Barycentre de deux ou trois points. Problèmes de lieu, d'alignement et de concours.
Le barycentre n'est plus étudié en première S.
Sommaire1. Rappel vecteurs Page no 24, réalisée le 12/11/2002, modifiée le 3/4/2010 |
GéoPlanCercle d'Apollonius : lieux dans le triangle Isobarycentre du pentagone régulier Lieu d'un barycentre : épreuve pratique en TS Barycentre et aires dans un triangle | ||||
Barycentre |
GéoPlan en 1S |
GéoPlan |
Tout ce qui est dit ici en géométrie plane s'applique dans n'importe quel plan de l'espace ! 1. Rappels vecteursa) Parallélogramme : égalité de vecteurs et somme + ; Voir : vecteurs en seconde b) Vecteurs colinéaires. 2. Repèrea) Droite : (A, ) 3. Barycentre de deux pointsa) ActivitésBalance romaine. b) Définition et formulesDéfinition :
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Figure 1 |
Pour chercher G, avec la relation de Chasles, donc = . Cette relation assure que le point G existe et est unique. |
Si k ≠ 0, alors kα + kβ = ; ceci montre que le point G est aussi le barycentre des points pondérés (A, kα) et (B, kβ). Télécharger la figure GéoPlan bary2_f1.g2w Coordonnées barycentriques d'un point sur une droite Soit A et B deux points distincts d'une droite. (α, β) sont les coordonnées barycentriques de M relativement à A et B. On perd l'unicité du couple de réels (α, β), en remplaçant la première condition par α + β ≠ 0. c) Position du barycentreDe la colinéarité des vecteurs et , on peut déduire que les points les points A, B et G sont alignés. Théorème Le barycentre de deux points A et B appartient à la droite (AB). Si les coefficients sont de même signe, on a 0 ≤ ≤ 1, d'où le point G appartient au segment [AB]. α = − β d'où |α|GA = |β|GB, donc si |α| ≥ |β| ; GA est plus petit que GB ; G est plus près de A. d) Problème réciproqueExprimer un point comme barycentre de deux autres : B milieu [AC] : B isobarycentre de A et de C, B au tiers de [AC] : B barycentre de (A, 2) et (C, 1) : 2 = , |
Figure 2 G barycentre de (A, 2) et (B,) = α ;
= β ; |
Soit (A, α) et (B, β) deux points pondérés tels que α + β ≠ 0, et G leur barycentre. Pour tout point M du plan, on a : α + β = α
( +
) + β ( + ) = (α + β) = α + β = + . En remplaçant M par G on retrouve la formule du barycentre. Télécharger la figure GéoPlan bary2_f2.g2w |
En remplaçant M par A ou par B on reconnaît les formules permettant de calculer les vecteurs ou . Montrer un alignementPour tout point M du plan, les propriétés suivantes sont équivalentes : En effet si A et B sont distincts, il existe deux réels α et β tel que C soit le barycentre de (A, α) et (B, β). f) Cas particuliersMédianes : si les coefficients α et β sont égaux et non nuls l'isobarycentre I des points (A, α) et (B, β) est le milieu du segment [AB]. + = 2 . En géométrie analytique ou avec le produit scalaire, on peut vérifier les formes numériques des « théorèmes de la médiane » : MA2 + MB2 = 2MI2 + (formule d'Apollonius de Perge, 262/190 avant J.-C.), Coefficients opposés : si α + β = 0 alors α + β = α( − ) = α est un vecteur constant indépendant du point M. Il n'y a pas de barycentre si A et B sont distincts. Sommaire |
Figure 3 |
a) Extension des définitionsSoit (A, α) ; (B, β) et (C, γ) trois points pondérés tels que α + β + γ ≠ 0, il existe un point unique G tel que : α + β + γ = ; le point G est appelé barycentre des points pondérés (A, α) ; (B, β) et (C, γ). Télécharger la figure GéoPlan bary3_f3.g2w |
Démonstration : calcul, par exemple, du vecteur : Sur la figure 4 ci-contre : = β ; = γ ; = + = β + γ =
Télécharger la figure GéoPlan bary3_f4.g2w Coordonnées barycentriques d'un point dans un plan Soit A, B et C trois points du plan, tous distincts et non alignés. Théorème de Gergonne (Joseph Gergonne 1771-1859) : (α, β, γ) sont les coordonnées barycentriques de M relativement à A, B et C. On perd l'unicité du triplet de réels (α, β, γ), en remplaçant la première condition par α + β + γ ≠ 0. b) Fonction vectorielle de Leibniz α + β + γTransformation pour calculer le vecteur : α + β + γ = , Quel que soit le point M, on a : |
Figure 5 |
Soit G l'isobarycentre des sommets d'un triangle ABC. En prenant α = β = γ = 1 on a : + + = Si A’ est le milieu de [BC] on a : + = 2 donc + 2 = Télécharger la figure GéoPlan medianes.g2w |
G est donc le barycentre de (A, 1) et (A’, 2).
G appartient à la médiane [AA’] du triangle ABC et est situé aux , à partir de A, de cette médiane.
La fonction de Leibniz permet d'écrire pour tout point M :
+
+ = 3 .
Figure 6 |
Exemple 2Trouver le point G barycentre de (A, 2) ; (B, 1) et (C, 1) Choisir A comme origine des vecteurs de la fonction vectorielle de Leibniz : Télécharger la figure GéoPlan bary3_f6.g2w |
Calcul vectoriel :
2 + + =
2 + 2 =
Figure 7 |
Règle d'associativité On ne change pas le barycentre de trois points pondérés en remplaçant deux d'entre eux par leur barycentre partiel (s'il existe) affecté de la somme des deux coefficients. Exemple 1 Pour cela, construire le barycentre B’ de (A, −1) et (C, 3) et conclure que G est le milieu de [BB’]. Télécharger la figure GéoPlan bary3_f7.g2w |
Associativité : construction de deux barycentres partiels Pour trouver le barycentre G de trois points pondérés (A, α) ; (B, β) et (C, γ), Remarque : si α + β ≠ 0, la droite (CG) coupe le côte (AB) en C’, qui est le barycentre partiel de (A, α) et (B, β). |
figure 8 |
Exemple 2 Construction du barycentre G de construire les barycentres partiels C’ de (A, 2) ; (B, −1) |
Figure 9 |
Exemple 3 : pas de barycentre partiel sur la droite (BC) G barycentre de (A, 2) ; (B, 1) et (C, −1). Construire les barycentres partiels B’ et C’. Le choix de A comme origine des vecteurs de la fonction vectorielle de Leibniz permet d'écrire : 2 = − = . Vérifier que la droite (AG) est parallèle à (BC). |
ConclusionsSi β + γ ≠ 0, A’ est le barycentre partiel de (B, β) et (C, γ), alors G est le barycentre de (A, α) et (A’, β + γ). Lorsqu'elles existent, les droites (AA’), (BB’) et (CC’) sont concourantes en G. Figures : télécharger la figure GéoPlan bary3_f8.g2w, déplacer les sommets ou modifier les divers coefficients. Commandes GéoPlan : e) Problème réciproqueExprimer un point comme barycentre de trois autres Exercice 1Soit ABCD un parallélogramme. Écrire D comme barycentre de A, B et C : Méthode 1 ; somme vectorielle : = + ,
on en déduit que − + = Méthode 2 ; associativité : O centre du parallélogramme 2 = ; Exercice 2ABCD est un parallélogramme, I est le milieu de [CD]. Solution I est le barycentre de (A, α) ; (B, β) et (C, γ) avec, par exemple, α = 1, β = −1, γ = 2. Méthode 1 : associativité : I est l'isobarycentre de C et D donc + = Méthode 2 : calcul vectoriel : 2 = = + soit − + 2 = . Exercice 3Soit trois points A, B et G et le point C barycentre de (A, 1) ; (B, 1) et (G, −3). Solution La fonction de Leibniz permet d'écrire pour tout point M : + − 3 = (1 + 1 − 3) , En particulier pour le point G on : + + = . G est le centre de gravité du triangle ABC. |
Trois barycentresABCD est un parallélogramme, I le milieu de [BC], J le milieu de [CD]. Déterminer les rapports AK/KJ ; DK/KI. Exprimer K comme barycentre des points A, B, C, D.
Télécharger la figure GéoPlan para_exo4.g2w |
IndicationsPremier barycentre Dans le triangle ADK, (GL) parallèle à (DI) est la droite des milieux. L est le milieu de [AK]. Deuxième barycentre Troisième barycentre |
Tout point G situé à l'intérieur d'un triangle ABC peut être défini comme le barycentre de : [A, Aire(BCG)] ; [B, Aire(ACG)] ; [C, Aire(ABG)]. Démonstration Si G est un point à l'intérieur d'un triangle ABC, on nomme A’ le point d'intersection de (AG) et de (BC), B’ le point d'intersection de (BG) et de (AC). Le théorème du chevron permet de montrer que le barycentre partiel de Le chevron permet de montrer de même que le barycentre partiel de [A, Aire(BCG)] ; [C, Aire(ABG)], qui est aussi celui de [A, CB’] ; [C, AB’], est situé sur la droite (BB’). Par associativité, le barycentre de [A, Aire(BCG)] ; [B, Aire(ACG)] ; [C, Aire(ABG)] est situé à l'intersection des droites (AA’) et (BB’) : c'est donc le point G. Ce résultat se généralise au cas où le point G serait extérieur au triangle ABC, en comptant négativement les aires entièrement extérieures au triangle ABC. Application : le centre de gravité d'un triangle le partage en trois triangles de même aire. Télécharger la figure GéoPlan bary_air.g2w |
Figure 11 |
Exercice 1Soit ABC un triangle, P le symétrique de B par rapport à C, Q le point défini par
=
et R le milieu de [AB]. Prouver que P, Q et R sont alignés. P est le barycentre de (B, −1) et (C, 2) donc en utilisant la relation de calcul du barycentre à partir du point Q on a : |
R est l'isobarycentre de (A, 1) et (B, 1) et d'après la formule de la médiane du triangle QAB on a : 2 = + . En ajoutant membre à membre les deux premières égalités vectorielles on obtient cette troisième égalité : + 2 = + 2 = . Donc, Q est le barycentre de (P, 1) et (R, 2) ; P, Q et R sont alignés et QP = 2 QR. Télécharger la figure GéoPlan alig_f11.g2w Exercice 2Soit un triangle ABC ; I, J et K les milieux des côtés [BC], [CA] et [AB], L est le milieu de [JC] et M le symétrique de K par rapport à B. |
Figure 12 |
a) Écrire L comme barycentre et calculer 4 . b) Écrire M comme barycentre et calculer 2 . c) Écrire I comme barycentre. |
Solution a) L est le barycentre de (A, 1) et (C, 3) d'où 4 = + 3 b) M est le barycentre de (A, −1) et (B, 3) d'où 2 = − + 3 c) En ajoutant membre à membres les deux égalités précédentes, I, L et M sont alignés et = 2 . Télécharger la figure GéoPlan alig_f12.g2w |
Soit ABC un triangle équilatéral tel que AB = 8 (l'unité est égale à 1 cm).
H est le milieu de [BC].
a) construire le barycentre G des points pondérés (A, 2) ; (B, 1) et (C, 1).
On a alors les relations :
4 = 2 + +
et 2 = + (MH est une médiane de MBC).
b) Dire quel est l'ensemble (D1) des points M tels que
2 +
+ soit colinéaire à
et de même sens que .
Construire (D1).
Télécharger la figure GéoPlan lieu_f13.g2w
c) Dire quel est l'ensemble (D2) des points M tels que .
Construire (D2).
d) Dire quel est l'ensemble (C1) des points M tels que :
2 + + soit orthogonal à + .
Construire (C1).
e) Dire quel est l'ensemble (C2) des points M tels que .
Construire (C2).
Montrer que le cercle (C2) contient les points B et C.
Télécharger la figure GéoPlan lieu_f14.g2w
Voir : cercle d'Apollonius : lieux géométriques du triangle
Sommaire
Faire de la géométrie dynamique
a. Extension des définitionsSi α + β + γ + δ ≠ 0 ; le point G défini par α + β + γ + δ = est le barycentre des points pondérés (A, α) ; (B, β) ; (C, γ) et (D, δ). Fonction vectorielle de Leibniz : pour tout point M on a α + β + γ + δ = (α + β + γ + δ) . = + + + . b. Associativité du barycentreThéorème d'associativité
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Figure 15 |
Définition : les médianes d'un tétraèdre sont les segments reliant les sommets au centre de gravité des faces opposées. Les quatre médianes sont concourantes au centre de gravité du tétraèdre, situé aux , à partir du sommet, de chaque médiane. Droites concourantes Nous trouvons 7 droites concourantes au point G, centre de gravité : G est le milieu des trois segments [IR] ; [JP] et [KQ] qui relient les milieux d'arêtes non concourantes. G est situé aux de chacune des médianes [AA’] ; [BB’] ; [CC’] et [DD’]. Télécharger la figure GéoSpace ba_tetra.g3w Voir : centre de gravité d'un quadrilatère et droites joignant les sommets d'un quadrilatère aux centres de gravité de triangles |
Figure 16 Télécharger la figure GéoPlan quad_f16.g2w |
a. Centre de gravité d'un quadrilatèreDéfinition : les médianes sont les segments reliant les milieux de deux côtés opposés d'un quadrilatère Propriété : les deux médianes et le segment joignant les milieux des diagonales sont concourants au point G, centre de gravité du quadrilatère, qui est leurs milieux. Démonstration : Dans un quadrilatère ABCD, soit I le milieu de [AB] et K le milieu de [CD], Les trois droites sont concourantes en G milieu des médianes [IK], [JL] et du segment [PQ]. Voir : théorème de Varignon |
Droites joignant les sommets aux centres de gravité de trianglesLes quatre droites joignant un sommet du quadrilatère au centre de gravité du triangle formé par les trois autres sommets sont concourantes au centre de gravité G du quadrilatère. On a donc sept droites concourantes en G : ces quatre droites et les trois médianes étudiées au paragraphe a précédent. Télécharger la figure GéoPlan quad_ct_gravite.g2w Visualisation dan l'espace de ce problème plan, voir : centre de gravité d'un tétraèdre |
Quadrilatère formé par les centres de gravité de trianglesDans le quadrilatère ABCD, de centre de gravité G, soit A’B’C’D’ le quadrilatère formé par les centres de gravité des triangles BCD, ACD, ABD, ABC. Par exemple, d'après la règle d'associativité, G est le barycentre de (A, 1) et (A’, 3), on a donc + 3 = et = − . Ces deux quadrilatères ABCD et A’B’C’D’ sont semblables, par l'homothétie de centre G et de rapport − . Télécharger la figure GéoPlan quad_ct_gravite2.g2w |
Figure 17 | Les trois bissectrices intérieures d'un triangle sont concourantes en I, barycentre de (A, a) ; (B, b) ; (C, c) avec a = BC, b = AC et c = AB. Montrer que est la somme de deux vecteurs de même norme. D'après la définition du barycentre I en prenant le point A pour origine on a : (a+b+c) = b
+ c . Les vecteurs b
et c ont la même norme bc. |
Télécharger la figure GéoPlan bissectr.g2w
Télécharger la figure Cabri bissectrices.fig
Télécharger la figure GeoLabo bissectrices.glb
Construction à la « règle et au compas », voir : problèmes de construction
c. Concours au centre de gravitéChacun des côtés d'un triangle ABC est partagé en trois segments de même longueur ; grâce aux points I et J sur [AB], K et L sur [BC], M et N sur [CA]. Solution Soit G le centre de gravité du triangle, on a 2 + 2 + 2 = . D'où 2 + + + 2 = . I est le barycentre de (A, 2) et (B, 1) donc 2 + = 3 , Donc, 3 + 3 = . G est le milieu de [IL]. On montre de même que le point G est le milieu de [JM] et de [KN]. Télécharger la figure GéoPlan concours.g2w |
On considère un parallélogramme ABCD. K est le milieu de [AD], L le milieu de [BC] et les points I et J partagent [AB] en trois parties égales.
Figure 18 |
Exemple 1M est le quatrième sommet du parallélogramme JAKM. Le but de l'exercice est de montrer que les points C, M, G et I sont alignés. a) Exprimer I, J, K, M et C comme barycentre des points A, B et D. Télécharger la figure GéoPlan bary_f18.g2w |
Figure 19 |
Exemple 2Le but de l'exercice est de montrer que les droites (AL), (BK), (CI) et (DJ) sont concourantes. a) Exprimer J et K comme barycentre de deux points puis exprimer G comme barycentre de A, B et D. Télécharger la figure GéoPlan bary_f19.g2w |
a) Soit G le point d'intersection de (BK) et (DJ). Cherchons trois nombres α, β et δ tels que G soit le barycentre de (A, α) ; (B, β) et (D, δ). Étudions les barycentres partiels : De même, en ajoutant 2 aux deux membres de la deuxième égalité on a : La règle d'associativité permet de conclure que G est l'intersection des droites (DJ) et (BK). b) D'après la formule des sommets d'un parallélogramme C est le barycentre de G est le barycentre de (C, 1) et (I, 3). Ces trois points sont alignés et G est sur la droite (CI). c) En combinant les deux relations précédentes, on trouve : Voir aussi le partage d'un segment en trois : constructions élémentaires, règle à bords parallèles |
Domaine B2i |
Compétence |
Item lycée validable |
1 – S'approprier un environnement informatique de travail. |
Être autonome dans l'usage des services et des outils. |
1.1 – Je sais choisir les services, matériels et logiciels adaptés à mes besoins. |
3 – Créer, produire, traiter, exploiter des données. |
Concevoir et publier des documents numériques en choisissant le logiciel, le service ou le matériel adapté. Exploiter des données ou des documents numériques. |
3.6 – Dans le cadre de mes activités scolaires, je sais repérer des exemples de modélisation ou simulation et je sais citer au moins un paramètre qui influence le résultat. |
Barycentre |
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GéoSpace |
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Sommaire1. Rappel vecteurs |
Figures interactives : visualisation de ces exemples sur PC avec Internet Explorer et la version ActiveX de GéoPlan
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