Théorème d'Al-Kashi

Le théorème d'Al-Kashi, en France, loi des cosinus, dans les autres pays francophones et dans d'autres langues, ou théorème de Pythagore généralisé est un théorème de géométrie du triangle fréquemment utilisé en trigonométrie.



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  • Proposition 13 du livre II des Éléments d'Euclide : Résolution de triangles, Deux applications du théorème d'Al - Kashi. On doit aussi à Al-Kashi la... (source : serge.mehl.free)
  • Notre objectif est de démontrer le théorème d'Al - Kashi, pouvant être vu comme une... Il est important de noter que le théorème d'Al - Kashi s'applique à ... (source : maths-informatique-jeux)
Fig. 1 - Notations usuelles dans un triangle quelconque.

Le théorème d'Al-Kashi, en France, loi des cosinus, dans les autres pays francophones et dans d'autres langues, ou théorème de Pythagore généralisé est un théorème de géométrie du triangle fréquemment utilisé en trigonométrie. Il généralise le théorème de Pythagore aux triangles non rectangles : il relie le troisième côté d'un triangle aux deux premiers ainsi qu'au cosinus de l'angle constitué par ces deux côtés. Le nom français du mathématicien perse (Ghiyath al-Kashi), qui a vécu entre 1380 et 1429, lui a été attribué en France dans les années 1990, les appellations théorème de Pythagore généralisé ou loi des cosinus étant utilisées jusque là.

Soit un triangle ABC, dans lequel on utilise les notations usuelles exposées sur la figure 1 : d'une part α, β et γ pour les angles et , d'autre part, a, b et c pour les côtés respectivement opposés à ces angles. Alors, le théorème d'al-Kashi s'énonce de la façon suivante :

cˆ2 = aˆ2 + bˆ2 - 2ab\ \cos\ \gamma.

Histoire

Fig. 2 - Triangle ABC avec hauteur BH.

Les Éléments d'Euclide datant du IIIe siècle av. J. -C. , contenaient déjà une approche géométrique de la généralisation du théorème de Pythagore : les propositions 12 et 13 du livre II, traitent scindément le cas d'un triangle obtusangle et celui d'un triangle acutangle. La formulation de l'époque est pédestre car l'absence de fonction trigonométrique et d'algèbre oblige à raisonner en termes de différences d'aires. Aussi la proposition 12 utilise-t-elle ces termes :

«Dans les triangles obtusangles, le carré du côté qui soutient l'angle obtus est plus grand que la somme des carrés des deux autres côtés, de la quantité de deux fois le rectangle constitué d'un des côtés contenant l'angle obtus, à savoir celui sur le prolongement duquel tombe la hauteur, et de la ligne prise en dehors entre [le pied de] la hauteur et l'angle obtus.»

— Euclide, Les Éléments[1]

En notant ABC le triangle d'angle obtus A et H le pied de la hauteur issue de B (cf. Fig. 2 ci-contre), les notations modernes permettent de résumer l'énoncé ainsi :

AB² = CA² + CB² + 2 CA CH.

Il fallut attendre la trigonométrie arabo-musulmane au Moyen Âge pour voir le théorème évoluer dans sa forme et dans sa portée : l'astronome et mathématicien al-Battani généralisa le résultat d'Euclide à la géométrie sphérique au début du Xe siècle[2], ce qui permit d'effectuer des calculs de distance angulaire entre étoiles. C'est durant la même période que se sont établies les premières tables trigonométriques, pour les fonctions sinus et cosinus. Cela permit à Ghiyath al-Kashi, mathématicien de l'école de Samarcande, de mettre le théorème sous une forme utilisable pour la triangulation au cours du XVe siècle. La propriété a été popularisée en occident par François Viète qui l'a, semble-t-il, redécouverte indépendamment[3]

C'est au début du XIXe siècle que les notations algébriques modernes permettent d'écrire le théorème sous sa forme actuelle et qu'il prend dans de nombreuses langues le nom de loi (ou théorème) des cosinus.

Le théorème et ses applications

Le théorème d'Al-Kashi est aussi connu sous le nom de théorème de Pythagore généralisé[4], car le théorème de Pythagore en est un cas spécifique :

L'angle γ est droit (c'est à dire quand cos γ = 0) si et uniquement si cˆ2=aˆ2+bˆ2, \, selon le théorème d'Al-Kashi.
Fig. 3 - Utilisation du théorème d'Al-Kashi : angle ou côté inconnu.

Le théorème s'utilise en triangulation (voir Fig. 3) pour résoudre un triangle, à savoir déterminer

c = \sqrt{aˆ2+bˆ2-2ab\cos\gamma}; \,
\gamma = \arccos \dfrac{aˆ2+bˆ2-cˆ2}{2ab}.

Ces formules sont instables numériquement dans le cas de triangles en épingle, c'est-à-dire quand c est petit devant a et b — ou, de façon équivalente, quand γ est petit devant 1.

Il existe un corollaire du théorème d'al-Kashi : pour deux triangles directement identiques ABC et A'B'C'

cc' = aa' + bb' - (ab'+a' b)\cos \gamma. \,

Démonstrations

Tout comme le théorème de Pythagore, le théorème d'Al-Kashi possède de nombreuses démonstrations, certaines utilisant des propriétés sur les aires comme celles d'Euclide ou d'Al-Kashi, d'autres utilisant des propriétés trigonométriques ou liées au cercle. Enfin, le théorème d'Al-Kashi peut être vu comme une application des propriétés sur le produit scalaire[5].

Démonstration d'Euclide

Fig. 4 - Démonstration du théorème d'Al-Kashi pour un angle obtus : «selon Euclide».

La démonstration d'Euclide[6] par la proposition 12 (angle obtus) et 13 (angle aigu) s'appuie sur le théorème de Pythagore et fait intervenir le point H pied de la hauteur issue de B. Pour Euclide cette propriété est une propriété sur des aires. Pour l'angle obtus (proposition 12), Euclide remarque que

CHˆ2+CAˆ2+2\times CH \times AC=AHˆ2

Il lui suffit alors d'ajouter l'aire du carré de côté HB

 HBˆ2 + CHˆ2 + CAˆ2+2\times CH \times AC=AHˆ2+ HBˆ2

et d'utiliser le théorème de Pythagore

CBˆ2+CAˆ2 + 2\times CH \times CA= ABˆ2

Une démonstration analogue est réalisable pour l'angle aigu.

Démonstration d'Al-Kashi

Fig. 5 - Démonstration du théorème d'Al-Kashi pour un triangle acutangle : «selon Al-Kashi».

Dans son ouvrage Clé de l'arithmétique en 1429[7], Al-Kashi généralise le théorème de Pythagore et introduit dans l'égalité la trigonométrie. Pour lui aussi, cette propriété est liée aux aires. Ainsi dans un triangle aigu ABC, il mène par A et par B les hauteurs du triangle qui découpent dans les carrés s'appuyant sur CB et CA des rectangles. La somme des aires des rectangles de diagonales BF et AG correspond à l'aire du carré sous AB et les rectangles de diagonales CF et CG ont une même aire égale à CB × CA × cos (C) Ce qui donne effectivement

CAˆ2+CBˆ2=ABˆ2+2 CB\times CA \times \cos(C)

Une démonstration analogue est envisageable pour un triangle obtusangle en opérant par soustraction d'aires.

Par un découpage d'aires

Fig. 6a - Démonstration du théorème d'Al-Kashi pour les triangles à angles aigus : «méthode du découpage».
Fig. 6b - Démonstration du théorème d'Al-Kashi dans le cas d'un angle obtus : «méthode du découpage»

Un certain nombre des démonstrations du théorème font intervenir un calcul d'aires[8]. Il convient en effet de remarquer que

La figure 6a (ci-contre) découpe un heptagone de deux manières différentes de sorte à démontrer le théorème d'Al-Kashi dans le cas d'un angle aigu. Interviennent :

L'égalité des aires de droite et de gauche donne

\,aˆ2+bˆ2 = cˆ2+2ab \cos\gamma.

La figure 6b (ci-contre) découpe un hexagone de deux manières différentes de sorte à faire démontrer le théorème d'Al-Kashi dans le cas d'un angle obtus. La figure montre

L'égalité des aires à droite ainsi qu'à gauche donne

\,aˆ2+bˆ2-2ab\cos\gamma = cˆ2.

Une démonstration rigoureuse nécessiterait de prouver que les deux découpages sont effectivement semblables, ce qui utilise essentiellement les cas d'égalité des triangles.

Par le théorème de Pythagore

Fig. 7 - Démonstration du théorème d'Al-Kashi en utilisant les relations trigonométriques.

La figure 7 (ci-contre) indique la manière de procéder pour démontrer le théorème d'Al-Kashi dans le cas d'un triangle à angles aigus en utilisant le théorème de Pythagore sur un sous-triangle rectangle constitué en prenant le pied de la hauteur[9]. Seule la dernière étape n'est pas indiquée sur la figure : le théorème de Pythagore s'applique au triangle rectangle dont le côté c est l'hypoténuse :

\,cˆ2 = (a\sin\gamma)ˆ2 + (b-a\cos\gamma)ˆ2,

ce qui donne le résultat escompté, après simplification.

La méthode est en tous points identique pour les angles obtus.

En utilisant la puissance d'un point comparé à un cercle

Fig. 8 - Démonstration du théorème d'Al-Kashi en utilisant la puissance d'un point comparé à un cercle.

On considère le cercle de centre B et de rayon [BC] (cf. figure ci-contre). Il coupe la droite (AC) en C et K. La puissance du point A comparé au dit cercle est :

\mathrm{AB}ˆ2 - \mathrm{BC}ˆ2 = \overline{\mathrm{AC}}\cdot\overline{\mathrm{AK}} = \overline{\mathrm{AC}}\cdot(\overline{\mathrm{AC}}+\overline{\mathrm{CK}})

d'où

cˆ2-aˆ2 = b\,(b-2a\ \cos\ \gamma).

Contrairement aux précédentes, pour cette démonstration, il n'est pas indispensable de recourir à une étude par cas. En effet, les mesures algébriques permettent de traiter pareillement un angle aigu (\overline{\mathrm{CK}} < 0) et un angle obtus (<img class=Nicolas Copernic, Des révolutions des sphères célestes. Il présente ainsi deux algorithmes l'un utilisant le théorème de Pythagore généralisé présent dans l'œuvre d'Euclide[10], l'autre utilisant la puissance d'un point comparé à un cercle[11].

Ainsi dans une figure analogue à celle ci-contre, il fait remarquer que, a et c étant connu, la puissance du point A comparé au cercle tracé est connue

en langage mathématique actuel, elle vaut c2a2

Il en déduit que, puisque b est connu, AK est connu

en effet AK \times b = cˆ2-aˆ2donc AK=\frac{cˆ2-aˆ2}{b}

Puisque AK est connu, alors CK est connu.

en effet, dans la figure ci-contre, CK= AK-b=\frac{cˆ2-aˆ2-bˆ2}{b}

Enfin, il fait remarquer que CK étant connu, l'angle KCB est connu

en effet, \cos(KCB)=\frac{CK}{2a}=\frac{cˆ2-aˆ2-bˆ2}{2ab}

Et puisque l'angle KCB est connu, il en est de même de l'angle ACB

Ainsi, on retrouve la règle du cosinus : \cos(\gamma)=\frac{aˆ2+bˆ2-cˆ2}{2ab}

Ne manipulant pas les mesures algébriques, Nicolas Copernic présente deux cas de figure pour l'angle obtus et l'angle aigu, travaille sur un cercle dont le rayon correspond au plus petit côté, et ne présente pas de formule mais un algorithme de calcul. Une utilisation analogue de la puissance d'un point comparé à un cercle pour retrouver la règle du cosinus est faite par Pitiscus[12]

À l'aide du produit scalaire

En utilisant le calcul vectoriel, plus exactement le produit scalaire, il est envisageable de retrouver le théorème d'Al-Kashi en quelques lignes[5] :

cˆ2\, =\lVert\overrightarrow{\mathrm{AB}}\lVertˆ2
= \lVert\overrightarrow{\mathrm{CB}}-\overrightarrow{\mathrm{CA}}\lVertˆ2
=\lVert\overrightarrow{\mathrm{CB}}\lVertˆ2-2\cdot\overrightarrow{\mathrm{CB}}\cdot\overrightarrow{\mathrm{CA}}+\lVert\overrightarrow{\mathrm{CA}}\lVertˆ2
=\mathrm{CB}ˆ2-2\cdot\left|\mathrm{CB}\right|\cdot\left|\mathrm{CA}\right|\cos\widehat{\mathrm{ACB}}+\mathrm{CA}ˆ2
=aˆ2+bˆ2-2ab \cos\gamma\,.

Généralisation aux géométries non euclidiennes

Pour une surface non euclidienne de courbure K, on note R le rayon de courbure. Il vérifie

\,R = 1/\sqrt{|K|}.

On définit alors les dimensions réduites du triangle :

\,a = BC/R,
\,b = AC/R,
\,c = AB/R.

Dans le cas d'un triangle sphérique, a, b et c correspondent à la mesure angulaire des segments de grand arc [BC], [AC] et [AB] (voir Fig. 7).

Géométrie sphérique

Fig. 9 - Triangle sphérique : dimensions réduites a, b et c ; angles α, β et γ.

Dans un triangle sphérique ABC (Fig. 9), le théorème d'Al-Kashi s'écrit[13]

\cos c = \cos a \, \cos b + \sin a \, \sin b \, \cos\gamma.

Quand le rayon de courbure est particulièrement grand devant les dimensions du triangle, c'est-à-dire lorsque

\,a <\!\!< 1,\  \,b <\!\!< 1,\  \,c <\!\!< 1,\

cette expression se simplifie pour donner la version euclidienne du théorème d'Al-Kashi. Pour le montrer, on utilise les développements limités suivants :

\,\sin a = a + O(aˆ3),
\,\cos a = 1 - aˆ2/2 + O(aˆ3).

Il existe une identité identique qui relie les trois angles :

\cos\gamma = - \cos\alpha\,\cos\beta + \sin\alpha\,\sin\beta\,\cos c

Géométrie hyperbolique

Dans un triangle hyperbolique ABC, le théorème d'Al-Kashi s'écrit[14]

\cosh c = \cosh a\,\cosh b - \sinh a\,\sinh b\,\cos\gamma.

Quand le rayon de courbure devient particulièrement grand devant les dimensions du triangle, on retrouve le théorème d'Al-Kashi euclidien à partir des développements limités

\,\sinh a = a + O(aˆ3),
\,\cosh a = 1 + aˆ2/2 + O(aˆ3).

Généralisation à l'espace euclidien

Fig. 10 - Tétraèdre : faces et angles diédraux.

On considère un tétraèdre A1A2A3A4 de l'espace euclidien. La figure 10 ci-contre présente les notations concernant les sommets, faces et angles dans le tétraèdre :

Alors, surfaces et angles vérifient[15] :

s_4ˆ2 = s_1ˆ2+s_2ˆ2+s_3ˆ2 - 2s_1s_2\cos\theta_{12} - 2s_1s_3\cos\theta_{13} - 2s_2s_3\cos\theta_{23}.\,

Notes et références

  1. Pour une version en ligne de cette proposition (mais en anglais), voir le site de David E. Joyce (en) , ou le texte intégral (non numérisé) de la traduction de 1632
  2. (en) Yasmeen Mahnaz Faruqi, «Contributions of Islamic scholars to the scientific enterprise», dans International Education Journal, vol.  7, no 4, 2006, p.  391-399 (ISSN 1443-1475) [texte intégral (page consultée le 22 décembre 2009) ] 
  3. Youssef Guergour, Le roi de Saragosse Al-Mutaman Ibn Hud et le théorème de Pythagore : ses sources et ses prolongements, LLULL, vol 28, 2005, p 432.
  4. Renée Honvault : Une approche envisageable de la géométrie plane page 41
  5. La formule d'Al-Kashi, vue comme application du produit scalaire, est présente dans les programmes de mathématiques de première S de l'enseignement français (voir BO du 31 aout 2000)
  6. Élements d'Euclide selon la traduction d'Henrion (1632) pp 99-104
  7. Selon Youssef Guergour, Le roi de Saragosse Al-Mutaman Ibn Hud et le théorème de Pythagore : ses sources et ses prolongements, LLULL, vol 28, 2005, 415-434, la démonstration se trouve dans KASHI (al) (1967)  : Miftam al-misab [Clé de l'Arithmétique], al-Damardache, A. S. & al-Manfi al-Shikh, M. M. (Edit. ), Le Caire, Dar al-Kitab al-cArabi li at-tibaqa wa an-Nashr, pp 130-138
  8. Voir par exemple Nelsen, Roger B. (2000), Proofs without Words II : More Exercises in Visual Thinking, p. 9 (publié par la Mathematical Association of America), et d'une façon plus générale cet article sur les preuves sans mots (en)
  9. Küstner, Hellwitch, Kästner, Petite encyclopédie des mathématiques, Édition Didier, 1980, ch 11-2, p 265
  10. N. Copernic, De révolutionibus orbium cœlestium, Livre I, Chapitre XII, paragraphe VII, p 20 (Lire en ligne)
  11. N. Copernic, De révolutionibus orbium cœlestium, Livre I, Chapitre XII, paragraphe VII, p 21 (Lire en ligne)
  12. David Eugene Smith, A source book in mathematics, Volume 1, p 435
  13. Voir l'article trigonométrie sphérique, et pour des démonstrations, par exemple, le "cours" de cartographie de David Madore
  14. Voir l'article géométrie hyperbolique ; pour des démonstrations de ces formules, on pourra par exemple se référer à ce TD de DEA (mais qui utilise des connaissances assez avancées)
  15. (en) Lee, J. R. "The Law of Cosines in a Tetrahedron. " J. Korea Soc. Math. Ed. Ser. B : Pure Appl. Math. 4, 1-6, 1997.

Voir aussi

Bibliographie

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