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inversion.tex

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\documentclass[a4paper,12pt]{article}
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%=====================================================================
% Figure en taille fixée par l'utilisateur
\def\taille{\long\def\epsfsize##1##2{\facteur\textwidth}}
\def\fig#1#2{\long\def\facteur{#1}\taille\epsffile{#2}}
% Figure en taille réelle
\def\tailleR{\long\def\epsfsize##1##2{0pt}}
\def\figTR#1{\tailleR\epsffile{#1}}
%=====================================================================
% Macros
\newtheorem{definition}{Définition}
\newtheorem{theoreme}{Théorème}
\def\vect#1{\overrightarrow{#1}}
%=====================================================================
% Definition de subsubexo
\newcount\exonumber \exonumber=0
\def\placeExo{\goodbreak\global\advance\exonumber by 1\par\vskip 15pt
         \noindent{\framebox{\bf\the\exonumber}}}
\newif\ifCorrigeDemande\CorrigeDemandefalse
\newif\ifCorrection\Correctionfalse
\def\subsubexo#1#2#3#4{\placeExo\kern1pt{\bf #2}{ #3}%
     \ifCorrigeDemande{\correctionExo{#4}}\fi}
\def\correctionExo#1{\begin{quote}\hrule\large%
      \small #1 \end{quote}}
%=====================================================================
\parindent0pt
\begin{document}
\begin{center}
	\Large\bf Inversion\\
	\rule{\linewidth}{1mm}
\end{center}
\begin{definition}
	Soit $\Omega$ un point du plan $\mathcal{E}_2$ et $\mu$ un réel non nul,
	l'\textbf{inversion de centre} $\Omega$ de \textbf{puissance} $\mu$ est
	l'application de $\mathcal{E}_2\setminus\{\Omega\}$ sur
	$\mathcal{E}_2\setminus\{ \Omega\}$ qui, au point $M$, associe le point
	$M'$ tel que $$ \vect{\Omega M'}=\frac{\mu}{\Omega M^2}\vect{\Omega M}$$
\end{definition}
 
\textbf{Formulation complexe.} On suppose que $O$ est l'origine du plan
complexe, l'inversion de centre $O$ et de puissance $\mu$ associe au point
$M(z)$, distinct de $O$, le point $M'(z')$ tel que $\displaystyle
z'=\frac\mu{\overline{z}}$.  Plus généralement l'inversion de centre
$\Omega(\omega)$ et de puissance $\mu$ est l'application qui, au point
$M(z) (z \neq \omega)$, lui associe le point $M'(z')$ tel que
$\displaystyle z'= \omega+\frac{\mu} {\overline{z-\omega}}$.
 
\textbf{Inversion de puissance 1.}
En notant $\displaystyle I_A^\mu$ l'inversion de centre $A$ et de 
puissance $\mu$, $\hbox{hom}(B,k)$ l'homothétie de centre $B$ et 
de rapport $k$ et $\hbox{T}_{\vect{u}}$ la translation de vecteur 
$\vect{u}$, on  vérifie~: 
\begin{enumerate}
	\item $\displaystyle I_{\Omega}^\mu = \hbox{hom}({\Omega},\mu)\circ 
	I_{\Omega}^1$ {(ie: l'inversion de puissance $\mu$ est la 
	composée de l'inversion de puissance 1 et d'une homothétie de rapport 
	$\mu$)}.
	\item $\displaystyle I_{\Omega}^\mu = \hbox{T}_{\vect{O{\Omega}}} 
	\circ I_O^\mu\circ\hbox{T}_{\vect{{\Omega}O}}$
	({ie: l'inversion de centre ${\Omega}$ se déduit de l'inversion 
	de centre $O$ en composant à droite et à gauche
	par une translation et son inverse}).
\end{enumerate}
Dans la suite on se limite  à l'étude des propriétés de l'inversion 
de centre $O$ 
(origine du plan complexe) et de puissance 1 (l'{\bf inversion}, 
notée $I$), celle des autres inversions
s'en déduit à l'aide des relations précédentes.
Si $M'=I(M)$ on dit que $M'$ est le point {\bf inverse} de $M$ par 
rapport à $O$; $M$, $M'$ et $O$ sont alignés, ils vérifient~: 
 $$\overline{OM}\times \overline{OM'}=1.$$
 
\textbf{Propriétés}
\begin{enumerate}
	\item $I$ est une involution de $\mathcal{E}_2\setminus\{ O\}$  
	(ie~: $I\circ I=Id$).
	\item Si $M'$ est le point inverse de $M$ alors $M$ est le point 
	inverse de $M'$. 
	\item Si $A$ et $B$ sont deux points distincts de $O$ et $A'=I(A)$, 
	$B'=I(B)$ alors~:
	$$A,B,A',B' \hbox{sont cocycliques ou alignés avec $O$ et } 
	A'B'=\frac{AB}{OA\times OB}$$ 
\end{enumerate}
\begin{center}
	\figTR{inversion.1}\\[0.1cm]
	\textbf{fig. 1 --} Inversion et points cocycliques
\end{center}
 
\textbf{Cercle d'inversion.}
L'ensemble des points invariants dans l'inversion  de centre $O$ et de
puissance 1 est le cercle de centre $O$ et de rayon 1, c'est le {\bf 
cercle d'inversion}.
Si un point est extérieur au cercle d'inversion, son inverse est 
intérieur et réciproquement.
 
\textbf{Inversion et tangentes.}
Si une courbe $\mathcal{C}$ admet une tangente en un point $M$, 
sa courbe inverse admet une tangente au point $M'$ inverse de $M$ 
et ces deux tangentes sont symétriques par rapport à la médiatrice 
de $[MM']$.
\begin{center}
	\figTR{inversion.2}\\[0.1cm]
	\textbf{fig. 2 --} Tangentes et courbes inverses
\end{center}
 
\textbf{Transformation des cercles et droites.}
On vérifie les propositions suivantes~:
\begin{enumerate}
	\item Une droite passant par $O$ et privée de $O$ est globalement 
	invariante.
	\item L'image d'une droite ne passant pas par $O$ est incluse 
	dans un cercle passant par~$O$
	\item L'image d'un cercle passant par $O$ et privé de $O$ est 
	incluse dans une droite ne passant pas par~$O$.
	\item L'image d'un cercle ne passant pas par $O$ est incluse dans 
	un cercle ne passant pas par~$O$.
\end{enumerate}
Compte tenu du fait que l'inversion est une involution, on énonce~:
\begin{theoreme}
 	L'inversion transforme une droite ne passant pas par $O$ en un 
	cercle passant par $O$ privé de $O$ et réciproquement.
\end{theoreme}
\begin{theoreme}
	L'inversion transforme un cercle ne passant pas par $O$ en un 
	cercle ne passant pas par~$O$.
\end{theoreme}
\begin{center}
	\figTR{inversion.3}\\[0.1cm]
	\textbf{fig.  3 --} Dans chaque cas le cercle d'inversion est 
	en gras.  a) cercle et droite inverse l'un de l'autre.  
	b) cercles inverses.  c) droite globalement invariante.
\end{center}
 
\textbf{Constructions à la règle et au compas.}
En fixant le cercle d'inversion, construire~:
\begin{enumerate}
	\item L'inverse d'un point.  
	\item L'inverse d'une droite qui ne rencontre
	pas le cercle d'inversion.  
	\item L'inverse d'un cercle qui ne rencontre
	pas le cercle d'inversion.
\end{enumerate}
 
\textbf{Exercices }\hrulefill
\subsubexo{}{}
{Un cercle qui contient un point et son inverse est globalement 
invariant.}
{}
 
\subsubexo{}{}
{Le centre d'inversion est un centre d'homothétie pour deux cercles 
inverses l'un de l'autre.}
{}
 
\subsubexo{}{ Théorème de Ptolémée.}
{Pour qu'un quadrilatère soit inscriptible dans un cercle
il faut et il suffit que le produit de ses diagonales soit égal à la 
somme des produits de ses côtés opposés.}
{}
 
\subsubexo{}{}
{Construire les cercles passant par deux points donnés $A$ et $B$ et 
tangents à un cercle donné~$\mathcal{C}$.
}
{}
 
\subsubexo{}{}
{Construire les cercles passant par un point donné $A$ et tangents à 
deux cercles donnés $\mathcal{C}$ et $\mathcal{D}$.}
{}
 
\subsubexo{}{}
{Construire les cercles tangents à trois cercles donnés $\mathcal{C}$, 
$\mathcal{D}$,~$\mathcal{E}$.}
{}
 
\subsubexo{}{}
{Déterminer le lieu des centres d'inversion $O$ transformant dans le 
plan trois points $A,B,C$ en trois points $A',B',C'$
tels que le triangle $A'B'C'$ soit rectangle en $A'$ ou isocèle de 
sommet~$A'$.}
{}
 
\end{document}