Ivan Shishkin, Rye (1878)

Problems/GeometryReviewed

Une version simplifiée du théorème de Pythagore

by Ancient Tree·translated by Catalpa·
19
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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
These levels are approximate guides.Ces niveaux sont des repères approximatifs.
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Quand j’étais au collège et qu’on étudiait le théorème de PythagoreEN, je suis tombé sur le triangle rectangle suivant :
image
J’ai essayé de deviner une relation entre l'hypoténuseEN et les deux autres côtés du triangle (le petit côté et le côté moyen) j’ai remarqué que 5=4+13×35=4+\frac{1}{3}\times 3.

J’ai ainsi émis la conjectureEN suivante : l’hypothénuse est égale à la longueur du côté moyen plus un tiers du petit côté.

  1. Est-ce vrai pour tous les triangles rectangles ?
  2. Peut-on trouver tous les triangles rectangles dont les longueurs des côtés sont des entiers et pour lesquels la relation est valable ?
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Solutions

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Solution by SarahK(roche:)

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  1. Soit le triangle de côtés de longueur 11, 11 et 2\sqrt{2}. On a 12+12=2=(2)21^2+1^2=2=(\sqrt{2})^2 donc il s’agit bien d’un triangle rectangle. Testons la conjecture sur ce triangle, dont l’hypothènuse est donc de longueur 2\sqrt{2} : avons-nous que 2=1+13×1\sqrt{2}=1+\frac{1}{3}\times1, c’est-à-dire que 2=43\sqrt{2}=\frac{4}{3} ?

    Si oui, alors la relation est également vraie en élevant les deux côtés au carré. Or (43)2=169≠2(\frac{4}{3})^2=\frac{16}{9}\neq2.

    Conclusion : la conjecture est invalidée par ce contre-exemple.

  2. Soient aa le petit côté, bb le côté moyen et enfin cc l’hypothénuse d’un triangle rectangle vérifiant la conjecture. On a le système suivant avec 0<a⩽b<c0<a\leqslant b< c (on exclut le cas d’un triangle dégénéré de côté nul) :

{a2+b2=c2 (Pythagore)a/3+b=c (conjecture)\begin{cases}a^2+b^2=c^2\text{ (Pythagore)} \\ a/3+b=c \text{ (conjecture)}\end{cases}On a alors :

{a2+b2=c2 (Pythagore)a/3+b=c (conjecture)  ⟹  {a2+b2=c2a29+23ab+b2=c2 (mise au carreˊ)\begin{cases}a^2+b^2=c^2\text{ (Pythagore)} \\ a/3+b=c \text{ (conjecture)}\end{cases}\implies\begin{cases}a^2+b^2=c^2 \\ \frac{a^2}{9}+\frac{2}{3}ab+b^2=c^2 \text{ (mise au carré)}\end{cases}  ⟹  {a2+b2=c2a2=a29+23ab (identiteˊ avec c2−b2)\implies \begin{cases}a^2+b^2=c^2 \\ a^2=\frac{a^2}{9}+\frac{2}{3}ab \text{ (identité avec }c^2-b^2)\end{cases}Or a2=a29+23ab  ⟺  9a2=a2+6ab  ⟺  8a2=6aba^2=\frac{a^2}{9}+\frac{2}{3}ab\iff 9a^2=a^2+6ab\iff 8a^2=6ab, et finalement en divisant par 2a2a des deux côtés (la division est valide car aa est non nul par hypothèse) on aboutit à 4a=3b4a=3b.
Les plus petits entiers non nuls aa et bb vérifiant cette relation sont a=3a=3 et b=4b=4. Et l’on a alors que c=a3+b=33+4=1+4=5c=\frac{a}{3}+b=\frac{3}{3}+4=1+4=5.

Soit aa un entier qui correspond au petit côté d’un triangle vérifiant la conjecture. De la relation 4a=3b4a=3b on tire que b=43ab=\dfrac{4}{3}a, et de c=a3+bc=\dfrac{a}{3}+b (la conjecture), on tire que c=a3+4a3=5a3c=\dfrac{a}{3}+\dfrac{4a}{3}=\dfrac{5a}{3}.

On obtient alors que les côtés (a,b,c)(a,b,c) des triangles vérifiant la conjecture sont les triplets (a,4a3,5a3)(a,\dfrac{4a}{3},\dfrac{5a}{3}), avec aa réel strictement positif.

Mais nous cherchons aa, bb et cc entiers. Pour que bb et cc soient entiers, aa étant un entier, aa doit être un multiple de 3. En effet, si aa n’est pas un multiple de 3, 4a4a et 5a5a ne sont pas multiples de 3 et alors 4a3\dfrac{4a}{3} et 5a3\dfrac{5a}{3} ne sont pas entiers.

Comme nous avons établi que aa doit être multiple de 3, posons a=3ka=3k, avec k∈N∗k\in\N^*. Alors b=4kb=4k et c=5kc=5k.
Au final si (a,b,c)(a,b,c) est un triplet vérifiant la conjecture, il est nécessairement de la forme (3k,4k,5k)(3k,4k,5k) avec kk entier non nul.

Réciproquement, si un triangle a pour côtés respectivement 3k3k, 4k4k et 5k5k, avec kk entier non nul, on a 13×3k+4k=5k\frac{1}{3}\times3k+4k=5k donc les côtés du triangle vérifient la relation et (3k)2+(4k)2=9k2−16k2=25k2=(5k)2(3k)^2+(4k)^2=9k^2-16k^2=25k^2=(5k)^2 donc le triangle est rectangle.

Conclusion :

Tous les triangles rectangles dont les longueurs des côtés sont des entiers et vérifiant la conjecture sont ceux dont les côtés sont de la forme 3k3k, 4k4k et 5k5k, avec kk entier non nul.

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