Ivan Shishkin, Rye (1878)

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Quatre rectangles et un carré... pour former un autre carré

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Solution by goldfinch · FR

Soit D le point dans le prolongement de [AB][AB] tel que BD=CBBD=CB.

Construire le carré ADFEADFE de côté ADAD sur le segment [AD][AD] (pour la construction de ce carré, voir le problème Construction d’un carré sur un segment).

Construire la parallèle à (AE)(AE) passant par BB (pour les constructions de cette parallèle et de toutes celles à venir, voir le problème Comment construire une parallèle à une droite donnée ?).
Soient KK et LL les intersections de cette parallèle avec la diagonale [ED][ED] et avec (EF)(EF).

Construire la parallèle à (AE)(AE) passant par CC.
Soient QQ et HH les intersections de cette parallèle avec la diagonale [ED][ED] et avec (EF)(EF).

Construire la parallèle à (AD)(AD) passant par KK.
Soient MM, GG et NN les intersections de cette parallèle avec (AE)(AE), avec (CH)(CH) et avec (DF)(DF).

Construire la parallèle à (AD)(AD) passant par QQ.
Soient OO, RR et PP les intersections de cette parallèle avec (AE)(AE), avec (BL)(BL) et avec (DF)(DF).

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CBKGCBKG et BDNKBDNK sont des parallélogrammes car ils sont construits entre des parallèles. Par conséquent leurs côtés opposés sont égaux CB=GKCB=GK et BD=KNBD=KN (pour la démonstration de ce point, voir le problème Propriétés du parallélogramme). Or, par définition CB=BDCB=BD donc : GK=KN\bf GK=KN (1)

Le même raisonnement peut être fait pour QQ, RR et PP : QR=RP\bf QR=RP (2)

Par ailleurs CBKGCBKG et BDNKBDNK sont construits entre mêmes parallèles et ont une base commune (CB=BDCB=BD). Ils ont donc la même aire (pour la démonstration de ce point, voir le problème Mêmes parallèles, bases égales ... même aire des parallélogrammes ?), soit : [CBKG]=[BDNK]\bf [CBKG]=[BDNK] (3)
Il en est de même pour GKRQGKRQ et KNPRKNPR : [GKRQ]=[KNPR]\bf [GKRQ]=[KNPR] (4)

Enfin, on peut reconnaitre dans la configuration du grand carré ADFEADFE coupé par la diagonale [ED][ED] que CBKGCBKG et KNPRKNPR sont complémentaires en K point de la diagonale [ED][ED], et sont donc superposables et égaux en aire (pour la démonstration de ce point, voir le problème Une propriété des parallélogrammes complémentaires en un point) , soit :
[CBKG]=[KNPR]\bf [CBKG]=[KNPR] (5)

De (3), (4) et (5), on peut déduire l’égalité des 4 carrés :
[CBKG]=[BDNK]=[GKRQ]=[KNPR]\bf [CBKG]=[BDNK]=[GKRQ]=[KNPR] (6)

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Etant donné que CG=GQCG=GQ comme vu précédemment, nous avons avec ACGMACGM etMGQOMGQO des parallélogrammes de même base construits entre mêmes parallèles, donc ayant la même aire (pour la démonstration de ce point, voir le problème Mêmes parallèles, bases égales ... même aire des parallélogrammes ?), soit :
[ACGM]=[MGQO]\bf [ACGM]=[MGQO] (7)

Il en est de même pour QRLHQRLH etRPFLRPFL : [QRLH]=[RPFL]\bf [QRLH]=[RPFL] (8)

Par ailleurs les deux parallélogrammes MGQOMGQO et QRLHQRLH sont complémentaires au point QQ d ela diagonale [ED][ED], donc ils sont superposables et ont même aire (pour la démonstration de ce point, voir le problème Une propriété des parallélogrammes complémentaires en un point), soit : [MGQO]=[QRLH]\bf [MGQO]=[QRLH] (8)

De (7), (8) et (9) , on déduit : [ACGM]=[MGQO]=[QRLH]=[RPFL]\bf [ACGM]=[MGQO]=[QRLH]=[RPFL] (9)

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Avec l’égalité (6) et l’égalité (9), nous pouvons construire 4 aires identiques, en sommant une aire du premier type avec une aire du second type, par exemple :
[QRLH]+[GKRQ]=[RPFL]+[KNPR]=[MGQO]+[BDNK]=[ACGM]+[CBKG][QRLH]+[GKRQ]=[RPFL]+[KNPR]=[MGQO]+[BDNK]=\bf [ACGM]+[CBKG]
ou encore : [QRLH]+[GKRQ]=[RPFL]+[KNPR]=[MGQO]+[BDNK]=[ABKM][QRLH]+[GKRQ]=[RPFL]+[KNPR]=[MGQO]+[BDNK]=\bf [ABKM] (10)
où ABKMABKM est un rectangle de côtés ABAB et CBCB

Enfin, le grand carré ADFEADFE a son aire composée des 4 rectangles précédents et du carré OQHEOQHE de côté ACAC, ce que l’on peut écrire de la façon suivante :
4×[ABKM]+[OQHE]=[ADFE]\bf 4\times [ABKM]+[OQHE]=[ADFE]

Cette égalité avec ABKMABKM rectangle de côtés ABAB et CBCB, OQHEOQHE carré de côté ACAC , et ADFEADFE carré de côté ADAD répond bien à la question posée.

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