درس Transformations du plan — الجذع المشترك العلمي (خيار فرنسية)

درس «Transformations du plan» لتلاميذ الجذع المشترك العلمي (خيار فرنسية) بالفرنسية والعربية: Symétrie axiale - Symétrie centrale - Translation - Homothétie - Propriétés caractéristiques - Conservation - Images de figures. Cours Transformations du plan — Tronc commun scientifique (BIOF).

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Les transformations usuelles

Définition Transformation du plan

Une transformation du plan est une relation qui associe à chaque point $M$ du plan un unique point $M'$ appelé image de $M$.

Définition 1. Symétrie axiale $S_{(\Delta)}$

$S_{(\Delta)}(M)=M'$ signifie : si $M\in(\Delta)$ alors $M'=M$ ; sinon $(\Delta)$ est la médiatrice de $[MM']$.

Définition 2. Symétrie centrale $S_O$

$S_O(M)=M'$ signifie que $O$ est le milieu de $[MM']$ :

$\overrightarrow{OM'}=-\overrightarrow{OM}$

Définition 3. Translation $t_{\vec{u}}$

$t_{\vec{u}}(M)=M'$ signifie :

$\overrightarrow{MM'}=\vec{u}$

Si $\vec{u}=\overrightarrow{AB}$ : $t_{\vec{u}}(M)=M'\iff ABM'M$ est un parallélogramme.

Définition 4. Homothétie $h(\Omega;k)$

Soit $\Omega$ un point et $k$ un réel non nul. L’homothétie de centre $\Omega$ et de rapport $k$ associe à $M$ le point $M'$ tel que :

$\overrightarrow{\Omega M'}=k\,\overrightarrow{\Omega M}$

$\Omega$, $M$ et $M'$ sont alignés ; $h(\Omega;-1)=S_\Omega$ ; $h(\Omega;1)$ est l’identité.

Exemple

$ABC$ un triangle, $I$ le milieu de $[BC]$ et $G$ le centre de gravité : $\overrightarrow{AG}=\dfrac{2}{3}\overrightarrow{AI}$, donc $G$ est l’image de $I$ par $h\left(A;\dfrac{2}{3}\right)$.

Et $\overrightarrow{GA}=-2\overrightarrow{GI}$ : $A$ est l’image de $I$ par $h(G;-2)$.

Propriétés caractéristiques

Propriété

Si $M'$ et $N'$ sont les images de $M$ et $N$ :

  • Translation : $\overrightarrow{M'N'}=\overrightarrow{MN}$ ;
  • Symétrie centrale : $\overrightarrow{M'N'}=-\overrightarrow{MN}$ ;
  • Homothétie de rapport $k$ : $\overrightarrow{M'N'}=k\,\overrightarrow{MN}$.

Réciproquement, une transformation $T$ vérifiant $\overrightarrow{M'N'}=k\,\overrightarrow{MN}$ pour tous $M$, $N$ est une translation si $k=1$ et une homothétie de rapport $k$ si $k\neq1$.

Exemple Démonstration pour l’homothétie

$\overrightarrow{M'N'}=\overrightarrow{M'\Omega}+\overrightarrow{\Omega N'}=-k\,\overrightarrow{\Omega M}+k\,\overrightarrow{\Omega N}=k\left(\overrightarrow{M\Omega}+\overrightarrow{\Omega N}\right)=k\,\overrightarrow{MN}$

Propriétés des transformations

Propriété Conservation

  • La symétrie axiale, la symétrie centrale et la translation conservent les distances : $M'N'=MN$ (ce sont des isométries).
  • L’homothétie de rapport $k$ multiplie les distances par $|k|$ : $M'N'=|k|\,MN$.
  • Les quatre transformations conservent l’alignement, le milieu, le parallélisme, l’orthogonalité et les mesures d’angles géométriques.

Remarque

Elles conservent aussi le coefficient de colinéarité : si $\overrightarrow{AC}=\alpha\overrightarrow{AB}$ alors $\overrightarrow{A'C'}=\alpha\overrightarrow{A'B'}$.

Images de figures

Propriété

| Figure | Image par une isométrie | Image par $h(\Omega;k)$ |

| Droite $(AB)$ | droite $(A'B')$ parallèle (sauf symétrie axiale) | droite $(A'B')$ parallèle à $(AB)$ |

| Segment $[AB]$ | segment $[A'B']$ de même longueur | segment $[A'B']$ de longueur $\lvert k\rvert AB$ |

| Cercle $\mathcal{C}(O;r)$ | cercle $\mathcal{C}(O';r)$ | cercle $\mathcal{C}(O';\lvert k\rvert r)$ |

| Angle | angle de même mesure | angle de même mesure |

Application Utiliser une homothétie

$ABCD$ est un trapèze tel que $(AB)\parallel(CD)$ et $CD=2AB$ ; ses diagonales se coupent en $O$.

Le théorème de Thalès donne $\overrightarrow{OC}=-2\overrightarrow{OA}$ et $\overrightarrow{OD}=-2\overrightarrow{OB}$ :

$h(O;-2)$ transforme $A$ en $C$ et $B$ en $D$, donc $[AB]$ en $[CD]$

Erreur fréquente

L’homothétie ne conserve pas les distances (sauf si $k=\pm1$) ; une homothétie de rapport négatif place $M'$ de l’autre côté de $\Omega$.

À retenir

  • $t_{\vec{u}}$ : $\overrightarrow{MM'}=\vec{u}$ ; $S_O$ : $O$ milieu de $[MM']$ ; $h(\Omega;k)$ : $\overrightarrow{\Omega M'}=k\,\overrightarrow{\Omega M}$.
  • $\overrightarrow{M'N'}=k\,\overrightarrow{MN}$ : translation ($k=1$), symétrie centrale ($k=-1$), homothétie.
  • Toutes conservent alignement, milieu, parallélisme et angles ; l’homothétie multiplie les longueurs par $|k|$.

النسخة العربية

التحويلات الاعتيادية

تعريف تحويل في المستوى

التحويل في المستوى علاقة تربط كل نقطة $M$ من المستوى بنقطة وحيدة $M'$ تسمى صورة $M$.

تعريف 1. التماثل المحوري $S_{(\Delta)}$

$S_{(\Delta)}(M)=M'$ تعني : إذا كانت $M\in(\Delta)$ فإن $M'=M$ ؛ وإلا فإن $(\Delta)$ هو واسط $[MM']$.

تعريف 2. التماثل المركزي $S_O$

$S_O(M)=M'$ تعني أن $O$ هي منتصف $[MM']$ :

$\overrightarrow{OM'}=-\overrightarrow{OM}$

تعريف 3. الإزاحة $t_{\vec{u}}$

$t_{\vec{u}}(M)=M'$ تعني :

$\overrightarrow{MM'}=\vec{u}$

إذا كان $\vec{u}=\overrightarrow{AB}$ : $t_{\vec{u}}(M)=M'\iff ABM'M$ متوازي أضلاع.

تعريف 4. التحاكي $h(\Omega;k)$

ليكن $\Omega$ نقطة و $k$ عدداً حقيقياً غير منعدم. التحاكي الذي مركزه $\Omega$ ونسبته $k$ يربط $M$ بالنقطة $M'$ بحيث :

$\overrightarrow{\Omega M'}=k\,\overrightarrow{\Omega M}$

النقط $\Omega$ و $M$ و $M'$ مستقيمية ؛ $h(\Omega;-1)=S_\Omega$ ؛ و $h(\Omega;1)$ هو التطابق.

مثال

$ABC$ مثلث، $I$ منتصف $[BC]$ و $G$ مركز ثقله : $\overrightarrow{AG}=\dfrac{2}{3}\overrightarrow{AI}$، إذن $G$ صورة $I$ بالتحاكي $h\left(A;\dfrac{2}{3}\right)$.

و $\overrightarrow{GA}=-2\overrightarrow{GI}$ : $A$ صورة $I$ بالتحاكي $h(G;-2)$.

الخاصيات المميزة

خاصية

إذا كانت $M'$ و $N'$ صورتي $M$ و $N$ :

  • الإزاحة : $\overrightarrow{M'N'}=\overrightarrow{MN}$ ؛
  • التماثل المركزي : $\overrightarrow{M'N'}=-\overrightarrow{MN}$ ؛
  • التحاكي الذي نسبته $k$ : $\overrightarrow{M'N'}=k\,\overrightarrow{MN}$.

وعكسياً، كل تحويل $T$ يحقق $\overrightarrow{M'N'}=k\,\overrightarrow{MN}$ لكل $M$ و $N$ هو إزاحة إذا كان $k=1$ وتحاك نسبته $k$ إذا كان $k\neq1$.

مثال البرهان بالنسبة للتحاكي

$\overrightarrow{M'N'}=\overrightarrow{M'\Omega}+\overrightarrow{\Omega N'}=-k\,\overrightarrow{\Omega M}+k\,\overrightarrow{\Omega N}=k\left(\overrightarrow{M\Omega}+\overrightarrow{\Omega N}\right)=k\,\overrightarrow{MN}$

خاصيات التحويلات

خاصية الحفاظ

  • التماثل المحوري والتماثل المركزي والإزاحة تحافظ على المسافات : $M'N'=MN$ (هي تقايسات).
  • التحاكي الذي نسبته $k$ يضرب المسافات في $|k|$ : $M'N'=|k|\,MN$.
  • التحويلات الأربعة تحافظ على الاستقامية والمنتصف والتوازي والتعامد وقياسات الزوايا الهندسية.

ملاحظة

وتحافظ أيضاً على معامل الاستقامية : إذا كان $\overrightarrow{AC}=\alpha\overrightarrow{AB}$ فإن $\overrightarrow{A'C'}=\alpha\overrightarrow{A'B'}$.

صور الأشكال

خاصية

| الشكل | الصورة بتقايس | الصورة بالتحاكي $h(\Omega;k)$ |

| المستقيم $(AB)$ | المستقيم $(A'B')$ الموازي (ما عدا التماثل المحوري) | المستقيم $(A'B')$ الموازي لـ $(AB)$ |

| القطعة $[AB]$ | القطعة $[A'B']$ بنفس الطول | القطعة $[A'B']$ طولها $\lvert k\rvert AB$ |

| الدائرة $\mathcal{C}(O;r)$ | الدائرة $\mathcal{C}(O';r)$ | الدائرة $\mathcal{C}(O';\lvert k\rvert r)$ |

| الزاوية | زاوية بنفس القياس | زاوية بنفس القياس |

تطبيق استعمال تحاك

$ABCD$ شبه منحرف بحيث $(AB)\parallel(CD)$ و $CD=2AB$ ؛ قطراه يتقاطعان في $O$.

مبرهنة طاليس تعطي $\overrightarrow{OC}=-2\overrightarrow{OA}$ و $\overrightarrow{OD}=-2\overrightarrow{OB}$ :

التحاكي $h(O;-2)$ يحول $A$ إلى $C$ و $B$ إلى $D$، إذن $[AB]$ إلى $[CD]$

خطأ شائع

التحاكي لا يحافظ على المسافات (إلا إذا كان $k=\pm1$) ؛ والتحاكي ذو النسبة السالبة يضع $M'$ في الجهة الأخرى من $\Omega$.

للحفظ

  • $t_{\vec{u}}$ : $\overrightarrow{MM'}=\vec{u}$ ؛ $S_O$ : $O$ منتصف $[MM']$ ؛ $h(\Omega;k)$ : $\overrightarrow{\Omega M'}=k\,\overrightarrow{\Omega M}$.
  • $\overrightarrow{M'N'}=k\,\overrightarrow{MN}$ : إزاحة ($k=1$)، تماثل مركزي ($k=-1$)، تحاك.
  • كلها تحافظ على الاستقامية والمنتصف والتوازي والزوايا ؛ والتحاكي يضرب الأطوال في $|k|$.

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