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Transformations du plan et de l’espace
Notions anes
Exercice 1 [ 02314 ] [Correction]
Soit Vune partie non vide d’un espace ane de dimension finie E.
Montrer que Vest un sous-espace ane si, et seulement si, pour tout couple (A,B) de
points distincts de V, la droite (AB) est incluse dans V.
Exercice 2 [ 02315 ] [Correction]
Soit Vune partie non vide d’un espace ane Ede dimension finie.
Montrer que, si tout barycentre de points de Vest encore dans V, alors Vest un
sous-espace ane.
Exercice 3 [ 02316 ] [Correction]
Soient A,Bet Ctrois points non alignés d’un espace ane Eet α, β, γ Rtel que les
barycentres G,G1,G2et G3de ((A, α),(B, β),(C, γ)),((A,α),(B, β),(C, γ)),
((A, α),(B,β),(C, γ)),et ((A, α),(B, β),(C,γ))existent.
(a) Montrer que les droites (AG1),(BG2),(CG3) concourent en G.
(b) Montrer que les droites (G2G3),(G3G1),(G1G2) passent respectivement par A,B,C.
Applications anes
Exercice 4 [ 02317 ] [Correction]
Soient fune application ane d’un espace ane Edans lui-même et (A,B) un couple de
points distincts de E.
Montrer que si Aet Bsont des points fixes de falors la droite (AB) est invariante par f.
Exercice 5 [ 02318 ] [Correction]
Soient A,B,C,Dquatre points non coplanaires d’un espace ane Ede dimension 3.
Montrer qu’il existe une unique application ane envoyant A,B,C,Dsur B,C,D,Aet
déterminer un point invariant de celle-ci.
Exercice 6 [ 02319 ] [Correction]
Soit fune application ane d’un espace ane Edans lui-même telle qu’il existe nN
pour lequel fn=IdE.
Montrer que fadmet un point invariant.
Applications anes usuelles
Exercice 7 [ 02320 ] [Correction]
Soit Eun espace ane de dimension finie et de direction E.
Soient ~
uun vecteur de Eet Aun point de E. Décrire la transformation t~
usA.
Exercice 8 [ 02321 ] [Correction]
Soit Eun espace ane de dimension finie et de direction E.
Soient Het H0deux homothéties de centres Oet O0et de rapports λet λ0.
Décrire la transformation H0H
Exercice 9 [ 02322 ] [Correction]
Soit fune transformation ane et hune homothétie de centre Oet de rapport λd’un
espace ane E.
Préciser l’application fhf1.
Exercice 10 [ 02323 ] [Correction]
Déterminer toutes les applications anes fd’un espace ane Edans lui-même
f:E→Ecommutant avec toutes les translations.
Exercice 11 [ 02324 ] [Correction]
Montrer que l’ensemble Gformé par la réunion des translations et des symétries centrales
d’un espace ane E, muni du produit de composition des applications, forme un groupe.
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Exercice 12 [ 02325 ] [Correction]
Soit fune application ane d’un espace ane Edans lui-même qui transforme toute
droite vectorielle en une droite parallèle. Montrer que fest une translation ou une
homothétie.
Exercice 13 [ 02326 ] [Correction]
On note HT le groupe des homothéties-translations d’un espace ane E.
Montrer que si Gest un sous-groupe commutatif de HT alors Gn’est que constitué que
de translations ou d’homothéties de même centre.
Projections et symétries anes
Exercice 14 [ 02327 ] [Correction]
On munit un espace ane Ede dimension 3 d’un repère R=(O;~
i,~
j,~
k).
(a) Donner l’expression analytique de la projection sur P:x+y+z=1 parallèlement à
D=Vect(
~
i+~
j~
k).
(b) Donner l’expression analytique de la symétrie par rapport à P:x+z=1 selon
D=Vect(
~
i+~
j).
(c) Donner l’expression de la projection ane sur P:x+y+z=1 selon la direction
Vect(~
u(1,2,2)).
Exercice 15 [ 02328 ] [Correction]
On munit un espace ane Ede dimension 3 d’un repère R=(O;~
i,~
j,~
k).
Déterminer la nature et les éléments caractéristiques de l’application f:E→E
d’expression analytique :
(a)
x0=yz+1
y0=2xy2z+2
z0=x+y+2z1
(b)
2x0=xz+1
2y0=x+2y+z1
2z0=x+z+1
(c)
x0=y+z+3
y0=x+z+3
z0=xy+2z+3
Exercice 16 [ 02329 ] [Correction]
À quelle condition une translation et une symétrie ane commutent-elle ?
Exercice 17 [ 02330 ] [Correction]
Soit fune application ane d’un espace ane Edans lui-même. Établir :
(a) fest une projection si, et seulement si, ff=f.
(b) fest une symétrie si, et seulement si, ff=IdE.
Exercice 18 [ 02331 ] [Correction]
Soit Eun espace ane de dimension finie et de direction E.
Soit fune transformation ane telle que ~
f~
f=IdE.
Montrer qu’il existe un unique couple (t,s) formé d’une translation et d’une symétrie tel
que f=ts=st.
Isométries du plan
Exercice 19 [ 02332 ] [Correction]
Montrer que toute isométrie du plan Pqui échange deux points distincts est involutive.
Exercice 20 [ 02333 ] [Correction]
Soient ret r0deux rotations du plan Pdistinctes de Id.
Montrer qu’il existe 3 réflexions s,s0,s00 telles que : r=s00 set r0=s0s00.
Décrire r0r. Lorsqu’il s’agit d’une rotation donner une construction de son centre.
Exercice 21 [ 02334 ] [Correction]
Étudier à quelle condition une réflexion et une translation du plan Pcommutent.
Exercice 22 [ 02336 ] [Correction]
On munit le plan d’un repère orthonormé direct R=(O;~
i,~
j).
Déterminer la nature et les éléments caractéristiques de l’application f:P→P
d’expression analytique :
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(a) (x0=3
5x4
5y+4
y0=4
5x+3
5y2(b) (x0=y+1
y0=x+2
Exercice 23 [ 02337 ] [Correction]
Déterminer le groupe des isométries du plan Plaissant globalement invariant :
(a) Un carré.
(b) Un rectangle non carré.
(c) Un cercle.
Exercice 24 [ 02338 ] [Correction]
Déterminer le groupe des isométries du plan Plaissant globalement invariant la réunion
de deux droites parallèles distinctes du plan.
Similitudes du plan
Exercice 25 [ 02339 ] [Correction]
Soit ABC un triangle non aplati du plan P.
On désigne par S1,S2,S3les similitudes directes du plan Pde centres respectifs A,B,C
telles que S1(B)=C,S2(C)=Aet S3(A)=B.
Décrire les composées S3S2S1et S1S2S3.
Exercice 26 [ 02340 ] [Correction]
Soient AOB un triangle non aplati rectangle en A,B0]O;A] et A0le projeté orthogonal
de B0sur (OB).
Montrer :
OB0+AB <OB +A0B0
Exercice 27 [ 02341 ] [Correction]
Soient OAB et OA0B0deux triangles directement semblables. Soient I,Jles milieux
respectifs de A0B,AB0et H,H0les projections orthogonales de Osur (AB), (A0,B0).
Montrer : (I J)(HH0).
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Exercice 28 [ 02342 ] [Correction]
On munit Pd’un repère orthonormé direct R=(O;~
i,~
j).
Soient A,B,Ctrois points du plan Pd’axes a,b,ctelles que |a|=|b|=|c|.
Montrer que (ABC) est équilatéral si, et seulement si, a+b+c=0.
Exercice 29 [ 02343 ] [Correction]
(a) Soit fune similitude du plan Pet Γune conique de foyer f, de directrice Det
d’excentricité e. Justifier que f(Γ) est une conique dont on précisera foyer, directrice
et excentricité.
(b) À quelle(s) condition(s) deux coniques sont-elles directement semblables ?
Isométries de l’espace
Exercice 30 [ 02344 ] [Correction]
On munit l’espace ane Ed’un repère orthonormé direct R=(O;~
i,~
j,~
k).
Décrire l’application f:E→Ed’expression analytique :
(a)
x0=1
3(2xy+2z)+1
y0=1
3(2x2y+z)+1
z0=1
3(x+2y+2z)+3
(b)
x0=1
3(2x2y+z5)
y0=1
3(2x+y2z2)
z0=1
3(x2y2z+1)
Exercice 31 [ 02345 ] [Correction]
Déterminer les déplacements et les réflexions de Elaissant globalement invariante une
sphère donnée.
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Corrections
Exercice 1 : [énoncé]
(=) ok
(=) Soit A∈ V et F=
AM |M∈ V. On a V=A+F.
Montrons que Fest un sous-espace vectoriel.
FE,~
0=
AA F.
Soit ~
uF. On peut écrire ~
u=
AM avec M∈ V.
Si ~
u=~
0 alors λR,λ~
u=~
0F.
Si ~
u,~
0 alors, la droite (AM) est incluse dans Vet donc λR,λ~
uF.
Soient ~
u,~
vF. On peut écrire ~
u=
AM,~
v=
AN avec M,N∈ V.
Si ~
u=~
0 ou ~
v=~
0 alors ~
u+~
vF.
Sinon, considérons Ile milieu du segment [MN].
Le point Iappartient à la droite (MN) dont I∈ V.
Comme ~
u+~
v=2
AI, on a ~
u+~
vF.
Finalement Fest un sous-espace vectoriel et Vun sous-espace ane.
Exercice 2 : [énoncé]
Soit A∈ V et F=
AM |A,M∈ V. Il sut de montrer que Fest un sous-espace
vectoriel de E.
~
oF.
Soit ~
uFet λR.M∈ V tel que
AM =~
u.
Pour N=bar((A,1λ),(M, λ)) ∈ V on a
AN =λ
AM =λ~
udonc λ.~
uF
Pour P=bar((A,1),(M,1),(N,1)) ∈ V on a
AP =
AM +
AN =~
u+~
vdonc
~
u+~
vF.Soit ~
u,~
vF.
Exercice 3 : [énoncé]
(a) On α
G1A+β
G1B+γ
G1C=~
odonc (α+β+γ)
G1G+2α
AG =~
odonc G(AG1).
De même G(BG2) et G(CG3).
(b) 2α
G2A=α
G2Aβ
G2B+γ
G2C+α
G2A+β
G2Bγ
G2C=~
o+(α+βγ)
G2G3
donc A(G2G3). De même B(G3G1) et C(G1G2).
Exercice 4 : [énoncé]
f(A)=Aet f(B)=B=~
f(
AB)=
f(A)f(B)=
AB.
Pour tout point M=A+λ.
AB de la droite (AB) on a alors f(M)=M.
Exercice 5 : [énoncé]
(
AB,
AC,
AD) est une base de E.
Il existe une unique application linéaire ϕl’envoyant sur (
BC,
BD,
BA) et puisqu’une
application ane est caractérisée par l’image d’un point et sa partie linéaire, l’application
ane cherchée existe et est unique.
L’isobarycentre des points A,B,C,Dest invariant.
Exercice 6 : [énoncé]
Soit ∈ E. Considérons l’isobarycentre Gdes points ,f(),..., fn1().
f(G) est l’isobarycentre des points f(),f2(),..., fn()= donc f(G)=G.
Ainsi fpossède un point fixe.
Exercice 7 : [énoncé]
Posons B=A+1
2~
u. On a t~
u=sBsAdonc t~
usA=sB.
Exercice 8 : [énoncé]
H0H=λλ0IdE.
Si λλ0,1 alors H0Hest une homothétie de rapport λλ0et de centre caractérisé par :
(H0H)()= soit
O0Ω = λ0
O0O+λλ0
Oqui donne
O0Ω = λ0(1λ)
1λλ0
O0O.
Si λλ0=1 alors H0Hest une translation de vecteur ~
u=
OO00 avec
O00 =H0(H(O)) =H0(O)=O0+λ0
O0Oet donc ~
u=(1 λ0)
OO0.
Exercice 9 : [énoncé]
fhf1est une application ane de partie linéaire λId qui fixe le point f(O).
Que λ=1 ou non, fhf1est l’homothétie de centre f(O) et de rapport λ.
Exercice 10 : [énoncé]
Les translations sont solutions. Montrons que ce sont les seules.
Si fcommutent avec les translations alors pour tout vecteur ~
ude la direction Ede E,
(t~
uf)(A)=(ft~
u)(A) donne f(A+~
u)=f(A)+~
u. Par suite ~
f(~
u)=~
upuis ~
f=IdE. Ainsi
fest une translation.
Exercice 11 : [énoncé]
Considérons L: GA(E)GL(E) définie par L(f)=~
f.
Lest un morphisme de groupes et {IdE,IdE}est un sous-groupe de GL(E) donc
G=L1({IdE,IdE}) est un sous-groupe de GA(E).
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