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Première E · Leçon 13

Homothéties et translations

Exercices corrigés

1

QCM — Homothéties et translations

FacileQCM

Exercice 1 — QCM (chaque question : une seule bonne réponse parmi a, b, c, d)

1) Une homothétie de rapport $k=1$ est, par définition :
a) une rotation   b) une translation   c) une symétrie   d) toujours l'identité seule

2) Soit $h$ l'homothétie de centre $\Omega(1;2)$, rapport $k=-3$. L'image de $A(3;4)$ est :
a) $(-5;-4)$   b) $(5;4)$   c) $(7;8)$   d) $(-1;-2)$

3) La réciproque d'une homothétie de centre $\Omega$ et de rapport $k=5$ est :
a) homothétie centre $\Omega$, rapport $-5$   b) homothétie centre $\Omega$, rapport $\dfrac15$   c) translation   d) homothétie centre $\Omega$, rapport $5$

4) $h_1$ de rapport $2$ et $h_2$ de rapport $\dfrac12$ (centres distincts). $h_1\circ h_2$ est :
a) une homothétie de rapport $1$   b) une translation   c) une homothétie de rapport $4$   d) l'identité

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  1. Réponse : b. Si $k=1$, $f$ est une translation (d'après la caractérisation vectorielle du cours).
  2. Réponse : a. $\overrightarrow{\Omega A}=(2;2)$, $\overrightarrow{\Omega A'}=-3\times(2;2)=(-6;-6)$, donc $A'=(1-6;2-6)=(-5;-4)$.
  3. Réponse : b. Même centre, rapport inverse $\dfrac15$.
  4. Réponse : b. $2\times\dfrac12=1$, donc la composée est une translation.
2

Situation d'intégration — Agrandissement d'un plan de quartier

MoyenSituationPremium

Exercice 2 — Situation d'intégration

Un urbaniste agrandit le plan d'un quartier à l'aide d'une homothétie de centre le rond-point de référence $\Omega$ (origine du repère) et de rapport $k=2{,}5$, pour produire une carte plus détaillée. Sur le plan initial, un carrefour $A$ a pour coordonnées $(40;60)$ (en mètres depuis $\Omega$), et un second carrefour $B(100;60)$ est situé à $60$ m de $A$.

Consigne : Déterminer les coordonnées de l'image $A'$ de ce carrefour sur la carte agrandie, puis calculer la distance $A'B'$ sur cette carte agrandie.

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3

Problème — Motif de tissage traditionnel (faso dan fani)Approfondissement — Composition de deux homothéties

DifficileProblème

Problème — Une artisane dessine un motif de tissage à partir d'un triangle $ABC$, $A(1;1)$, $B(3;1)$, $C(2;3)$, transformé par une homothétie $h$ de centre $\Omega(0;0)$ et de rapport $k=-2$.

Partie A. Déterminer les coordonnées des images $A'$, $B'$, $C'$ par $h$.

Partie B. 1) Cette homothétie conserve-t-elle les angles du triangle $ABC$ ? Justifier. 2) Quel est le rapport de l'aire du triangle $A'B'C'$ sur celle du triangle $ABC$ ?

Partie C. L'artisane veut vérifier qu'elle peut retrouver le motif d'origine à partir du motif transformé. Donner le centre et le rapport de la réciproque de $h$.

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  1. $A'=-2\times(1;1)=(-2;-2)$. $B'=-2\times(3;1)=(-6;-2)$. $C'=-2\times(2;3)=(-4;-6)$.
  2. Oui : une homothétie-translation conserve toujours l'angle orienté, quel que soit le signe de $k$ (résultat du cours).
  3. Les distances sont multipliées par $|k|=2$, donc les aires (produit de deux longueurs) sont multipliées par $|k|^2=4$ : le rapport des aires est $4$.
  4. Même centre $\Omega(0;0)$, rapport $\dfrac1k=-\dfrac12$.
  5. Quand le produit des rapports de deux homothéties vaut $1$, leur composée n'est plus une homothétie mais une translation (résultat de cours). Ici $3\times\dfrac13=1$, donc $h_2\circ h_1$ est une translation.
  6. $A$ étant l'origine, $h_1(M)=A+3(M-A)=3M$, soit $h_1(x;y)=(3x;3y)$. Ensuite $h_2(N)=B+\dfrac13(N-B)$ avec $N=(3x;3y)$ : $h_2(N)=(4;0)+\dfrac13\big((3x;3y)-(4;0)\big)=(4;0)+\left(x-\dfrac43;y\right)=\left(x+\dfrac83;y\right)$.
  7. $h_2\circ h_1(M)=M+\left(\dfrac83;0\right)$ pour tout $M$ : c'est la translation de vecteur $\vec u\left(\dfrac83;0\right)$.
4

Approfondissement — Composition de deux homothéties

DifficileApprofondissementPremium

Exercice 4 — Approfondissement

Dans le plan muni d'un repère, on considère $A(0;0)$ et $B(4;0)$. On note $h_1$ l'homothétie de centre $A$ et de rapport $3$, et $h_2$ l'homothétie de centre $B$ et de rapport $\dfrac13$.

1) Rappeler la nature de $h_2\circ h_1$, sachant que le produit des rapports vaut $1$.

2) Pour un point $M(x;y)$ quelconque, exprimer les coordonnées de $h_1(M)$ puis de $h_2(h_1(M))$.

3) En déduire le vecteur de la translation $h_2\circ h_1$.

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5

Reconnaître une homothétie par son expression analytique

DifficileExercicePremium

Le plan est muni d'un repère orthonormé \((O;\vec{i},\vec{j})\). On considère l'application \(f\) qui, à tout point \(M(x;y)\), associe le point \(M'(x';y')\) tel que \(x'=-2x+6\) et \(y'=-2y-3\).

1) Démontre que \(f\) admet un unique point invariant \(\Omega\), puis que \(f\) est une homothétie dont tu préciseras le centre et le rapport.

2) Détermine l'image \(A'\) du point \(A(3;1)\), puis une équation de l'image \(D'\) de la droite \(D\) d'équation \(2x-y+1=0\).

3) Détermine une équation de l'image du cercle \(\Gamma\) de centre \(I(1;1)\) et de rayon 2.

4) Démontre que \(f\) est bijective et donne l'expression analytique de sa réciproque \(f^{-1}\). Quelle est la nature de \(f^{-1}\) ?

5) Soit \(t\) la translation de vecteur \(\vec{u}(3;6)\) et \(g=t\circ f\). Donne l'expression analytique de \(g\) et démontre que \(g\) est une homothétie dont tu préciseras le centre et le rapport. Interprète.

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6

L'homothétie du centre de gravité et la droite d'Euler

DifficileExercicePremium

Soit \(ABC\) un triangle non équilatéral, \(A'\), \(B'\), \(C'\) les milieux respectifs de \([BC]\), \([CA]\), \([AB]\). On note \(G\) son centre de gravité, \(O\) le centre de son cercle circonscrit et \(H\) son orthocentre. On note \(h\) l'homothétie de centre \(G\) et de rapport \(-\dfrac{1}{2}\).

1) Démontre que \(h(A)=A'\), \(h(B)=B'\) et \(h(C)=C'\).

2) Déduis-en l'image par \(h\) de la droite \((BC)\) et justifie que \((B'C')\) est parallèle à \((BC)\).

3) Démontre que l'image par \(h\) de la hauteur issue de \(A\) est la médiatrice de \([BC]\).

4) Déduis-en que \(h(H)=O\), puis que les points \(O\), \(G\), \(H\) sont alignés et que \(\overrightarrow{GH}=-2\,\overrightarrow{GO}\).

5) Application : dans un repère orthonormé, \(A(0;6)\), \(B(-2;0)\), \(C(4;0)\). Calcule les coordonnées de \(G\) et de \(O\), déduis-en celles de \(H\) à l'aide de la question 4, puis vérifie par un calcul de produit scalaire que \(H\) est bien sur deux hauteurs du triangle.

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7

Le théâtre d'ombres

DifficileExercicePremium

Pour un spectacle de théâtre d'ombres, une petite lampe \(S\) éclaire un mur vertical situé à 3 m d'elle. Un marionnettiste tient une marionnette plate en carton dans un plan parallèle au mur, à 0,5 m de la lampe. On raisonne dans un plan perpendiculaire au mur contenant \(S\) ; l'ombre d'un point \(M\) de la marionnette est le point \(M'\) du mur aligné avec \(S\) et \(M\).

1) Démontre, à l'aide du théorème de Thalès, que \(\overrightarrow{SM'}=6\,\overrightarrow{SM}\) pour tout point \(M\) de la marionnette. Quelle transformation envoie la marionnette sur son ombre ?

2) La marionnette mesure 20 cm de haut. Quelle est la hauteur de son ombre ? Justifie.

3) Le metteur en scène veut une ombre de 1,50 m de haut pour cette marionnette. À quelle distance de la lampe faut-il la tenir (toujours parallèlement au mur) ?

4) La marionnette étant à nouveau à 0,5 m de la lampe, le marionnettiste la déplace parallèlement au mur, par la translation de vecteur \(\vec{u}\) avec \(\|\vec{u}\|=10\) cm. Démontre que \(h\circ t_{\vec{u}}=t_{6\vec{u}}\circ h\), où \(h\) désigne la transformation de la question 1. De combien l'ombre se déplace-t-elle ?

5) Si la marionnette avance à la vitesse de 5 cm/s parallèlement au mur, à quelle vitesse son ombre se déplace-t-elle ? Interprète pour le spectateur.

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8

Deux cercles, deux homothéties et une tangente commune

DifficileExercicePremium

Dans un repère orthonormé \((O;\vec{i},\vec{j})\), on considère le cercle \(C_1\) de centre \(I(0;0)\) et de rayon 2, et le cercle \(C_2\) de centre \(J(6;0)\) et de rayon 1.

1) Démontre qu'une homothétie de centre \(\Omega\) et de rapport \(k\) transforme \(C_1\) en \(C_2\) si et seulement si elle transforme \(I\) en \(J\) et \(|k|=\dfrac{1}{2}\).

2) Détermine les coordonnées du centre \(\Omega_1\) de l'homothétie de rapport \(\dfrac{1}{2}\), puis du centre \(\Omega_2\) de l'homothétie \(h\) de rapport \(-\dfrac{1}{2}\), qui transforment \(C_1\) en \(C_2\).

3) Donne l'expression analytique de \(h\).

4) Soit \(\Delta\) la droite d'équation \(x-\sqrt{3}\,y-4=0\). Vérifie que \(\Delta\) passe par \(\Omega_2\). Démontre que \(\Delta\) coupe \(C_1\) en un seul point \(T_1\), dont tu donneras les coordonnées. Déduis-en, à l'aide de \(h\), que \(\Delta\) est aussi tangente à \(C_2\) en un point \(T_2\) à préciser.

5) Calcule la longueur \(T_1T_2\) et vérifie ce résultat par un calcul de longueurs de tangentes issues de \(\Omega_2\).

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