Vidéo 7 : Transformations et similitudes directes · 3 min 44 s · sous-titres en français
Le cours écrit
7.1 Écriture complexe d'une transformation
Une transformation f du plan associe à tout point M un point M′=f(M). Si M a pour affixe z et M′ pour affixe z′, une relation qui donne z′ en fonction de z est l'écriture complexe de f.
Translation. La translation de vecteur w d'affixe b : MM′=w⟺z′−z=b, soit
z′=z+b.
Homothétie. L'homothétie de centre Ω(ω) et de rapport k (réel non nul) : ΩM′=kΩM, soit
z′−ω=k(z−ω).
Rotation. La rotation de centre Ω(ω) et d'angle θ : pour M=Ω, ΩM′=ΩM et (ΩM,ΩM′)=θ[2π], c'est-à-dire z−ωz′−ω=1 et argz−ωz′−ω=θ[2π], donc z−ωz′−ω=eiθ :
z′−ω=eiθ(z−ω).
Cette égalité reste vraie pour M=Ω. Avec Ω=O : z′=eiθz.
Exemple 1.z′=iz est la rotation de centre O et d'angle 2π, car i=ei2π. z′=−z est la symétrie de centre O (rotation d'angle π, ou homothétie de rapport −1).
Exemple 2. La rotation de centre Ω(1+i) et d'angle 2π a pour écriture z′−(1+i)=i(z−(1+i)), soit z′=iz+2. L'image du point A(3+i) est le point d'affixe i(3+i)+2=1+3i.
7.2 Similitudes directes
Définition (programme S2-S4 : « applications du type M(z)↦M′(az+b) avec a=0 »). On appelle similitude directe toute transformation du plan dont l'écriture complexe est
z′=az+b,a∈C,a=0,b∈C.
Les translations (z′=z+b), les homothéties et les rotations sont des similitudes directes.
Théorème (éléments caractéristiques). Soit s la similitude directe d'écriture z′=az+b.
Si a=1, s est la translation de vecteur d'affixe b.
Si a=1, s a un unique point invariant, le centreΩ, d'affixe
ω=1−ab,
et l'écriture complexe devient z′−ω=a(z−ω). En écrivant a=keiθ, avec k=∣a∣>0 et θ=arga :
k est le rapport de s, θ est son angle ;
s est la composée de la rotation de centre Ω et d'angle θ et de l'homothétie de centre Ω et de rapport k, dans un ordre ou dans l'autre ;
pour tout point M=Ω : ΩM′=kΩM et (ΩM,ΩM′)=θ[2π].
Démonstration. Un point Ω(ω) est invariant si et seulement si ω=aω+b, soit ω(1−a)=b : si a=1, il y a une seule solution. En soustrayant ω=aω+b à z′=az+b, on obtient z′−ω=a(z−ω). Si h est l'homothétie de centre Ω et de rapport k, et r la rotation de centre Ω et d'angle θ, alors r transforme z en ω+eiθ(z−ω), puis h transforme ce point en ω+keiθ(z−ω)=ω+a(z−ω) : c'est s. L'ordre inverse donne le même résultat. Enfin ∣z′−ω∣=∣a∣∣z−ω∣ et argz−ωz′−ω=arga.
Cas particuliers. Pour a=1 : si ∣a∣=1, s est une rotation ; si a est réel, s est une homothétie de rapport a (rapport négatif si a<0 : son « angle » est alors π).
Exemple 3.s:z′=(1+i)z+2−i.
a=1+i=1. Centre : ω=1−(1+i)2−i=−i2−i=−i×i(2−i)i=2i+1, donc Ω(1+2i).
a=1+i=2ei4π : le rapport vaut 2 et l'angle 4π.
s est la similitude directe de centre Ω(1+2i), de rapport 2 et d'angle 4π.
Exemple 4.z′=−2z+3 : a=−2 est réel, s est l'homothétie de centre ω=1+23=1 et de rapport −2. Et z′=iz+1+i : ∣i∣=1, c'est la rotation d'angle 2π et de centre ω=1−i1+i=i.
7.3 Propriétés géométriques
Soit s une similitude directe z′=az+b, de rapport k=∣a∣ et d'angle θ=arga. Pour deux points M et N d'images M′ et N′ :
zN′−zM′=(azN+b)−(azM+b)=a(zN−zM).
Donc :
M′N′=kMN : une similitude directe multiplie les distances par son rapportk ;
si M=N, (MN,M′N′)=θ[2π] : tout vecteur tourne du même angle ;
les quotients zB−zAzC−zA sont conservés, car le facteur a se simplifie : une similitude directe conserve les angles orientés, l'alignement, le parallélisme et l'orthogonalité ;
l'image d'un segment est un segment, l'image d'un cercle de centre C et de rayon R est le cercle de centre C′=s(C) et de rayon kR.
7.4 Déterminer une similitude
Propriété. Soit A, B deux points distincts et A′, B′ deux points distincts. Il existe une unique similitude directe s telle que s(A)=A′ et s(B)=B′. Son écriture z′=az+b s'obtient en résolvant le système
{azA+b=zA′azB+b=zB′d’ouˋa=zB−zAzB′−zA′etb=zA′−azA.
Exemple 5.A(1), B(i), A′(1+i), B′(−1−i).
a=i−1(−1−i)−(1+i)=−1+i−2−2i=(−1+i)(−1−i)(−2−2i)(−1−i)=24i=2ib=(1+i)−2i=1−i.
Donc s:z′=2iz+1−i. Comme 2i=2ei2π, s a pour rapport 2 et pour angle 2π ; son centre a pour affixe ω=1−2i1−i=53+i.