Résumé
Cette leçon étend la résolution des triangles, qui avec les rapports trigonométriques se limitait aux triangles rectangles, à tous les triangles : trois de leurs éléments, côtés ou angles, étant donnés, elle détermine les autres. Elle démontre que l’aire d’un triangle est la moitié du produit de deux côtés par le sinus de l’angle qu’ils forment, en déduit la loi des sinus et sa relation avec le rayon du cercle circonscrit, prouve avec des coordonnées la loi des cosinus, qui contient le théorème de Pythagore comme cas particulier, et obtient des deux la formule de Héron, qui donne l’aire à partir des trois côtés. Avec ces outils, elle étudie les cas de résolution, et en particulier le cas ambigu, où deux côtés et l’angle opposé à l’un d’eux déterminent aucun, un ou deux triangles selon le discriminant et les signes des racines d’une équation du second degré. Enfin, elle mesure l’angle de deux vecteurs au moyen du produit scalaire, et montre que cette formule et la loi des cosinus sont deux lectures d’un même fait ; les problèmes appliquent ces résultats aux médianes, à la mesure de distances inaccessibles et aux diagonales d’un parallélogramme.
Objectifs d’apprentissage
- Calculer l’aire d’un triangle à partir de deux côtés et de l’angle qu’ils forment, ou à partir de ses trois côtés au moyen de la formule de Héron.
- Démontrer les lois des sinus et des cosinus, et reconnaître sur laquelle il convient de s’appuyer selon les données disponibles.
- Résoudre un triangle dont on connaît les trois côtés, deux côtés et l’angle compris, ou un côté et deux angles, et discuter le nombre de solutions lorsque sont donnés deux côtés et l’angle opposé à l’un d’eux.
- Calculer l’angle de deux vecteurs avec le produit scalaire, et appliquer la résolution des triangles à des problèmes géométriques et de mesure.
Notation et faits préalables
Dans la leçon sur les rapports trigonométriques, le sinus, le cosinus et la tangente d’un angle aigu ont été définis comme des quotients de côtés d’un triangle rectangle, puis étendus à tout angle au moyen du cercle trigonométrique. Un triangle rectangle se résout donc avec ces rapports et avec le théorème de Pythagore. Or la plupart des triangles qui apparaissent en géométrie et dans l’arpentage n’ont aucun angle droit ; l’objet de cette leçon est de les résoudre tous.
Dans un triangle de sommets , et , la même lettre majuscule désigne le sommet et la mesure de l’angle intérieur du triangle en ce sommet, et la lettre minuscule correspondante désigne la longueur du côté opposé : est la longueur du côté , celle du côté et celle du côté . L’aire du triangle se note , et la distance entre deux points et , . Comme il est d’usage dans la résolution des triangles, les angles s’expriment en degrés. Or les fonctions trigonométriques sont définies pour des nombres réels, qui sont des mesures en radians ; d’après la règle de conversion de la leçon sur les angles et leur mesure, un angle de degrés mesure radians, et l’on adopte la convention que voici : désigne , et de même pour les autres fonctions ; par exemple, . De même, l’arc cosinus, qui prend ses valeurs dans , renvoie la mesure en radians d’un angle, que l’on exprime en degrés : l’égalité signifie que , la mesure en radians d’un angle de . Avec cette convention, tout ce qui suit vaut également en radians, en remplaçant par . On admet, comme dans la leçon sur les angles et leur mesure, un fait de géométrie élémentaire que ce cours ne démontre pas parce qu’il ne développe pas la géométrie synthétique : les trois angles d’un triangle ont pour somme deux angles droits.
Il s’ensuit que chaque angle d’un triangle est strictement compris entre et , et qu’au plus l’un d’eux est droit ou obtus. Des leçons antérieures de cette unité, on utilise en outre les faits ci-dessous :
- Le point situé à la distance de l’origine, sur la demi-droite qui forme l’angle avec le demi-axe positif des abscisses, a pour coordonnées : c’est le point du cercle trigonométrique associé à , multiplié par .
- L’identité pythagoricienne, , et les symétries de l’angle supplémentaire, et .
- Si , le sinus de est strictement positif ; le cosinus est strictement positif si est aigu, nul s’il est droit et strictement négatif s’il est obtus.
- Le cosinus est strictement décroissant entre et et prend sur cet intervalle chaque valeur comprise entre et exactement une fois ; c’est pourquoi, d’après la leçon sur les fonctions trigonométriques réciproques, un angle d’un triangle est déterminé par son cosinus, .
Le sinus, en revanche, ne détermine pas un angle d’un triangle : les angles et ont le même sinus, et la fonction arc sinus ne renvoie que l’angle aigu. Cette asymétrie entre le sinus et le cosinus expliquera, dans l’avant-dernière section, pourquoi certaines données admettent deux triangles distincts.
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