. Appelons K le sommet du solide où se rejoignent les points B, C et D du patron. On obtient ainsi la pyramide AEFK. 4.a) Montrer que l'on peut faire coïncider la pyramide avec le coin d'un cube de côté 4 cm. Représenter un cube en perspective cavalière et y tracer une représentation de la pyramide. 4.b) Calculer le volume de la pyramide [V = (1/3) x b x h où b désigne l'aire de la base et h désigne la hauteur correspondante]. 5. Calculer l'aire du triangle AEF. 6. Soit H la projection orthogonale de K sur le plan (AEF). Calculer KH. 7. Montrer que dans le patron ci-dessus, les droites (AE) et (BF) sont perpendiculaires. 8. Montrer que H est l'orthocentre du triangle AEF. Solution [Limoges, 1998] 1. Comment reconnaître que la figure ci-dessus, composée de quatre triangles, ne peut pas être le patron d'un prisme, ni celui d'un cube? Un prisme (à priori oblique) possède au moins une face en forme de parallélogramme, ce qui n'est
pas le cas ici. Par conséquent, ce n'est pas le patron d'un cube non plus car tout cube est un prisme. 2. Dire, en justifiant votre réponse, où doivent être placés le point E sur le segment [BC] et le point F sur le segment [CD] pour qu'on ait bien affaire à un patron de pyramide. Pour qu'on ait bien affaire au patron d'un tétraèdre, il faut qu'on puisse faire coïncider par pliage le segment [EB] et le segment [EC], et donc que EB = EC (i.e. E milieu du segment [BC]). De même, il faut qu'on puisse faire coïncider par pliage le segment [FC] et le segment [FD], et donc que FC = FD (i.e. F milieu du segment [CD]). 3. Etablir quelle est la nature précise de chacune des quatre faces de la pyramide. Le triangle ABE : il est rectangle en B, est tel que BA = 4 cm et est tel que BE = 2 cm. Le triangle ADF : il est rectangle en D, est tel que DA = 4 cm et est tel que DF = 2 cm. Le triangle CEF : il est isocèle rectangle en C, est tel que CE = 2 cm. Le triangle AFE : il est isocèle en A, est tel que EF = 2 x 2 cm (d'après le théorème de Pythagore appliqué au triangle FCE rectangle en C). 4.a) Montrer que l'on peut faire coïncider la pyramide avec le coin d'un cube de côté 4 cm. Représenter un cube en perspective cavalière et y tracer une représentation de la pyramide. Les angles EKF, EKA et FKA sont tous droits, on peut donc faire coïncider les faces (EKF), (EKA) et (FKA) du tétraèdre AEFK avec les faces (LKN), (LKA) et (NKA) d'un cube ABCDKLMN où les angles LKN, LKA et NKA sont également droits. Qui plus est, on a bien KA = 4 cm 4 cm, KE = 2 cm 4 cm, et KF = 2 cm 4 cm. Voici une représentation du cube et du tétraèdre en perspective cavalière..4.b) Calculer le volume de la pyramide [V = (1/3) x b x h où b désigne l'aire de la base et h désigne la hauteur correspondante]. Aire(EFK) = (KE x KF)/2 = 2 cm 2. Volume(KAFE) = (KA x Aire(EFK))/3 = 8/3 cm 3 ((KA) est bien orthogonale au plan (KEF) car orthogonale aux droites (KE) et (KF)). 5. Calculer l'aire du triangle AEF. Aire(AEF) = Aire(ABCD) - Aire(ADF) - Aire(ABE) - Aire(CEF) (d'après le découpage du carré ABCD). Puis, Aire(AEF) = AB x AD - (AD x DF)/2 - (AB x BE)/2 - (CE x CF)/2 = (4 x 4 - (4 x 2)/2 - (4 x 2)/2 - (2 x 2)/2) cm 2 = 6 cm 2. 6. Soit H la projection orthogonale de K sur le plan (AEF). Calculer KH.
Un nouveau calcul du volume du tétraèdre KAFE me permet de déduire la hauteur KH du tétraèdre. Volume(KAFE) = (KH x Aire(AEF))/3 = (KH x 6)/3 cm 2 = 8/3 cm 3. Je conclus que KH = 8/6 cm = 4/3 cm. 7. Montrer que dans le patron ci-dessus, les droites (AE) et (BF) sont perpendiculaires. Soit r la rotation de centre O (centre du carré ABCD) et qui envoie A sur B, B sur C, C sur D et D sur A (propriété concernant les isométries du carré). Alors, l'image du milieu du segment [BC], E, est le milieu du segment [CD], F. Puis, les droites (AE) et (BF) sont perpendiculaires car r((ae)) = (BF) et puisqu'une droite et son image forment entre elles l'angle de la rotation qui est de 90. 8. Montrer que H est l'orthocentre du triangle AEF. Soit X l'orthocentre du triangle AEF. Voici la figure... Je vais tout d'abord essayer de déterminer les longueurs A'X et E'Y. Je pose donc A'X = x cm et E'Y = y cm. Détermination de AA', EE' et FF'. Le théorème de Pythagore appliqué au triangle ABE rectangle en B donne AE = 2 x 5 cm.
Le théorème de Pythagore appliqué au triangle ADF rectangle en D donne AF = 2 x 5 cm. Je sais déjà que EF = 2 x 2 cm. J'ai déjà calculé également l'aire du triangle AEF, et ceci me fournit les hauteurs AA', EE' et FF' d'après Aire(AEF) = (EF x AA')/2 = (AE x FF')/2 = (AF x EE')/2 = 6 cm 2, je déduis AA' = 3 x 2 cm et EE' = FF' = 6 x 5/5 cm. Je vais lier mes inconnues x et y en utilisant Aire(AA'F) = Aire(XA'F) + Aire(XAF). Ainsi, (x x 2)/2 + (y x 2 x 5)/2 = 3 (A' est le milieu du segment [EF] car le triangle AEF est isocèle en A), et enfin x x 2 + y x 2 x 5 = 6. Je vais encore les lier en décomposant le segment [AA']. AA' = A'X + XA = A'X + (E'X 2 + E'A 2 ) (en appliquant le théorème de Pythagore au triangle XE'A qui est rectangle en E'). Et, E'A = ((2 x 5) 2 - (6 x 5/5) 2 ) cm= 8 x 5/5 cm (en appliquant le théorème de Pythagore au triangle EE'A qui est rectangle en E'). Enfin, 3 x 2 = x + (y 2 + (8 x 5/5) 2 ) = x + (y 2 + 64/5). J'ai donc un système d'équation à deux inconnues que je résous par substitution et j'obtiens 2 x (y 2 + 64/5) = y x 2 x 5. Ensuite, en élevant au carré, j'obtiens 2 x y 2 + 128/5 = 20 x y 2. Et enfin, y = 8 x 5/15. En revenant alors à l'une des équations, je déduis x = 2/3. Conclusion : X est sur la droite (AA') et est tel que AX = AA' - A'X = 3 x 2-2/3 cm = 8 x 2/3 cm. Retour sur la pyramide et le point H. Le triangle AHK est rectangle en H. On peut donc lui appliquer le théorème de Pythagore pour conclure que AH = (4 2 - (4/3) 2 ) cm = 8 x 2/3 cm. Le triangle EHK est rectangle en H. On peut donc lui appliquer le théorème de Pythagore pour conclure que EH = (2 2 - (4/3) 2 ) cm = 2 x 5/3 cm. Le triangle FHK est rectangle en H. On peut donc lui appliquer le théorème de Pythagore pour conclure que FH = (2 2 - (4/3) 2 ) cm = 2 x 5/3 cm. Le triangle FEH est donc isocèle en H (car il est tel que EH = FH) et admet la médiatrice du segment [EF] comme axe de symétrie et comme le triangle AEH est également isocèle admettant la médiatrice du segment [EF] comme axe de symétrie, la droite (HA) est donc une hauteur du triangle AEF (car la médiatrice de la base principale d'un triangle isocèle est aussi hauteur issue du sommet principal). Conclusion : H est sur la droite (AA') et est tel que AH = 8 x 2/3 cm. Au terme de cette longue démonstration, je déduis que les point X et H sont identiques et donc que le point H est l'orthocentre du triangle AEF. Note : je pourrais expliquer aussi que lors du pliage autour de la droite (AE), le point B est toujours inclus dans un plan orthogonal à la droite (AE) pour conclure que la droite (BK) est orthogonale à la droite (AE) sur le patron. Etc. Mais ceci était-il un argument qui aurait convaincu le jury? Exercice [Bordeaux, Caen, Clermont, Nantes, Orléans-Tours, Poitiers, La Réunion, 2000] On considère une pyramide SEFG. Les points I, J, K, L et M sont les milieux respectifs de [SE], [SG], [GF], [EF] et [EG]. 1. Prouver que (IL)//(JK) et que IJKL est un parallélogramme. 2. On suppose, seulement dans cette section, que SF = EG. Quelle est la nature de IJKL? 3. On suppose, seulement dans cette section, que (SF) est orthogonale au plan (EFG). Démontrer que IJKL est un rectangle.
4. Quelle condition suffit-il d'imposer au triangle SEG pour que le quadrilatère SIMJ soit un losange? 5. Quelle condition suffit-il d'imposer au triangle SEG pour que le quadrilatère SIMJ soit un rectangle? 6. Dessiner le patron d'une pyramide SEFG telle que SIMJ soit un carré et IJKL un rectangle. Solution [Bordeaux, Caen, Clermont, Nantes, Orléans-Tours, Poitiers, La Réunion, 2000] 1. Prouver que (IL)//(JK) et que IJKL est un parallélogramme. Je trace d'abord la figure... Le théorème de la droite des milieux appliqué dans le triangle SEG avec I milieu du segment [SE] et J milieu du segment [SG] donne (IJ)//(EG) et IJ = EG/2. Le théorème de la droite des milieux appliqué dans le triangle FEG avec L milieu du segment [FE] et K milieu du segment [FG] donne (LK)//(EG) et LK = EG/2. Ainsi (IJ)//(EG)//(LK) et les droites (IJ) et (LK) sont parallèles. De plus, IJ = EG/2 = LK et IJ = LK. Le quadrilatère (convexe) IJKL a ses côtés opposés [IJ] et [LK] égaux (en mesure) et parallèles, est, par conséquent un parallélogramme. 2. On suppose, seulement dans cette question, que SF = EG. Quelle est la nature de IJKL? De la même manière que pour la question 1, je sais que (IL)//(SF)//(JK) et que IL = SF/2 = JK. Ainsi, si SF = EG, je déduis que IL = SF/2 = EG/2 = IJ. Le parallélogramme IJKL possède donc deux côtés consécutifs [IJ] et [IL] égaux (en mesure) et IJKL est un losange. 3. On suppose, seulement dans cette section, que (SF) est orthogonale au plan (EFG). Démontrer que IJKL est un rectangle. Je sais que (SF) (EFG), mais je sais également que (IL)//(SF). Je déduis alors que (IL) (EFG).
Puis, que la droite (IL) est orthogonale à toute droite du plan (EFG) et en particulier à la droite (LK). Le parallélogramme IJKL possède donc deux côtés consécutifs [IL] et [LK] perpendiculaires et IJKL est un rectangle. 4. Quelle condition suffit-il d'imposer au triangle SEG pour que le quadrilatère SIMJ soit un losange? Le théorème de la droite des milieux appliqué dans le triangle SEG avec I milieu du segment [SE] et M milieu du segment [EG] donne (IM)//(SG) et IM = SG/2. Or J est milieu du segment [SF], donc SJ = SG/2. Le quadrilatère (convexe) SIMJ a ses côtés opposés [IM] et [SJ] égaux (en mesure) et parallèles, est, par conséquent un parallélogramme. Pour que le parallélogramme SIMJ soit un losange, il suffit qu'il ait deux côtés consécutifs égaux (en mesure), par exemple SI = SJ (i.e. SE = SF car SI = SE/2 = SF/2 = SJ). Sous la condition "le triangle SEF est isocèle en S", le quadrilatère IJKL est donc un losange. 5. Quelle condition suffit-il d'imposer au triangle SEG pour que le quadrilatère SIMJ soit un rectangle? Pour que le parallélogramme SIMJ soit un losange, il suffit qu'il ait deux côtés consécutifs perpendiculaire, par exemple (SI) (SJ) (i.e. (SE) (SF)). Sous la condition "le triangle SEF est rectangle en S", le quadrilatère IJKL est donc un rectangle. 6. Dessiner le patron d'une pyramide SEFG telle que SIMJ soit un carré et IJKL un rectangle. Si le triangle SEG est isocèle rectangle en S, le quadrilatère SIMJ est à la fois losange (question 4) et rectangle (question 5), donc un carré. Si (SF) est orthogonale au plan (EFG), alors le quadrilatère IJKL est un rectangle (question 3). Ainsi, il s'agit ici de tenir compte de ces deux conditions : SFE et SFG sont deux triangles rectangles en F (ils sont isométriques), EFG est un triangle isocèle en F, SEG est un triangle isocèle rectangle en S. Je peux obtenir plusieurs tétraèdres différents. En effet, le point F peut se déplacer sur le demicercle de diamètre [SE] extérieur au trianggle EGS (cependant sans trop se rapprocher du point E)... F1 S F2 E G F3
Exercice [Lyon, 1998] On dispose d'un parallélipipède rectangle dont les côtés ont pour longueurs respectives AB = a, AD = AA' = a/2. Soient I, J, I' et J' les milieux respectifs des segments [AB], [AD], [A'B'] et [A'D']. On considère le solide S de sommets B, D, J, I, B', D', J' et I'. On admettra que les quadrilatères BDD'B' et IJJ'I' sont des rectangles. Dans les constructions demandées ci-dessous, on prendra pour longueur a, le segment ci-dessous : 1. Construire le quadrilatère BDJI à la règle non graduée et au compas. Indiquer sa nature. Calculer son aire en fonction de a. 2. Construire un patron du solide S, à la règle graduée et au compas. Ecrire le programme de construction. 3. Quelle est l'aire totale de ce solide exprimée en fonction de a? 4. Quelle proportion du volume du parallélépipède initial représente le volume de ce solide S? Solution [Lyon, 1998] Je commence par tracer le solide BDJIB'D'J'I' en perspective cavalière.
1. Construire le quadrilatère BDJI à la règle non graduée et au compas. Indiquer sa nature. Calculer son aire en fonction de a. Dans l'ordre et en bref l'explication de la construction de la figure... a) construction du segment [AB] de longueur a ; b) construction du milieu I du segment [AB] (construction de la médiatrice (M 1 M 2 ) du segment [AB]) ; c) construction de la perpendiculaire à la droite (AB) passant par A (construction du symétrique I' de I par rapport au point A, puis construction de la médiatrice (N 1 N 2 ) du segment [II']) ; d) construction du point D ; e) construction du milieu J du segment [AD] (construction de la médiatrice (N 1 N 2 ) du segment [AD]) ; f) construction du point O, centre du carré (comme intersection des médianes [M 1 M 2 ] et [N 1 N 2 ]) ; g) construction du symétrique C de A par rapport au point O. Les étapes f) et g) sont inutiles pour l'obtention du quadrilatère BDJI. Pour montrer que le quadrilatère BDJI est un trapèze, il suffit d'utiliser le théorème de la droite des milieux dans le triangle ABD où I est milieu du segment [AB] et où J est milieu du segment [AD] pour obtenir (IJ)//(BD). Calcul de l'aire du trapèze BDJI : Aire(BDJI) = Aire(BAD) - Aire(IAJ) = (AB x AD)/2 - (AI x AJ)/2 = (3 x a 2 )/16. 2. Proposer un patron du solide S.
3. Quelle est l'aire totale de ce solide exprimée en fonction de a? Il s'agit donc de l'aire du patron proposé. Aire totale = Aire(IBB'I') + Aire(BDD'B') + Aire(DJJ'D') + Aire(JII'J') + Aire(BDJI) + Aire(B'D'J'I'). Le théorème de Pythagore appliqué au triangle ABD rectangle en B, donne BD = a x 5/2. Le théorème de la droite des milieux dans le triangle ABD où I est milieu du segment [AB] et où J est milieu du segment [AD] donne IJ = BD/2 = a x 5/4. Retour sur la calcul d'aire (avec toutes les conditions admises sur certaines faces, il s'agit bien d'un prisme droit) : Aire totale = a/2 x a/4 + a/2 x a x 5/2 + a/2 x a/2 + a/2 x a x 5/4 + 2 x (3 x a 2 /16) = a 2 /8 x (6 + 3 x 5). 4. Quelle proportion du volume du parallélépipède initial représente le volume de ce solide S? Volume(BDJIB'D'J'I') = Aire(BDJI) x BB' = (3 x a 2 /16) x a/2 = 3 x a 3 /32. Volume(ABCDA'B'C'D') = Aire(ABCD) x BB' = AB x AC x BB' = a 3 /4. Le rapport des volumes se calcule aisément : Volume(BDJIB'D'J'I')/Volume(ABCDA'B'C'D') = (3 x a 3 /32)/(a 3 /4) = 3/8. Exercice [Bordeaux, Clermont, Nantes, Poitiers, Ile de la Réunion (2), 1999]
Reproduire sur votre copie le tableau ci-dessous et le compléter en répondant par oui ou par non. Pour la dernière ligne, on nommera un triangle autre que ceux qui figurent dans le tableau. Le triangle Est-il rectangle? Est-il isocèle? Est-il équilatéral? DJH ACG AFC EHG Oui Non Non Justifier vos affirmations concernant la nature des triangles AFC et EHG. 2. On considère que la figure ci-dessus représente un cube en bois (de 10 cm d'arête). On le partage en deux morceaux à l'aide d'une scie, qu'on suppose sans épaisseur réalisant une coupe plane passant par les trois points R, S et T. Le point R est à 6 cm du sommet E, sur l'arête [EH]. Le point S est à 3 cm du sommet E, sur l'arête [EA]. Le point T est à 6 cm du sommet E, sur l'arête [EF]. On applique une des deux surfaces obtenues sur un tampon encreur et on imprime cette section RST sur une feuille. 2.a) Sans faire de calcul, dessiner en taille réelle à l'aide de la règle et du compas le contour de la surface imprimée. On utilisera des constructions géométriques annexes (les faire figurer sur la copie). Expliquer succinctement la construction géométrique. 2.b) Calculer la dimension exacte de la longueur TR. 2.c) Calculer l'aire exacte en cm 2 de la section obtenue. Solution [Bordeaux, Clermont, Nantes, Poitiers, Ile de la Réunion (2), 1999] 1. Reproduire sur votre copie le tableau ci-dessous et le compléter en répondant par oui ou par non. Pour la dernière ligne, on nommera un triangle autre que ceux qui figurent dans le tableau. Il ne semble utile de justifier les réponses. Aussi, je me contente de remplir le tableau. Le triangle Est-il rectangle? Est-il isocèle? Est-il équilatéral? DJH Non Oui Non ACG Oui Non Non AFC Non Oui Oui EHG Oui Oui Non ACJ ou... Oui Non Non Justifier vos affirmations concernant la nature des triangles AFC et EHG. Le triangle EHG est isocèle rectangle en H (car EFGH est un carré). Le triangle AFC est équilatéral (en effet, si a est le côté du cube, d'après le théorème de Pythagore appliqué dans les triangles AEF, ABC et ADH, j'obtiens AC = AF = CF = a x 2) donc isocèle et non rectangle. 2.a) Sans faire de calcul, dessiner en taille réelle à l'aide de la règle et du compas le contour de la surface imprimée. On utilisera des constructions géométriques annexes (les faire figurer sur la copie). Expliquer succinctement la construction géométrique.
Je pense à tracer les triangles ERS, EST et ERT pour construire les longueurs RS, ST et RT. Je construis un segment [R 1 T] qui mesure 12 cm. Je construis la médiatrice (d) du segment [R 1 T] (à l'aide de la règle non graduée et du compas) qui coupe le segment [R 1 T] en le point E (tel que R 1 E = ET = 6 cm). Sur la droite (d), je place les points S et R 2 tels que le point E appartienne au segment [R 2 S], que R 2 E = 6 cm et que ES = 3 cm. Je trace le cercle C 1 de centre S et de rayon [SR 1 ] et le cercle C 2 de centre T et de rayon [TR 2 ]. Ces cercles C 1 et C 2 se coupent en deux points dont l'un que je nomme R. 2.b) Calculer la dimension exacte de la longueur TR. Le théorème de Pythagore appliqué dans le triangle TER rectangle en E donne TR = (6 2 + 6 2 ) cm = 6 x 2 cm. 2.c) Calculer l'aire exacte en cm 2 de la section obtenue. De la même manière, le théorème de Pythagore appliqué dans le triangle TES rectangle en E donne TS = (6 2 + 3 2 ) cm = 3 x 5 cm et le théorème de Pythagore appliqué dans le triangle RES rectangle en E donne RS = (6 2 + 3 2 ) cm = 3 x 5 cm. Soit H le pied de la hauteur du triangle TRS issue de S (et qui est aussi médiane parce que le triangle TRS est isocèle en S). Le théorème de Pythagore appliqué dans le triangle SHT rectangle en H
donne SH = (ST 2 - HT 2 ) = (45-18) cm = 3 x 3 cm. Ainsi, Aire(RST) = (6 x 2 x 3 x 3)/2 cm 2 = 9 x 6 cm 2. Exercice [Besançon, 1998] ABCDEFGH est un prisme droit de "hauteur" AE = 5 cm. Les faces ABCD et EFGH sont des trapèzes rectangles isométriques avec AD = AB = 6 cm, BC = 12 cm et DAB = ABC = 90 degrés. On place sur l'arête [DA], le point I tel que DI = 2 cm et sur l'arête [DC], le point I tel que DJ = DC/3. 1. Calculer DC. 2. Calculer la longueur de chacune des arêtes de la pyramide DIJH. 3. Construire au compas et à la règle (règle graduée et non graduée) le triangle IJH en vraie grandeur en laissant apparents les traits de construction. 4. Calculer l'aire du triangle ACD. En déduire celle du triangle IJD. 5. Quel est le volume du solide DIJH? Solution [Besançon, 1998] 1. Calculer DC. Soit H 1 le pied de la hauteur du triangle BCD issue de D. Le quadrilatère ABH 1 D est alors un rectangle car il possède trois angles droits (en A, en B et en H 1 ). Par suite, BH 1 = AD = 6 cm, DH 1 = AB = 6 cm et H 1 C = BC - BH 1 = 12-6 cm = 6 cm. Le théorème de Pythagore utilisé dans le triangle CH 1 D, rectangle en H 1, me donne CD = (CH 1 2 + DH 1 2 ) = (36 + 36) cm = 6 x 2 cm. 2. Calculer la longueur de chacune des arêtes de la pyramide DIJH. Les six arêtes de la pyramide DIJH sont [DI], [DJ], [DH], [IJ], [IH] et [JH]. DI = 2 cm. C'est une donnée. DJ = DC/3 = 2 x 2 cm. C'est une donnée également. J'ai DI/DA = DJ/DC = 1/3 avec D, I et A alignés dans cet ordre et D, J et C alignés dans cet ordre. Ainsi, d'après la réciproque du théorème de Thalès, j'obtiens (IJ)//(AC) et IJ/AC = 1/3. Le théorème de Pythagore utilisé dans le triangle ABC, rectangle en B, me donne AC = (AB 2 + BC 2 ) = (36 + 144) cm = 6 x 5 cm. Puis, IJ = AC/3 = 2 x 5 cm. DH = AE = 5 cm. C'est une donnée. Le théorème de Pythagore utilisé dans le triangle IDH, rectangle en D, me donne IH = (ID 2 +
DH 2 ) = (4 + 25) cm = 29 cm. Le théorème de Pythagore utilisé dans le triangle JDH, rectangle en D, me donne JH = (JD 2 + DH 2 ) = (8 + 25) cm = 33 cm. 3. Construire au compas et à la règle (règle graduée et non graduée) le triangle IJH en vraie grandeur en laissant apparents les traits de construction. Les côtés du triangle IJH mesurent 2 x 5 cm, 29 cm et 33 cm. Il reste encore à construire ces longueurs... Explications de la construction. Je construis deux perpendiculaires d et d' qui se coupent en un point O. Je place R sur la droite d tel que OR = 2 cm. Je place S sur la droite d' tel que OS = 2 cm. Je place T sur la droite d' tel que OT = 4 cm. Je place U sur la droite d' tel que OU = 5 cm. Ainsi, RS = 2 x 2 cm, RT = 2 x 5 cm, RU = 29 cm. Je trace le cercle de centre O et de rayon 2 x 2 cm qui coupe la droite d en le point V. Ainsi, UV = 33 cm. Je trace ensuite le cercle de centre R et de rayon [RT], et le cercle de centre U et de rayon [UV] qui se coupent en deux points dont un que je baptise W. En posant I = R, H = U et J = W, j'obtiens le triangle IJH.
4. Calculer l'aire du triangle ACD. En déduire celle du triangle IJD. Soit H 2 le pied de la hauteur du triangle ACD issue de C. Le quadrilatère ABCH 2 est est alors un rectangle car il possède trois angles droits (en A, en B et en H 2 ). Par suite, CH 2 = BA = 6 cm, AH 2 = BC = 12 cm. J'ai Aire(ACD) = (AD x CH 2 )/2 = (6 x 6)/2 cm 2 = 18 cm 2. Comme ID/AD = JD/CD = IJ/AC = 1/3, je déduis que le triangle IDJ est une réduction du triangle ADC de rapport 1/3. Or, le réduction agit au simple sur les longueurs, au carré sur les aires et au cube sur les volumes, donc Aire(IDJ) = (1/3) 2 x Aire(ADC) = 2 cm 2. 5. Quel est le volume du solide DIJH? Volume(DIJH) = (Aire(DIJ) x DH)/3 = 10/3 cm 3 ([DH] étant une hauteur du prisme, est encore une hauteur du solide DIJH). Exercice [Corse, 1998] 1. Quelle est la nature du triangle HBC? Justifier votre réponse. 2. On étudie le triangle HDB. 2.a) Calculer les mesures exactes DB et HB. (Tous les calculs doivent être justifiés.) 2.b) Démontrer que les droites (KI) et (HB) sont parallèles. En déduire KI. 2.c) Dessiner le triangle HDB en vraie grandeur. 3. On considère la pyramide de sommet H ayant pour base le triangle BCD. 3.a) En dessiner un patron à l'échelle 1:2. 3.b) Calculer le volume de cette pyramide. Solution [Corse, 1998] 1. Quelle est la nature du triangle HBC? Justifier votre réponse. Le triangle HBC est rectangle en C car la droite (BC) est orthogonale au plan (DCG). En effet, la droite (DC) est perpendiculaire à la droite (BC) (vu que le quadrilatère ABCD est un carré) et car la droite (GC) est perpendiculaire à la droite (BC) (vu que le quadrilatère BCGF est un carré). Ainsi, la droite (BC) est perpendiculaire à toute droite du plan (DCG) et en particulier à la droite (CH). 2. On étudie le triangle HDB. 2.a) Calculer les mesures exactes DB et HB. (Tous les calculs doivent être justifiés.) 2.b) Démontrer que les droites (KI) et (HB) sont parallèles. En déduire KI.
2.c) Dessiner le triangle HDB en vraie grandeur. De la même façon que pour la première question, je montrerais que le triangle HDB est rectangle en D. [DB] est une diagonale du carré ABCD. Une application directe du théorème de Pythagore me fournit que DB = 6 x 2 cm. Dans le triangle HDB rectangle en D, le théorème de Pythagore me donne HB = (HD 2 + DB 2 ) = 6 x 3 cm. Dans le triangle HDB, I est milieu du segment [DB] et K est milieu du segment [DH]. Le théorème de la droite des milieux me permet de déduire que les droites (IK) et (BH) sont parallèles. De plus, j'aurai KI = HB/2 = 6 x 3 cm. La question portant sur le dessin du triangle HDB ne requiert, a priori, pas de construction. Il me suffit donc de fournir un dessin sans explication... 3. On considère la pyramide de sommet H ayant pour base le triangle BCD. 3.a) En dessiner un patron à l'échelle 1:2. 3.b) Calculer le volume de cette pyramide. Là encore, il me suffit de fournir un dessin sans explication...
Et le volume de cette pyramide... Volume(BCDH) = (Aire(BCD) x DH)/3 = (BC x CD x DH)/6 = 36 cm 3 ([HD] étant une hauteur du cube, est encore une hauteur de la pyramide BCDH). Exercice [Aix, Marseille, Corse, Montpellier, Nice, Toulouse, 2004] On considère le cube ABCDEFGH ci-dessous, de côté 4 cm. I, J, K et L sont les milieux respectifs des côtés [BC], [EH], [AD] et [FG]. 1) Le point D appartient-il au segment [IG]? Expliquer. 2) a) Justifier que AC = CH = HF = FA. 2) b) Peut-on dire que ACHF est un losange? Expliquer. 3) Démontrer que les quadrilatères AICK, CKJG et AIGJ sont des parallélogrammes. 4) Démontrer que AIGJ est un losange. 5) Le quadrilatère AIGJ est-il un carré? Justifier.
6) Construire, à la règle et au compas, le losange AIGJ en vraie grandeur en laissant visibles tous les traits de construction. La description de la procédure de construction n'est pas demandée. Solution [Aix, Marseille, Corse, Montpellier, Nice, Toulouse, 2004] 1) Le point D appartient-il au segment [IG]? Expliquer. Les apparences peuvent être trompeuses... Le segment [IG] est inclus dans le plan (BCG) et le point D appartient au plan (ADH). Or, les plans (BCG) et (ADH) sont parallèles et n'ont par conséquent aucun point en commun ; le point D n'appartient donc pas au segment [IG]. 2) a) Justifier que AC = CH = HF = FA. Facile! Les segments [AC], [CH], [HF] et [FA] sont des diagonales de carrés isométriques. Donc, AC = CH = HF = FA = 4 x 2 cm. 2) b) Peut-on dire que ACHF est un losange? Expliquer. Ce qui est vrai dans le plan ne l'est pas toujours dans l'espace... Le segment [CF] est inclus dans le plan (BCG) et le segment [AH] appartient au plan (ADH). Or, les plans (BCG) et (ADH) sont parallèles et n'ont, par conséquent, aucun point en commun ; les segments [CF] et [AH] ne sont donc pas coplanaires, ce qui induit que le quadrilatère ACHF n'est pas un losange. 3) Démontrer que les quadrilatères AICK, CKJG et AIGJ sont des parallélogrammes. Soit O le centre du carré ABCD et s O la symétrie de centre O. Je sais que s O (A)=C et que s O (D)=B, donc, s O ([AD])=[CB] et, la symétrie centrale conservant les milieux, s O (K)=I. Ensuite, le quadrilatère ICKA admet O comme centre de symétrie et est donc un parallélogramme (car un quadrilatère possédant un centre de symétrie est un parallélogramme). Je sais que la droite (CG) est orthogonale au plan (BCD), donc la droite (CG) est orthogonale à toute droite du plan (BCD) et, en particulier à la droite (CK), ce qui induit que l'angle est KCG droit. De même, je sais que la droite (CG) est orthogonale au plan (FGH), donc la droite (CG) est orthogonale à toute droite du plan (FGH) et, en particulier à la droite (GJ), ce qui induit que l'angle CGJ est droit. De plus, les droites (DH) et (KJ) sont parallèles car, comme les droites (KD) et (JH) sont parallèles, comme KD = JH = 2 cm, et comme le quadrilatère KDHJ est convexe, le quadrilatère KDHJ est un parallélogramme. Puis, comme les droites (DH) et (CG) sont parallèles, les droites (CG) et (KJ) sont aussi parallèles (transitivité du parallélisme) (de là, les points C, G, K et J sont coplanaires). La droite (KJ) est donc aussi orthogonale au plan (BCD), donc la droite (KJ) est orthogonale à toute droite du plan (BCD) et, en particulier à la droite (KC), ce qui induit que l'angle CKJ est droit. Le quadrilatère CGJK possède donc trois angles droits et est, par conséquent, un rectangle (et aussi
un parallélogramme). Les droites (AI) et (KC) sont parallèles et AI = KC car le quadrilatère AICK est un parallélogramme. D'autre part, les droites (KC) et (JG) sont parallèles et KC = JG car le quadrilatère CKGJ est un parallélogramme. Ainsi, comme les droites (AI) et (JG) sont parallèles (par transitivité du parallélisme) (de là, les points A, I, G et J sont coplanaires), comme AI = JG (= KC) et comme le quadrilatère AIGJ est convexe, le quadrilatère AIGJ est un parallélogramme. Autre démonstration : Les triangles AEJ et ILG sont isométriques car ils possèdent deux mesures de côté et un angle en commun : EJ = LG = 2 cm ; AE = IL = 4 cm (car IL = BF puisque, comme les droites (BI) et (FL) sont parallèles, comme BI = FL = 2 cm, et comme le quadrilatère BILF est convexe, le quadrilatère BILF est un parallélogramme) ; AEJ = ILG = 90 (car le parallélogramme BILF est aussi un rectangle puisqu'il possède un angle droit en B). Les triangles AEJ et ILG sont isométriques et sur des faces parallèles (ADH) et (BCG). Le polyèdre AEJILG est donc un prisme (oblique) et les faces latérales AICK, CKJG et AIGJ sont des parallélogrammes. 4) Démontrer que AIGJ est un losange. AIGJ est déjà un parallélogramme... Le théorème de Pythagore appliqué dans le triangle ABI rectangle en B, donne AI = (4 2 + 2 2 ) cm = 2 x 5 cm. De même, le théorème de Pythagore appliqué dans le triangle AEJ rectangle en E, donne AJ = (4 2 + 2 2 ) cm = 2 x 5 cm. Ainsi, le parallélogramme AIGJ possède deux côtés consécutifs de même longueur et est, par conséquent, un losange. 5) Le quadrilatère AIGJ est-il un carré? Justifier. Etre ou ne pas être... Le segment AG est une diagonale du cube ABCDEFGH, donc AG = 4 x 3 cm. En reprenant les résultats quelque peu plus haut, la droite (KJ) est donc aussi orthogonale au plan (BCD), donc la droite (KJ) est orthogonale à toute droite du plan (BCD) et, en particulier à la droite (KI), ce qui induit que l'angle JKI est droit. KJ = CG = 4 cm car le quadrilatère CKJG est un rectangle. AE = KJ = 4 cm puisque, comme les droites (AK) et (EJ) sont parallèles, comme AK = EJ = 2 cm, et comme le quadrilatère AKJE est convexe, le quadrilatère AKJE est un parallélogramme). Le théorème de Pythagore appliqué dans le triangle IKJ rectangle en K, donne AI = (4 2 + 4 2 ) cm = 4 x 2 cm. Les diagonales du losange AIGJ ne sont donc pas de même longueur et le losange AIGJ n'est pas un carré. 6) Construire, à la règle et au compas, le losange AIGJ en vraie grandeur en laissant visibles tous les traits de construction. La description de la procédure de construction n'est pas demandée. En noir, ce qui est directement repris de la figure. En rouge, la construction de la longueur AJ.
En vert, la construction du triangle AHG rectangle en H. En bleu, la construction du losange AIGJ qui utilise le report du segment [AG], puis le report de la longueur AJ comme rayon de chacun des deux cercles. Exercice [Toulouse, 1999] ABCD est un rectangle tel que AB = 24 cm, BC = 16 cm, E est le milieu de [AB], F est le milieu de [CD], G est le projeté orthogonal de E sur la droite (AF). 1. Montrer que AECF est un parallélogramme. 2. Déterminer l'aire du parallélogramme AECF. 3. Calculer la longueur AF. 4. En déduire la longueur EG. 5. On découpe le parallélogramme AECF et on l'enroule sur lui-même de telle sorte que A vienne en F et E en C. On forme ainsi la face latérale d'un cylindre de révolution. 5.a) Calculer la valeur exacte du rayon de la base, puis en donner une valeur approchée à un mm près par défaut. 5.b) Calculer la valeur exacte de son volume, puis en donner une valeur approchée à un mm 3 près. Solution [Toulouse, 1999] 1. Montrer que AECF est un parallélogramme. Je commence par tracer la figure...
Le quadrilatère ABCD est un rectangle, donc les droites (AE) et (FC) sont parallèles et de plus, AB = CD, donc AE = AB/2 = CD/2 = FC. Ainsi, AECF est un quadrilatère (convexe) ayant ses côtés opposés [AE] et [FC] égaux en mesure et parallèles et est un parallélogramme. 2. Déterminer l'aire du parallélogramme AECF. Aire(AECF) = AE x BC = 192 cm 2. 3. Calculer la longueur AF. Le théorème de Pythagore appliqué au triangle ADF rectangle en D (puisque le quadrilatère ABCD est un rectangle) donne AF = (AD 2 + DF 2 ) = (144 + 256) cm = 20 cm. 4. En déduire la longueur EG. Je calcule l'aire du parallélogramme AECF d'une seconde façon Aire(AECF) = AF x EG = 192 cm 2. Puis, connaissant AF, je déduis EG = 192/20 cm = 9,6 cm. 5.a) Calculer la valeur exacte du rayon de la base, puis en donner une valeur approchée à un mm près par défaut. Le cercle de base a donc un périmètre de 20 cm (son périmètre coïncide avec la mesure su segment [AF]). Le rayon r de ce cercle est donc r= 20/(2π) cm = 10/π cm. Pour le calcul d'une valeur approchée de ce rayon : 3,14 < π < 3,15, puis 3,1 10/3,15 < 10/π < 10/3,14 < 3,2 et une valeur approchée de r au millimètre près par défaut est 3,1 cm. 5.b) Calculer la valeur exacte de son volume, puis en donner une valeur approchée à un mm 3 près. Volume(cylindre) = π x r 2 x EG = π x (10/π) 2 x 9,6 cm 3 = 960/π cm 3 (EG est bien la hauteur du cylindre car les droites (EG) et (AF) sont perpendiculaire). Pour le calcul d'une valeur approchée de ce volume : 3,141592 < π < 3,141593, puis 305,577 960/3,141593 < 960/π < 960/3,141592 < 305,578 et une valeur approchée de Volume(cylindre) au millimètre cube près par défaut est 305,577 cm 3. Exercice : Patrons inachevés 1. Complète les deux figures suivantes de manière à ce que les figures obtenues soient patrons de pyramides ont la base soit un carré (les deux pyramides sont différentes).
2.Complète les deux figures suivantes de manière à ce que les figures obtenues soient patrons de pyramides dont la base soit un hexagone régulier (les deux pyramides sont différentes). Solution : Patrons inachevés Les points sont nommés pour pouvoir expliquer le raisonnement... Il s'agit de tracer un patron de la pyramide ABCDS, de sommet S (le sommet S est déjà représenté deux fois sur le patron inachevé : par S 2 et S 4 ). En d'autres termes, il manque deux représentants de S sur la figure : S 1 et S 3. Pour ce premier patron inachevé, une procédure est ici fort simple à trouver, puisqu'il s'agit de tracer les triangles SAB et SCD et qu'on connaît toutes les dimensions de ces triangles : - pour SAB, AB est donné, SA est représenté par S 4 A, et SB est représenté par S 2 B, ce qui fournit le point S 1 comme intersection de deux cercles (en rose dans la figure ci-dessous), - pour SCD, CD est donné, SC est représenté par S 2 C, et SD est représenté par S 4 D, ce qui fournit le point S 3 comme intersection de deux cercles (en vert dans la figure ci-dessous).
Les points sont nommés pour pouvoir expliquer le raisonnement... Il s'agit de tracer un patron de la pyramide ABCDS, de sommet S (le sommet S est déjà représenté deux fois sur le patron inachevé : par S 3 et S 4 ). En d'autres termes, il manque deux représentants de S sur la figure : S 1 et S 2. Pour ce deuxième patron inachevé, une procédure est plus difficile à trouver, puisqu'il s'agit de tracer les triangles SAB et SBC mais que la longueur SB n'est pas explicitement donnée sur la figure de départ. J'utilise alors le raisonnement suivant : "Si je considère que je laisse la base de la pyramide dans le même plan, complètement inchangé, et que je rabats les faces triangulaires vers le "haut", je me rends compte, que le sommet S d'un des triangles rabattus (qui est aussi, accessoirement,le sommet de la pyramide) reste dans un plan qui est orthogonal à la droite autour de laquelle je rabats cette face triangulaire". En interprétant ceci autrement, pour notre cas particulier, le point S se trouvera (après rabattement) "au-dessus" de la perpendiculaire à la droite (CD) passant par S 3 et également "au-dessus" de la perpendiculaire à la droite (AD) passant par S 4, si bien qu'il se trouvera exactement "au-dessus" de l'intersection H (en rouge dans la figure ci-dessous) de la perpendiculaire à la droite (CD) passant par S 3 et de la perpendiculaire à la droite (AD) passant par S 4. - Pour SAB, AB est donné, je trace la perpendiculaire à la droite (AB) passant par H (elle est déjà tracée en rouge dans la figure ci-dessous car (AB) est parallèle à (CD)) et le cercle de centre A passant par S 4 (utile pour reporter S 4 A, et en vert dans la figure ci-dessous), ce qui fournit le point S 1 comme intersection de la perpendiculaire à la droite (AB) passant par H et du cercle de centre A passant par S 4, - pour SBC, BC est donné, je trace la perpendiculaire à la droite (BC) passant par H (elle est déjà tracée en rouge dans la figure ci-dessous car (BC) est parallèle à (AD)) et le cercle de centre C
passant par S 3 (utile pour reporter S 3 C, et en rose dans la figure ci-dessous), ce qui fournit le point S 2 comme intersection de la perpendiculaire à la droite (BC) passant par H et du cercle de centre C passant par S 3. Les points sont nommés pour pouvoir expliquer le raisonnement... Il s'agit de tracer un patron de la pyramide ABCDEFS, de sommet S (le sommet S est déjà représenté deux fois sur le patron inachevé : par S 1 et S 6 ). En d'autres termes, il manque quatre représentants de S sur la figure : S 2, S 3, S 4 et S 5. Il s'agit ici, pour le troisième patron inachevé, d'un simple réinvestissement de la procédure utilisée pour compléter le deuxième patron inachevé. Le point S se trouvera (après rabattement) "au-dessus" de la perpendiculaire à la droite (AB) passant par S 1 et également "au-dessus" de la perpendiculaire à la droite (AF) passant par S 6, si bien qu'il se trouvera exactement "au-dessus" de l'intersection H (en vert dans la figure ci-dessous) de la perpendiculaire à la droite (AB) passant par S 1 et de la perpendiculaire à la droite (AF) passant par S 6. - Pour SBC, BC est donné, je trace la perpendiculaire à la droite (BC) passant par H (en rose dans la figure ci-dessous) et le cercle de centre B passant par S 1 (utile pour reporter S 1 B, et en rose dans la figure ci-dessous), ce qui fournit le point S 2 comme intersection de la perpendiculaire à la droite
(BC) passant par H et du cercle de centre B passant par S 1, - pour SEF, EF est donné, je trace la perpendiculaire à la droite (EF) passant par H (elle est déjà tracée en rose dans la figure ci-dessous car (EF) est parallèle à (BC)) et le cercle de centre F passant par S 6 (utile pour reporter S 6 F, et en rose dans la figure ci-dessous), ce qui fournit le point S 5 comme intersection de la perpendiculaire à la droite (EF) passant par H et du cercle de centre F passant par S 6, - pour SCD, CD est donné, je trace la perpendiculaire à la droite (CD) passant par H (elle est déjà tracée en vert dans la figure ci-dessous car (CD) est parallèle à (AF)) et le cercle de centre C passant par S 2 (utile pour reporter S 2 C, et en bleu dans la figure ci-dessous), ce qui fournit le point S 3 comme intersection de la perpendiculaire à la droite (CD) passant par H et du cercle de centre C passant par S 2, - pour SDE, DE est donné, je trace la perpendiculaire à la droite (DE) passant par H (elle est déjà tracée en vert dans la figure ci-dessous car (DE) est parallèle à (AB)) et le cercle de centre E passant par S 5 (utile pour reporter S 5 E, et en bleu dans la figure ci-dessous), ce qui fournit le point S 4 comme intersection de la perpendiculaire à la droite (DE) passant par H et du cercle de centre E passant par S 5. Les points sont nommés pour pouvoir expliquer le raisonnement... Il s'agit de tracer un patron de la pyramide ABCDEFS, de sommet S (le sommet S est déjà représenté deux fois sur le patron inachevé : par S 3 et S 6 ).