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Première C · Leçon 17

Composées de transformations du plan

Ce que dit le programme officiel (11 points)
  • la nature et les éléments caractéristiques de la composée de deux translations
  • la nature et les éléments caractéristiques de la composée de deux symétries orthogonales d’axes parallèles
  • la nature et les éléments caractéristiques de la composée de deux symétries orthogonales d’axes sécants
  • la nature et les éléments caractéristiques de la composée de deux homothéties de même centre
  • la nature et les éléments caractéristiques de la composée de deux homothéties de centres différents
  • la nature et les éléments caractéristiques de la composée de deux rotations de même centre
  • la nature et les éléments caractéristiques de la composée de deux rotations de centres différents
  • la détermination de l’expression analytique d’une translation, d’une symétrie orthogonale ou d’une homothétie se traitera sous forme d’exercices.
  • le recours systématique aux méthodes analytiques est exclu.
  • pour les symétries orthogonales d’axe (∆), on utilisera la notation S(∆) au lieu de S∆.
  • dans les études de composées d’homothéties de centres différents, on guidera l’élève dans la construction du centre, elles se feront en travaux dirigés.

Source : Programme éducatif Première C, DPFC, version CND 0923

Homothéties et translations : caractérisation, réciproque, composition, expression analytique

Résultat admis

Soit \(f\) une application du plan dans lui-même. \(f\) est une homothétie-translation si et seulement s'il existe un réel \(k\neq0\) tel que, pour tout bipoint \((M,N)\) du plan, en notant \(M'=f(M)\) et \(N'=f(N)\) :

\[ \overrightarrow{M'N'}=k\,\overrightarrow{MN}. \]

Si \(k=1\), \(f\) est une translation (de vecteur \(\overrightarrow{AA'}\), le même pour tout point \(A\)). Si \(k\neq1\), \(f\) est une homothétie de rapport \(k\) : elle admet un unique point fixe \(\Omega\) (son centre), et pour tout point \(M\) :

\[ \overrightarrow{\Omega M'}=k\,\overrightarrow{\Omega M}. \]
Exemple — image d'un point

Soit \(h\) l'homothétie de centre \(\Omega(2;1)\) et de rapport \(k=3\). Déterminer l'image de \(A(5;-1)\).

\[ \overrightarrow{\Omega A}=(3;-2)\ \Rightarrow\ \overrightarrow{\Omega A'}=3\times(3;-2)=(9;-6)\ \Rightarrow\ A'=\Omega+(9;-6)=(11;-5). \]
Effet sur les angles orientés

Une homothétie-translation de rapport \(k\) transforme tout couple de vecteurs \((\vec u,\vec v)\) en \((\vec u{\,}',\vec v{\,}')=(k\vec u,k\vec v)\) et conserve l'angle orienté \((\vec u,\vec v)\), quel que soit le signe de \(k\) : si \(k>0\), les deux vecteurs sont dilatés dans la même direction ; si \(k<0\), les deux vecteurs sont retournés par une rotation de \(\pi\) qui, appliquée aux deux à la fois, ne change pas l'angle qui les sépare.

Exemple — conservation avec un rapport négatif

Soit \(\vec u(1;0)\) et \(\vec v(0;1)\) : \((\vec u,\vec v)=90°\). Pour \(k=-3\) : \(\vec u{\,}'=(-3;0)\) (direction \(180°\)) et \(\vec v{\,}'=(0;-3)\) (direction \(270°\)). L'angle orienté \((\vec u{\,}',\vec v{\,}')=270°-180°=90°\) : bien conservé, malgré \(k<0\).

Figure interactive — Homothétie de centre \(\Omega\) et de rapport \(k\)

Faites glisser \(k\) : à \(k=1\) le triangle image coïncide avec l'original ; pour \(k<0\), l'image est retournée par rapport à \(\Omega\), sans que les angles du triangle ne changent.

Piège fréquent
  • Pour \(k<0\), le point image \(A'\) est situé de l'autre côté du centre \(\Omega\) par rapport à \(A\) — une erreur fréquente est de placer \(A'\) du même côté que \(A\) en ne retenant que \(|k|\).
Transformation réciproque et composée

La réciproque d'une homothétie de centre \(\Omega\) et de rapport \(k\) est l'homothétie de même centre \(\Omega\) et de rapport \(\dfrac1k\). La réciproque d'une translation de vecteur \(\vec u\) est la translation de vecteur \(-\vec u\). La composée \(f_1\circ f_2\) de rapports \(k_1\) et \(k_2\) vérifie \(\overrightarrow{M'N'}=k_1k_2\,\overrightarrow{MN}\) : c'est donc encore une homothétie-translation, de rapport \(k_1k_2\) — une homothétie si \(k_1k_2\neq1\) (centre déterminé sur l'exemple), une translation si \(k_1k_2=1\).

Exemple — composée donnant une translation

\(h_1\) : centre \(A(1;0)\), rapport \(4\). \(h_2\) : centre \(B(4;0)\), rapport \(\dfrac14\). Comme \(4\times\dfrac14=1\), \(h_1\circ h_2\) est une translation. Image de \(O(0;0)\) :

\[ h_2(O)=B+\tfrac14(O-B)=(4;0)+\left(-1;0\right)=(3;0),\qquad h_1\bigl(h_2(O)\bigr)=A+4\bigl(h_2(O)-A\bigr)=(1;0)+4\times(2;0)=(9;0). \]

\(h_1\circ h_2\) est donc la translation de vecteur \(\vec u(9;0)\).

Structure de groupe

L'ensemble des homothéties-translations, muni de la composition \(\circ\), forme un groupe :

• élément neutre : l'identité (\(k=1\)) ;
• stabilité : la composée de deux homothéties-translations en est encore une (ci-dessus) ;
• inversibilité : chaque élément admet une réciproque dans l'ensemble (ci-dessus) ;
• associativité : automatique, car il s'agit d'une composition d'applications.

Ce groupe n'est pas commutatif en général : \(h_1\circ h_2\) et \(h_2\circ h_1\) ont le même rapport \(k_1k_2\), donc la même nature, mais pas nécessairement le même centre (ou le même vecteur de translation).

Effet sur les configurations

Une translation conserve les distances (c'est une isométrie). Une homothétie de rapport \(k\) multiplie toutes les distances par \(|k|\) : elle conserve l'alignement, le parallélisme, l'orthogonalité et les angles orientés, mais pas les distances (sauf si \(|k|=1\)).

Réflexions et composées de réflexions

Réflexion (symétrie orthogonale) d'axe \((D)\)

La réflexion d'axe \((D)\) transforme \(M\) en \(M'\) tel que \((D)\) soit la médiatrice de \([MM']\) (ou \(M'=M\) si \(M\in(D)\)). C'est une isométrie : elle conserve les distances.

Réciproque et effet sur les angles orientés

Une réflexion est involutive : \(s\circ s=\mathrm{id}\), donc \(s^{-1}=s\) — elle est sa propre réciproque. Contrairement à une homothétie-translation (chapitre 1), une réflexion inverse le signe de tout angle orienté :

\[ (\vec u{\,}',\vec v{\,}')=-(\vec u,\vec v). \]
Exemple — expression analytique

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Axes parallèles : composée = translation

Si \((D_1)\parallel(D_2)\), la composée \(s_{D_2}\circ s_{D_1}\) est la translation de vecteur \(2\vec u\), où \(\vec u\) est le vecteur perpendiculaire commun allant de \((D_1)\) vers \((D_2)\). Réciproquement, toute translation de vecteur \(\vec w\) se décompose en un produit de deux réflexions d'axes perpendiculaires à \(\vec w\), distants de \(\dfrac{\lVert\vec w\rVert}2\).

Exemple — axes parallèles \((D_1):x=1\), \((D_2):x=4\)

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Figure — Deux réflexions d'axes parallèles composent une translation

\(M\to s_{D_1}(M)\to s_{D_2}(s_{D_1}(M))\) : le trajet global équivaut à une translation de vecteur \((6;0)\).

Axes sécants : composée = rotation

Si \((D_1)\) et \((D_2)\) se coupent en \(\Omega\), en notant \(\theta\) l'angle orienté de \((D_1)\) vers \((D_2)\), la composée \(s_{D_2}\circ s_{D_1}\) est la rotation de centre \(\Omega\) et d'angle \(2\theta\).

Exemple — axes sécants \((D_1)=(Ox)\), \((D_2)\) : \(y=x\)

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Décomposition

Toute rotation de centre \(\Omega\) et d'angle \(\theta\) se décompose en un produit \(s_{D_2}\circ s_{D_1}\) de deux réflexions d'axes passant par \(\Omega\), où \((D_1)\) est une droite quelconque passant par \(\Omega\) et \((D_2)\) fait avec \((D_1)\) un angle orienté \(\dfrac\theta2\). Ce résultat est la réciproque exacte du théorème du chapitre 2 sur la composée de deux réflexions d'axes sécants.

Exemple — retour sur la configuration du chapitre 2

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Rotation : définition, réciproque, composée

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Réciproque et composée

La réciproque de la rotation de centre \(\Omega\) et d'angle \(\theta\) est la rotation de même centre \(\Omega\) et d'angle \(-\theta\). La composée de deux rotations de même centre \(\Omega\), d'angles \(\theta_1\) et \(\theta_2\), est la rotation de centre \(\Omega\) et d'angle \(\theta_1+\theta_2\).

Exemple

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Groupe des rotations de centre \(\Omega\) fixé

Muni de la composition, l'ensemble des rotations de centre \(\Omega\) fixé forme un groupe (neutre : angle \(0°\) ; stable et inversible : ci-dessus ; associatif). Contrairement au groupe des homothéties-translations (chapitre 1), ce groupe est commutatif : \(\theta_1+\theta_2=\theta_2+\theta_1\), donc \(r_2\circ r_1=r_1\circ r_2\).

Figure interactive — Rotation de centre \(O\) et d'angle \(\theta\)

Faites glisser \(\theta\) : le triangle image tourne autour de \(O\) en conservant sa forme et sa taille (isométrie).

Résumé

Résumé — Homothéties et translations
Caractérisation

\(\overrightarrow{M'N'}=k\,\overrightarrow{MN}\) : translation si \(k=1\), homothétie sinon.

Angles orientés

Toujours conservés, quel que soit le signe de \(k\).

Réciproque / composée

Homothétie \((\Omega,k)\to(\Omega,\frac1k)\) ; composée de rapport \(k_1k_2\).

Structure de groupe

Neutre, stable, inversible, associatif — non commutatif en général.

Résumé — Réflexions

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Résumé — Rotations

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Sujet type devoir

Homothéties-translations — Sujet complet

Question 1. Soit \(h\) l'homothétie de centre \(\Omega(-1;3)\) et de rapport \(k=2\). Déterminer l'image de \(A(2;-1)\).

Solution détaillée

\(\overrightarrow{\Omega A}=(3;-4)\), donc \(\overrightarrow{\Omega A'}=2\times(3;-4)=(6;-8)\), soit \(A'=(-1+6;3-8)=(5;-5)\).

Question 2. Déterminer le centre et le rapport de la réciproque de \(h\).

Solution détaillée

Même centre \(\Omega(-1;3)\), rapport \(\dfrac12\).

Question 3. \(h_1\) : centre \(A(1;0)\), rapport \(4\). \(h_2\) : centre \(B(4;0)\), rapport \(\dfrac14\). Montrer que \(h_1\circ h_2\) est une translation et déterminer son vecteur.

Solution détaillée

\(4\times\dfrac14=1\), donc \(h_1\circ h_2\) est une translation, de vecteur \(\vec u(9;0)\) (calcul de l'image de \(O\) ci-dessus).

Réflexions — Sujet complet

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Rotations — Sujet complet

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Mode hors-ligne — données en cache