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Exercices de géométrie 2. Les principaux thèmes abordés sont les suivants: le nombre réel, les valeurs de l’entier naturel n, l’ensemble des cercles du plan.
Typologie: Exercices
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Soit f la fonction qui associe, à tout nombre réel x , le nombre réel
f ( x ) =
e^2 x^ − e x^
1. Étudier les variations de f. La fonction f est-elle continue, dérivable pour la valeur 0 de la variable x? Construire la représentation graphique (Γ) de f dans un plan rapporté à un re- père orthonormé d’axes x ′O x et y ′O y (on prendra 2 centimètres comme unité de longueur). 2. (Γ) coupe l’axe y ′O y en A. Soit λ un nombre réel négatif et ( Dλ ) la droite d’équation x = λ. Exprimer, en centimètres carrés et en fonction de λ , l’aire Sλ de l’ensemble des points dont l’abscisse est comprise entre λ et 0 et qui sont situés entre (Γ) et la parallèle à x ′O x menée par A.
Donner, suivant les valeurs de l’entier naturel n , le reste de la division euclidienne de 4 n^ par 7. Un entier A s’écrit 13 321 dans le système de numération de base quatre. Quel est le reste de la division de A par 7?
L’univers du problème est un plan euclidien (Π) rapporté à un repère orthonormé d’axes x ′O x , y ′O y. a étant un nombre réel strictement positif, soit ( C ) le cercle de centre O et de rayon a. Soit G l’ensemble des cercles du plan (Π) orthogonaux à ( C ) et de rayon non nul. (Γ) étant un élément de G , on appelle ω son centre et (D) la polaire de O par rapport à (Γ) ; si P désigne un point de ( C ), la polaire de P par rapport à (Γ) est notée (∆).
Partie A
Dans cette première partie, que l’on demande de traiter géométriquement, sans faire appel aux coordonnées, le point P est un point fixe de ( C ) et le cercle (Γ) un élément variable.
1. Quelle est l’image Ω de G par l’application de G dans (Π) qui à (Γ), élément de G , fait correspondre son centre ω? Cette application est-elle injective? 2. Montrer qu’il existe un point fixe P′^ de (Π) tel que, quel que soit le cercle (Γ), élément de G , (∆) passe par P′. 3. Si R est la relation définie sur G par (Γ) R (Γ′) si, et seulement si, la polaire de P par rapport à (Γ′) est la droite (∆), polaire de P par rapport à (Γ), montrer que R est une relation d’équivalence. Caractériser, géométriquement, les classes d’équivalence définies dans G par R. [En d’autres termes, il est demandé, dans cette fin de question, de caracté- riser géométriquement un ensemble de cercles de (Π) orthogonaux à ( C ) et de rayon non nul tels que P ait même polaire par rapport à tous ces cercles.]
Le baccalauréat de 1971 A. P. M. E. P.
4. Soit ( L ) une droite de (Π) passant par P et recoupant ( C ) en un point B dis- tinct de P. Ω étant la partie de (Π) définie au 1., à tout ω ∈ ( L ) ∩ Ω correspond un cercle (Γ) de centre ω ; soit M l’intersection de ( D ) avec (∆) et H l’intersec- tion de ( D ) avec la droite (O ω ). [On rappelle que (D) et (∆) sont les polaires respectives de O et de P par rapport à (Γ).] a. Quelle est la polaire de M par rapport à (Γ)? Quel est l’axe radical de (Γ) et du cercle circonscrit au triangle ω BM? Montrer que le cercle circonscrit au triangle ω BM est un cercle (Γ′) élé- ment de G. À tout ω ∈ ( L ) ∩ Ω correspond ainsi un point ω ′^ de (Π), centre du cercle (Γ′) circonscrit à ω BM ; quel est l’ensemble des points ω ′^ correspondant aux points ω de ( L ) ∩ Ω? b. À l’aide d’une inversion de centre O, déterminer l’ensemble des points H lorsque ω décrit ( L ) ∩ Ω. c. Montrer que, quel que soit ω ∈ ( L ) ∩ Ω, il existe un point fixe, K, de (Π) tel que ( D ) passe par K. Comment peut-on définir et construire simplement K à partir de ( C ) et de ( L )?
Partie B
Dans cette seconde partie, le point P est variable sur ( C ), mais le cercle (Γ) est le cercle fixe de G dont le centre ω a pour coordonnées (2 a ; 0).
1. Soit E et E′^ les points d’intersection de ( C ) avec (Γ), E désignant celui qui a une ordonnée positive. Montrer que les droites (OE) et (OE′) ont pour équations respectives
y =
p 3 x et y = −
p 3 x.
2. Soit F et F′^ les points d’intersection de la polaire (∆) de P par rapport à (Γ) et des droites (OE) et (OE′) respectivement. Montrer, géométriquement, que la droite ( ω F) est perpendiculaire à (PE) et ( ω F′) à (PE′). Calculer la mesure de l’angle ( ω F, ω F′) et établir les égalités
( w O, w F′) = (FO, F w ) et OF · OF′^ = 4 a^2.
3. Si θ désigne l’angle du vecteur unitaire de O x et de
r = OP, les coordonnées de P s’écrivent x = r cos θ et y = sin θ. Calculer en fonction de θ les coordonnées de F et de F′, puis celles du milieu, I, du segment FF′. Montrer que, lorsque P décrit (Γ), l’ensemble des points I correspondant, est une hyperbole, dont on précisera les éléments.
Rennes 2 juin 1971