Géométrie du plan complexe

Géométrie du plan complexe


Voici un cours sur la géométrie du plan complexe avec des figures et des exercices interactifs. Avant de l'aborder, il serait bon de maîtriser le contenu et les exercices du cours Nombres complexes . Pour l'étude des isométries, il est utile de se référer au document Isométries du plan .
Version pdf de ce cours avec liens vers les exercices.
Avertissement
Ce cours est une partie de l'option de géométrie enseignée de 2013 à 2015 au premier semestre de la première année de licence MPI à la Faculté des Sciences d'Orsay de l'université Paris Sud. Il s'agissait de pallier l'absence des transformations au Lycée.

I Géométrie du plan complexe

II Ecriture complexe d'une transformation

III Isométries du plan complexe

IV Homothétie

V Similitudes

VI Etude des similitudes qui ne sont pas des isométries

VII Composition des similitudes

VIII Propriétés des similitudes

I Géométrie du plan complexe

Géométrie du plan complexe → I Géométrie du plan complexe
Dans cette partie, on complète les propriétés géométriques des affixes vues dans le document Nombres complexes .

I-1 Affixe d'un vecteur, angle orienté de deux vecteurs

I-2 Applications à l'étude de lieux

Géométrie du plan complexe → I Géométrie du plan complexe

I-1 Affixe d'un vecteur, angle orienté de deux vecteurs

Géométrie du plan complexe → I Géométrie du plan complexe → I-1 Affixe d'un vecteur, angle orienté de deux vecteurs

Définition

Dans le plan orienté par un repère orthonormé , on considère un vecteur de composantes (x,y) ; on appelle affixe du vecteur le nombre complexe .
En particulier, l'affixe de M est égal à celui de . L'affixe du vecteur est zB-zA quand A et B sont des points d'affixes respectives zA et zB.

Proposition

Soient et deux vecteurs non nuls d'affixes respectives z et z'. L'angle orienté a pour mesure l'argument de .
Pour A et B deux points distincts d'affixes respectives zA et zB et C et D deux points distincts d'affixes respectives zC et zD, l'angle orienté a pour mesure l'argument de .

Démonstration
Par relation de Chasles, on a
La formule est démontrée et s'applique à pour donner :
Fin de la démonstration

Exercice

Angle et quotient de complexes
Géométrie du plan complexe → I Géométrie du plan complexe → I-1 Affixe d'un vecteur, angle orienté de deux vecteurs

I-2 Applications à l'étude de lieux

Géométrie du plan complexe → I Géométrie du plan complexe → I-2 Applications à l'étude de lieux
Ces descriptions sont des applications directes des propriétés du module et de l'argument d'un nombre complexes.
Soient A, B et M des points d'affixes respectives a, b et m.
  1. L'ensemble des points M vérifiant est la médiatrice de [A B], ensemble des points équidistants de A et B.
  2. L'ensemble des points M vérifiant est le cercle centré en A passant par B.
  3. L'ensemble des points M vérifiant est le disque unité ouvert (c'est-à-dire le disque sans le cercle unité).
  4. L'ensemble des points M vérifiant est le disque unité fermé (c'est-à-dire avec le cercle unité).
  5. L'ensemble des points M vérifiant ne contient pas O donc on peut poser ; la condition s'écrit alors . L'ensemble des points M vérifiant est la droite .
  6. L'ensemble des points M vérifiant ne contient pas O donc on peut poser ; la condition s'écrit alors . L'ensemble des points M vérifiant est la droite .
  7. Les points M tel que soit égal à sont les intersections du cercle de diamètre [A B] et de la médiatrice de [A B] en effet le triangle A B M est rectangle isocèle en M.
  8. Les points M tel que soit un imaginaire pur sont les points différents de B du cercle de diamètre [A B] en effet le triangle A B M est rectangle en M.

Exercices

Déterminer le troisième sommet d'un triangle.
  • Triangle isocèle (1)
  • Triangle isocèle (2)
  • Triangle équilatéral
Géométrie du plan complexe → I Géométrie du plan complexe → I-2 Applications à l'étude de lieux

II Ecriture complexe d'une transformation

Géométrie du plan complexe → II Ecriture complexe d'une transformation
Un point dans le plan avec un repère orthonormé peut être déterminé par ses coordonnées (x,y) ou son affixe z=x+i y. Ainsi on peut définir une transformation en donnant pour chaque point les coordonnées de son image ou son affixe.

Définition

Soient deux nombres complexes a (non nul) et b. On s'intéresse aux transformations et définies pour par :

II-1 Exemples

II-2 Propriétés générales

Géométrie du plan complexe → II Ecriture complexe d'une transformation

II-1 Exemples

Géométrie du plan complexe → II Ecriture complexe d'une transformation → II-1 Exemples
Les transformations présentées ici sont définies dans le document Isométries du plan sauf l'homothétie (voir ici ).
On considère M et M' d'affixes respectifs z et z'.
  • La transformation est la translation de vecteur d'affixe b. En effet, de z'=z+b, on tire : puisque z'-z est l'affixe de .
  • La transformation est la symétrie centrale de centre C d'affixe c. en effet, de z'= -z+2c, on tire donc C est le milieu de [M M'].
  • Pour réel, non nul et différent de 1, et , est l'homothétie de centre C d'affixe c et de rapport . En effet, pour , on a : .
  • Pour , l'image de M par la rotation de centre C d'affixe c et d'angle est le point M' dont l'affixe vérifie :
  • La transformation est la réflexion d'axe y=0 : .
  • Pour et , est la réflexion d'axe où est la droite passant par O et tel que . En effet, de , on tire : .

Exercice


Image par une rotation

II-2 Propriétés générales

Géométrie du plan complexe → II Ecriture complexe d'une transformation → II-2 Propriétés générales

Proposition

Soient et b deux nombres complexes.
Les applications et multiplient les longueurs par .
Les applications conservent les angles orientés.
Les applications transforment un angle orienté en son opposé.

Démonstration
Soient M et N d'affixes respectives zM et zN ; on note z'M et z'N les affixes de leurs images.
Pour les applications R, on a : z'N-z'M=a(zN-zM) d'où .
Pour les applications S, on a : d'où .
Dans les deux cas, la longueur M'N' est le produit de N M par .
On suppose M et N distincts et on considère deux autres points distincts P et Q d'affixes respectives zP et zQ ; on note z'P et z'Q les affixes de leurs images.
Pour les applications R, on a : donc les angles orientés sont conservés.
Pour les applications S, on a : donc un angle orienté est transformé en son opposé.
Fin de la démonstration

III Isométries du plan complexe

Géométrie du plan complexe → III Isométries du plan complexe
On suppose dans cette partie que a est de module 1.
D'après la proposition , les applications étudiées sont donc des isométries.

III-1 Isométries positives

III-2 Isométries négatives

III-3 Exercices

Géométrie du plan complexe → III Isométries du plan complexe

III-1 Isométries positives

Géométrie du plan complexe → III Isométries du plan complexe → III-1 Isométries positives

III-1-1 Etude de z' =a z + b

III-1-2 Exemple

III-1-1 Etude de z' =a z + b

Géométrie du plan complexe → III Isométries du plan complexe → III-1 Isométries positives → III-1-1 Etude de z' =a z + b

Proposition

Pour , l'application est une isométrie positive.
  • Pour a=1 et b=0, est l'identité.
  • Pour a=1, est la translation de vecteur d'affixe b.
  • Pour , on pose avec . Alors est la rotation de centre C d'affixe et d'angle .
Pour chaque translation ou rotation, on peut trouver un couple de nombres complexes (a,b) telle que son expression complexe soit et ce couple est unique.

Démonstration
Pour l'essentiel, ces résultats ont été vus dans les exemples ici .
L'équation aux points fixes c=a c+b donne la valeur de c. Si on soustrait cette relation à z'=az+b, on obtient z'-c=a(z-c), donc est la rotation de centre C et d'angle .
Fin de la démonstration

III-1-2 Exemple

Géométrie du plan complexe → III Isométries du plan complexe → III-1 Isométries positives → III-1-2 Exemple
Soit f l'application du plan complexe définie par :
Comme f(z) est de la forme az+b avec de module 1, f est une isométrie positive qui n'est pas une translation donc c'est une rotation.
Son centre est le point C d'affixe c vérifiant l'équation au point fixe :
donc C a pour affixe 4.
L'angle de f est l'argument de soit .
Pour conclure, f est la rotation où C le point d'affixe 4.

Remarque

Pour résoudre l'équation au point fixe, il est recommandé de savoir calculer un quotient de nombres complexes. On trouvera la méthode à cette page Quotient de nombres complexes

III-2 Isométries négatives

Géométrie du plan complexe → III Isométries du plan complexe → III-2 Isométries négatives

III-2-1 Etude de

III-2-2 Exemple

III-2-1 Etude de

Géométrie du plan complexe → III Isométries du plan complexe → III-2 Isométries négatives → III-2-1 Etude de

Proposition

Pour , l'application est une isométrie négative.
  • Pour , l'application est une réflexion d'axe passant par le point C d'affixe et faisant l'angle avec l'axe des abscisses. L'axe est aussi la médiatrice de [O B] où est le point d'affixe b.
  • Pour , l'application est une symétrie glissée composée de la translation de vecteur d'affixe et de la réflexion avec . Son axe est la droite passant par C d'affixe et dirigée par . Il fait un angle de avec l'axe des abscisses.
Pour chaque réflexion ou symétrie glissée, on peut trouver un couple de nombres complexes (a,b) telle que son expression complexe soit et ce couple est unique.

Démonstration
Dans cette démonstration, on utilise de manière essentielle, la classification des isométries ( Isométries du plan ).
L'isométrie est négative donc est une réflexion ou une symétrie glissée.
Considérons le point B d'affixe b, image de O par et le milieu C (d'affixe ) de [O B]. Le point C appartient donc à l'axe de . Alors est une réflexion si et seulement si C est fixe par .
Donc C est fixe par si et seulement si .
  • Pour , l'isométrie est une réflexion d'axe passant par C.
    Si a vaut 1, l'isométrie est une réflexion d'axe parallèle à l'axe des abscisses. En effet, est la translation de vecteur b donc les axes de et sont parallèles.
    Si a est différent de 1, est la composée donc la rotation (qui est une rotation d'angle ) est la composée . Donc l'axe de fait un angle avec l'axe des abscisses, axe de .
    Pour toute valeur de a, on a donc .
    On peut aussi remarquer que, comme est la réflexion qui échange O et B, son axe est la médiatrice de [OB].
  • Pour , calculons pour C', image de C par .
    Sur son axe, la symétrie glissée agit comme la translation de vecteur . L'isométrie est donc la symétrie glissée composée de la translation de vecteur et de la réflexion avec .
    En effet, on a :
    De plus b' vérifie : . Donc est bien une réflexion et bien sûr, son axe passe par C et est dirigé par .
    On peut remarquer que, l'axe de étant par définition celui de , il fait donc un angle de avec l'axe des abscisses.
Fin de la démonstration

Remarque

L'expression complexe de est . On constate que est une involution (donc une réflexion) si et seulement si est nul. Sinon est la translation de vecteur . Ceci est cohérent avec l'étude précédente.

III-2-2 Exemple

Géométrie du plan complexe → III Isométries du plan complexe → III-2 Isométries négatives → III-2-2 Exemple
Soit l'application du plan complexe définie par
Comme est de la forme avec de module 1, est un antidéplacement, c'est-à-dire une réflexion ou une symétrie glissée. Dans les deux cas, le point C d'affixe est un point de l'axe de cet antidéplacement ; en effet C est le milieu de .
Si b est nul, le point C est confondu avec O qui est fixe et g0 est une réflexion, son axe est la droite passant par O et faisant un angle de avec l'axe des abscisses (voir ici ).
Si b n'est pas nul, posons et notons B le point d'affixe b. Soit . Le point C est fixe si et seulement si on a c'=c. Or on a :
Dans le cas où b n'est pas nul, C est fixe si et seulement si vérifie c'est-à-dire .
Soit la droite passant par O et faisant un angle de avec l'axe des abscisses. On a donc montré que C est fixe si et seulement si B appartient à la droite . On remarque que, dans ce cas, C appartient aussi à .
En résumé si B appartient à , gb admet un point fixe C, c'est la réflexion d'axe passant par O et faisant un angle de avec l'axe des abscisses. Evidemment est la médiatrice de [OB] et donc perpendiculaire à .
Quand B n'appartient pas à , C n'est pas fixe et gb n'a alors aucun point fixe, c'est une symétrie glissée d'axe Delta passant par O et faisant un angle de avec l'axe des abscisses. Le vecteur de la translation est , il dirige l'axe et son affixe est . On peut écrire
Dans cette expression, on voit clairement que l'argument de d est

III-3 Exercices

Géométrie du plan complexe → III Isométries du plan complexe → III-3 Exercices
  1. Dans cet exercice, il s'agit de déterminer le type d'une isométrie donnée en écriture complexe et ses éléments caractéristiques.
    Isométries en complexes
  2. Dans celui-ci, on s'intéresse aux points fixes de la transformation.
    Points fixes d'une isométrie

IV Homothétie

Géométrie du plan complexe → IV Homothétie
Nous commençons l'étude des transformations qui conservent les rapports des longueurs par celle de la plus simple d'entre elles, l'homothétie.

IV-1 Définition

IV-2 Figure mobile

IV-3 Homothétique d'un pentagone

IV-4 Propriétés

IV-5 Exercices

Géométrie du plan complexe → IV Homothétie

IV-1 Définition

Géométrie du plan complexe → IV Homothétie → IV-1 Définition

Définition

Soient C un point du plan et un réel non nul différent de 1. On appelle homothétie de centre C et de rapport , et on note , l'application du plan affine dans lui-même qui à un point M associe le point M' tel que .
Si c est l'affixe de C, l'écriture complexe de est .

Exemple

La symétrie centrale de centre C est l'homothétie de centre C de rapport -1 : . On a déjà vu son expression complexe ici .

IV-2 Figure mobile

Géométrie du plan complexe → IV Homothétie → IV-2 Figure mobile
Sur la figure mobile (merci à Chantal Causse), l'image du F bleu par l'homothétie de centre I et de rapport k (qui peut varier grâce au curseur) est le F vert. Vous pouvez déplacer tous les objets rouges.

Géométrie du plan complexe → IV Homothétie → IV-2 Figure mobile

IV-3 Homothétique d'un pentagone

Géométrie du plan complexe → IV Homothétie → IV-3 Homothétique d'un pentagone
Le polygone hachuré en vert est l'image du grand pentagone orange par l'homothétie de centre F et de rapport k donné par le curseur. On remarque qu'il est régulier et que ses côtés sont parallèles à ceux du grand.
Géométrie du plan complexe → IV Homothétie → IV-3 Homothétique d'un pentagone

IV-4 Propriétés

Géométrie du plan complexe → IV Homothétie → IV-4 Propriétés

Proposition

Soient un réel non nul différent de 1, A, B et C des points du plan.
  1. Une homothétie admet son centre comme unique point fixe.
  2. L'application multiplie les longueurs par . De ce fait, elle conserve les rapports de longueur.
  3. L'inverse de est .
  4. Une homothétie transforme une droite en une droite parallèle .
  5. Une homothétie conserve les milieux. Si h est une homothétie, l'image par h du milieu de [A B] est le milieu de [h(A) h(B)].
  6. Les droites invariantes par sont celles passant par son centre C.
Pour la démonstration de ces propriétés, on renvoie à celles des propriétés de la symétries centrale (voir propriétés des symétries centrales et droites invariantes dans le cours Isométries de plan.)
Géométrie du plan complexe → IV Homothétie → IV-4 Propriétés

IV-5 Exercices

Géométrie du plan complexe → IV Homothétie → IV-5 Exercices
  • Exercice de calcul
    Image par homothétie ou translation
  • Exercices graphiques
    Image de points par une homothétie
    Image d'un triangle par une homothétie (1)
    Image d'un triangle par une homothétie (2)

V Similitudes

Géométrie du plan complexe → V Similitudes
On étudie maintenant les transformations et dans le cas où a n'est plus nécessairement de module 1.

V-1 Définitions et propriétés

V-2 Exemples

Géométrie du plan complexe → V Similitudes

V-1 Définitions et propriétés

Géométrie du plan complexe → V Similitudes → V-1 Définitions et propriétés

Définition

Dans le plan muni d'un repère orthonormé direct, on appelle similitude la composée d'une isométrie et d'une homothétie. La similitude est dite directe si l'isométrie est positive, indirecte si l'isométrie est négative.

Une similitude est donc de la forme si elle est directe ou si elle est indirecte.
Réciproquement, l'application (resp. ) est une similitude directe (resp. indirecte). En effet, quand on la compose par l'homothétie de centre O et de rapport , on obtient une isométrie positive (resp. négative).

Proposition

Les similitudes directes du plan complexe sont les transformations (avec et b des nombres complexes). Les similitudes indirectes du plan complexe sont les transformations (avec et b des nombres complexes).

Définition

On appelle rapport de la similitude la valeur absolue du rapport de l'homothétie, il vaut dans l'écriture complexe.
Géométrie du plan complexe → V Similitudes → V-1 Définitions et propriétés

V-2 Exemples

Géométrie du plan complexe → V Similitudes → V-2 Exemples
Voici quelques exemples de similitudes et une remarque importante sur la décomposition d'une similitude.

Exemples


  • Les isométries sont des similitudes de rapport 1.
  • L'homothétie h(O,-2) est une similitude de rapport 2, elle est la composée de h(O,2) et la symétrie centrale .

Remarque

Si a n'est pas réel, est la composée de la rotation avec et et de l'homothétie de centre O et de rapport .
Mais cette composition n'est pas commutative. En effet on a :

VI Etude des similitudes qui ne sont pas des isométries

Géométrie du plan complexe → VI Etude des similitudes qui ne sont pas des isométries
Dans cette partie, on étudie les similitudes qui ne sont pas des isométries, c'est-à-dire leur rapport est différent de 1.

VI-1 Décomposition canonique d'une similitude qui n'est pas une isométrie

VI-2 Point fixe d'une similitude directe qui n'est pas une isométrie

VI-3 Point fixe d'une similitude indirecte qui n'est pas une isométrie

VI-4 Exercices

Géométrie du plan complexe → VI Etude des similitudes qui ne sont pas des isométries

VI-1 Décomposition canonique d'une similitude qui n'est pas une isométrie

Géométrie du plan complexe → VI Etude des similitudes qui ne sont pas des isométries → VI-1 Décomposition canonique d'une similitude qui n'est pas une isométrie
On va maintenant montrer qu'on peut écrire une similitude qui n'est pas une isométrie comme composée commutative d'une homothétie et d'une isométrie à point fixe.

Proposition

Soit s une similitude qui n'est pas une isométrie ( dans son écriture complexe). Alors s admet un unique point fixe, noté C d'affixe c, appelé centre de la similitude.
Alors, si est le rapport de s, on peut écrire où est une isométrie admettant C comme point fixe. Cette écriture est appelée décomposition canonique de s.

Démonstration
L'existence et l'unicité du point fixe sont démontrées ici et là . Supposons que s fixe le point C d'affixe c.
Si la similitude est directe, pour commencer, alors on a c=ac+b et donc z'-c=a(z-c). Prenons C comme origine ; dans ce nouveau repère, l'affixe Z d'un point vaut z-c. On a donc
La similitude est donc la composée commutative de et d'une isométrie (le complexe est de module 1) qui fixe la nouvelle origine C, c'est-à-dire une rotation de centre C.
Si s est indirecte, on fait le même calcul sans problème avec des conjugués aux bons endroits et on écrit donc s comme composée de l'homothétie et d'une isométrie négative qui fixe C, donc une réflexion.
Fin de la démonstration
Géométrie du plan complexe → VI Etude des similitudes qui ne sont pas des isométries → VI-1 Décomposition canonique d'une similitude qui n'est pas une isométrie

VI-2 Point fixe d'une similitude directe qui n'est pas une isométrie

Géométrie du plan complexe → VI Etude des similitudes qui ne sont pas des isométries → VI-2 Point fixe d'une similitude directe qui n'est pas une isométrie
Soit s est une similitude directe qui n'est pas une isométrie ( ). Le point C est fixe par s si et seulement si c vérifie c=ac+b ; cette équation aux points fixes a une unique solution : puisque a ne peut être égal à 1.

Proposition

Dans le cas , la similitude directe admet pour centre son unique point fixe C d'affixe et vérifie
On note la similitude composée de et de . Son expression complexe est :

Figure : Image d'un carré par une similitude directe.
Le carré A O D E est l'image de A B C D par la similitude de centre A d'angle et de rapport . On peut afficher l'image de A O D E par la rotation .
Géométrie du plan complexe → VI Etude des similitudes qui ne sont pas des isométries → VI-2 Point fixe d'une similitude directe qui n'est pas une isométrie

VI-3 Point fixe d'une similitude indirecte qui n'est pas une isométrie

Géométrie du plan complexe → VI Etude des similitudes qui ne sont pas des isométries → VI-3 Point fixe d'une similitude indirecte qui n'est pas une isométrie
Considérons maintenant le cas d'une similitude indirecte qui n'est pas une isométrie ( ) et recherchons les éventuels points fixes de .
Si c est un point fixe de , alors c est un point fixe de . La réciproque est fausse, il suffit de considérer une réflexion : son carré est l'identité, donc admet tout point comme point fixe.
Déterminons donc les éventuels points fixes de :
Comme on a supposé , l'application a un unique point fixe C d'affixe .
Vérifions que C est point fixe de .
On a bien .

Proposition

Dans le cas , la similitude indirecte admet comme centre son unique point fixe c d'affixe . Elle est la composée de l'homothétie et de la réflexion d'axe passant par C et faisant un angle (modulo pi) avec l'axe des abscisses.
On note . Posons . L'expression complexe de est : .

Figure : Image d'un triangle par une similitude indirecte.
Le triangle P E Q est l'image de A E F par la similitude de centre E d'axe (E F) et de rapport k. On peut faire apparaître le symétrique A E F par rapport à (E F).
Géométrie du plan complexe → VI Etude des similitudes qui ne sont pas des isométries → VI-3 Point fixe d'une similitude indirecte qui n'est pas une isométrie

VI-4 Exercices

Géométrie du plan complexe → VI Etude des similitudes qui ne sont pas des isométries → VI-4 Exercices
Certains exercices admettent pour le centre ou le vecteur des expressions non simplifiées.
  1. Ecriture complexe d'une similitude directe
  2. Centre et rapport d'une similitude directe
  3. Type d'une similitude directe
  4. Similitude directe définie géométriquement dans un polygone
  5. Type d'une similitude et éléments caractéristiques

VII Composition des similitudes

Géométrie du plan complexe → VII Composition des similitudes

VII-1 Groupe des similitudes

VII-2 Similitudes et angles orientés

Nous allons préciser les éléments caractéristiques de la composée de deux similitudes directes.

VII-3 Composées de similitudes directes

VII-4 Exercices de composition

Géométrie du plan complexe → VII Composition des similitudes

VII-1 Groupe des similitudes

Géométrie du plan complexe → VII Composition des similitudes → VII-1 Groupe des similitudes
Nous savons déjà que toute isométrie est inversible. Inversons maintenant une similitude qui n'est pas une isométrie.

VII-1-1 Inverse d'une similitude qui n'est pas une isométrie

Nous étudions maintenant la composée de deux similitudes.

VII-1-2 Composées de similitudes

VII-1-3 Groupe des similitudes

VII-1-1 Inverse d'une similitude qui n'est pas une isométrie

Géométrie du plan complexe → VII Composition des similitudes → VII-1 Groupe des similitudes → VII-1-1 Inverse d'une similitude qui n'est pas une isométrie
Soient un réel positif différent de 0 et 1, theta un réel, C un point du plan, Delta une droite passant par C. Nous avons vu les inverses des isométries dans le document Isométries du plan et celui d'une homothétie ici . Comme la décomposition canonique est commutative, nous en déduisons :

Proposition


  1. L'inverse de est
  2. L'inverse de est .
Géométrie du plan complexe → VII Composition des similitudes → VII-1 Groupe des similitudes → VII-1-1 Inverse d'une similitude qui n'est pas une isométrie

VII-1-2 Composées de similitudes

Géométrie du plan complexe → VII Composition des similitudes → VII-1 Groupe des similitudes → VII-1-2 Composées de similitudes
Nous caractérisons les similitudes comme les applications du plan qui conservent les rapports de longueur.

Proposition

Les similitudes sont les applications qui conservent le rapport des longueurs.

Démonstration
Nous avons défini une similitude comme la composée d'une homothétie et d'une isométrie. Il en résulte facilement qu'une similitude conserve le rapport des longueurs. En effet, soit s une similitude de rapport et deux points M, N (resp. P et Q) distincts alors des égalités et , on déduit .
Réciproquement, soit une application du plan qui conserve le rapport des longueurs. Alors pour deux points quelconques M et N (resp. P et Q) distincts, on peut écrire . On en déduit l'égalité de rapports :
Notons la valeur commune des rapports . On a donc montré que multiplie les longueurs par ; on en déduit que est une isométrie donc psi est une similitude.
Fin de la démonstration

De cette caractérisation des similitudes, nous déduisons que la composée de deux similitudes est une similitude. Plus précisément, comme une similitude multiplie les longueurs par son rapport, le rapport de la composée de deux similitudes est une similitude de rapport le produit des rapports.

VII-1-3 Groupe des similitudes

Géométrie du plan complexe → VII Composition des similitudes → VII-1 Groupe des similitudes → VII-1-3 Groupe des similitudes
Pour la définition d'un groupe et des exemples, consultez le document Isométries du plan . Des deux paragraphes précédents on déduit :

Proposition

L'ensemble des similitudes du plan complexe est un groupe pour la loi de composition.

VII-2 Similitudes et angles orientés

Géométrie du plan complexe → VII Composition des similitudes → VII-2 Similitudes et angles orientés

Proposition

Une homothétie conserve les angles orientés.

Démonstration
Soit un réel différent de 0 et 1 et C un point du plan. On considère trois points distincts M, P et Q et leurs images M', P' et Q' par . La relation de Chasles et la définition de permettent d'écrire :
On en déduit que l'angle orienté est égal à l'angle , on peut donc affirmer qu'une homothétie conserve les angles orientés.
Fin de la démonstration

On en déduit la proposition suivante.

Proposition


  1. Une similitude directe conserve les angles orientés.
  2. Une similitude indirecte conserve les angles géométriques et transforme un angle orienté en son opposé.
En considérant l'action des similitudes sur les angles orientés, on montre la proposition suivante.

Proposition


  1. La composée de deux similitudes directes (ou de deux similitudes indirectes) est une similitude directe.
  2. La composée d'une similitude directe et d'une similitude indirecte est une similitude indirecte.

Corollaire

L'ensemble des similitudes directes du plan complexe est un groupe pour la loi de composition.
Géométrie du plan complexe → VII Composition des similitudes → VII-2 Similitudes et angles orientés

VII-3 Composées de similitudes directes

Géométrie du plan complexe → VII Composition des similitudes → VII-3 Composées de similitudes directes

Soient deux réels et différents de 0 et 1, deux angles et et deux points C et C'.
La composée a pour écriture complexe :
Nous nous intéressons principalement au coefficient de z : qui indique que le rapport de est (nous le savions déjà) et son angle la somme de angles et .
Nous pouvons maintenant énoncer la proposition suivante :

Proposition

Soient deux réels et différents de 0 et 1, deux angles et et deux points C et C'.
  • Si n'est pas nul alors la composée est la similitude dont on aura à déterminer le centre .
  • Si n'est pas nul et que vaille 1, la similitude composée est une rotation d'angle .
  • Si est nul et différent de 1, la composée est une homothétie de rapport dont on aura à déterminer le centre.
  • Si est nul et égal à 1, la composée est une translation.

Corollaire

L'ensemble des homothéties et des translations est un groupe pour la loi de composition.

Démonstration
On savait déjà que les translations forment un groupe ; la proposition précédente permet d'affirmer que la composée d'une translation et d'une homothétie est une homothétie et que la composée de deux homothéties est une homothétie ou une translation.
Fin de la démonstration
Géométrie du plan complexe → VII Composition des similitudes → VII-3 Composées de similitudes directes

VII-4 Exercices de composition

Géométrie du plan complexe → VII Composition des similitudes → VII-4 Exercices de composition
Voici quelques exercices pour s'entraîner à composer des similitudes en écriture complexes.
  1. Composée translation et symétrie centrale
  2. Composée d'homothétie et translation
  3. Composée d'une translation et d'une rotation
  4. Composée de deux rotations
Géométrie du plan complexe → VII Composition des similitudes → VII-4 Exercices de composition

VIII Propriétés des similitudes

Géométrie du plan complexe → VIII Propriétés des similitudes

VIII-1 Figures semblables

VIII-2 Similitude définie par l'image de deux points donnés

VIII-3 Image d'une droite ou d'un cercle

Géométrie du plan complexe → VIII Propriétés des similitudes

VIII-1 Figures semblables

Géométrie du plan complexe → VIII Propriétés des similitudes → VIII-1 Figures semblables
Les isométries conservent forme et taille d'une figure. Les similitudes qui ne sont pas des isométries conservent la forme des figures mais seul le rapport des longueurs est conservé.

Définition

On dit que deux figures sont semblables si l'une est la transformée de l'autre par une similitude.

Exercices


Figures semblables
Ensemble de figures semblables

VIII-2 Similitude définie par l'image de deux points donnés

Géométrie du plan complexe → VIII Propriétés des similitudes → VIII-2 Similitude définie par l'image de deux points donnés

Proposition

Soient P et Q (resp. P' et Q') deux points distincts. Il existe une unique similitude directe (resp. indirecte) s telle que l'on ait

Démonstration
Notons p, p', q et q' les affixes respectives de P, P', Q et Q'.
Recherche de la similitude directe. On sait qu'une similitude directe a pour expression complexe s(z) = az+b. On cherche donc deux nombres complexes a et b tels que
Pour trouver a, on retranche la deuxième équation à la première. Pour trouver b, on multiplie la première (respectivement seconde) équation par q (resp. p) et on retranche la deuxième équation à la première. Comme P et Q sont distincts ( ), on obtient :
Comme P' et Q' sont distincts ( ), le complexe a n'est pas nul.
L'expression de a signifie que le rapport de la similitude est et que son angle est .
Recherche de la similitude indirecte. On sait qu'une similitude indirecte a pour expression complexe . On cherche donc deux nombres complexes a et b tels que
La seule solution est alors
A nouveau, le rapport est .
Fin de la démonstration

Exercice


Ecriture complexe d'une similitude donnée par l'image de deux points
Géométrie du plan complexe → VIII Propriétés des similitudes → VIII-2 Similitude définie par l'image de deux points donnés

VIII-3 Image d'une droite ou d'un cercle

Géométrie du plan complexe → VIII Propriétés des similitudes → VIII-3 Image d'une droite ou d'un cercle
Soient P et Q deux points distincts d'affixes respectives p et q, et r deux réels strictement positifs.
En utilisant les propriétés des homothéties, des isométries et de la décomposition canonique, on montre que l'image de (PQ) par une similitude s est la droite (s(P) s(Q)).
L'image du cercle de centre P et de rayon r par une similitude s de rapport est le cercle en effet on a, pour tout point M du plan, d'affixe m :
Géométrie du plan complexe → VIII Propriétés des similitudes → VIII-3 Image d'une droite ou d'un cercle

cours sur les isométries et similitudes.
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Description: cours sur les isométries et similitudes. interactive exercises, online calculators and plotters, mathematical recreation and games

Keywords: interactive mathematics, interactive math, server side interactivity, geometry, complex_plane,isometries,complex_number,symmetry,similarities,transformation_group,homothétie