Site Descartes et les MathématiquesSite Descartes et les MathématiquesDes images aux formules : partage de parallélogrammes, de trapèze - Figures réalisées avec GéoPlan.
Sommaire1. Aire du parallélogramme Multiplication de l'aire d'un parallélogramme Calculs d'aires dans un rectangle La planche à clous, comme géoplan Page no 131, réalisée le 3/12/2008, modifiée le 17/4/2013 |
Calculs d'airesDémonstrations avec la méthode des aires : Aire d'un quadrilatère non convexe : prenons de la hauteur Calcul d'aire minimum : minimum-maximum Aire d'un triangle à l'intérieur d'un parallélogramme Quadrilatère dans un rectangle : napperon | ||||
Collège | Triangle inscrit
dans un carré |
Faire de la | |||
Classe de cinquième
Calcul de la surface du parallélogramme
L'aire d'un parallélogramme a pour mesure le produit de sa base par sa hauteur.
Soit ABCD un parallélogramme, E et F les projections orthogonales de C et D sur (AB).
Le rectangle FECD a même aire que le parallélogramme, car les triangles rectangles ADF et BCE sont isométriques.
Aire(ABCD) = AB × DF = a × h = base × hauteur
où a = AB = CD et h = DF = CE.
Chaque diagonale partage le parallélogramme en deux triangles de même aire.
En effet, les deux triangles sont symétriques par rapport au milieu de la diagonale.
Technique GéoPlan : cette propriété est utilisée pour calculer l'aire d'un parallélogramme en doublant l'aire d'un des triangles formés par une diagonale et les deux côtés consécutifs correspondants.
Calculer s1 avec le menu :« Créer>Numérique>Calcul géométrique>Aire d'un triangle »
s1 aire du triangle ABC (unité de longueur Uoxy) s = 2s1
Calcul traditionnel avec GéoPlan
Il est aussi possible de faire faire le calcul en nommant la base b et h la hauteur dans le menu :
« Créer>Numérique>Calcul géométrique>Longueur d'un segment »
b = AB (unité de longueur Uoxy) h = DF (unité de longueur Uoxy)
Puis faire le calcul avec l'option « Créer>Numérique>Calcul algébrique » avec l'expression du calcul : bh ; ayant pour nom du calcul : s
s = bh
Télécharger la figure GéoPlan air_para.g2w
Éléments d'Euclide : livre I, proposition 35
Deux parallélogrammes, de même base, entre deux mêmes parallèles, sont d'aires égales :
Si ABCD et ABEF sont deux parallélogrammes tels que E (et F) sont des points de la droite (CD), alors ils ont même aire.
En effet ils ont même base et même hauteur.
Télécharger la figure GéoPlan thm_tringle.g2w
Éléments d'Euclide : livre I, proposition 41
Si un parallélogramme et un triangle ont une même base, et sont entre mêmes parallèles ; le parallélogramme sera [d’aire] double du triangle.
Méthode des aires : démonstration utilisant les propriétés d'Euclide : « les triangles ou les parallélogrammes qui ont la même hauteur sont l'un relativement à l'autre comme leurs bases ».
Un losange est un parallélogramme.
Son aire a pour mesure le produit de sa base par sa hauteur.
A(ABCD) = AB × DH.
Un losange est un quadrilatère orthodiagonal
Le losange ABCD est inscrit dans le rectangle PQRS.
L'aire du rectangle est égale au produit des longueurs des diagonales AC × BD.
L'aire du losange est alors 
AC × BD.
L'aire d'un losange est égale à la moitié du produit des longueurs des diagonales.
Télécharger la figure losange.g2w
Dessiner un losange
Losanges avec la planche à clous
Classe de 5e
Géométriser un problème, c'est transposer le problème, qui peut être concret ou non, le plus souvent spatial au niveau du collège, dans le cadre de la géométrie afin de le simplifier et de le résoudre. C'est le cas, par exemple, lors du calcul de l'aire d'un champ.
Le champ réel a une certaine forme. Le processus de modélisation géométrique comporte deux étapes :
– assimilation du champ à une surface plane limitée par des portions de lignes droites ;
– assimilation de cette surface à un polygone élémentaire (trapèze dans l'exemple qui suit) ou un agencement de plusieurs polygones simples.
Le recours à un schéma pour « simplifier » et s'approprier la situation étudiée illustre ce passage de la réalité au domaine de la géométrie. La figure géométrique intervient ainsi comme une
maquette de la réalité. Ces transferts sont déjà travaillés à l'école primaire. Cette habitude du recours à une visualisation simplificatrice peut paraître naturelle à certains élèves à l'entrée au
collège, mais reste à construire pour beaucoup d'autres. Il est donc indispensable de travailler cette compétence.
Une fois le transfert effectué dans le cadre géométrique, la résolution du problème repose sur des propriétés attachées aux objets, qui sont utilisées alors comme des modèles.
Le modèle référent possède un statut mathématique organisé en propriétés. Le schéma « simplifie » donc, mais ajoute aussi des éléments de connaissance.
Ainsi, dans l'exemple du champ trapézoïdal, on passe du champ à un trapèze, puis, enfin au « Trapèze » dont on peut calculer l'aire, par décomposition en triangles et rectangle, à l'aide de hauteurs issues de deux sommets qui ne correspondent à rien dans la réalité.
Ressources pour les classes de 6e, 5e, 4e, et 3e - Géométrie au collège
Projet de document d'accompagnement mathématique - Juillet 2007
Trapèze : quadrilatère convexe ayant deux côtés opposés parallèles ; les deux côtés parallèles sont les bases : la grande base et la petite base.
Voir : quadrilatères
Trapèzes avec la planche à clous
Dans ce paragraphe ABCD désigne un trapèze de grande base [AB] et de petite base [CD] parallèle à (AB).
Cas où [HK], projection de la petite base [DC], est inclus dans [AB].
On peut calculer l'aire, par décomposition en un rectangle et deux triangles rectangles, à l'aide des hauteurs issues des deux sommets de la petite base.
Comme pour tout quadrilatère convexe, l'aire se calcule avec GéoPlan en le partageant, par une diagonale, en deux triangles.
Télécharger la figure GéoPlan aire_trapeze_1.g2w
Calcul
La surface d'un trapèze a pour mesure le produit de la moyenne des bases par sa hauteur :
b = AB, b’ = CD, h = DH : Aire(ABCD) = 
× h.
Télécharger la figure GéoPlan trapeze_hauteur.g2w
Soit I et J les milieux des côtés [BC] et [AD]. D'après la propriété de Thalès, IJ est égal à la moyenne des bases.
E et F les projections orthogonales de J et I sur (AB) ainsi que G et H les projections orthogonales de I et J sur (CD).
Le rectangle EFGH a même aire que le trapèze ABCD, car les triangles rectangles
IGC et IFB sont isométriques, de même que les triangles JHD et JEA.
Télécharger la figure GéoPlan aire_trapeze.g2w
ABCD est un trapèze de grande base [AB], et de petite base [CD] parallèle à (AB).
I le milieu du côté [BC].
La symétrie de centre I transforme A en A’ et D en D’.
Les points A, B et C’ sont alignés comme les points D, C et A’.
(BD’) est parallèle à (A’C). BD’A’C est un trapèze de même aire que ABCD et on a :
b = AB = A’C, b’ = CD = A’C, h = CH.
(AD) est parallèle à (A’D’). AD’A’D est un parallélogramme de base
AD’ = b + b’.
Aire(AD’A’D) = AD’ × CH = (b + b’) × h.
Or Aire(AD’A’D) = Aire(ABCD) + Aire(BD’A’C) = 2 Aire(ABCD), soit 2 Aire(ABCD) = (b + b’) × h.
On retrouve Aire(ABCD) = × h.
Télécharger la figure GéoPlan aire_trapeze_2.g2w
d. Transformer un trapèze en un autre rectangle
Le trapèze a même aire que celle du rectangle AFEG.
|
e. Transformer un trapèze en parallélogramme
Le trapèze a même aire que celle du parallélogramme AFEJ.
|
Le trapèze a même aire que celle du triangle ADF.
Aire(ABCD) = Aire(ADF) = AF × h = (b + b’) × h.
Télécharger la figure GéoPlan aire_trapeze_5.g2w
Voir : trapèze complet et théorème du trapèze (classe de première)
ABCD est un trapèze tel que (AB) est parallèle à (CD).
I et J sont les milieux des côtés [AD] et [BC].
Les triangles ADJ et BCI sont-ils de même aire ?
Indications
Tracer la droite (IJ) et montrer, par la propriété de Thalès, qu'elle est parallèle à (AB) et (CD).
Les triangles IJA et IJB ont même aire d'après la propriété du trapèze.
De même, les triangles IJD et IJC ont même aire.
Les triangles ADJ et BCI ont même aire comme réunion disjointe de triangles deux à deux de même aire.
Télécharger la figure GeoGebra 2trian_ds_trapeze.ggb
4. Chevron et parallélogrammeSi M est un point de diagonale [BD] d'un parallélogramme
ABCD, les triangles ABM et BCM ont même aire.
En effet, M est un point de la médiane (BO) du triangle ABC.
Télécharger la figure GéoPlan chevron_parallelogramme.g2w
Application : démontrer que les médianes d'un triangle sont concourantes.
M est un point variable sur la diagonale [AC] d'un parallélogramme ABCD.
Démontrer que les aires des deux parallélogrammes hachurés sont égales.
Vérification assez facile avec GéoPlan : le logiciel ne sait pas calculer l'aire d'un parallélogramme, mais il sait trouver la moitié de cette aire : l'aire d'un triangle formé par deux côtés et une diagonale.
Éléments d'Euclide : livre I, Proposition 43
Classe de cinquième
Montrer qu'une diagonale d'un parallélogramme le partage en deux triangles d'aires égales.
Démontrer que les aires hachurées sont égales en utilisant cette propriété dans les parallélogrammes ABCD, AIML et MKCJ.
Classe de troisième - assez difficile
Indication : (AB) étant parallèle à (CD), la propriété de Thalès dans les triangles rectangles AMG et CMH permet d'écrire : 
= 
.
(AD) étant parallèle à (BC), avec la propriété de Thalès dans les triangles ALM et CKM on a : = 
.
Par transitivité = .
Le produit des « extrêmes » est égal au produit des « moyens » :
KM × MG = LM × MH.
Aire(IBKM) = Aire(LMJD).
Télécharger la figure GéoPlan hom_par3.g2w
Cas particulier de rectangles en classe de quatrième, voir : les Éléments d'Euclide
Deux triangles dans un parallélogrammeM est un point libre sur la diagonale [AC] du parallélogramme ABCD.
Les aires des deux triangles hachurés sont égales.
Télécharger la figure GéoPlan hom_par6.g2w
Classe de cinquième
Un fermier possède un très grand champ en forme de parallélogramme ABCD à l'intérieur duquel se trouve un puits en un certain point M.
Se sentant mourir, il donne à son fils Pierre les deux champs triangulaires MAB et MCD et tout le reste à son autre fils Jean.
Un des frères est-il défavorisé ?
Il est possible de simplifier cet exercice en considérant un champ rectangulaire.
Défi « Héritage » - Jeune Archimède no 3 - 1990
Formulation plus classique :
M est un point à l'intérieur d'un parallélogramme ABCD.
Démontrer que la somme des aires des deux triangles hachurés est égale à celle des deux triangles non hachurés.
Indication : tracer les points H et K projections orthogonales de M sur (AB) et (CD). (HK) est perpendiculaire à (AB) et à (CD).
(HM) est une hauteur de ABM et Aire(ABM) = AB × HM.
(MK) est une hauteur de CDM et Aire(CDM) = CD × MK.
Dans le parallélogramme ABCD, les côtés [AB] et [CD] sont de même longueur.
D'où Aire(ABM) + Aire(CDM) = AB × HM + AB × MK = AB × (HM + MK).
Aire(ABM) + Aire(CDM) = AB × HK = Aire(ABCD).
La somme des aires des deux triangles hachurés est égale à la moitié de l'aire du parallélogramme. Celle des deux triangles non hachurés est égale à l'autre moitié. Le partage est équitable.
Télécharger la figure GéoPlan para_aire.g2w
ABCD est un trapèze. Les diagonales se coupent en I.
Classe de 5e
a. Les aires des deux triangles hachurés ADI et BCI sont égales.
Théorème du papillon : si la droite (AB) est parallèle à la droite (DC) alors Aire(ADI) = Aire(BCI).
Indication : tracer les points H et K projections orthogonales de I sur (AB) et (CD). (HK) est perpendiculaire à (AB) et à (CD).
Les triangles ABC et ABD ont même aire, égale à la moitié de la base AB, multipliée par la hauteur de longueur HK. En enlevant à ces deux triangles la surface du triangle CDI, on a bien Aire(ADI) = Aire(BCI).
Classe de 3e
b. Montrer que le rapport 
est égal au carré du rapport 
(Thalès…).
Indication : (AB) étant parallèle à (CD), la propriété de Thalès dans les triangles ABI et CDI permet d'écrire :
= 
= k.
De même, la propriété de Thalès dans les triangles rectangles AHI et CKI permet d'écrire :
= = k.
Aire(ABI) = AB × HI et Aire(CDI) = CD × KI d'où :
= × = 
= k2 car = = k.
En classe de seconde, on dira que les triangles ABI et CDI, ayant leurs trois angles respectivement égaux, sont semblables avec un coefficient d'agrandissement k. Cette démonstration montre que le rapport de leurs aires est k2.
Télécharger la figure GéoPlan trap_aire.g2w
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