Ivan Shishkin, Rye (1878)

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Eclipse solaire partielle 22

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Solution by Sequoia · FR

On va utiliser une méthode basée sur un calcul d’intégrale. On ramène déjà le problème, par dilatation, au cas R=2R=2. Il suffira de multiplier le résultat par 14R2\frac14 R^2 pour avoir le résultat (vu que c’est une aire).
On note alors OO le centre du segment [SL][SL] et on considère le repère de centre OO de telle sorte que S=(−1/2,0)S=(-1/2,0) et L=(1/2,0)L=(1/2,0).
Le problème se ramène à calculer l’aire AA de l’intersection des deux disques d’équations (x+1/2)2+y2⩽4(x+1/2)^2+y^2\leqslant 4 et (x−1/2)2+y2⩽4(x-1/2)^2+y^2\leqslant 4, respectivement ceux de centre SS et LL. En effet, l’aire de cette intersection est exactement celle du disque de centre SS, soit π⋅22\pi\cdot2^2, à laquelle on retire l’aire de la partie visible du soleil.

On remarque alors que notre problème est invariant en changeant xx en −x-x ainsi que yy en −y-y. On peut donc se ramener au quart x⩾0,y⩾0x\geqslant0,y\geqslant0 quitte à multiplier AA par 44.

Maintenant que xx est positif, on remarque que (x+1/2)2⩾(x−1/2)2(x+1/2)^2\geqslant (x-1/2)^2 et ainsi la condition (x+1/2)2+y2⩽4(x+1/2)^2+y^2\leqslant4 implique la condition (x−1/2)2+y2⩽4(x-1/2)^2+y^2\leqslant4 donc on se ramène simplement à considérer la première condition.
Cette condition se traduit alors par 0⩽y⩽4−(x+1/2)20\leqslant y\leqslant \sqrt{4-(x+1/2)^2} bien définie pour x∈[0,3/2]x\in[0,3/2] (là où la racine est définie). Voulant une aire, on calculer ainsi:
A=4∫R+21(x+1/2)2+y2⩽4 dx dy=4∫03/2(∫04−(x+1/2)21 dy) dx=4∫03/24−(x+1/2)2 dx.A=4\int_{\R_+^2}\mathbf{1}_{(x+1/2)^2+y^2\leqslant 4}\,\mathrm{d}x\,\mathrm{d}y=4\int_0^{3/2}\left(\int_0^{\sqrt{4-(x+1/2)^2}} 1\,\mathrm{d}y\right)\,\mathrm{d}x=4\int_0^{3/2}\sqrt{4-(x+1/2)^2}\,\mathrm{d}x.éclipse page 0001 (3)

Pour calculer cette aire, on fait ainsi le changement de variable x=−12+2cos⁡(θ),θ∈[0,arccos⁡(1/4)]x=-\frac12 +2\cos(\theta), \theta\in[0,\arccos(1/4)] qui donne
A=4∫arccos⁡(1/4)04−(−12+2cos⁡(θ)+12)2 (−2sin⁡(θ)dθ)=16∫0arccos⁡(1/4)sin⁡2(θ) dθ.A=4\int_{\arccos(1/4)}^{0} \sqrt{4-\left(-\frac12 +2\cos(\theta)+\frac12\right)^2}\,(-2\sin(\theta)\mathrm{d}\theta)=16\int_0^{\arccos(1/4)}\sin^2(\theta)\,\mathrm{d}\theta.Puis, pour calculer cette intégrale, on linéarise sin⁡2(θ)\sin^2(\theta) en 12(1−cos⁡(2θ))\frac{1}{2}(1-\cos(2\theta)) ce qui donne comme résultat final
A=8(arccos⁡(1/4)−12⋅sin⁡(2arccos⁡(1/4)))A=8\left(\arccos(1/4)- \frac{1}{2}\cdot\sin(2\arccos(1/4))\right)où
sin⁡(2arccos⁡(α))=2cos⁡(arccos⁡(α))sin⁡(arccos⁡(α))=2α1−cos⁡(arccos⁡(α))2=2α1−α2\sin(2\arccos(\alpha))=2\cos(\arccos(\alpha))\sin(\arccos(\alpha))=2\alpha\sqrt{1-\cos(\arccos(\alpha))^2}=2\alpha\sqrt{1-\alpha^2}donc A=8arccos⁡(1/4)−152A=8\arccos(1/4)-\frac{\sqrt{15}}{2}.

Ainsi, l’aire cherchée est finalement
A=R2(π−2arccos⁡(1/4)+158)\boxed{\mathcal{A}=R^2\left(\pi-2\arccos(1/4)+\frac{\sqrt{15}}{8}\right)}

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