Exercices corrigés : la résolution de triangles (math CST, secondaire 4)
Voici une série d'exercices corrigés de mathématique CST de quatrième secondaire sur la résolution de triangles, calibrés sur le niveau réel des évaluations et de l'épreuve unique du Ministère. Le programme de la séquence Culture, société et technique demande la loi des sinus, la formule de Héron et l'aire d'un triangle quelconque : la loi des cosinus appartient à la CST 5, et les démonstrations aux séquences TS et SN.
L'exercice 0.1 ouvre la série par dix calculs directs dans un triangle quelconque, comme dans les listes des manuels : l'aire par le demi-produit et le sinus, A=21absinC, avec un angle aigu puis obtus, l'aire par la formule de Héron, la loi des sinus pour un côté, avec ou sans le troisième angle à calculer d'abord, puis pour un angle, et trois lectures à rebours : un côté tiré de l'aire, une hauteur tirée de Héron et l'angle compris tiré de l'aire, chacun avec une valeur à trouver et vérifiée en direct.
Le fil de la série tient en une phrase : ce sont les DONNÉES qui choisissent la formule. Deux côtés et l'angle compris appellent le demi-produit par le sinus, trois côtés appellent Héron, un angle et son côté opposé ouvrent la loi des sinus. Chaque formule a sa condition d'emploi, et l'oublier donne un nombre qui ressemble à une réponse sans en être une.
Faites chaque exercice au complet avant d'ouvrir la correction : c'est en cherchant qu'on apprend, pas en lisant la solution.
Série autocorrigéeTape tes réponses et vérifie-les question par question : la page te dit juste ou faux avant d'ouvrir la correction. Avec un compte, chaque bonne réponse du premier coup rapporte des points, et tes réponses justes restent remplies quand tu reviens.
•TROIS FORMULES D'AIRE, et les données choisissent : 2base×hauteur avec une hauteur, 21absinC avec deux côtés et l'angle COMPRIS, et Héron avec les trois côtés.
•HÉRON : A=s(s−a)(s−b)(s−c) où s=2a+b+c est le DEMI-périmètre. Utiliser le périmètre entier multiplie le résultat par plus de dix.
•Héron refuse d'elle-même les triangles impossibles : un facteur négatif sous la racine signale que les trois longueurs ne forment aucun triangle.
•LE SINUS D'UN ANGLE DE TRIANGLE EST TOUJOURS POSITIF, obtus compris : la formule d'aire fonctionne donc pour tout triangle. Et sin110∘=sin70∘.
•À deux côtés fixés, l'aire est MAXIMALE quand l'angle vaut 90∘, puisque le sinus y atteint 1. Elle tend vers zéro quand le triangle s'aplatit.
•LOI DES SINUS : sinAa=sinBb=sinCc, chaque côté apparié à l'angle qui lui est OPPOSÉ.
•POUR DÉMARRER, il faut un COUPLE COMPLET, un angle et son côté opposé. Avec trois côtés et aucun angle, la loi des sinus ne donne rien.
•Quand deux angles sont donnés, on calcule le troisième par soustraction à 180∘ AVANT tout le reste : cela ouvre un rapport de plus.
•POUR CHERCHER UN ANGLE, on prend celui qui est opposé au PLUS PETIT côté : il est forcément aigu, donc la valeur de la calculatrice est la bonne et aucune ambiguïté n'apparaît.
•CONTRÔLE DE COHÉRENCE, gratuit et systématique : le plus grand côté est opposé au plus grand angle, et le plus petit au plus petit.
Calculs : les aires, côtés et angles à calculer
Exercice 0.1 : Calculer l'aire, un côté ou un angle d'un triangle quelconque : dix calculs directs
Pour chaque ligne, calculez la mesure demandée dans le triangle décrit : aires au centième de centimètre carré, longueurs au centième de centimètre, angles au centième de degré, calculatrice en mode DEGRÉS. Dans le triangle ABC, le côté a est opposé à l'angle A, le côté b à B et le côté c à C.
Une seule méthode pour les dix lignes : on regarde ce que les DONNÉES permettent. Deux côtés et l'angle compris appellent A=21absinC ; trois côtés appellent Héron, A=s(s−a)(s−b)(s−c) avec le DEMI-périmètre s ; un angle et son côté opposé ouvrent la loi des sinus, sinAa=sinBb=sinCc. Quand deux angles sont donnés, on calcule le troisième d'abord. On isole l'inconnue, puis on calcule.
a) Deux côtés de 8 cm et 11 cm forment un angle de 47∘. Calculez l'aire du triangle.
b) Deux côtés de 14 cm et 9 cm forment un angle de 128∘. Calculez l'aire du triangle.
c) Les trois côtés mesurent 9 cm, 10 cm et 17 cm. Calculez l'aire par la formule de Héron.
d) Les trois côtés mesurent 7 cm, 8 cm et 10 cm. Calculez l'aire par la formule de Héron.
e) A=50∘, a=16 cm et B=72∘. Calculez le côté b.
f) A=35∘, B=65∘ et c=12 cm. Calculez le côté a.
g) A=58∘, a=21 cm et b=15 cm. Calculez l'angle B.
h) Un triangle a une aire de 60 cm2. Deux de ses côtés forment un angle de 64∘ et l'un d'eux mesure 9 cm. Calculez l'autre.
i) Les trois côtés mesurent 13 cm, 20 cm et 21 cm. Calculez l'aire par Héron, puis la hauteur relative au côté de 21 cm.
j) Un triangle a une aire de 30 cm2 et deux côtés de 8 cm et 11 cm. Calculez l'angle aigu compris entre ces deux côtés.
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Réponses
a)A=44sin47∘≈32,18 cm2
b)A=63sin128∘≈49,64 cm2
c)s=18 ; A=1296=36 cm2
d)s=12,5 ; A=773,4375≈27,81 cm2
e)b=sin50∘16sin72∘≈19,86 cm
f)C=80∘ ; a=sin80∘12sin35∘≈6,99 cm
g)sinB≈0,6057 ; B≈37,28∘
h)x=9sin64∘120≈14,83 cm
i)A=126 cm2 ; h=12 cm
j)sinC=4430 ; C≈42,99∘
Le geste qui décide de tout : avant de calculer, on vérifie que les données remplissent EXACTEMENT la condition de la formule. L'angle du demi-produit doit être compris entre les deux côtés, Héron veut le demi-périmètre et non le périmètre, et la loi des sinus ne démarre que sur un couple complet, un angle et le côté qui lui fait face.
a)
L'angle est compris entre les deux côtés : A=21×8×11×sin47∘=44×0,7314≈32,18 cm2. Contrôle : l'aire reste sous le demi-produit, 44.
b)
A=21×14×9×sin128∘=63×0,7880≈49,64 cm2. L'angle est obtus et son sinus reste POSITIF : sin128∘=sin52∘.
c)
s=29+10+17=18, puis A=18×9×8×1=1296=36 cm2. Le facteur s−c=1 est petit : le triangle est très aplati, d'où une aire modeste.
d)
s=27+8+10=12,5, puis A=12,5×5,5×4,5×2,5=773,4375≈27,81 cm2. Piège : le périmètre 25 au lieu de s, qui donne 25×18×17×15≈338,75, impossible puisque l'aire ne dépasse jamais le demi-produit de deux côtés, 21×10×8=40.
e)
Le couple complet est (A;a) : sin72∘b=sin50∘16, donc b=sin50∘16sin72∘≈0,766016×0,9511≈19,86 cm. Contrôle : 72∘>50∘, donc b>a.
f)
Le troisième angle d'abord : C=180−35−65=80∘. Le couple complet est alors (C;c), et a=sin80∘12sin35∘≈0,984812×0,5736≈6,99 cm. Piège : apparier c=12 avec B, ce qui donne 7,59.
g)
On isole le sinus : sinB=2115sin58∘≈2115×0,8480≈0,6057, donc B=sin−1(0,6057)≈37,28∘. Le côté b=15 est plus court que a=21 : l'angle B est donc plus petit que A, forcément aigu, et la valeur de la calculatrice est la bonne.
h)
L'angle est compris entre les deux côtés, dont l'un, x, est inconnu : 60=21×9×x×sin64∘, donc x=9sin64∘2×60=9×0,8988120≈14,83 cm. Piège : oublier le facteur 21, ce qui donne 7,42.
i)
s=213+20+21=27, puis A=27×14×7×6=15876=126 cm2. La hauteur relative au côté de 21 cm sort de la formule élémentaire : 126=221×h, donc h=212×126=12 cm.
j)
On isole le sinus dans la formule d'aire : 30=21×8×11×sinC=44sinC, donc sinC=4430≈0,6818 et C=sin−1(0,6818)≈42,99∘. Piège : oublier le 21, ce qui donne sinC=8830 et 19,93∘.
Contrôle : on refait le calcul par un autre chemin quand il existe. En i), la hauteur redonne l'aire, 221×12=126 ; en j), 44×sin42,99∘≈30 ; et dans chaque triangle complété par la loi des sinus, le plus grand côté reste en face du plus grand angle.
Coche ici les exercices faits ou à revoir : un compte gratuit, sans mot de passe, retient tes coches et tes réponses justes d'une visite à l'autre, te dit quel chapitre attaquer ensuite et te permet de demander l'exercice qui te manque. Crée ton espace, un courriel suffit.
Partie A : les bases (/50)
Exercice 1 : Quelle formule d'aire, selon les données ?
Trois formules donnent l'aire d'un triangle, et ce sont les DONNÉES qui choisissent laquelle. 2base×hauteur quand on a une hauteur, 21absinC quand on a deux côtés et l'angle COMPRIS entre eux, et la formule de HÉRON quand on a les trois côtés.
Pour chaque situation, dites quelle formule employer. Ne faites pas le calcul.
a) On connaît un côté et la hauteur qui lui est relative.
b) On connaît deux côtés et l'angle formé par ces deux côtés.
c) On connaît les trois côtés.
d) On connaît les trois angles.
e) On connaît deux côtés et un angle qui n'est PAS compris entre eux.
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Réponses
a)Base fois hauteur sur deux
b)21absinC, avec l'angle COMPRIS
c)La formule de Héron
d)Aucune : l'aire n'est pas déterminée sans longueur
e)Compléter d'abord le triangle avec la loi des sinus
a)
La formule élémentaire, 2base×hauteur. C'est la plus simple et c'est toujours celle qu'on emploie quand la hauteur est donnée, car elle ne demande ni sinus ni racine carrée. Attention à la correspondance : la hauteur doit être RELATIVE au côté choisi comme base, c'est-à-dire perpendiculaire à lui.
b)
La formule 21absinC, où C est l'angle compris entre les côtés a et b. Le mot COMPRIS est la condition d'emploi : c'est l'angle que forment les deux côtés en se rencontrant. Avec un angle situé ailleurs, la formule donne un nombre, mais ce nombre n'est pas l'aire du triangle.
c)
La formule de HÉRON : A=s(s−a)(s−b)(s−c), où s est le DEMI-périmètre. C'est la seule formule qui n'a besoin d'aucun angle ni d'aucune hauteur, et c'est pour cela qu'elle est si commode sur le terrain : trois mesures au ruban suffisent.
d)
AUCUNE. Les trois angles donnent la FORME du triangle, pas sa TAILLE : une infinité de triangles semblables partagent les mêmes angles, et leurs aires sont toutes différentes. Il faut au moins une LONGUEUR pour que l'aire soit déterminée. C'est la même limite que celle du chapitre sur la similitude, et la réponse attendue est « l'aire n'est pas déterminée », qui est une réponse complète.
e)
Aucune des trois directement : il faut d'abord trouver un élément de plus. Avec un angle et le côté qui lui est OPPOSÉ, on peut employer la loi des sinus pour obtenir un deuxième angle, puis le troisième, et l'on se ramène alors au cas b). C'est la situation la plus fréquente dans les problèmes de terrain, et elle demande donc deux étapes au lieu d'une. Le réflexe à prendre : avant de chercher l'aire, on regarde si les données remplissent exactement la condition d'une formule ; sinon, on complète le triangle d'abord.
Exercice 2 : L'aire par le demi-produit et le sinus
La formule A=21absinC demande deux côtés et l'angle COMPRIS entre eux. Elle vaut aussi bien pour un angle aigu que pour un angle obtus.
Arrondissez les aires au centième.
a) Deux côtés de 9 cm et 7 cm forment un angle de 52∘. Calculez l'aire.
b) Deux côtés de 12 m et 15 m forment un angle de 110∘. Calculez l'aire.
c) Deux côtés de 10 cm et 6 cm forment un angle de 30∘. Calculez l'aire.
d) Dans un triangle, deux côtés mesurent 10 cm et 6 cm, et un angle de 30∘ est opposé au côté de 6 cm. Peut-on appliquer directement la formule ? Justifiez.
e) Deux côtés de 10 cm et 6 cm étant fixés, pour quel angle l'aire est-elle maximale ? Que vaut-elle alors ?
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Réponses
a)Environ 24,82 cm2
b)Environ 84,57 m2
c)15 cm2 exactement
d)Non : l'angle n'est pas compris entre les deux côtés
e)À 90∘, pour une aire de 30 cm2
a)
A=21×9×7×sin52∘=31,5×0,78801≈24,82 cm2. Le demi-produit des côtés vaut 31,5, et le sinus le réduit un peu : l'aire est donc forcément inférieure à 31,5, ce qui donne un contrôle immédiat.
b)
A=21×12×15×sin110∘=90×0,93969≈84,57 m2. L'angle est OBTUS, et la formule fonctionne quand même : le sinus d'un angle obtus est positif, puisqu'un sinus ne devient négatif qu'au-delà de 180∘, ce qui n'arrive jamais dans un triangle. Remarquez que sin110∘=sin70∘ : deux angles supplémentaires ont le même sinus, et c'est précisément ce qui rend la loi des sinus prudente sur les angles.
c)
A=21×10×6×sin30∘=30×0,5=15 cm2. Un résultat exact, parce que sin30∘ vaut exactement 21. C'est l'une des trois valeurs à connaître de tête, avec sin45∘≈0,707 et sin90∘=1.
d)
NON, pas directement. La formule exige l'angle COMPRIS entre les deux côtés donnés, et ici l'angle de 30∘ est OPPOSÉ à l'un d'eux. Appliquer quand même la formule donnerait 15 cm2, le même nombre qu'en c), alors qu'il s'agit d'un triangle complètement différent : le calcul serait faux sans avoir l'air faux, ce qui est le pire des cas. Il faut d'abord trouver l'angle compris, ce que permet la loi des sinus.
e)
Le facteur 21×10×6=30 est fixé, donc l'aire est maximale quand sinC est maximal. Or le sinus atteint son maximum, 1, pour C=90∘. L'aire maximale vaut donc 30×1=30 cm2, et elle est atteinte quand les deux côtés sont PERPENDICULAIRES. Ce résultat a une lecture géométrique simple : avec deux côtés de longueurs fixées, c'est en les écartant à l'angle droit qu'on enferme le plus de surface. Au-delà de 90∘, l'aire redescend, et elle tend vers zéro quand le triangle s'aplatit, que ce soit vers 0∘ ou vers 180∘.
Exercice 3 : La formule de Héron
Quand on ne connaît que les trois côtés, l'aire s'obtient par la formule de HÉRON : A=s(s−a)(s−b)(s−c), où s=2a+b+c est le DEMI-périmètre.
Elle n'exige ni angle ni hauteur, ce qui en fait la formule du terrain : trois mesures au ruban suffisent.
a) Calculez l'aire du triangle de côtés 13, 14 et 15 cm.
b) Calculez l'aire du triangle de côtés 52, 56 et 60 m. Comparez au résultat de a).
c) Un élève utilise le PÉRIMÈTRE au lieu du demi-périmètre en a). Que trouve-t-il ?
d) Calculez l'aire du triangle de côtés 6, 8 et 10 cm, puis vérifiez par une autre méthode.
e) Que se passe-t-il si l'on applique Héron aux longueurs 3, 4 et 8 ?
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Réponses
a)s=21 cm et A=84 cm2
b)1344 m2, soit 16 fois l'aire de a) pour des côtés 4 fois plus longs
c)Environ 959,59 cm2, plus de onze fois trop grand
d)24 cm2, confirmés par le triangle rectangle 6-8-10
e)Le facteur 7,5−8=−0,5 est négatif : ces longueurs ne forment aucun triangle
a)
Le demi-périmètre vaut s=213+14+15=242=21 cm. Puis A=21×(21−13)×(21−14)×(21−15)=21×8×7×6=7056=84 cm2. Le résultat est entier, comme presque toujours dans les exercices de ce chapitre : les trois côtés sont choisis pour cela, et une racine qui ne tombe pas juste doit inviter à relire le calcul du demi-périmètre.
b)
Les trois côtés sont exactement QUATRE fois ceux de la question a). Le demi-périmètre vaut s=252+56+60=84 m, et A=84×32×28×24=1806336=1344 m2. Or 1344=84×16 : l'aire a été multipliée par 16, c'est-à-dire par 42. On retrouve la règle des figures semblables, le rapport des aires valant le carré du rapport des longueurs. C'est une vérification gratuite, et elle confirme les deux calculs d'un coup.
c)
Avec p=42 au lieu de s=21, il calculerait 42×(42−13)×(42−14)×(42−15)=42×29×28×27=920808≈959,59 cm2. L'aire annoncée serait donc plus de onze fois trop grande. Le contrôle qui l'attrape : l'aire d'un triangle est toujours inférieure à celle du rectangle qui l'entoure, ici moins de 15×14=210 cm2. Un résultat de 959 cm2 est impossible avant même d'être vérifié.
d)
s=26+8+10=12 cm, donc A=12×6×4×2=576=24 cm2. Vérification par une autre méthode : 62+82=36+64=100=102, donc le triangle est RECTANGLE, et son aire vaut 26×8=24 cm2. Les deux méthodes concordent. C'est un contrôle qu'on peut souvent s'offrir : quand les trois côtés vérifient Pythagore, la formule élémentaire confirme Héron en une ligne.
e)
Ces trois longueurs ne forment AUCUN triangle : 3+4=7, ce qui est inférieur à 8, donc les deux petits côtés ne se rejoignent pas. La formule le signale toute seule : s=23+4+8=7,5, et le facteur (s−c)=7,5−8=−0,5 est NÉGATIF. Le produit sous la racine devient négatif, et la racine carrée n'existe pas. C'est une propriété utile de Héron : elle refuse d'elle-même les triangles impossibles, et un radicande négatif est donc une réponse, pas une panne de calculatrice.
Exercice 4 : La loi des sinus pour trouver un côté
Dans tout triangle, sinAa=sinBb=sinCc, chaque côté étant apparié à l'angle qui lui est OPPOSÉ.
Pour démarrer, il faut un COUPLE complet, c'est-à-dire un angle et le côté opposé à cet angle. On considère ici le triangle ABC avec A=43∘, B=68∘ et a=15 cm.
a) Calculez l'angle C.
b) Calculez le côté b, au centième de centimètre.
c) Calculez le côté c, au centième de centimètre.
d) Vérifiez la cohérence : le plus grand côté est-il opposé au plus grand angle ?
e) Calculez l'aire du triangle, au centième de centimètre carré.
Voir la correction
Réponses
a)C=69∘
b)b≈20,39 cm
c)c≈20,53 cm
d)Oui : c, le plus grand côté, est opposé à C=69∘, le plus grand angle
e)Environ 142,79 cm2
a)
La somme des angles d'un triangle vaut 180∘, donc C=180−43−68=69∘. C'est toujours la première chose à faire quand deux angles sont donnés : le troisième ne coûte qu'une soustraction et il ouvre un rapport de plus.
b)
Le couple complet est (A;a), avec 43∘ et 15 cm. On l'apparie au couple incomplet (B;b) : sin68∘b=sin43∘15, donc b=sin43∘15×sin68∘≈20,39 cm. L'inconnue est au NUMÉRATEUR, donc on multiplie : c'est le cas le plus simple de la loi des sinus, et celui qu'on rencontre presque toujours en CST.
c)
Même démarche avec C=69∘ : c=sin43∘15×sin69∘≈20,53 cm. On repart du couple EXACT donné par l'énoncé, (43∘;15), et non du côté b qu'on vient d'arrondir : c'est ainsi qu'on évite d'empiler deux arrondis.
d)
Les angles rangés dans l'ordre croissant donnent 43∘, 68∘, 69∘, et les côtés opposés 15, 20,39, 20,53 cm : les deux listes sont rangées dans le même ordre. Le plus grand côté, c≈20,53 cm, est bien opposé au plus grand angle, C=69∘. La cohérence est donc vérifiée. Remarquez que B et C sont presque égaux, un seul degré d'écart, et que les côtés opposés le sont aussi, à quatorze centièmes près : c'est le genre de coïncidence qui confirme un calcul.
e)
On dispose maintenant de deux côtés et de l'angle compris entre eux. Les côtés a et b se rencontrent au sommet C, donc A=21×a×b×sinC=21×15×20,39×sin69∘≈142,79 cm2. Vérification par un autre couple : 21×a×c×sinB donne le même résultat à un centième près. C'est l'enchaînement typique d'un problème de CST : la loi des sinus complète le triangle, puis le demi-produit en donne l'aire.
Exercice 5 : La loi des sinus pour trouver un angle, et la prudence
La loi des sinus donne aussi des ANGLES, mais elle demande alors une précaution : deux angles supplémentaires ont le même sinus, puisque sin110∘=sin70∘. La calculatrice n'en rend qu'un seul, l'aigu.
On considère le triangle où A=110∘, a=20 cm et b=14 cm.
La figure ci-dessous représente la situation.
a) Calculez sinB, au dix-millième.
b) Déduisez-en la mesure de B, au centième de degré.
c) La calculatrice propose 41,13∘, mais 138,87∘ a le même sinus. Pourquoi cette seconde valeur est-elle impossible ici ?
d) Calculez C.
e) Quelle règle de prudence permet d'éviter toute ambiguïté quand on cherche un angle ?
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Réponses
a)sinB≈0,6578
b)B≈41,13∘
c)110+138,87=248,87∘, impossible : un triangle n'a qu'un angle obtus
d)C≈28,87∘
e)On cherche l'angle opposé au PLUS PETIT côté : il est forcément aigu
a)
On apparie le couple complet (A;a) au couple incomplet (B;b) : 14sinB=20sin110∘, donc sinB=2014×sin110∘≈0,6578. Notez que l'inconnue est cette fois dans le SINUS, et non dans une longueur : on isole le sinus d'abord, et l'on cherche l'angle ensuite.
b)
B=sin−1(0,6578)≈41,13∘. On emploie la fonction réciproque, calculatrice en mode degrés, comme au chapitre du triangle rectangle.
c)
Parce que la somme des angles dépasserait 180∘ : 110+138,87=248,87∘, ce qui est impossible dans un triangle. La seconde valeur est donc écartée d'office. Il y a même une raison plus générale : un triangle ne peut avoir qu'UN SEUL angle obtus, et celui-ci est déjà pris par A=110∘. Tous les autres angles du triangle sont donc nécessairement aigus, et la valeur rendue par la calculatrice est la bonne.
d)
C=180−110−41,13=28,87∘. Contrôle de cohérence : le plus petit angle, 28,87∘, doit être opposé au plus petit côté. Comme a=20 est opposé à 110∘ et b=14 à 41,13∘, le côté c doit être le plus court des trois, ce que confirmerait le calcul.
e)
La règle est simple et elle évite tout le problème : quand on cherche un angle avec la loi des sinus, on cherche celui qui est OPPOSÉ AU PLUS PETIT CÔTÉ connu. Cet angle-là est nécessairement le plus petit du triangle, donc nécessairement AIGU, donc la valeur de la calculatrice est toujours la bonne. Ici, on a bien cherché B, opposé au côté de 14 cm, plus court que le côté de 20 cm : la règle était respectée. Les autres angles se déduisent ensuite par soustraction à 180∘, ce qui ne présente jamais d'ambiguïté. C'est la façon la plus sûre de résoudre un triangle en séquence CST, et elle dispense d'examiner deux cas.
Partie B : problèmes et raisonnement (/50)
Exercice 6 : Problème : le terrain du parc
Une municipalité aménage un terrain triangulaire dont les trois côtés mesurent 52 m, 56 m et 60 m. Aucun angle n'a été mesuré : l'arpenteur n'avait qu'un ruban.
Il faut clôturer le pourtour et engazonner toute la surface.
a) Quelle longueur de clôture faut-il prévoir ?
b) Calculez l'aire du terrain par la formule de Héron.
c) Le gazon en plaques coûte 4,25 dollars le mètre carré. Quel est le coût de l'engazonnement ?
d) La clôture coûte 38 dollars le mètre. Quel est le coût total du projet ?
e) La municipalité envisage un terrain semblable deux fois plus grand. Que deviennent les deux coûts ?
Voir la correction
Réponses
a)168 m de clôture
b)s=84 m et A=1344 m2
c)5712 dollars
d)6384 dollars de clôture, soit 12096 dollars au total
e)Clôture doublée, gazon quadruplé : 35616 dollars, presque le triple
a)
La clôture suit le PÉRIMÈTRE : 52+56+60=168 m. C'est une addition, et c'est la seule question du problème qui ne demande aucune formule. On la fait en premier parce que le demi-périmètre servira juste après.
b)
Le demi-périmètre vaut s=2168=84 m. Puis A=84×(84−52)×(84−56)×(84−60)=84×32×28×24=1806336=1344 m2. Le résultat est entier, ce qui est un bon signe. Contrôle d'ordre de grandeur : le terrain tient dans un rectangle d'environ 60 m sur 48 m, soit 2880 m2, et l'aire d'un triangle en occupe moins de la moitié à peine : 1344 m2 est plausible.
c)
1344×4,25=5712 dollars. Le gazon se compte en mètres carrés, donc il suit l'AIRE, pas le périmètre. Confondre les deux est l'erreur qui coûte le plus dans ce genre de problème, et elle se repère aux unités : un prix au mètre carré ne peut multiplier qu'une aire.
d)
La clôture coûte 168×38=6384 dollars. Le coût total du projet s'élève donc à 5712+6384=12096 dollars. On additionne bien deux montants en dollars, chacun obtenu en multipliant une mesure par son prix unitaire : c'est le contrôle des unités qui garantit que l'addition a un sens.
e)
Un terrain SEMBLABLE deux fois plus grand a des côtés multipliés par 2, donc un périmètre multiplié par 2 et une aire multipliée par 22=4. La clôture coûterait donc 2×6384=12768 dollars, et le gazon 4×5712=22848 dollars, pour un total de 35616 dollars. Le coût total est presque TRIPLÉ alors que le terrain n'est que deux fois plus grand en longueur : c'est parce que la part du gazon, qui suit le carré du rapport, prend le dessus. C'est exactement le raisonnement que le chapitre des figures semblables demande, et un problème de CST le pose presque toujours sous cette forme, en dollars.
Exercice 7 : Problème : la distance à l'île
Depuis une plage rectiligne, on veut mesurer la distance qui sépare le rivage d'un rocher R au large. On plante deux repères A et B sur la plage, distants de 400 m.
Depuis A, le rocher est vu sous un angle de 62∘ avec la plage ; depuis B, sous un angle de 47∘ avec la plage, de l'autre côté.
a) Calculez l'angle du triangle au sommet R.
b) Calculez la distance AR, au centième de mètre.
c) Calculez la distance BR, au centième de mètre.
d) Calculez l'aire du triangle ABR, au mètre carré près.
e) Pourquoi cette méthode donne-t-elle un résultat plus fiable quand les deux repères sont éloignés l'un de l'autre ?
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Réponses
a)R=71∘
b)AR≈309,40 m
c)BR≈373,53 m
d)Environ 54633 m2
e)Une base longue ouvre l'angle en R et rend le résultat peu sensible aux erreurs de visée
a)
Les trois angles d'un triangle totalisent 180∘, donc R=180−62−47=71∘. C'est ce troisième angle qui rend le couple (R;AB) complet, puisque le côté AB de 400 m est précisément OPPOSÉ au sommet R. Sans lui, aucun rapport de la loi des sinus ne serait utilisable.
b)
On apparie le couple complet (71∘;400) au couple (B;AR), car le côté AR est opposé à l'angle B : AR=sin71∘400×sin47∘≈309,40 m. Le piège de ce genre de problème est l'appariement : AR ne va PAS avec l'angle en A, mais avec celui d'en face. On le vérifie sur la figure avant d'écrire quoi que ce soit.
c)
De même, BR est opposé à l'angle A=62∘ : BR=sin71∘400×sin62∘≈373,53 m. Cohérence : 62∘ est plus grand que 47∘, donc BR doit dépasser AR, et c'est bien le cas.
d)
On dispose maintenant de deux côtés et de l'angle compris. Les côtés AR et AB se rencontrent en A, donc A=21×309,40×400×sin62∘≈54633 m2. On peut aussi passer par 21×BR×AB×sin47∘, qui donne la même valeur : deux chemins, un seul résultat, donc un calcul sûr.
e)
Parce que l'imprécision des angles se répercute d'autant moins que la BASE est longue. Avec deux repères très rapprochés, les deux angles de visée seraient presque identiques, l'angle en R deviendrait minuscule, et son sinus, au dénominateur, ferait exploser le résultat : une erreur d'un demi-degré changerait la distance de plusieurs dizaines de mètres. Avec 400 m de base et un angle en R de 71∘, le triangle est bien ouvert et le calcul est stable. C'est le principe de toute triangulation, et la règle pratique qui en découle tient en une phrase : on choisit la base la plus longue que le terrain permette.
Exercice 8 : Cinq affirmations à corriger
Chacune des cinq affirmations suivantes est FAUSSE. Dites pourquoi et donnez l'énoncé correct.
1) « Dans la formule de Héron, s est le périmètre du triangle. »
2) « La formule 21absinC s'applique avec n'importe lequel des trois angles. »
3) « La loi des sinus se démarre avec n'importe quelles données. »
4) « Le sinus d'un angle obtus est négatif, donc la formule d'aire ne marche pas pour un triangle obtusangle. »
5) « Un terrain deux fois plus grand coûte deux fois plus cher à clôturer ET à engazonner. »
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Réponses
1)Faux : s=21 cm est le DEMI-périmètre
2)Faux : l'angle doit être compris entre les deux côtés
3)Faux : il faut un angle et le côté qui lui est opposé
4)Faux : sin110∘≈0,94, positif, et la formule fonctionne
5)Faux : la clôture double, mais le gazon quadruple
1)
FAUX. s est le DEMI-périmètre, s=2a+b+c. Avec le périmètre entier pour le triangle 13-14-15, on trouverait environ 959,59 cm2 au lieu de 84 cm2, soit plus de onze fois trop. Énoncé correct : on divise la somme des trois côtés par deux AVANT de soustraire chaque côté.
2)
FAUX. L'angle doit être COMPRIS entre les deux côtés employés. Avec deux côtés de 10 et 6 et un angle de 30∘ opposé à l'un d'eux, la formule donnerait 15 cm2, qui est l'aire d'un tout autre triangle. Énoncé correct : les deux côtés et l'angle doivent former un sommet, sinon on complète d'abord le triangle par la loi des sinus.
3)
FAUX. Il faut un COUPLE COMPLET pour démarrer, c'est-à-dire un angle et le côté qui lui est OPPOSÉ. Avec trois côtés et aucun angle, la loi des sinus ne donne rien : chaque rapport contiendrait deux inconnues. Énoncé correct : la loi des sinus s'emploie quand on connaît un angle et son côté opposé, plus un troisième élément.
4)
FAUX sur les deux points. Le sinus d'un angle obtus est POSITIF : sin110∘≈0,940, et il ne devient négatif qu'au-delà de 180∘, ce qui n'arrive dans aucun triangle. La formule d'aire marche donc parfaitement : deux côtés de 12 m et 15 m à 110∘ donnent environ 84,57 m2. Énoncé correct : sinθ>0 pour tout angle d'un triangle, et sin110∘=sin70∘.
5)
FAUX pour l'engazonnement. Doubler les longueurs double le périmètre, donc double le coût de clôture, mais QUADRUPLE l'aire, donc le coût du gazon. Un projet à 6384 dollars de clôture et 5712 dollars de gazon passerait à 12768 et 22848 dollars, soit un total presque triplé. Énoncé correct : les longueurs suivent k, les aires suivent k2.
Exercice 9 : Problème : le pignon de la maison
Le pignon d'une maison est le triangle formé par les deux versants du toit et le haut du mur. Ici, la base mesure 9,6 m et les deux versants mesurent 6 m chacun : le triangle est isocèle.
On veut peindre ce pignon et connaître l'angle du faîte.
a) Calculez la hauteur h du pignon.
b) Calculez l'aire du pignon par la formule élémentaire.
c) Retrouvez cette aire par la formule de Héron.
d) Calculez l'angle du faîte.
e) Retrouvez l'aire une troisième fois, par le demi-produit et le sinus.
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Réponses
a)h=3,6 m
b)17,28 m2
c)s=10,8 m et la même aire, 17,28 m2
d)Demi-angle de 53,13∘, donc un faîte de 106,26∘
e)21×6×6×sin106,26∘=17,28 m2
a)
La hauteur d'un triangle isocèle tombe au MILIEU de la base : elle la coupe en deux segments de 29,6=4,8 m. Elle forme donc un triangle rectangle avec un demi-versant. Par Pythagore : h=62−4,82=36−23,04=12,96=3,6 m. La racine tombe juste, ce qui confirme les données : c'est un triangle 3-4-5 multiplié par 1,2.
b)
A=2base×hauteur=29,6×3,6=234,56=17,28 m2. C'est la formule la plus simple des trois, et c'est celle qu'on emploie dès que la hauteur est connue ou facile à obtenir, comme ici grâce à la symétrie.
c)
s=29,6+6+6=221,6=10,8 m, donc A=10,8×(10,8−9,6)×(10,8−6)×(10,8−6)=10,8×1,2×4,8×4,8=298,5984=17,28 m2. Le même résultat, obtenu sans jamais calculer la hauteur : c'est ce qui rend Héron précieuse quand la figure ne se prête pas au découpage.
d)
La hauteur coupe l'angle du faîte en deux parties égales. Dans le triangle rectangle de gauche, le côté opposé au demi-angle vaut 4,8 m et l'hypoténuse 6 m, donc sin(demi-angle)=64,8=0,8, d'où demi-angle ≈53,13∘. L'angle du faîte vaut donc 2×53,13=106,26∘ : il est OBTUS, ce que la figure confirme. Les deux angles de la base valent alors 2180−106,26=36,87∘ chacun.
e)
Les deux versants de 6 m se rencontrent au faîte, donc l'angle du faîte est bien COMPRIS entre eux : A=21×6×6×sin106,26∘=18×0,96=17,28 m2. Trois formules, trois chemins, un seul résultat. C'est la meilleure vérification qu'un problème de ce chapitre puisse offrir, et elle vaut la peine d'être écrite sur une copie : elle montre au correcteur qu'on a compris que les trois formules décrivent la même grandeur, et non trois recettes indépendantes.
Exercice 10 : Problème : la voile triangulaire
Une voile a la forme d'un triangle dont deux côtés, le mât et la bôme, mesurent 7,2 m et 5,4 m. L'angle qu'ils forment entre eux vaut 78∘.
Le tissu coûte 34 dollars le mètre carré.
La figure ci-dessous représente la situation.
a) Calculez l'aire de la voile, au centième de mètre carré.
b) Quel est le coût du tissu, au cent près ?
c) Le gréeur peut modifier l'angle entre le mât et la bôme. Pour quel angle la voile aurait-elle la plus grande surface, et que vaudrait cette surface ?
d) De combien de mètres carrés la voile actuelle est-elle plus petite que cette voile maximale ?
e) Le gréeur propose plutôt d'allonger la bôme à 6 m en gardant l'angle de 78∘. Quelle serait alors l'aire ? Comparez avec la solution de la question c).
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Réponses
a)Environ 19,02 m2
b)Environ 646,52 dollars
c)À 90∘, pour 19,44 m2
d)Environ 0,42 m2, soit près de 2%
e)Environ 21,13 m2 : allonger la bôme rapporte plus que redresser l'angle
a)
Les deux longueurs données forment l'angle donné, donc l'angle est COMPRIS entre elles et la formule s'applique directement : A=21×7,2×5,4×sin78∘=19,44×0,97815≈19,02 m2. Le demi-produit vaut 19,44, et le sinus le réduit à peine, puisque 78∘ est proche de l'angle droit : l'aire est donc tout près de son maximum.
b)
19,02×34=646,68 dollars environ. En repartant de la valeur non arrondie, 19,0152 m2, on obtient 646,52 dollars : seize cents d'écart, qui viennent de l'arrondi de la question a). Sur une facture, on repart toujours de la valeur complète, et l'on n'arrondit qu'à la fin.
c)
Le facteur 21×7,2×5,4=19,44 est fixé par les deux longueurs, donc l'aire est maximale quand sinC atteint son maximum, c'est-à-dire 1, pour C=90∘. L'aire maximale vaudrait alors 19,44 m2, avec un mât et une bôme perpendiculaires.
d)
19,44−19,02=0,42 m2 environ, soit à peine plus de deux pour cent. C'est peu, et c'est instructif : douze degrés d'écart à l'angle droit ne coûtent que deux pour cent de surface, parce que le sinus varie très lentement au voisinage de 90∘. Autrement dit, un réglage approximatif de l'angle n'est pas grave près de la perpendiculaire, alors qu'il le serait beaucoup près de 0∘ ou de 180∘.
e)
Avec une bôme de 6 m : A=21×7,2×6×sin78∘=21,6×0,97815≈21,13 m2. C'est plus que les 19,44 m2 de la voile maximale de la question c) : allonger la bôme de 60 centimètres rapporte donc plus que redresser l'angle jusqu'à 90∘. La raison est claire une fois écrite : l'angle ne pouvait faire gagner que le passage de 0,978 à 1 sur le sinus, soit deux pour cent, tandis que la bôme a gagné 5,46≈11,1% de longueur, et l'aire avec elle. C'est le genre de comparaison qu'un problème de CST attend en conclusion : non pas seulement calculer, mais dire laquelle des deux modifications vaut la peine.
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