Projection — version HTML

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Introduction

Les capacités attendues

  • Traduire vectoriellement le théorème de Thalès.

Recommandations pédagogiques

  • On évitera toute construction théorique de la notion de projection ;
  • On rappellera le théorème de Thalès (sens direct et sens réciproque), puis on introduira, à partir d’activités, la propriété de la conservation du coefficient de colinéarité de deux vecteurs par la projection.

Durée du Cours : 5h

Contrôle Continu

  • Ce chapitre doit représenter 15 %/3 pts du 1er Devoir (p. …)

Ce chapitre est consacré à la projection dans le plan. Nous commençons par la projection sur une droite parallèlement à une autre droite, puis nous particularisons au cas de la projection orthogonale. Nous étudions ensuite les propriétés de la projection vis-à-vis des segments, des milieux et des vecteurs, ce qui conduit à une formulation vectorielle du théorème de Thalès.

Prérequis
  • Vecteurs du plan et colinéarité
  • Droites parallèles et sécantes
  • Théorème de Thalès dans un triangle (rappels)

Projection sur une droite parallèlement à une autre

Projection sur une droite parallèlement à une autre

Soient \((\Delta)\) et \((D)\) deux droites sécantes et \(M\) un point du plan :

  • Il existe une unique droite passant par \(M\) et parallèle à \((\Delta)\) ;
  • Cette droite coupe \((D)\) en un point unique \(M'\) ;
  • Le point \(M'\) s'appelle le projeté de \(M\) sur \((D)\) parallèlement à \((\Delta)\).
(D) (Δ) M M'
Figure 1 — Projeté \(M'\) de \(M\) sur \((D)\) parallèlement à \((\Delta)\).
Remarque
Si \(M \in (D)\), alors le projeté de \(M\) sur \((D)\) parallèlement à \((\Delta)\) est \(M\) lui-même.

Projection orthogonale

Projection orthogonale
  • La projection sur une droite \((D)\) parallèlement à une droite perpendiculaire à \((D)\) s'appelle projection orthogonale sur \((D)\).
  • Le projeté d'un point \(M\) sur \((D)\) parallèlement à une droite perpendiculaire à \((D)\) s'appelle le projeté orthogonal de \(M\) sur \((D)\).
(D) (Δ) M M'
Figure 2 — Projeté orthogonal \(M'\) de \(M\) sur \((D)\).

Propriétés élémentaires

Points invariants

Soit \(P\) la projection sur \((D)\) parallèlement à \((\Delta)\).

  • Tout point de \((D)\) est confondu avec son projeté par la projection \(P\) ;
  • Tout point confondu avec son projeté par la projection \(P\) appartient à \((D)\).
(D) (Δ) M = M'
Figure 3 — Un point de \((D)\) est invariant par la projection.
Remarque
  • Si le projeté de \(M\) est \(M\) lui-même, on dit que \(M\) est invariant par la projection.
  • L'ensemble des points invariants par la projection sur \((D)\) parallèlement à \((\Delta)\) est la droite \((D)\) elle-même.
Antécédents d'un point

Soit \(A\) un point de \((D)\). L'ensemble des points ayant \(A\) comme projeté sur \((D)\) parallèlement à \((\Delta)\) est la droite passant par \(A\) et parallèle à \((\Delta)\).

(D) (Δ) A M N O
Figure 4 — Tous les points de la droite rouge se projettent en \(A\).
Indépendance vis-à-vis de la droite direction

Si \((\Delta')\) est parallèle à \((\Delta)\), alors la projection sur \((D)\) parallèlement à \((\Delta)\) est identique à la projection sur \((D)\) parallèlement à \((\Delta')\).

(D) (Δ) (Δ') M M'
Figure 5 — Deux directions parallèles donnent la même projection.
Remarque
La projection ne dépend que de la direction de \((\Delta)\).

Projection d'un segment

Projection d'un segment

Soient \(A\), \(B\) deux points distincts, \(A'\), \(B'\) leurs projetés sur \((D)\) parallèlement à \((\Delta)\). Alors le projeté du segment \([AB]\) est le segment \([A'B']\).

(D) (Δ) A B C A' B' C'
Figure 6 — Projection d'un segment \([AB]\) (avec un point \(C\) intermédiaire).
Conservation du milieu

Soient \(A'\), \(B'\) les projetés de \(A\), \(B\) sur \((D)\) parallèlement à \((\Delta)\). Alors le projeté du milieu de \([AB]\) est le milieu de \([A'B']\).

(D) (Δ) A B I A' B' I'
Figure 7 — La projection conserve le milieu.
Remarque
La projection conserve le milieu.

Théorème de Thalès vectoriel

Rappel : Théorème de Thalès direct dans un triangle

Théorème de Thalès direct (triangle)

Soit un triangle \(ABC\), et deux points \(M\) et \(N\) appartenant respectivement aux segments \([AB]\) et \([AC]\).

Si \((MN) \parallel (BC)\), alors :

\[ \frac{AM}{AB} = \frac{AN}{AC}. \]

Rappel : Théorème de Thalès réciproque dans un triangle

Théorème de Thalès réciproque (triangle)

Soit un triangle \(ABC\), et deux points \(M\) et \(N\) appartenant respectivement aux segments \([AB]\) et \([AC]\).

Si \(\dfrac{AM}{AB} = \dfrac{AN}{AC}\) et si les points \(A, M, B\) d'une part et \(A, N, C\) d'autre part sont dans le même ordre, alors :

\[ (MN) \parallel (BC). \]
Activité — Théorème de Thalès vectoriel

Soient deux droites sécantes \((D)\) et \((\Delta)\), et quatre points \(A, B, C, D\) du plan tels que \(A \neq B\). Soient \(A', B', C', D'\) leurs projections respectives sur \((D)\) parallèlement à \((\Delta)\).

  1. Supposons que les points \(A, B, C\) sont alignés et que \(\overrightarrow{AC} = \lambda \overrightarrow{AB}\). Montrer que \(\dfrac{A'C'}{A'B'} = \lambda\) et que \(\overrightarrow{A'C'} = \lambda \overrightarrow{A'B'}\).
  2. Supposons que \(\overrightarrow{AB} = \overrightarrow{CD}\). Montrer que \(\overrightarrow{A'B'} = \overrightarrow{C'D'}\).
  3. Supposons que \(\overrightarrow{CD} = \alpha \overrightarrow{AB}\). Montrer que \(\overrightarrow{C'D'} = \alpha \overrightarrow{A'B'}\).
Solution détaillée (Activité — Théorème de Thalès vectoriel)

Notation. Dans toute la suite, on note \(M'\) le projeté d'un point \(M\) sur \((D)\) parallèlement à \((\Delta)\). On rappelle que \((MM') \parallel (\Delta)\) pour tout point \(M\), et que si \(M\) et \(N\) sont deux points distincts, alors \((MN) \parallel (M'N')\) n'est pas nécessaire en général, mais \(M'N'\) est porté par \((D)\).

Cas 1 — Colinéarité et rapport de projection

On suppose que \(A, B, C\) sont alignés et que \(\overrightarrow{AC} = \lambda \overrightarrow{AB}\) avec \(\lambda > 0\).

(Δ) (D) A B C A' B' C' E F
Figure — Cas 1 : construction auxiliaire. La parallèle à \((AB)\) passant par \(A'\) coupe \((BB')\) en \(E\) et \((CC')\) en \(F\). Les quadrilatères \(ABEA'\) et \(ACFA'\) sont des parallélogrammes.
  1. Construction auxiliaire. On mène par \(A'\) la parallèle à \((AB)\). Elle coupe \((BB')\) en \(E\) et \((CC')\) en \(F\).

  2. Le quadrilatère \(ABEA'\) est un parallélogramme.

    • \((A'E) \parallel (AB)\) par construction ;
    • \((BE) \subset (BB')\) et \((BB') \parallel (\Delta)\) car \(B\) et \(B'\) se correspondent par projection ; de même \((AA') \parallel (\Delta)\). Donc \((BE) \parallel (AA')\).

    Un quadrilatère dont les côtés opposés sont parallèles deux à deux est un parallélogramme. Donc \(ABEA'\) est un parallélogramme, d'où :

    \[ A'E = AB. \]
  3. Le quadrilatère \(ACFA'\) est un parallélogramme. De même, \((A'F) \parallel (AC)\) et \((CF) \parallel (AA')\), donc \(ACFA'\) est un parallélogramme, d'où :

    \[ A'F = AC. \]
  4. Application du théorème de Thalès dans le triangle \(A'FC'\).

    Les points \(A', E, F\) sont alignés (sur la parallèle à \((AB)\) passant par \(A'\)) ; les points \(A', B', C'\) sont alignés (sur \((D)\)) ; et \((EB') \parallel (FC')\) car \((EB') \subset (BB')\) et \((FC') \subset (CC')\), toutes deux parallèles à \((\Delta)\).

    D'après le théorème de Thalès dans le triangle \(A'FC'\) :

    \[ \frac{A'E}{A'F} = \frac{A'B'}{A'C'}. \]

    En inversant les rapports :

    \[ \frac{A'F}{A'E} = \frac{A'C'}{A'B'}. \]

    Or \(A'E = AB\) et \(A'F = AC\), donc :

    \[ \frac{AC}{AB} = \frac{A'C'}{A'B'}. \]
  5. Conclusion. Comme \(\overrightarrow{AC} = \lambda \overrightarrow{AB}\) avec \(\lambda > 0\), les vecteurs \(\overrightarrow{AC}\) et \(\overrightarrow{AB}\) ont le même sens, donc \(\dfrac{AC}{AB} = \lambda\). Ainsi :

    \[ \frac{A'C'}{A'B'} = \lambda. \]

    De plus, la projection préserve l'ordre des points sur une droite : \(A, B, C\) ont le même ordre que \(A', B', C'\). Par conséquent, la relation entre longueurs se traduit en relation vectorielle :

    \[ \boxed{\overrightarrow{A'C'} = \lambda \overrightarrow{A'B'}}. \]

Cas 2 — Conservation des égalités vectorielles

On suppose que \(\overrightarrow{AB} = \overrightarrow{CD}\).

(Δ) (D) A B D C I A' B' C' D' I'
Figure — Cas 2 : \(ABDC\) est un parallélogramme de centre \(I\) ; \(I'\) est le projeté de \(I\). On montre alors \(\overrightarrow{A'B'} = \overrightarrow{C'D'}\).
  1. Interprétation géométrique. L'égalité vectorielle \(\overrightarrow{AB} = \overrightarrow{CD}\) équivaut à \(ABDC\) est un parallélogramme (éventuellement aplati) et ses diagonales \((AD)\) et \((BC)\) se coupent en leur milieu commun, noté \(I\).

  2. Propriété du milieu \(I\). Par définition de \(I\) :

    \[ \overrightarrow{IA} = -\overrightarrow{ID} \quad \text{et} \quad \overrightarrow{IC} = -\overrightarrow{IB}. \]
  3. Projection des relations vectorielles. Appliquons le résultat du Cas 1 avec \(\lambda = -1\) :

    • À la relation \(\overrightarrow{IA} = -\overrightarrow{ID}\) (les points \(I, A, D\) sont alignés) : on obtient \(\overrightarrow{I'A'} = -\overrightarrow{I'D'}\), c'est-à-dire \(\overrightarrow{A'I'} = \overrightarrow{I'D'}\). Donc \(I'\) est le milieu de \([A'D']\).
    • À la relation \(\overrightarrow{IC} = -\overrightarrow{IB}\) (les points \(I, C, B\) sont alignés) : on obtient \(\overrightarrow{I'C'} = -\overrightarrow{I'B'}\), c'est-à-dire \(\overrightarrow{C'I'} = \overrightarrow{I'B'}\). Donc \(I'\) est le milieu de \([B'C']\).
  4. Calcul vectoriel avec la relation de Chasles. On souhaite comparer \(\overrightarrow{A'B'}\) et \(\overrightarrow{C'D'}\). Introduisons le point \(I'\) dans \(\overrightarrow{A'B'}\) par la relation de Chasles :

    \[ \overrightarrow{A'B'} = \overrightarrow{A'I'} + \overrightarrow{I'B'}. \]

    Or, d'après l'étape précédente :

    • \(I'\) est le milieu de \([A'D']\), donc \(\overrightarrow{A'I'} = \overrightarrow{I'D'}\) ;
    • \(I'\) est le milieu de \([B'C']\), donc \(\overrightarrow{I'B'} = -\overrightarrow{I'C'}\).

    On en déduit :

    \[ \overrightarrow{A'B'} = \overrightarrow{I'D'} - \overrightarrow{I'C'} = \overrightarrow{I'D'} + \overrightarrow{C'I'}. \]

    En utilisant à nouveau la relation de Chasles pour regrouper \(\overrightarrow{C'I'}\) et \(\overrightarrow{I'D'}\) :

    \[ \overrightarrow{C'I'} + \overrightarrow{I'D'} = \overrightarrow{C'D'}. \]

    D'où finalement :

    \[ \boxed{\overrightarrow{A'B'} = \overrightarrow{C'D'}}. \]

Cas 3 — Conservation du coefficient de colinéarité

On suppose que \(\overrightarrow{CD} = \alpha \overrightarrow{AB}\).

(Δ) (D) A B C E D A' B' C' E' D'
Figure — Cas 3 : on construit \(E\) tel que \(\overrightarrow{CE} = \overrightarrow{AB}\). Comme \(\overrightarrow{CD} = \alpha \overrightarrow{CE}\), les points \(C, E, D\) sont alignés. On applique alors le Cas 2 (pour \(\overrightarrow{A'B'} = \overrightarrow{C'E'}\)) puis le Cas 1 (pour \(\overrightarrow{C'D'} = \alpha \overrightarrow{C'E'}\)).
  1. Construction du point auxiliaire \(E\). Soit \(E\) le point défini par :

    \[ \overrightarrow{CE} = \overrightarrow{AB}. \]

    Alors, par hypothèse :

    \[ \overrightarrow{CD} = \alpha \overrightarrow{AB} = \alpha \overrightarrow{CE}. \]

    Cette relation signifie que les vecteurs \(\overrightarrow{CD}\) et \(\overrightarrow{CE}\) sont colinéaires ; donc les points \(C, E, D\) sont alignés.

  2. Application du Cas 2. Puisque \(\overrightarrow{CE} = \overrightarrow{AB}\), le résultat du Cas 2 (appliqué aux points \(A, B, C, E\)) donne :

    \[ \overrightarrow{A'B'} = \overrightarrow{C'E'}. \]
  3. Application du Cas 1. Les points \(C, E, D\) sont alignés et \(\overrightarrow{CD} = \alpha \overrightarrow{CE}\). En appliquant le résultat du Cas 1 (avec \(A \leftrightarrow C\), \(B \leftrightarrow E\), \(C \leftrightarrow D\) et \(\lambda = \alpha\)), on obtient :

    \[ \overrightarrow{C'D'} = \alpha \overrightarrow{C'E'}. \]

    Remarque : si \(\alpha < 0\), l'argument d'ordre doit être adapté (les points \(C, E, D\) ne sont plus dans le même ordre que leurs projetés), mais la relation vectorielle reste valable par linéarité de la projection.

  4. Conclusion. En combinant les deux relations précédentes :

    \[ \overrightarrow{C'D'} = \alpha \overrightarrow{C'E'} = \alpha \overrightarrow{A'B'}. \]

    D'où :

    \[ \boxed{\overrightarrow{C'D'} = \alpha \overrightarrow{A'B'}}. \]
Bilan de l'activité

Les trois cas étudiés montrent que la projection sur \((D)\) parallèlement à \((\Delta)\) :

  • elle préserve les alignements et l'ordre des points ;
  • elle préserve les milieux (Cas 1 avec \(\lambda = -1\)) ;
  • elle préserve les égalités vectorielles (Cas 2) ;
  • elle préserve les coefficients de colinéarité (Cas 3).

Ces résultats constituent la version vectorielle du théorème de Thalès. Le point clé de la démonstration est l'utilisation systématique de la relation de Chasles pour décomposer les vecteurs et exploiter les milieux \(I\) et \(I'\).

Théorème de Thalès direct (vectoriel)

Soient \((D)\), \((\Delta)\) deux droites sécantes, \(A, B, C\) trois points alignés avec \(A \neq B\). Soient \(A', B', C'\) leurs projetés sur \((D)\) parallèlement à \((\Delta)\).

Si \(\overrightarrow{AC} = \lambda \overrightarrow{AB}\), alors \(\overrightarrow{A'C'} = \lambda \overrightarrow{A'B'}\).

Conservation des égalités vectorielles
  • Si \(\overrightarrow{AB} = \overrightarrow{CD}\), alors \(\overrightarrow{A'B'} = \overrightarrow{C'D'}\) ;
  • Si \(\overrightarrow{CD} = \alpha \overrightarrow{AB}\), alors \(\overrightarrow{C'D'} = \alpha \overrightarrow{A'B'}\).
Remarque
La projection conserve le coefficient de colinéarité.
Théorème de Thalès réciproque (vectoriel)

Soient \(A, B, C\) alignés, \(A', B'\) leurs projetés sur \((D)\) parallèlement à \((\Delta)\).

Si \(\overrightarrow{AC} = \lambda \overrightarrow{AB}\) et \(\overrightarrow{A'C'} = \lambda \overrightarrow{A'B'}\), alors \(C'\) est le projeté de \(C\).


Projection et somme de vecteurs

Activité — Projection et somme de vecteurs

Soient \((D)\) et \((\Delta)\) deux droites sécantes. Les points \(A, B, C, D, E, F\) du plan vérifient :

\[ \overrightarrow{AB} + \overrightarrow{CD} = \overrightarrow{EF}. \]

Les points \(A', B', C', D', E', F'\) sont leurs projections sur \((D)\) parallèlement à \((\Delta)\). Soit \(S\) un point tel que \(\overrightarrow{CD} = \overrightarrow{BS}\), et \(S'\) sa projection sur \((D)\) parallèlement à \((\Delta)\).

  1. Montrer que \(\overrightarrow{E'F'} = \overrightarrow{A'S'}\) et \(\overrightarrow{C'D'} = \overrightarrow{B'S'}\).
  2. En déduire que \(\overrightarrow{A'B'} + \overrightarrow{C'D'} = \overrightarrow{E'F'}\).
(D) (Δ) A B C D E F S A′ B′ C′ D′ E′ F′ S′
Figure 9 — Configuration de l'activité sur la somme de vecteurs.
Solution (Activité — Projection et somme de vecteurs)

On a \(\overrightarrow{AB} + \overrightarrow{CD} = \overrightarrow{EF}\) et, puisque \(\overrightarrow{BS} = \overrightarrow{CD}\), alors :

\[ \overrightarrow{AB} + \overrightarrow{BS} = \overrightarrow{EF}, \quad\text{ainsi}\quad \overrightarrow{AS} = \overrightarrow{EF}. \]

D'après les propriétés de conservation des égalités vectorielles :

\[ \overrightarrow{C'D'} = \overrightarrow{B'S'} \quad \text{et} \quad \overrightarrow{E'F'} = \overrightarrow{A'S'}. \]

On a alors :

\[ \overrightarrow{A'B'} + \overrightarrow{C'D'} = \overrightarrow{A'B'} + \overrightarrow{B'S'} = \overrightarrow{A'S'} = \overrightarrow{E'F'}. \]
Projection et somme vectorielle

Soient \(A, B, C, D, E, F\) des points du plan, \(A', B', C', D', E', F'\) leurs projetés sur \((D)\) parallèlement à \((\Delta)\).

Si \(\overrightarrow{AB} + \overrightarrow{CD} = \overrightarrow{EF}\), alors :

\[ \overrightarrow{A'B'} + \overrightarrow{C'D'} = \overrightarrow{E'F'}. \]

Exercices

Exercice 1 — Rectangle et projection

Soit \(ABCD\) un rectangle, et \(I\) le milieu de \([AB]\). Les segments \([IC]\) et \([BD]\) se coupent en un point \(M\).

  1. Montrer que \(\overrightarrow{MB} = -\dfrac{1}{2} \overrightarrow{MD}\).
  2. En déduire que \(\overrightarrow{BM} = \dfrac{1}{3} \overrightarrow{BD}\).
Exercice 2 — Projeté d'un point

Soit \(ABC\) un triangle et \(E\) un point tel que \(\overrightarrow{EA} + \overrightarrow{EB} = \overrightarrow{0}\).

  1. Exprimer \(\overrightarrow{AE}\) en fonction de \(\overrightarrow{AB}\).
  2. Soit \(F\) le projeté de \(E\) sur \((AC)\) parallèlement à \((BC)\). Montrer que \(\overrightarrow{AF} = \dfrac{4}{5} \overrightarrow{AC}\).
Exercice 3 — Trapèze et projections

Soit \(ABCD\) un trapèze tel que \((AB) \parallel (CD)\) et \(AB < CD\). Soit \(I\) le point d'intersection des diagonales.

  • \(J\) est le projeté de \(I\) sur \((AB)\) parallèlement à \((BC)\) ;
  • \(K\) est le projeté de \(I\) sur \((AD)\) parallèlement à \((BC)\).
  1. Comparer \(\dfrac{AJ}{AB}\) et \(\dfrac{AI}{AC}\).
  2. Montrer que \((JK) \parallel (BD)\).
Exercice 4 — Triangle rectangle et projection orthogonale

Soit \(ABC\) un triangle rectangle en \(B\), et \(I\) le milieu de \([BC]\). Soit \(G\) un point de \([AI]\) tel que \(\overrightarrow{GA} = -2\overrightarrow{GI}\), et soit \(H\) le projeté orthogonal de \(G\) sur \((BC)\).

  1. Montrer que \(\overrightarrow{HB} = -2\overrightarrow{HI}\).
  2. En déduire que \(\overrightarrow{BH} = \dfrac{1}{3} \overrightarrow{BC}\).
Exercice 5 — Projetés sur \((BC)\)

Soit \(ABC\) un triangle et \(A'\) le milieu de \([BC]\). Soit \(D\) un point tel que \(\overrightarrow{AD} = \dfrac{3}{4} \overrightarrow{AA'}\).

  1. Construire les points \(E\) et \(F\) tels que :
    • \(E\) est le projeté de \(D\) sur \((BC)\) parallèlement à \((AB)\) ;
    • \(F\) est le projeté de \(D\) sur \((BC)\) parallèlement à \((AC)\).
  2. Montrer que \(\overrightarrow{BE} = \dfrac{3}{4} \overrightarrow{BA'}\) et \(\overrightarrow{CF} = \dfrac{3}{4} \overrightarrow{CA'}\).
Exercice 6 — Milieu et parallélisme

Soit \(ABC\) un triangle et \(D\) un point tel que \(\overrightarrow{AD} = \dfrac{2}{3} \overrightarrow{AC}\). Soit \(E\) le symétrique de \(A\) par rapport à \(B\). Les droites \((ED)\) et \((BC)\) se coupent en un point \(O\).

  1. Soit \(K\) le milieu de \([AD]\). Montrer que \((KB) \parallel (OD)\).
  2. Montrer que \(O\) est le milieu de \([BC]\).
Exercice 7 — Projection et colinéarité

Soit \(ABC\) un triangle et \(M\) un point du plan défini par \(\overrightarrow{AM} = \dfrac{2}{3} \overrightarrow{AB}\).

  1. Tracer le point \(M'\), projeté de \(M\) sur la droite \((AC)\) parallèlement à \((BC)\).
  2. Démontrer que \(\overrightarrow{AM'} = \dfrac{2}{3} \overrightarrow{AC}\).
  3. En déduire que \(\overrightarrow{MM'} = \dfrac{2}{3} \overrightarrow{BC}\).
Exercice 8 — Projetés successifs

Soit \(ABC\) un triangle et \(M\) un point tel que \(\overrightarrow{AM} = \dfrac{2}{5} \overrightarrow{AB}\). On définit :

  • \(M_1\) : projeté de \(M\) sur \((AC)\) parallèlement à \((BC)\) ;
  • \(M_2\) : projeté de \(M_1\) sur \((BC)\) parallèlement à \((AB)\) ;
  • \(M'\) : projeté de \(M_2\) sur \((AB)\) parallèlement à \((AC)\).
  1. Construire une figure.
  2. Exprimer \(\overrightarrow{BM'}\) en fonction de \(\overrightarrow{BA}\).
  3. Démontrer que les segments \([AB]\) et \([MM']\) ont le même milieu.
Exercice 9 — Droites parallèles et rapports

Soit \(ABC\) un triangle. On considère les points \(E\) et \(F\) tels que :

\[ \overrightarrow{AE} = \frac{1}{3} \overrightarrow{AB}, \quad \overrightarrow{AF} = \frac{4}{5} \overrightarrow{AC}. \]
  • La parallèle à \((EC)\) passant par \(F\) coupe \((AB)\) en \(I\) ;
  • La parallèle à \((BF)\) passant par \(E\) coupe \((AC)\) en \(J\).
  1. Construire une figure.
  2. Exprimer \(\overrightarrow{AI}\) en fonction de \(\overrightarrow{AE}\).
  3. Exprimer \(\overrightarrow{AJ}\) en fonction de \(\overrightarrow{AF}\).
  4. Démontrer que \(\overrightarrow{AJ} \cdot \overrightarrow{AC} = \overrightarrow{AI} \cdot \overrightarrow{AB}\).
  5. En déduire que les droites \((BC)\) et \((IJ)\) sont parallèles.
Exercice 10 — Rapport de longueurs

Soit \(ABC\) un triangle et \(M\) un point du segment \([AB]\). On définit :

  • \(L\) : projeté de \(M\) sur \((AC)\) parallèlement à \((BC)\) ;
  • \(J\) : projeté de \(L\) sur \((BC)\) parallèlement à \((AB)\).
  1. Construire une figure.
  2. Démontrer que \(\dfrac{ML}{BC} = 1 - \dfrac{CJ}{CB}\).
Exercice 11 — Trapèze et parallélogramme

Soit \(ABCD\) un trapèze de bases \([AB]\) et \([DC]\). Soit \(M\) un point tel que \(\overrightarrow{BM} = \dfrac{1}{3} \overrightarrow{BA}\). On définit :

  • \(N\) : projeté de \(M\) sur \((BC)\) parallèlement à \((AC)\) ;
  • \(P\) : projeté de \(N\) sur \((DC)\) parallèlement à \((DB)\).
  1. Construire une figure.
  2. Démontrer que \(\overrightarrow{DP} = \dfrac{1}{3} \overrightarrow{DC}\).
  3. Construire le point \(Q\) tel que \(\overrightarrow{DQ} = \dfrac{1}{3} \overrightarrow{DA}\).
  4. Démontrer que le quadrilatère \(MNPQ\) est un parallélogramme.
Exercice 12 — Moyenne harmonique et construction

Soit \(ABC\) un triangle et \(M\) un point du segment \([BC]\). On définit :

  • \(N\) : projeté de \(B\) sur \((AC)\) parallèlement à \((AM)\) ;
  • \(P\) : projeté de \(C\) sur \((AB)\) parallèlement à \((AM)\).
  1. Construire une figure.
  2. Démontrer que \(\dfrac{MA}{NB} = \dfrac{CM}{CB}\).
  3. Démontrer que \(\dfrac{MA}{CP} = \dfrac{BM}{CB}\).
  4. En déduire que \(\dfrac{1}{MA} = \dfrac{1}{NB} + \dfrac{1}{CP}\).
  5. Proposer un algorithme de construction d'un segment de longueur \(h\) vérifiant \(\dfrac{1}{h} = \dfrac{1}{a} + \dfrac{1}{b}\), où \(a\) et \(b\) sont deux longueurs données.
Exercice 13 — Droite coupant un triangle

Soit \(ABC\) un triangle et \((D)\) une droite coupant \((AB)\), \((AC)\) et \((BC)\) respectivement en \(P\), \(N\) et \(M\). La parallèle à \((AB)\) passant par \(C\) coupe \((D)\) en \(E\).

  1. Construire une figure.
  2. Comparer les rapports :
    1. \(\dfrac{MB}{MC}\) et \(\dfrac{BP}{CE}\) ;
    2. \(\dfrac{NC}{NA}\) et \(\dfrac{CE}{AP}\).
  3. En déduire que \(\dfrac{MB}{MC} \times \dfrac{NC}{NA} \times \dfrac{PA}{PB} = 1\).
Exercice 14 — Parallélogramme et projections

Soit \(ABCD\) un parallélogramme avec l'angle \(\widehat{DAB}\) obtus. Soient \(F\) et \(E\) deux points tels que :

\[ \overrightarrow{AE} = -\frac{1}{3} \overrightarrow{AB}, \quad \overrightarrow{AF} = \frac{2}{3} \overrightarrow{AD}. \]

Soit \(K\) l'intersection de \((AC)\) et \((EF)\). On projette les points \(B\) et \(D\) sur \((AC)\) parallèlement à \((EF)\), et on note \(B'\) et \(D'\) les projetés respectifs de \(B\) et \(D\) sur \((AC)\) parallèlement à \((AD)\) et \((BC)\). Montrer que les segments \([BB']\) et \([DD']\) ont le même milieu.

  • Montrer que \(\overrightarrow{AK} = -\dfrac{1}{3} \overrightarrow{AB}\).
  • Exprimer \(\overrightarrow{AC}\) en fonction de \(\overrightarrow{AK}\).
Exercice 15 — Trapèze et milieu

Soit \(ABCD\) un trapèze de bases \([AB]\) et \([CD]\) tel que \(CD = 2AB\). Soit \(I\) le point d'intersection des diagonales. Soient \(E\) le projeté de \(I\) sur \((CD)\) parallèlement à \((BC)\), et \(F\) le projeté de \(I\) sur \((CD)\) parallèlement à \((AD)\).

  1. Montrer que \(\overrightarrow{AI} = -\dfrac{1}{3} \overrightarrow{BD}\).
  2. En déduire que les segments \([AE]\) et \([CF]\) ont le même milieu.
Exercice 16 — Projection et aires

Soit \(ABC\) un triangle et \(M\) un point tel que \(\overrightarrow{AM} = \alpha \cdot \overrightarrow{AB}\), avec \(\alpha \neq 1\). Soit \(N\) le projeté de \(M\) sur \((AC)\) parallèlement à \((BC)\), et soit \(H\) le pied de la hauteur issue de \(A\) sur \((BC)\). Soit \(I\) l'intersection de \((MN)\) et \((AH)\).

  • Montrer que \(\overrightarrow{BI} = -\alpha \cdot \overrightarrow{AH}\).
  • Soient \(S\) et \(S'\) les aires des triangles \(ABC\) et \(AMN\) respectivement. Montrer que \(S' = \alpha^2 \cdot S\).
Exercice 17 — Synthèse
  1. Soit \(ABCD\) un parallélogramme avec \(\widehat{DAB}\) angle obtus. Soient \(E\) et \(F\) deux points tels que \(\dfrac{1}{3} AB = \dfrac{2}{3} AD\). Soit \(K\) l'intersection de \((AC)\), et \(B'\) le projeté de \(B\) et \(D\) sur \((AC)\) parallèlement à \((EF)\).

    1. Montrer que \([BC]\) et \([AD]\) ont le même milieu.
    2. Montrer que \(\dfrac{1}{3} AB' = \dfrac{2}{3} AD'\).
    3. Exprimer \(\overrightarrow{AC}\) en fonction de \(\overrightarrow{AK}\).
  2. Soit \(ABC\) un triangle et \(M\) un point tel que \(\overrightarrow{AM} = \alpha \cdot \overrightarrow{AB}\) et \(\overrightarrow{AN} = \alpha \cdot \overrightarrow{AC}\) avec \(\alpha \in \mathbb{R}^*\). Soit \(H\) le projeté orthogonal de \(A\) sur \((BC)\). Soit \(I\) l'intersection de \((MN)\) et \((AH)\) avec \(\overrightarrow{AI} = \alpha \cdot \overrightarrow{AH}\) et \(\overrightarrow{MN} = \alpha \cdot \overrightarrow{BC}\).

    1. Montrer que \(\dfrac{S}{S'} = \alpha^2\), où \(S'\) et \(S\) sont les aires des triangles \(AMN\) et \(ABC\) respectivement.

À retenir

Points clés
  • La projection sur \((D)\) parallèlement à \((\Delta)\) ne dépend que de la direction de \((\Delta)\).
  • La projection conserve le milieu et, plus généralement, les coefficients de colinéarité.
  • Elle est compatible avec l'addition vectorielle : \(\overrightarrow{AB} + \overrightarrow{CD} = \overrightarrow{EF} \Rightarrow \overrightarrow{A'B'} + \overrightarrow{C'D'} = \overrightarrow{E'F'}\).
  • Le théorème de Thalès admet une formulation purement vectorielle via la projection.

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