Questions de théorie

Ces questions sont destinées à vous faire revoir la théorie de ce chapitre.

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1

Enoncez la Règle des sinus.

L'énoncé se trouve dans le syllabus, chapitre 4, section 2.

Règle des sinus : Dans tout triangle, les longueurs des côtés sont proportionnelles aux sinus des angles opposés, c'est-à-dire si $a$, $b$ et $c$ sont les longueurs des côtés d'un triangle et $\alpha$, $\beta$ et $\gamma$ sont les angles opposés respectivement à ces côtés, on a

$$\frac{\sin \alpha}{a}=\frac{\sin \beta}{b}=\frac{\sin \gamma}{c}.$$

2

Démontrez que la Règle des sinus.

La démonstrastion se trouve dans le syllabus, chapitre 4, section 2.

Pour un triangle quelconque $ABC$, plaçons $A$ en l'origine et $B$ sur la partie positive de l'axe $OX$. Le point $C$ est donc au-dessus de l'axe $OX$. Traçons la hauteur $h$ perpendiculaire à $c$. Elle coupe le côté $c$ au point $D$.

Si on pose que la distance de $C$ à $D$ vaut $h$, alors l'ordonnée de $C$ est $h$. Par la définition des nombres trigonométriques, on a

$$h = b.\sin \alpha.$$

De même, en regardant le triangle $BDC$, on a

$$h = a.\sin \beta,$$

d'où,

$$\frac{\sin \alpha}{a}=\frac{\sin \beta}{b}.$$

Par un argument similaire (en plaçant $A$ en l'origine et $C$ sur la partie positive de l'axe $OX$), on obtient que

$$\frac{\sin \alpha}{a}=\frac{\sin \gamma}{c}.$$

3

Démontrez la Règle des sinus en utilisant le rayon du cercle circonscrit au triangle.

Déplacez le sommet $A$ le long du cercle circonscrit sans changer $a$ ni $\alpha$.

On considère le cercle circonscrit au triangle

On peut bouger le sommet $A$ sans changer $a$ et $\alpha$. On le place de manière à ce que $\widehat{BCA}$ soit un angle droit. Dans ce cas, $BA$ est un diamètre de longueur $2R$ et on a $$\sin{\alpha}=\dfrac{a}{2R}$$ ou encore $$\dfrac{\sin{\alpha}}{a}=\dfrac{1}{2R}.$$

Par le même raisonnement avec les côtés $b$ et $c$, on obtient $$\dfrac{\sin{\beta}}{b}=\dfrac{1}{2R}$$ et $$\dfrac{\sin{\gamma}}{c}=\dfrac{1}{2R}.$$

Finalement, on a $$\dfrac{\sin{\alpha}}{a}=\dfrac{\sin{\beta}}{b}=\dfrac{\sin{\gamma}}{c}=\dfrac{1}{2R}.$$

4

Enoncez la Règle des cosinus. Pourquoi ce résultat généralise-t-il le Théorème de Pythagore ?

L'énoncé se trouve dans le syllabus, chapitre 4, section 2.

Règle des cosinus : Dans tout triangle, le carré de la longueur d'un côté est égal à la somme des carrés des longueurs des deux autres côtés diminuée du double produit des longueurs de ces deux côtés par le cosinus de l'angle compris entre ces côtés, c'est-à-dire si $a$, $b$ et $c$ sont les longueurs des côtés d'un triangle et $\alpha$, $\beta$ et $\gamma$ sont les angles opposés respectivement à ces côtés, on a

$$ \begin{array}{l} a^2=b^2+c^2-2bc\cos{\alpha} \\ b^2=a^2+c^2-2ac\cos{\beta} \\ c^2=a^2+b^2-2ab\cos{\gamma} \end{array} $$

Ce résultat est une généralisation du Théorème de Pythagore.  En effet, par exemple dans la dernière formule ci-dessus, si le triangle est rectangle en $C$ alors $c$ est l'hypoténuse du triangle, $\gamma=90^{\circ}$ et on retrouve la formule de Pythagore $c^2=a^2+b^2$.

5

Démontrez la Règle des cosinus.

La démonstrastion se trouve dans le syllabus, chapitre 4, section 2.

Pour un triangle quelconque $ABC$, plaçons $A$ en l'origine et $B$ sur la partie positive de l'axe $OX$. Le point $C$ est donc au-dessus de l'axe $OX$. Traçons la hauteur $h$ perpendiculaire à $c$. Elle coupe le côté $c$ au point $D$.

Dans le triangle rectangle $BCD$, on a

$$ \begin{array}{rl} \vert BC\vert^2 & =\vert BD\vert^2+\vert DC\vert^2 \\ & =(\vert AB\vert-\vert DA\vert)^2+\vert DC\vert^2 \\ & =\vert AB\vert^2+\vert DA\vert^2-2\vert AB\vert\cdot\vert DA\vert+\vert DC\vert^2 \\ & =\vert AB\vert^2+(\vert DA\vert^2+\vert DC\vert^2)-2\vert AB\vert\cdot \vert DA\vert \end{array} $$

Dans le triangle rectangle $ACD$, on a $$\vert DA\vert^2+\vert DC\vert^2=\vert AC\vert^2$$ et aussi $$\vert DA\vert=\vert AC\vert\cos{\alpha}.$$

On en déduit $$\vert BC\vert^2=\vert AB\vert^2+\vert AC\vert^2-2 \vert AB\vert\cdot\vert AC\vert\cos{\alpha}$$ ou encore $$a^2=c^2+b^2-2bc\cos{\alpha}.$$

Les deux autres égalités s'obtiennent de façon analogue.

6

Enoncez le Théorème de la médiane.

L'énoncé se trouve dans le syllabus, chapitre 4, section 2.

Théorème de la médiane : La somme des carrés des longueurs de deux côtés d'un triangle est égale à deux fois le carré de la longueur de la médiane relative au troisième côté plus deux fois le carré de la moitié de la longueur du troisième côté.

7

Démontrez le Théorème de la médiane.

La démonstrastion se trouve dans le syllabus, chapitre 4, section 2.

On considère le triangle

On a par la règle des cosinus dans le triangle $ACM$

$$b^2=m^2+\left(\dfrac{a}{2}\right)^2-2m\dfrac{a}{2}\cos{\gamma}$$

et par la règle des cosinus dans le triangle $AMB$

$$c^2=m^2+\left(\dfrac{a}{2}\right)^2-2m\dfrac{a}{2}\cos{\alpha}.$$

On en déduit que

$$ \begin{array}{l} b^2+c^2=2m^2+2\left(\dfrac{a}{2}\right)^2-ma(\cos{\gamma}+\cos{\alpha}) \\ b^2+c^2=2m^2+2\left(\dfrac{a}{2}\right)^2-ma(\cos{\gamma}+\cos{(\pi-\gamma)}) \\ b^2+c^2=2m^2+2\left(\dfrac{a}{2}\right)^2-ma(\cos{\gamma}-\cos{\gamma}) \end{array} $$

et donc

$$b^2+c^2=2m^2+2\left(\dfrac{a}{2}\right)^2.$$

8

Calculez la longueur des médianes en fonction de la longueur des côtés d'un triangle.

Utilisez le Théorème de la médiane dans le triangle $ABC$ puis déduisez-en la longueur $|AM|$.

On déduit du Théorème de la médiane que

$$|AC|^2+|AB|^2=2|AM|^2+2\left(\dfrac{|BC|}{2}\right)^2.$$

On en tire

$$2|AM|^2=|AC|^2+|AB|^2-\dfrac{|BC|^2}{2},$$

$$4|AM|^2=2|AB|^2+2|AC|^2-|BC|^2,$$

$$|AM|=\dfrac{1}{2}\sqrt{2|AB|^2+2|AC|^2-|BC|^2}.$$

Donc $|AM|=\dfrac{1}{2}\sqrt{2c^2+2b^2-a^2}$.