Ce cours sur le barycentre dans le plan pour la 1ère Bac Sc Ex présente la définition, les propriétés, l’associativité et les lignes de niveau, avec exercices corrigés. Retrouvez les autres leçons dans la catégorie 1Bac Sc Ex.
Cours sur le barycentre dans le plan 1ère Bac
Le Barycentre dans le plan
Points pondérés, propriété caractéristique, associativité et applications.
corrigés
1Activités d’introduction
Indication : \(500\overrightarrow{MA} + 350\overrightarrow{MB} = \vec{0}\), donc \(M\) est le barycentre de \((A, 500)\) et \((B, 350)\).
- Montrer qu’il existe un et un seul point \(G\) tel que \(2\overrightarrow{AG} – 2\overrightarrow{BG} + 2\overrightarrow{CG} = \vec{0}\).
- Tracer \(G\).
- Si le plan est rapporté au repère \((A, \overrightarrow{AB}, \overrightarrow{AI})\) où \(I\) est le milieu de \([AC]\), quelles sont les coordonnées de \(G\) ?
2Définitions et vocabulaire
3Barycentre de deux points pondérés
3.1 Propriétés
3.2 Coordonnées du barycentre
4Barycentre de trois points pondérés
4.1 Associativité (barycentre partiel)
- La somme des poids est \(1 – 1 + 3 = 3 \ne 0\).
- En posant \(M = B\) : \(3\overrightarrow{BG} = \overrightarrow{BA} + 3\overrightarrow{BC}\), donc \(\overrightarrow{BG} = \frac{1}{3}\overrightarrow{BA} + \overrightarrow{BC}\).
4.2 Coordonnées du barycentre de 3 points
5Barycentre de quatre points pondérés
6Exercices corrigés
Cherche d’abord seul(e), puis ouvre la solution pour vérifier.
Soit \(ABC\) un triangle et \(I = \text{Bar}\{(B, 4); (C, -3)\}\). Déterminer les coordonnées de \(I\) dans le repère \((A, \overrightarrow{AB}, \overrightarrow{AC})\).
Voir la solution
\(4\overrightarrow{IB} – 3\overrightarrow{IC} = \vec{0}\), donc \((4 – 3)\overrightarrow{AI} = 4\overrightarrow{AB} – 3\overrightarrow{AC}\), soit \(\overrightarrow{AI} = 4\overrightarrow{AB} – 3\overrightarrow{AC}\).
Donc \(I(4, -3)\) dans le repère \((A, \overrightarrow{AB}, \overrightarrow{AC})\).
Soient \(E\) et \(F\) deux points du plan tels que \(\overrightarrow{EG} = 2\overrightarrow{EF}\), \(E \in (AB)\), et \(G\) est le barycentre de \((A, 2)\) et \((B, -3)\).
1) Montrer que \(G\) est le barycentre de \((E, -1)\) et \((F, 2)\).
2) En déduire que les droites \((EF)\) et \((AB)\) se coupent et déterminer le point d’intersection.
Voir la solution
1) \(\overrightarrow{EG} = 2\overrightarrow{EF} = 2(\overrightarrow{EG} + \overrightarrow{GF}) = 2\overrightarrow{EG} + 2\overrightarrow{GF}\).
Donc \(-\overrightarrow{EG} – 2\overrightarrow{GF} = \vec{0}\), soit \(\overrightarrow{GE} + 2\overrightarrow{GF} = \vec{0}\).
Donc \(G = \text{Bar}\{(E, -1); (F, 2)\}\).
2) \(G \in (EF)\) (car barycentre de \(E\) et \(F\)) et \(G \in (AB)\) (car barycentre de \(A\) et \(B\)). Donc les droites \((EF)\) et \((AB)\) se coupent en \(G\).
Dans le plan rapporté à un repère \((O, \vec{i}, \vec{j})\), soient \(A(0, 5)\) et \(B(3, 2)\), et \(G = \text{Bar}\{(A, 1); (B, 2)\}\).
1) Déterminer les coordonnées de \(G\).
2) Déterminer et dessiner l’ensemble \((C) = \{M \in \mathcal{P} \mid \|\overrightarrow{MA} + 2\overrightarrow{MB}\| = 6\}\).
Voir la solution
1) \(x_G = \frac{0 + 6}{3} = 2\) et \(y_G = \frac{5 + 4}{3} = 3\). Donc \(G(2, 3)\).
2) D’après la propriété caractéristique, \(\overrightarrow{MA} + 2\overrightarrow{MB} = 3\overrightarrow{MG}\).
Donc \(\|3\overrightarrow{MG}\| = 6 \iff 3\,MG = 6 \iff MG = 2\).
L’ensemble \((C)\) est le cercle de centre \(G\) et de rayon \(r = 2\) cm.
Soit \(ABC\) un triangle et \(G\) un point tel que \(2\overrightarrow{AC} = 3\overrightarrow{AG} – \overrightarrow{GB}\).
1) Montrer que \(G\) est le barycentre de \(\{(A, 1); (B, 1); (C, 2)\}\) et construire \(G\).
Voir la solution
\(2\overrightarrow{AC} = 3\overrightarrow{AG} – \overrightarrow{GB} \iff 2\overrightarrow{AC} – 3\overrightarrow{AG} + \overrightarrow{GB} = \vec{0}\).
Or \(2\overrightarrow{AC} = 2(\overrightarrow{AG} + \overrightarrow{GC}) = 2\overrightarrow{AG} + 2\overrightarrow{GC}\).
Donc : \(2\overrightarrow{AG} + 2\overrightarrow{GC} – 3\overrightarrow{AG} + \overrightarrow{GB} = \vec{0}\), soit \(-\overrightarrow{AG} + \overrightarrow{GB} + 2\overrightarrow{GC} = \vec{0}\).
Soit \(\overrightarrow{GA} + \overrightarrow{GB} + 2\overrightarrow{GC} = \vec{0}\). Donc \(G = \text{Bar}\{(A, 1); (B, 1); (C, 2)\}\).
Pour construire : \(\overrightarrow{AG} = \frac{1}{4}\overrightarrow{AB} + \frac{2}{4}\overrightarrow{AC}\).
En utilisant la propriété d’associativité, construire le barycentre \(G\) du système \(\{(A, 2); (B, -3); (C, 5)\}\).
Voir la solution
Soit \(E = \text{Bar}\{(A, 2); (B, -3)\}\). D’après la propriété caractéristique : \(-1\overrightarrow{ME} = 2\overrightarrow{MA} – 3\overrightarrow{MB}\).
En \(M = A\) : \(-\overrightarrow{AE} = -3\overrightarrow{AB}\), donc \(\overrightarrow{AE} = 3\overrightarrow{AB}\).
Par associativité : \(G = \text{Bar}\{(E, -1); (C, 5)\}\).
D’après la propriété caractéristique : \(4\overrightarrow{EG} = 5\overrightarrow{EC}\), donc \(\overrightarrow{EG} = \frac{5}{4}\overrightarrow{EC}\).
Soit \(ABC\) un triangle, \(G\) son centre de gravité et \(I\) le milieu de \([BC]\). Montrer que \(G\) est le barycentre de \((A, 1)\) et \((I, 2)\).
Voir la solution
\(G\) est le centre de gravité de \(ABC\), donc \(G = \text{Bar}\{(A, 1); (B, 1); (C, 1)\}\).
\(I\) est le milieu de \([BC]\), donc \(I = \text{Bar}\{(B, 1); (C, 1)\}\).
Par associativité : \(G = \text{Bar}\{(A, 1); (I, 2)\}\).
Soit \(ABC\) un triangle. Pour tout point \(M\), on pose \(V = 2\overrightarrow{MA} + \overrightarrow{MB} – 3\overrightarrow{MC}\).
1) Réduire \(V\) et montrer qu’il ne dépend pas de \(M\).
2) Soit \(K = \text{Bar}\{(C, -3); (B, 1)\}\). Montrer que \(V = 2\overrightarrow{KA}\).
3) Soit \(G = \text{Bar}\{(A, 2); (B, -1); (C, -3)\}\). Montrer que \(2\overrightarrow{MA} – \overrightarrow{MB} – 3\overrightarrow{MC} = 2\overrightarrow{GM}\).
4) En déduire l’ensemble des points \(M\) tels que \(\|2\overrightarrow{MA} – \overrightarrow{MB} – 3\overrightarrow{MC}\| = \|2\overrightarrow{MA} + \overrightarrow{MB} – 3\overrightarrow{MC}\|\).
Voir la solution
1) \(V = 2\overrightarrow{MA} + (\overrightarrow{MA} + \overrightarrow{AB}) – 3(\overrightarrow{MA} + \overrightarrow{AC}) = \overrightarrow{AB} – 3\overrightarrow{AC}\). Donc \(V\) ne dépend pas de \(M\).
2) En \(M = K\) : \(2\overrightarrow{KA} + \overrightarrow{KB} – 3\overrightarrow{KC} = \overrightarrow{AB} – 3\overrightarrow{AC}\). Or \(K = \text{Bar}\{(C, -3); (B, 1)\}\) donne \(\overrightarrow{KB} – 3\overrightarrow{KC} = \vec{0}\). Donc \(2\overrightarrow{KA} = \overrightarrow{AB} – 3\overrightarrow{AC} = V\).
3) Par la propriété caractéristique : \(2\overrightarrow{MA} – \overrightarrow{MB} – 3\overrightarrow{MC} = (2 – 1 – 3)\overrightarrow{MG} = -2\overrightarrow{MG} = 2\overrightarrow{GM}\).
4) L’équation devient \(\|2\overrightarrow{GM}\| = \|2\overrightarrow{KA}\| \iff GM = KA\).
L’ensemble est le cercle de centre \(G\) et de rayon \(r = KA\).
Soit \(ABC\) un triangle tel que \(AC = 6\) cm, \(AB = 5\) cm, \(BC = 4\) cm.
a) Construire \(G = \text{Bar}\{(A, 1); (B, 2); (C, 1)\}\).
b) Déterminer et construire \((E) = \{M \mid \|\overrightarrow{MA} + 2\overrightarrow{MB} + \overrightarrow{MC}\| = AC\}\).
c) Déterminer et construire \((F) = \{M \mid \|\overrightarrow{MA} + 2\overrightarrow{MB} + \overrightarrow{MC}\| = \|3\overrightarrow{MA} + \overrightarrow{MC}\|\}\).
Voir la solution
a) \(G = \text{Bar}\{(A, 1); (B, 2); (C, 1)\}\). En posant \(I\) le milieu de \([AC]\), \(I = \text{Bar}\{(A, 1); (C, 1)\}\). Par associativité : \(G = \text{Bar}\{(B, 2); (I, 2)\}\), donc \(G\) est le milieu de \([BI]\).
b) \(\overrightarrow{MA} + 2\overrightarrow{MB} + \overrightarrow{MC} = 4\overrightarrow{MG}\). L’équation devient \(4\,MG = AC = 6\), donc \(MG = 1{,}5\) cm.
\((E)\) est le cercle de centre \(G\) et de rayon 1,5 cm.
c) Soit \(G’ = \text{Bar}\{(A, 3); (C, 1)\}\). Alors \(3\overrightarrow{MA} + \overrightarrow{MC} = 4\overrightarrow{MG’}\).
L’équation devient \(4\,MG = 4\,MG’ \iff MG = MG’\).
\((F)\) est la médiatrice du segment \([GG’]\).
Dans le plan rapporté à un repère \((O, \vec{i}, \vec{j})\), soient \(A(-1, 1)\), \(B(0, 2)\), \(C(1, -1)\), \(D(1, 0)\).
1) Déterminer les coordonnées de \(K = \text{Bar}\{(A, 2); (B, 3)\}\).
2) Déterminer les coordonnées de \(L\), centre de gravité du triangle \(ABC\).
3) Déterminer les coordonnées du barycentre des points \((A, 2), (B, 3), (C, 1), (D, -1)\).
Voir la solution
1) \(x_K = \frac{2(-1) + 3(0)}{5} = -\frac{2}{5}\) et \(y_K = \frac{2(1) + 3(2)}{5} = \frac{8}{5}\). Donc \(K\left(-\frac{2}{5}, \frac{8}{5}\right)\).
2) \(x_L = \frac{-1 + 0 + 1}{3} = 0\) et \(y_L = \frac{1 + 2 – 1}{3} = \frac{2}{3}\). Donc \(L\left(0, \frac{2}{3}\right)\).
3) Somme des poids : \(2 + 3 + 1 – 1 = 5\).
\(x_G = \frac{2(-1) + 3(0) + 1(1) + (-1)(1)}{5} = \frac{-2 + 0 + 1 – 1}{5} = -\frac{2}{5}\).
\(y_G = \frac{2(1) + 3(2) + 1(-1) + (-1)(0)}{5} = \frac{2 + 6 – 1}{5} = \frac{7}{5}\).
Donc \(G\left(-\frac{2}{5}, \frac{7}{5}\right)\).
Soit \(ABCD\) un quadrilatère convexe. Soit \(H = \text{Bar}\{(A, 2); (B, 5); (C, -1)\}\) et \(K = \text{Bar}\{(B, 5); (C, -1); (D, 6)\}\). Soit \(E = \text{Bar}\{(C, -1); (B, 5)\}\).
1) Montrer que \(\overrightarrow{BE} = -\frac{1}{4}\overrightarrow{BC}\) et construire \(E\).
2) Montrer que \(H = \text{Bar}\{(A, 1); (E, 2)\}\) et construire \(H\).
3) Montrer que \(K = \text{Bar}\{(D, -3); (E, 2)\}\).
4) a) Montrer que \(D = \text{Bar}\{(K, 1); (E, 2)\}\). b) En déduire que \((AK) \parallel (DH)\).
Voir la solution
1) \(E = \text{Bar}\{(C, -1); (B, 5)\}\), donc \(-\overrightarrow{ME} + 5\overrightarrow{MB} = 4\overrightarrow{ME}\) pour tout \(M\). En \(M = B\) : \(\overrightarrow{BE} = -\frac{1}{4}\overrightarrow{BC}\).
2) \(H = \text{Bar}\{(A, 2); (B, 5); (C, -1)\}\). Or \(E = \text{Bar}\{(B, 5); (C, -1)\}\) avec somme \(4\). Par associativité : \(H = \text{Bar}\{(A, 2); (E, 4)\} = \text{Bar}\{(A, 1); (E, 2)\}\).
3) \(K = \text{Bar}\{(B, 5); (C, -1); (D, 6)\}\). Par associativité avec \(E = \text{Bar}\{(B, 5); (C, -1)\}\) (somme 4) : \(K = \text{Bar}\{(E, 4); (D, 6)\} = \text{Bar}\{(E, 2); (D, 3)\}\). Puis en multipliant par \(-1\) : \(K = \text{Bar}\{(D, -3); (E, -2)\}\)… Attention, on veut \(K = \text{Bar}\{(D, -3); (E, 2)\}\), ce qui donne somme \(-1\). Donc \(\overrightarrow{KD} \cdot(-3) + 2\overrightarrow{KE} = \vec{0}\), soit \(3\overrightarrow{DK} + 2\overrightarrow{KE} = \vec{0}\). On vérifie en partant de \(K = \text{Bar}\{(D, 6); (E, 4)\}\) (somme 10) : \(6\overrightarrow{KD} + 4\overrightarrow{KE} = \vec{0}\), soit \(3\overrightarrow{KD} + 2\overrightarrow{KE} = \vec{0}\), ce qui équivaut à \(-3\overrightarrow{DK} + 2\overrightarrow{KE} = \vec{0}\), donc \(K = \text{Bar}\{(D, -3); (E, 2)\}\).
4) a) \(K = \text{Bar}\{(D, -3); (E, 2)\}\) donne \(-3\overrightarrow{KD} + 2\overrightarrow{KE} = \vec{0}\), soit \(3\overrightarrow{DK} + 2\overrightarrow{KE} = \vec{0}\). Donc \(3\overrightarrow{DM} + 2\overrightarrow{EM} = \vec{0}\) pour tout \(M\)… Reprise : \(3\overrightarrow{MD} = \overrightarrow{MK} + 2\overrightarrow{ME}\), donc \(D = \text{Bar}\{(K, 1); (E, 2)\}\).
4) b) \(H = \text{Bar}\{(A, 1); (E, 2)\}\) donne \(3\overrightarrow{MH} = \overrightarrow{MA} + 2\overrightarrow{ME}\). Et \(D = \text{Bar}\{(K, 1); (E, 2)\}\) donne \(3\overrightarrow{MD} = \overrightarrow{MK} + 2\overrightarrow{ME}\).
Donc \(3\overrightarrow{DH} = 3(\overrightarrow{MH} – \overrightarrow{MD}) = \overrightarrow{MA} – \overrightarrow{MK} = \overrightarrow{KA}\).
Donc \(\overrightarrow{DH} = \frac{1}{3}\overrightarrow{KA}\), d’où \((AK) \parallel (DH)\).
Soit \(ABC\) un triangle. \(I, J, K\) sont des points tels que \(2\overrightarrow{BI} = 3\overrightarrow{BC}\), \(8\overrightarrow{CJ} = \overrightarrow{CA}\), \(5\overrightarrow{AK} = 2\overrightarrow{AB}\).
1) Montrer que \(I\) est le barycentre de \((B, \frac{1}{2})\) et \((C, -\frac{3}{2})\).
2) Dans le repère \((A, \overrightarrow{AB}, \overrightarrow{AC})\) :
a) Déterminer les coordonnées de \(J\).
b) Déterminer une équation cartésienne de \((IK)\).
c) Montrer que \(I, J, K\) sont alignés.
Voir la solution
1) \(\frac{1}{2}\overrightarrow{BI} – \frac{3}{2}\overrightarrow{CI} = \frac{1}{2}\overrightarrow{BI} – \frac{3}{2}(\overrightarrow{CB} + \overrightarrow{BI}) = \frac{1}{2}\overrightarrow{BI} – \frac{3}{2}\overrightarrow{CB} – \frac{3}{2}\overrightarrow{BI} = -\overrightarrow{BI} + \frac{3}{2}\overrightarrow{BC} = \vec{0}\) (car \(\overrightarrow{BI} = \frac{3}{2}\overrightarrow{BC}\)).
2) a) \(8\overrightarrow{CJ} = \overrightarrow{CA}\), donc \(\overrightarrow{AJ} = \overrightarrow{AC} + \overrightarrow{CJ} = \overrightarrow{AC} + \frac{1}{8}\overrightarrow{CA} = \overrightarrow{AC} – \frac{1}{8}\overrightarrow{AC} = \frac{7}{8}\overrightarrow{AC}\). Donc \(J\left(0, \frac{7}{8}\right)\).
2) b) \(I = \text{Bar}\{(B, \frac{1}{2}); (C, -\frac{3}{2})\}\), donc \(x_I = \frac{\frac{1}{2} \times 1 – \frac{3}{2} \times 0}{\frac{1}{2} – \frac{3}{2}} = -\frac{1}{2}\) et \(y_I = \frac{\frac{1}{2} \times 0 – \frac{3}{2} \times 1}{-1} = \frac{3}{2}\). Donc \(I(-\frac{1}{2}, \frac{3}{2})\).
\(K = \text{Bar}\{(A, 3); (B, 2)\}\) (car \(5\overrightarrow{AK} = 2\overrightarrow{AB}\) donne \(\overrightarrow{AK} = \frac{2}{5}\overrightarrow{AB}\)). Donc \(K\left(\frac{2}{5}, 0\right)\).
\(\overrightarrow{IK}\left(\frac{9}{10}, -\frac{3}{2}\right)\). Une équation cartésienne de \((IK)\) est \(15x – 9y + 21 = 0\).
2) c) \(15(0) – 9\left(\frac{7}{8}\right) + 21 = -\frac{63}{8} + 21 = -\frac{63}{8} + \frac{168}{8} = \frac{105}{8} \ne 0\)… Il y a une erreur de calcul dans le PDF. En vérifiant \(J(0, \frac{7}{8})\) : \(15(0) – 9(7/8) + 21 = 0 \iff -63/8 + 21 = 0 \iff 21 = 63/8 \iff 168 = 63\) (faux). Il faut reprendre l’équation. Avec \(I(-\frac{1}{2}, \frac{3}{2})\) et \(K(\frac{2}{5}, 0)\) : \(\overrightarrow{IK} = (\frac{2}{5} + \frac{1}{2}, 0 – \frac{3}{2}) = (\frac{9}{10}, -\frac{3}{2})\). Un vecteur normal est \((\frac{3}{2}, \frac{9}{10})\), soit \((15, 9)\). Donc \(15x + 9y + c = 0\). En \(K\) : \(15(2/5) + 9(0) + c = 0\), donc \(6 + c = 0\), \(c = -6\). Équation : \(15x + 9y – 6 = 0\), soit \(5x + 3y – 2 = 0\). En \(J(0, 7/8)\) : \(0 + 3(7/8) – 2 = 21/8 – 16/8 = 5/8 \ne 0\). Donc \(J \notin (IK)\) avec ces coordonnées. L’énoncé est probablement faux ou mal recopié. On peut vérifier l’alignement par une autre méthode : \(I, J, K\) sont-ils alignés ? \(J(0, 7/8)\), \(I(-1/2, 3/2)\), \(K(2/5, 0)\). \(\det(\overrightarrow{JI}, \overrightarrow{JK}) = \det((-1/2, 3/2-7/8), (2/5, -7/8)) = \det((-1/2, 5/8), (2/5, -7/8)) = (-1/2)(-7/8) – (5/8)(2/5) = 7/16 – 2/8 = 7/16 – 4/16 = 3/16 \ne 0\). Donc \(I, J, K\) ne sont pas alignés. L’énoncé contient une erreur.
Soit \(ABC\) un triangle, \(I\) un point tel que \(\overrightarrow{AI} = \frac{2}{3}\overrightarrow{AB}\), \(K\) le symétrique de \(A\) par rapport à \(C\), \(J\) le milieu de \([BC]\).
1) Exprimer \(I, J, K\) comme barycentres de points pondérés.
2) Quel est le barycentre des points \((A, 1); (B, 2); (B, -2); (C, -2)\) ?
3) Montrer que \(I, J, K\) sont alignés.
Voir la solution
1) \(J = \text{Bar}\{(B, 1); (C, 1)\}\).
\(\overrightarrow{AI} = \frac{2}{3}\overrightarrow{AB} = \frac{2}{3}(\overrightarrow{AI} + \overrightarrow{IB}) = \frac{2}{3}\overrightarrow{AI} + \frac{2}{3}\overrightarrow{IB}\), donc \(\frac{1}{3}\overrightarrow{AI} = \frac{2}{3}\overrightarrow{IB}\), soit \(\overrightarrow{AI} – 2\overrightarrow{IB} = \vec{0}\). Donc \(I = \text{Bar}\{(A, 1); (B, 2)\}\).
\(K\) symétrique de \(A\) par rapport à \(C\) : \(2\overrightarrow{CK} = \overrightarrow{KA}\), soit \(\overrightarrow{KA} – 2\overrightarrow{KC} = \vec{0}\), donc \(K = \text{Bar}\{(A, 1); (C, -2)\}\).
2) On vérifie que \(K = \text{Bar}\{(A, 1); (B, 2); (B, -2); (C, -2)\}\) en utilisant l’associativité avec \(I\) et \(J\).
3) Par associativité, \(K = \text{Bar}\{(I, 3); (J, -4)\}\) (ou une combinaison). Donc \(K \in (IJ)\), et \(I, J, K\) sont alignés.
Soit \(ABCD\) un carré, \(I\) et \(J\) les milieux respectifs de \([BC]\) et \([CD]\), \(M\) et \(N\) tels que \(\overrightarrow{AM} = \frac{1}{4}\overrightarrow{AB}\) et \(\overrightarrow{AN} = \frac{1}{4}\overrightarrow{AD}\).
1) Déterminer le barycentre des points \(\{(A, 3); (B, 1)\}\) et \(\{(A, 3); (D, 1)\}\).
2) Soit \(G = \text{Bar}\{(A, 3); (B, 1); (C, 1); (D, 1)\}\).
3) Montrer que les droites \((MJ)\), \((NI)\) et \((AC)\) sont concourantes en \(G\).
Voir la solution
1) \(\overrightarrow{AM} = \frac{1}{4}\overrightarrow{AB} \iff 4\overrightarrow{AM} = \overrightarrow{AM} + \overrightarrow{MB} \iff 3\overrightarrow{MA} + \overrightarrow{MB} = \vec{0}\). Donc \(M = \text{Bar}\{(A, 3); (B, 1)\}\).
De même, \(\overrightarrow{AN} = \frac{1}{4}\overrightarrow{AD} \implies 3\overrightarrow{NA} + \overrightarrow{ND} = \vec{0}\), donc \(N = \text{Bar}\{(A, 3); (D, 1)\}\).
2) \(G\) est le barycentre des 4 points.
3) Par associativité : \(G = \text{Bar}\{(M, 4); (J, 2)\}\) (car \(J = \text{Bar}\{(C, 1); (D, 1)\}\)), donc \(G \in (MJ)\).
De même, \(G = \text{Bar}\{(N, 4); (I, 2)\}\), donc \(G \in (NI)\).
Soit \(H\) le centre de gravité de \(BCD\). Par associativité, \(G = \text{Bar}\{(A, 3); (H, 3)\}\), donc \(G\) est le milieu de \([AH]\). Or \(H \in [AC]\) (diagonale du carré), donc \(G \in (AC)\).
Conclusion : les trois droites sont concourantes en \(G\).
Soit \(A\) et \(B\) deux points du plan avec \(AB = 4\) cm.
1) Soit \((E) = \{M \mid \overrightarrow{IM} \cdot \overrightarrow{AB} = 4\}\) et \(H = \text{Bar}\{(A, 1); (B, 3)\}\).
a) Montrer que \(H \in (E)\).
b) Vérifier que \(M \in (E) \iff \overrightarrow{HM} \cdot \overrightarrow{AB} = 0\).
c) Déterminer la nature de \((E)\).
2) Soit \((F) = \{M \mid MA^2 – MB^2 = 8\}\).
a) Montrer que \(MA^2 – MB^2 = 2\overrightarrow{IM} \cdot \overrightarrow{AB}\).
b) En déduire que \((F) = (E)\) et le tracer.
Voir la solution
1) a) \(H = \text{Bar}\{(A, 1); (B, 3)\}\), donc \(\overrightarrow{AH} = \frac{3}{4}\overrightarrow{AB}\). \(I\) est le milieu de \([AB]\), donc \(\overrightarrow{IH} = \overrightarrow{IA} + \overrightarrow{AH} = -\frac{1}{2}\overrightarrow{AB} + \frac{3}{4}\overrightarrow{AB} = \frac{1}{4}\overrightarrow{AB}\).
Donc \(\overrightarrow{IH} \cdot \overrightarrow{AB} = \frac{1}{4}\|\overrightarrow{AB}\|^2 = \frac{1}{4} \times 16 = 4\). Donc \(H \in (E)\).
b) \(M \in (E) \iff \overrightarrow{IM} \cdot \overrightarrow{AB} = 4 = \overrightarrow{IH} \cdot \overrightarrow{AB} \iff (\overrightarrow{IM} – \overrightarrow{IH}) \cdot \overrightarrow{AB} = 0 \iff \overrightarrow{HM} \cdot \overrightarrow{AB} = 0\).
c) \((E)\) est la droite perpendiculaire à \((AB)\) passant par \(H\).
2) a) \(MA^2 – MB^2 = (\overrightarrow{MI} + \overrightarrow{IA})^2 – (\overrightarrow{MI} + \overrightarrow{IB})^2 = 2\overrightarrow{MI} \cdot (\overrightarrow{IA} – \overrightarrow{IB}) + IA^2 – IB^2\).
Or \(\overrightarrow{IA} – \overrightarrow{IB} = \overrightarrow{BA} = -\overrightarrow{AB}\) et \(IA = IB\), donc \(MA^2 – MB^2 = 2\overrightarrow{MI} \cdot (-\overrightarrow{AB}) = -2\overrightarrow{MI} \cdot \overrightarrow{AB} = 2\overrightarrow{IM} \cdot \overrightarrow{AB}\).
2) b) \(M \in (F) \iff 2\overrightarrow{IM} \cdot \overrightarrow{AB} = 8 \iff \overrightarrow{IM} \cdot \overrightarrow{AB} = 4 \iff M \in (E)\). Donc \((F) = (E)\).
\((F)\) est la même droite perpendiculaire à \((AB)\) passant par \(H\).
Soit \(A\) et \(B\) deux points du plan avec \(AB = 4\) cm.
1) Soit \((F) = \{M \mid MA \cdot MB = 3\}\). Montrer que \(M \in (F) \iff MA^2 – 9MB^2 = 0\).
2) Soit \(G = \text{Bar}\{(A, 1); (B, 3)\}\) et \(K = \text{Bar}\{(A, 1); (B, -3)\}\).
a) Montrer que \(M \in (F) \iff \overrightarrow{MG} \cdot \overrightarrow{MK} = 0\).
b) En déduire l’ensemble \((F)\) et le tracer.
Voir la solution
1) \(MA \cdot MB = 3 \iff MA = 3MB \iff MA^2 = 9MB^2 \iff MA^2 – 9MB^2 = 0\).
2) a) \(MA^2 – 9MB^2 = (\overrightarrow{MA} – 3\overrightarrow{MB}) \cdot (\overrightarrow{MA} + 3\overrightarrow{MB})\).
Or \(G = \text{Bar}\{(A, 1); (B, 3)\}\) donne \(\overrightarrow{MA} + 3\overrightarrow{MB} = 4\overrightarrow{MG}\).
Et \(K = \text{Bar}\{(A, 1); (B, -3)\}\) donne \(\overrightarrow{MA} – 3\overrightarrow{MB} = (1 – 3)\overrightarrow{MK} = -2\overrightarrow{MK}\).
Donc \(MA^2 – 9MB^2 = -8\overrightarrow{MG} \cdot \overrightarrow{MK}\). L’équation devient \(-8\overrightarrow{MG} \cdot \overrightarrow{MK} = 0\), soit \(\overrightarrow{MG} \cdot \overrightarrow{MK} = 0\).
2) b) \(\overrightarrow{MG} \cdot \overrightarrow{MK} = 0 \iff M\) appartient au cercle de diamètre \([GK]\).
\((F)\) est le cercle de diamètre \([GK]\).
★Fiche résumé à retenir
- Définition : \(G = \text{Bar}\{(A, \alpha); (B, \beta)\} \iff \alpha\overrightarrow{GA} + \beta\overrightarrow{GB} = \vec{0}\) (avec \(\alpha + \beta \ne 0\)).
- Propriété caractéristique : \(\alpha\overrightarrow{MA} + \beta\overrightarrow{MB} = (\alpha + \beta)\overrightarrow{MG}\).
- Homogénéité : on peut multiplier les poids par un même réel non nul.
- Associativité : on peut remplacer deux points par leur barycentre partiel.
- Coordonnées : \(x_G = \frac{\alpha x_A + \beta x_B}{\alpha + \beta}\) (idem pour \(y\)).
- Isobarycentre : si \(\alpha = \beta\), \(G\) est le milieu de \([AB]\).
- Centre de gravité : isobarycentre de 3 points (triangle) ou 4 points (quadrilatère).