Cube
En géométrie euclidienne, un cube est un prisme dont l'ensemble des faces sont carrées. Les cubes font partie des solides les plus remarquables de l'espace.
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Polyèdre
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| Cube | |
|---|---|
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| Type | Polyèdre régulier |
| Faces | Carré |
| Éléments : · Faces · Arêtes · Sommets · Caractéristique |
6 12 8 2 |
| Faces par sommet | 3 |
| Sommets par face | 4 |
| Isométries | |
| Dual | Octaèdre |
| Propriétés | Deltaèdre régulier et convexe, zonoèdre |
En géométrie euclidienne, un cube est un prisme dont l'ensemble des faces sont carrées. Les cubes font partie des solides les plus remarquables de l'espace. C'est un des cinq solides de Platon, l'unique ayant précisément 6 faces, 12 arêtes et 8 sommets. Son autre nom est «hexaèdre régulier».
L'étymologie du terme cube est grecque ; cube provient de kubos, le dé.
Le terme de cube, appliqué à un nombre, sert à désigner la valeur obtenue en multipliant ce nombre par lui-même et en remultipliant le résultat par le nombre d'origine. Cette expression s'est vu consacrée durant la période où l'algèbre géométrique était omniprésente, le carré d'un nombre était vu comme la surface d'un carré de côté le nombre d'origine et le cube d'un nombre comme le volume d'un cube de côté le nombre d'origine. L'expression «a3» peut se lire «a au cube» et «a cube».
Le squelette du cube, la totalité de ses sommets reliés par ses arêtes, forme un graphe nommé graphe hexaédrique.
Géométrie
Le cube est un des cinq solides de Platon. Un cube appartient à la famille des prismes droits. Il possède 8 sommets et 12 arêtes. De plus :
- Deux arêtes ayant une extrémité commune sont orthogonales.
- Les faces opposées sont parallèles. Les faces adjacentes sont perpendiculaires
- Tous les angles dièdres sont droits.
- Les diagonales s'intersectent en un unique point, le centre de symétrie du cube, l'isobarycentre des huit sommets.
Mais par définition ses arêtes sont toutes de longueur égale, disons a. Ses faces sont par conséquent des carrés, de même superficie, égale à a². De fait :
- son aire vaut par conséquent 6 × a² ;
- son volume vaut a³ ;
- la longueur d'une diagonale vaut
; - la sphère circonscrite a par conséquent pour rayon
; - la sphère tangente aux arêtes a pour rayon
; - la sphère inscrite a pour rayon
; - l'angle entre la diagonale et chacun des plans adjacent vaut
.
C'est l'expression de son volume qui a conduit à l'utilisation du mot cube en algèbre.
Autres définitions
Il existe d'autres définitions équivalentes du cube :
- les cubes sont les seuls polyèdres dont l'ensemble des faces sont carrées ;
- le cube est un antidiamant d'ordre 3 à sommets réguliers et angles dièdre égaux.
Groupe des isométries
Le cube fait partie des polyèdres offrant le plus de symétries :
- 3 axes de rotation d'ordre 4 : axes passant par le centre de deux faces opposées ;
- 6 axes de rotations d'ordre 2 : axes passant par le milieu de deux arêtes opposées ;
- 4 axes de rotation d'ordre 3 : axes passant par deux sommets opposés ;
- la symétrie de centre O ;
- 9 plans de symétrie : 3 plans médiateurs des arêtes, 6 plans passant par deux arêtes opposées.
Une isométrie du cube est entièrement définie par l'image d'un sommet et des trois arêtes issues de ce sommet (repère de l'espace). Ce sommet peut avoir pour image l'un quelconque des 8 sommets du cube. La première arête a alors 3 images envisageables, la seconde arête deux images uniquement et l'image de la dernière arête est alors déterminée. Ceci prouve que les isométries laissant le cube globalement invariant sont au nombre de 8 × 3 × 2 = 48. Ces isométries se partagent en 24 isométries positives et 24 isométries négatives. Les isométries positives possèdent toutes le point O comme invariant : on dénombre alors 23 rotations plus l'identité.
On retrouve alors les axes de rotations qui ont précédé :
- 3 axes de rotation générant 3 rotations d'angle non nul, soit 9 rotations ;
- 6 axes de rotation générant 1 rotation d'angle plat, soit 6 rotations ;
- 4 axes de rotation générant 2 rotations d'angle non nul, soit 8 rotations.
mais aussi les 9 symétries comparé à un plan générées par les 9 rotations d'angle plat composées avec la symétrie de centre O.
Ce qui prouve que l'inventaire était bien exhaustif.
Ce groupe est le plus vaste de ceux des polyèdres réguliers qui peuvent paver l'espace. L'analyse associée se trouve dans l'article réseau (géométrie) .
Patrons
Il existe de nombreux patrons du cube, onze différents pour être précis, en voici des exemples :
 Développement en croix, les carrés latéraux peuvent être positionnés plus bas ou plus haut |
 Développement en zigzag |
 Ce développement tient dans un rectangle de deux sur cinq et minimise l'espace perdu |
 Le carré de gauche peut être positionné plus bas ou plus haut |
Le cube et les autres polyèdres
Le dual du cube est l'octaèdre régulier. Ce qui explique que les deux solides possèdent le même groupe d'isométries.
Le cube s'inscrit dans un dodécaèdre régulier : les sommets du cube sont des sommets du dodécaèdre et les arêtes du cube sont constituées de segments joignant deux sommets non consécutifs dans une face pentagonale du dodécaèdre. Il y a ainsi cinq façon d'inscrire un cube dans un dodécaèdre régulier.
On peut aussi inscrire le cube dans un dodécaèdre rhombique. Les sommets du cube correspondent aux sommets d'ordre 3 du dodécaèdre rhombique et les arêtes du cube correspondent aux diagonales des losanges.
Fascination du cube
Le cube a joué un rôle important dans la géométrie et la cosmologie grecque. Platon, dans le Timée le classe comme le quatrième solide, le premier construit avec triangles isocèles rectangles
«Groupés par quatre avec leurs angles droits se rencontrant au centre, ces triangles isocèles forment un quadrangle. Six de ces quadrangles en s'accollant ont donné naissance à huit angles solides, composés chacun de trois angles plans droits et la figure obtenue est un cube (Le Timée 54c - 55 d)»
Comme chaque solide de Platon, le cube est associé à un élément. Comme élément le plus stable, il est associé à la terre.
Le cube a été l'objet d'un problème qui s'est révélé insoluble : la duplication du cube à la règle et au compas.
Dans la cosmologie de Kepler, le cube est associé à la planète Saturne.
On retrouve aussi le cube dans la symbolique franc-maçonne. Le cube y symbolise les progrès que doivent faire le compagnon pour passer de la pierre brute au solide parfait.
Le cube a fait l'objet d'une séquence de trois films canadiens. Nintendo a produit la console GameCube. Le rubik's cube est un casse tête dont la réflexion se base sur des associations de couleur. Comprendre sa solution fait appel aux groupe des permutations.
On retrouve un cube tronqué dans le tableau mélancolia de Dürer. L'atomium de Bruxelles est un cube. En effet, le cube est un des réseaux envisageables en cristallographie pour l'argent, l'or, le cuivre, le platine, le diamant, le sel.
Voir aussi
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