Trapèze isocèle
Bonjour à tous
Pour me faire pardonner mes petits voyages en géométrie projective, voici un exercice plus reposant de géométrie euclidienne qu'on pourrait sans doute poser à l'écrit du Baccalauréat s'il en existe encore un et peut-être plutôt en Première ou Seconde.
La figure ci-dessous montre un cercle $\Gamma$ et dans son intérieur un point $U$.
On choisit un point $A$ sur $\Gamma$.
La droite $AU$ recoupe $\Gamma$ en $C$.
Le segment $BD$ est le symétrique du segment $AC$ par rapport à $OU$.
On récolte ainsi une famille $ABCD$ de trapèzes isocèles.
Déterminer les trapèzes $ABCD$ d'aire maximum.
Amicalement
pappus
Amicalement
pappus

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Réponses
j'étais parti sur la même idée que @Ludwig ... mais ça me semblait bien compliqué et calculatoire ...
toujours dans le cercle trigonométrique je note :
a l'abscisse de A
u l'abscisse de U
P le milieu du segment [CD]
de plus je suppose a > u car si a < u alors par symétrie ça revient au même en permutant A et D et B et C.
Avec le théorème de Thalès (et modulo quelques pb de signes à régler en prenant des valeurs absolues ... quand il faudra les prendre
PU = k(a - u) donc la hauteur du trapèze est (k + 1)(a - u) (pour un certain k)
PD = ka
donc l'aire du trapèze ABCD est le quadruple de ($k + 1)^2a(a - u)$ pour un certain k !!
On vérifie cependant que pour a = u ça fait bien 0 (ce qui ne prouve pas que ce soit exact mais ...)
Cependant comment "déterminer" k ?
Donc pas mieux que @Ludwig
Ce ne sont pas les signes, les symboles qui constituent la science ; le seul principe qui y domine, c’est l’esprit de sagacité auquel les objets soumis servent d’auxiliaire. BHASCARA
Côté considérations géométriques, il me semble que ceci peut simplifier les calculs :
$(AD)\cap(BC)=V$ est un point fixe.
mon écriture factorisée (si elle n'est pas fausse !!) suggérerait qu'on puisse factoriser par cos t (cos t - u) puisque cos t = a
@Swingmustard : ggb ne me suggère pas cela ...
Ce ne sont pas les signes, les symboles qui constituent la science ; le seul principe qui y domine, c’est l’esprit de sagacité auquel les objets soumis servent d’auxiliaire. BHASCARA
> Si on considère quatre points du $DCT$, à quelle condition sur leurs affixes l'hyperbole équilatère
> passant par ces quatre points passe-t-elle aussi par l'origine, centre du $DCT$?
Si on a $ab + ac + ad + bc + bd + cd = 0$
Chacun des points $A,B,C,D$ est alors $X_{74}$ pour le triangle formé par les trois autres.
Le centre de l'hyperbole est alors $\dfrac{a+b+c+d}{2}$.
Cordialement,
Rescassol
Une figure :
La courbe de Ludwig de paramètre $u=x(U)$ est reportée. Son premier zéro positif est donné par l'abscisse $t$ de $M$.
$A_0$ a pour coordonnées $(\cos\,t,\sin\,t)$. $B_0,C_0,D_0$ s'en déduisent.
Edit 2
Qu'est-ce que le DCT ?
Ce ne sont pas les signes, les symboles qui constituent la science ; le seul principe qui y domine, c’est l’esprit de sagacité auquel les objets soumis servent d’auxiliaire. BHASCARA
C'est le "Divin Cercle Trigonométrique" !
Notre ami pappus nous impose ses "notations".
Au début, ça peut surprendre mais on finit par s'y habituer ...
J'ai pas trop regardé ce qui avait été fait jusque là, mais un truc éventuellement utile, ça pourrait être ça :
où $G$ désigne le milieu de $[AB]$, $K$ le milieu de $[DB]$ (et le reste me semble clair sur la figure).
La droite $(EK)$ est parallèle à $(AB)=(GV)$ (théorème des milieux dans $(DAB)$) donc $\dfrac{HV}{HE}=\dfrac{HG}{HK}$ (Thalès) ce qui signifie que les rectangles $HVLK$ et $HEFG$ ont même aire. Or, l'aire de $HEFG$ c'est le quart de l'aire du trapèze $ABCD$.
Donc ce qu'il faut maximiser, c'est l'aire du rectangle $HVLK$ sachant que $V$ est fixe et que $K$ se balade sur le cercle (fixe) de diamètre $[OU]$
Ça ne résous pas le problème, mais il me semble que ça le dégrossi, en particulier une mise en équation simple est assez évidente en prenant comme paramètre l'angle au centre de $K$ sur le cercle de diamètre $[OU]$.
(par rapport à l'énoncé de départ, $\Omega$ c'est le milieu de $[OU]$, $r\!=\!\dfrac{u}{2}$ et $v\!=\!\dfrac{R^2}{u}\!-\!\dfrac{u}{2}$ où $u\!=\!OU$ et $R$ est le rayon du cercle)
Mais j'aimerais bien une "vrai" construction géométrique qui ne passe pas par une étude de fonction . . .
En utilisant les notations de @Ben314159, dans le repère d'origine $O$ tel que $A$ est sur le cercle trigo. je trouve que
si $f(z):=z(1-z)^2(1-v^2z)$ atteint son max en $z_0$, alors l'aire du trapèze est maximale lorsque l'abscisse de $H$ est $vz_0$: elle est $4 \sqrt {f(z_0)}$.
Je n'ai pas (encore?) cherché $z_0$!
Cordialement
Paul
$z_0$ est donc une des deux racines de $4v^2z^2-(2v^2+3)z+1=0$
Elle se construit à la règle et au compas, de même que $vz_0$.
Avec les notations de la figure de Pappus.
Si U (u ;0) alors V (1/u ;0) et la puissance p de V par rapport au cercle x² + y² = 1 est égale à (1/u – 1).
Si A (x ; y) alors B (px ; py) et la mesure de l’aire du trapèze est égale à xy (1- p²), valeur qui est maximale pour y = (1 - p²) /x. Entre les intersections de cette hyperbole et du cercle, il faut choisir celle qui convient. Dommage.
Si je peux apporter quelque chose..
$I$ milieu de $[AB]$ et $J$ milieu $[DC]$..
Il y a un théorème que j'ai établi sur la droite de Newton qui me permet de dire que:
$JI×JS=JU×JV$
Je ne sais pas si ça peut aider à mieux faire cette surface maxi..
Cordialement
Bonaventure-S0_
Je reviens au problème initial avec le cercle trigonométrique car une construction assez simple peut être obtenue à l'aide d'une courbe auxiliaire, la strophoïde droite $(\mathcal{N})$ d'équation $x(x^2+y^2)=y^2-x^2$ :
Merci de l'examiner pour la corriger ou la compléter.
Donc il faut aussi se servir de $v=1/u$, pas seulement de $u$. L'abscisse de $K$ est : $$x=\frac{3u^2+2-\sqrt{9u^4-4u^2+4}}{8u}.$$ Une expression inutilisable en pratique : même si on factorise le radicande on a encore des carrés, et il y aussi une division par $u$. Je vous laisse vérifier qu'en posant $w=3u+2v$ on a : $$x=\frac{w-\sqrt{(w+4)(w-4)}}{8}.$$ Et maintenant c'est un jeu d'enfant pour faire une construction à la règle et au compas.
Merci Ludwig pour ta remarque.
Si S est la mesure de l’aire, son carré S² est 4y²(u - x)(1/u – x).
Y a-t-il un calcul permettant de maximaliser S², donc S ?
J'attends la solution géométrique très simple de Pappus, suggérée par sa figure ?
Désolé pour ce qui t'arrive
Cordialement
Bonaventure-S0_