Ivan Shishkin, Rye (1878)

Problems/GeometryUnreviewed

D’une figure rectiligne à un carré de même aire

by goldfinch·
25
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  1. 1–10First steps / middle schoolPremiers pas / collège
  2. 11–25Beginner / high schoolDébutant / lycée
  3. 26–50Intermediate / undergraduateIntermédiaire / licence
  4. 51–70Advanced / graduateAvancé / master
  5. 71–90Expert / specializedExpert / spécialisé
  6. 91–100Research levelNiveau recherche
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Français

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  1. Soit un rectangle EFHGEFHG.
    Proposer une méthode de construction géométrique d’un carré de même aire que le rectangle. Justifier que les deux figures ont la même aire.

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  1. Soit un quadrilatère quelconque ABCDABCD.
    Proposer une méthode de construction d’un carré de même aire que le quadrilatère.

image

  1. Pour le rectangle de la question 1, posons EFEF=a et EG=bEG=b. Notons xx la longueur du côté du carré construit.

Traduire l’égalité des aires, obtenue par une construction géométrique, par une relation algébrique entre aa, bb et xx.

La longueur xx ainsi obtenue est appelée moyenne géométrique de aa et bb.
Exprimer xx en fonction de aa et bb.

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References

  1. Euclide — Éléments
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Livre II - Proposition 14

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Solution by goldfinch

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  1. Construire le point II dans le prolongement de [GH][GH] tel que HI=GE=HFHI=GE=HF (un simple cercle de centre HH et de rayon HFHF suffit pour déterminer ce point).

Soit JJ milieu de GIGI.

Construire le cercle de centre JJ et de rayon JIJI. Soit KK l’intersection de ce cercle avec la demi-droite (HF)(HF).

Un carré de côté HKHK répond à la question posée, comme nous allons le prouver ci-dessous

image

Observation la configuration des quatres points alignés GG, JJ, HH et II. Nous avons un segment [GI][GI] avec son milieu JJ, et un point HH décopant ce segment. Dans cette configuration particulière, nous pouvons montrer l’égalité des aires suivante : la somme des aires du rectangle de côtés GHGH et HIHI et du carré de côté JHJH est égale à l’aire du carré de côté JIJI (1)
(pour la démonstration de cette égalité dans cette configuration précise, voir le problème Un rectangle, deux carrés… et une égalité d’aires remarquable).

En notant que, par construction du point KK, on a JI=JKJI=JK, et que par définition du point II on a HI=GEHI=GE, la relation (1) devient : la somme des aires du rectangle de côtés GHGH et GEGE et du carré de côté JHJH est égale à l’aire du carré de côté JKJK (2)

Appliquons la relation de Pythagore au triangle JHKJHK, rectangle en HH : l’aire du carré de côté JKJK est égale à la somme des aires des deux carrés de côtés respectifs JHJH et HKHK.
En injectant cette égalité dans la relation (2), nous obtenons donc que la somme des aires du rectangle de côtés GHGH et GEGE et du carré de côté JHJH est égale à la somme des aires des deux carrés de côtés respectifs JHJH et HKHK (3).

Nous pouvons soustraire aux deux membres de l’égalité (3) l’aire du carré de côté JHJH, pour obtenir la relation finale: l’aire du carré de côté HKHK est égale à l’aire du rectangle de côtés GHGH et GEGE (4).
Ce qu’il fallait démontrer

  1. Il s’agit donc de construire un carré de même aire que le quadrilatère ABCDABCD .

Dans la question précédente, nous avons proposé une méthode de construction permettant de passer d’un rectangle EFHGEFHG à un carré de même aire, son côté étant HKHK.

Il reste donc à proposer la construction d’un rectangle EFGHEFGH d’aire identique à celle d’un quadrilatère ABCDABCD. Celle-ci peut être effectuée grâce aux étapes suivantes (pour le détail de cette construction, voir le problème Construction d’un parallélogramme : angle donné, aire d’un quadrilatère) : partage du quadrilatère en deux triangles ABCABC et ACDACD, puis construction de deux parallélogrammes, ayant chacun un angle droit (donc rectangles), et de même aire que chacun des deux triangles. La mise bout à bout des deux rectangles nous donne un rectangle de même aire que celle du quadrilatère (pour des raisons de lisibilité de la figure, ce rectangle a été ensuite déplacé vers la droite et pivoté, pour devenir le rectangle EFHGEFHG de la question 1 ).

image

  1. Avec EF=aEF=a , GE=bGE=b, et HK=xHK=x, la relation (4) entre les aires , obtenue dans la première question, devient :

                                              x2=a×b\bf x^{2}=a\times b
    

Par cette égalité, xx est donc bien la moyenne géométrique de aa et bb et l’expression de x est

                                           x=a×b\bf x=\sqrt {a\times b}
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