SNT Seconde • Programme français, lycées de Montréal

Exercices corrigés de SNT : localisation, cartographie et mobilité

Voici une série d'exercices corrigés de SNT pour la classe de Seconde, sur le thème « Localisation, cartographie et mobilité » du programme français. Elle s'adresse aux élèves des lycées français de Montréal, le Lycée Marie de France et le Collège Stanislas.

Le fil de la série : un récepteur GPS ne mesure jamais une position, il mesure des DURÉES. Toute la précision de la position vient de la précision de l'horloge, et c'est pourquoi il faut quatre satellites là où la géométrie n'en demanderait que trois. Le corrigé revient sur cette phrase à chaque exercice de la première partie.

Trois pièges reviennent dans les copies et sont désignés nommément : lire une latitude en degrés et minutes comme un nombre décimal, oublier que le récepteur n'émet rien, et croire qu'un degré de longitude vaut la même distance qu'un degré de latitude.

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Ce chapitre fait partie de SNT en Seconde
Avant de commencer Fiche de révision : les pièges et la méthode de ce chapitre

Avant ce chapitre

Ces notions sont supposées acquises ici. Si le premier exercice résiste, le blocage vient presque toujours de l'une d'elles, pas du chapitre lui-même.

Rappel de cours

  • Latitude : angle depuis l'équateur, de 90°-90° à +90°+90°. Longitude : angle depuis le méridien de Greenwich, de 180°-180° à +180°+180°. Nord et Est positifs.
  • Conversion : 1=1/601' = 1/60 de degré, 1=1/36001'' = 1/3600 de degré.
  • Trilatération : le récepteur mesure des distances, pas des angles. Trois sphères se coupent en deux points, dont un seul est plausible.
  • Quatre satellites sont nécessaires : trois coordonnées plus le décalage d'horloge du récepteur, qui est une inconnue à part entière.
  • d=c×td = c \times t avec c=3,00×108c = 3{,}00 \times 10^{8} m/s. Une erreur d'horloge d'une microseconde vaut 300 m d'erreur de position.
  • Un degré de latitude vaut environ 111,2111{,}2 km. Un degré de longitude vaut 111,2×cosφ111{,}2 \times \cos \varphi km à la latitude φ\varphi.
  • Une minute d'arc de méridien est le mille marin, soit environ 1,8531{,}853 km.
  • Une carte plane ne peut pas conserver à la fois les angles, les aires et les distances : toute projection choisit ce qu'elle sacrifie.
  • Le niveau de zoom nn d'une carte en tuiles compte 4n4^{n} tuiles. Le nombre quadruple à chaque niveau.
  • Dans un graphe pondéré, le plus court chemin minimise la somme des poids, jamais le nombre d'arêtes.

Partie A : Les bases (/50)

Exercice 1 : Coordonnées géographiques : latitude, longitude, altitude

Avant de savoir comment une position se calcule, il faut savoir comment elle s'écrit. Trois nombres suffisent, et chacun a son piège.

  • a) Définissez la latitude et la longitude, en précisant pour chacune l'origine et l'intervalle de valeurs. Laquelle des deux est la plus facile à mesurer, et pourquoi ?
  • b) Convertissez en degrés décimaux la latitude 45° 30' 18'' Nord, au dix-millième de degré près. Détaillez la conversion.
  • c) Montréal est à environ 45,50° Nord et 73,57° Ouest. Écrivez ces coordonnées en degrés décimaux SIGNÉS, dans la convention où le Nord et l'Est sont positifs. Quelle erreur classique cette convention permet-elle d'éviter ?
  • d) Deux points ont la même latitude mais des longitudes qui diffèrent de 1°. Deux autres ont la même longitude et des latitudes qui diffèrent de 1°. Ces deux couples sont-ils à la même distance ? Justifiez sans calcul.
  • e) Une altitude est donnée « au-dessus du géoïde » ou « au-dessus de l'ellipsoïde ». Expliquez la différence en une phrase et dites pourquoi un récepteur GPS affiche parfois une altitude surprenante.

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Réponses

  • a) Latitude : angle depuis l'équateur, de 90°-90° à +90°+90°. Longitude : angle depuis Greenwich, de 180°-180° à +180°+180°. La latitude est la plus facile
  • b) 45,5050°45{,}5050°
  • c) (45,50 ; 73,57)(45{,}50\ ;\ -73{,}57) : la convention évite le signe oublié, qui projette le point en Asie centrale
  • d) Non, sauf à l'équateur : un degré de longitude est un arc de parallèle, et les parallèles rétrécissent
  • e) L'ellipsoïde est lisse, le géoïde suit la pesanteur ; le GPS calcule sur l'ellipsoïde, d'où jusqu'à trente mètres d'écart

a) La latitude est l'angle entre le plan de l'équateur et la direction du lieu vu depuis le centre de la Terre : son origine est l'équateur et elle varie de 90°-90° au pôle Sud à +90°+90° au pôle Nord. La longitude est l'angle, mesuré dans le plan équatorial, entre le méridien du lieu et le méridien de référence de Greenwich : elle varie de 180°-180° à +180°+180°. La latitude est de très loin la plus facile à mesurer, parce que la hauteur du Soleil à midi ou celle de l'étoile Polaire la donnent directement, avec un simple instrument de visée. La longitude, elle, exige de comparer l'heure locale à l'heure d'un méridien de référence, donc de transporter une horloge exacte : c'est le problème qui est resté ouvert jusqu'au XVIIIe siècle.

b) Une minute d'angle vaut un soixantième de degré et une seconde un trois-mille-six-centième. Donc 45°3018=45+30/60+18/3600=45+0,5+0,005=45,5050°45° 30' 18'' = 45 + 30/60 + 18/3600 = 45 + 0{,}5 + 0{,}005 = 45{,}5050°. Le contrôle immédiat : la partie décimale doit rester inférieure à 1, et 30 minutes doivent donner exactement un demi-degré. Une conversion qui produirait 45,301845{,}3018 trahit une lecture de la notation comme un nombre décimal, erreur qui coûte toute la question.

c) La latitude Nord est positive, donc +45,50+45{,}50. La longitude Ouest est négative, donc 73,57-73{,}57. Les coordonnées signées de Montréal sont (45,50 ; 73,57)(45{,}50\ ;\ -73{,}57). Cette convention évite l'erreur classique du signe oublié, qui projette le point à la même latitude mais en Asie centrale, à plus de dix mille kilomètres. Toutes les bases de données géographiques stockent des valeurs signées, jamais des lettres N, S, E, O.

d) Non, ils ne sont pas à la même distance, sauf exactement à l'équateur. Un degré de latitude correspond toujours au même arc de méridien, puisque tous les méridiens sont des grands cercles de même rayon. Un degré de longitude, en revanche, correspond à un arc de PARALLÈLE, et les parallèles rétrécissent quand on s'éloigne de l'équateur : à Montréal, un degré de longitude vaut nettement moins qu'un degré de latitude. C'est la raison géométrique pour laquelle les cartes déforment autant les hautes latitudes.

e) L'ellipsoïde est une surface mathématique lisse qui approche la forme de la Terre ; le géoïde est la surface d'équilibre des mers, qui suit les irrégularités du champ de pesanteur et s'écarte de l'ellipsoïde de plusieurs dizaines de mètres. Un récepteur GPS calcule naturellement une altitude par rapport à l'ELLIPSOÏDE, alors que les cartes donnent des altitudes par rapport au géoïde : sans correction, l'écart affiché peut atteindre trente mètres et surprendre l'utilisateur, sans qu'aucune erreur de mesure soit en cause.

Exercice 2 : Le principe du GPS : la trilatération

La figure montre trois cercles centrés sur trois satellites A, B et C. Chaque cercle est le lieu des points situés à la distance mesurée du satellite correspondant. Le point marqué au centre est le seul à convenir aux trois mesures.

ABCun seul point convient
  • a) Expliquez pourquoi la connaissance de la distance à UN seul satellite ne suffit pas, puis pourquoi deux ne suffisent pas non plus, dans le plan.
  • b) Le raisonnement de la figure est fait dans le plan. Dans l'espace, chaque distance ne définit plus un cercle mais une sphère. Combien de satellites faut-il alors, et pourquoi le résultat de l'intersection de trois sphères se ramène-t-il en pratique à un seul point ?
  • c) Un récepteur GPS a besoin d'un quatrième satellite alors que la géométrie n'en demande que trois. Expliquez précisément l'inconnue supplémentaire qu'il faut déterminer.
  • d) Le récepteur ne mesure pas une distance, il mesure une DURÉE. Expliquez comment il passe de l'une à l'autre, et pourquoi le mot trilatération est plus juste que triangulation.
  • e) On appelle dilution de la précision l'effet de la disposition des satellites sur la qualité du résultat. En vous appuyant sur la figure, expliquez pourquoi trois satellites vus dans la même direction donnent une position beaucoup moins sûre que trois satellites bien répartis.

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Réponses

  • a) Un satellite laisse un cercle entier ; deux laissent deux points ; il en faut un troisième
  • b) Trois satellites : deux sphères donnent un cercle, la troisième le coupe en deux points, dont l'un est absurde
  • c) Le décalage de l'horloge à quartz du récepteur : quatre inconnues, donc quatre satellites
  • d) d=c×td=c\times t ; on mesure des longueurs et non des angles, d'où trilatération
  • e) Satellites alignés : cercles très obliques, l'erreur s'amplifie ; bien répartis : cercles presque perpendiculaires

a) Avec un seul satellite, connaître la distance dd ne dit qu'une chose : le point cherché est sur le cercle de centre le satellite et de rayon dd. Il reste une infinité de possibilités. Avec deux satellites, on intersecte deux cercles : dans le cas général, cette intersection contient DEUX points, pas un. Il faut donc une troisième mesure pour lever l'ambiguïté. La règle générale se retient bien : dans le plan, chaque distance retire une dimension d'incertitude, et il faut autant de mesures indépendantes que de coordonnées à trouver, plus une pour trancher entre les solutions symétriques.

b) Dans l'espace il faut trois satellites pour la géométrie pure. Deux sphères se coupent selon un cercle, et une troisième sphère coupe ce cercle en deux points. En pratique, l'un des deux points est absurde, situé à des milliers de kilomètres de la surface terrestre ou en mouvement à une vitesse impossible : le récepteur l'élimine sans hésiter, et il ne reste qu'un point.

c) L'inconnue supplémentaire est le DÉCALAGE de l'horloge du récepteur. Les satellites portent des horloges atomiques synchronisées ; le récepteur, lui, porte une horloge à quartz bon marché, dont le décalage par rapport au temps du système est inconnu. Il y a donc quatre inconnues, les trois coordonnées et ce décalage, ce qui exige quatre équations, donc quatre satellites. C'est la raison pour laquelle un récepteur affiche l'heure avec une exactitude extraordinaire : il l'a calculée en même temps que la position, et il ne pouvait pas faire autrement.

d) Le signal se propage à la vitesse de la lumière cc. Le satellite date son message ; le récepteur note l'instant d'arrivée ; la différence donne une durée tt, et la distance vaut d=c×td = c \times t. Le mot trilatération est plus juste que triangulation parce qu'on mesure des LATÉRALES, c'est-à-dire des longueurs, et non des angles. Une triangulation, comme celle des géomètres du XIXe siècle, part d'angles visés depuis des sommets connus ; le GPS ne mesure aucun angle.

e) Si les trois satellites sont vus dans la même direction, les trois cercles se coupent sous un angle très aigu : une petite erreur sur l'une des distances déplace énormément le point d'intersection le long de la direction commune. Si les satellites sont bien répartis, les cercles se coupent presque perpendiculairement, et la même erreur de distance ne déplace le point que d'autant. La qualité d'une position ne dépend donc pas seulement de la qualité des mesures, mais de la GÉOMÉTRIE de la configuration : c'est pourquoi un récepteur au fond d'une rue étroite, qui ne voit que la bande de ciel au-dessus de lui, se trompe bien plus qu'en terrain découvert.

Exercice 3 : Le temps, la vitesse de la lumière et la précision

Tout le GPS repose sur une multiplication : distance égale vitesse fois temps. On prend c=3,00×108c = 3{,}00 \times 10^{8} m/s pour la vitesse du signal.

  • a) Un satellite orbite à 20 200 km d'altitude. Calculez la durée de propagation du signal jusqu'à un récepteur situé à la verticale du satellite.
  • b) L'horloge du récepteur se trompe d'une microseconde. Quelle erreur cela produit-il sur la distance calculée ? Commentez.
  • c) Pour viser une précision de 5 m sur la position, quelle exactitude faut-il sur la mesure de la durée ? Exprimez-la en nanosecondes.
  • d) Les horloges atomiques des satellites avancent d'environ 38 microsecondes par jour par rapport aux horloges au sol, sous l'effet combiné de la relativité restreinte et de la relativité générale. Quelle erreur de position cet écart produirait-il en une journée s'il n'était pas corrigé ?
  • e) Un signal traverse l'ionosphère et y est ralenti, ce qui allonge la durée mesurée de 30 nanosecondes. De combien la distance calculée est-elle fausse ? La position obtenue est-elle trop proche ou trop loin du satellite ?

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  • a) Environ 67,367{,}3 ms
  • b) 300300 m : d'où le traitement du décalage d'horloge comme une inconnue à part entière
  • c) Environ 16,716{,}7 ns
  • d) Environ 11,411{,}4 km par jour sans correction relativiste
  • e) 99 m de trop : la durée mesurée est trop grande, donc le récepteur se croit trop loin

a) La distance vaut 20 20020\ 200 km, soit 2,02×1072{,}02 \times 10^{7} m. La durée vaut t=d/c=2,02×107/3,00×1086,73×102t = d / c = 2{,}02 \times 10^{7} / 3{,}00 \times 10^{8} \approx 6{,}73 \times 10^{-2} s, soit environ 67,367{,}3 millisecondes. Un ordre de grandeur à retenir : le signal met environ un quinzième de seconde à descendre, et c'est déjà bien plus que le temps de réaction d'un être humain.

b) Une microseconde vaut 10610^{-6} s. L'erreur de distance vaut 3,00×108×106=3003{,}00 \times 10^{8} \times 10^{-6} = 300 m. Une erreur d'horloge d'un millionième de seconde décale donc la position de trois cents mètres, ce qui rendrait le système inutilisable pour la navigation. C'est exactement pour cela que le décalage d'horloge du récepteur est traité comme une inconnue à part entière, et non comme une petite imperfection à négliger.

c) Il faut t=d/c=5/(3,00×108)1,67×108t = d / c = 5 / (3{,}00 \times 10^{8}) \approx 1{,}67 \times 10^{-8} s, soit environ 16,716{,}7 nanosecondes. Autrement dit, pour savoir où l'on est à cinq mètres près, il faut savoir quelle heure il est à seize milliardièmes de seconde près. C'est la phrase qui résume le chapitre : le GPS est un problème d'horlogerie déguisé en problème de géométrie.

d) L'écart vaut 3838 microsecondes, soit 3,8×1053{,}8 \times 10^{-5} s. L'erreur de distance correspondante vaut 3,00×108×3,8×105=1,14×1043{,}00 \times 10^{8} \times 3{,}8 \times 10^{-5} = 1{,}14 \times 10^{4} m, soit environ 11,411{,}4 km par jour. Sans correction relativiste, le système deviendrait inutilisable en quelques minutes et absurde au bout d'une journée. C'est l'application pratique de la relativité la plus utilisée au monde.

e) L'erreur de distance vaut 3,00×108×30×109=93{,}00 \times 10^{8} \times 30 \times 10^{-9} = 9 m. La durée mesurée étant trop GRANDE, la distance calculée est trop grande elle aussi : le récepteur se croit plus loin du satellite qu'il ne l'est réellement. La correction se fait en comparant deux fréquences porteuses, car le retard ionosphérique dépend de la fréquence, ce qui permet de le mesurer au lieu de l'estimer.

Exercice 4 : Lire une trame de positionnement

Un récepteur envoie ses résultats sous forme de trames de texte normalisées. En voici une, découpée en champs, telle qu'un microcontrôleur la reçoit.

ChampValeurSignification
1GPGGAtype de trame : position calculée
2142317.00heure UTC
34530.3000,Nlatitude, degrés et minutes
407334.2000,Wlongitude, degrés et minutes
51qualité du calage
609nombre de satellites utilisés
70.9dilution horizontale de la précision
836.4,Maltitude en mètres
  • a) Convertissez la latitude et la longitude de cette trame en degrés décimaux signés.
  • b) L'heure est donnée en temps universel coordonné. Quelle heure locale cela fait-il à Montréal en hiver, où le décalage est de moins cinq heures ? Pourquoi le récepteur ne transmet-il jamais l'heure locale ?
  • c) Le champ 6 indique 9 satellites utilisés alors que 4 suffisent. Donnez deux raisons d'en utiliser davantage.
  • d) Le champ 7 vaut 0,9. Sachant que l'erreur de position est approximativement le produit de cet indicateur par l'erreur de mesure de distance, et que celle-ci vaut environ 3 m, estimez l'erreur horizontale de position. Que vaudrait-elle si l'indicateur montait à 6,5 dans une rue étroite ?
  • e) Le récepteur ne reçoit plus que 3 satellites. Que peut-il encore calculer, que perd-il, et quelle astuce utilise-t-il souvent pour continuer à donner une position ?

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Réponses

  • a) +45,5050+45{,}5050 et 73,5700-73{,}5700
  • b) 9 h 23 min 17 s ; le fuseau est une donnée politique, pas une mesure physique
  • c) La géométrie, qui abaisse la dilution de la précision, et la redondance, qui détecte les mesures aberrantes
  • d) 2,72{,}7 m avec 0,90{,}9, mais 19,519{,}5 m avec 6,56{,}5, à qualité de mesure inchangée
  • e) Il fixe l'altitude et donne un calage 2D : il perd l'altitude mesurée et une part de la fiabilité

a) La latitude est écrite en degrés et minutes accolés : 4530.3000 se lit 45°45° et 30,300030{,}3000', soit 45+30,3/60=45,5050°45 + 30{,}3/60 = 45{,}5050°. Le N donne un signe positif : +45,5050+45{,}5050. La longitude 07334.2000 se lit 73°73° et 34,200034{,}2000', soit 73+34,2/60=73,5700°73 + 34{,}2/60 = 73{,}5700°, et le W donne un signe négatif : 73,5700-73{,}5700. Le piège de ce format est le découpage : ce ne sont pas des degrés décimaux, et les deux ou trois premiers chiffres seulement forment le nombre de degrés.

b) L'heure UTC est 14 h 23 min 17 s. En retirant cinq heures on obtient 9 h 23 min 17 s, heure locale à Montréal en hiver. Le récepteur ne transmet jamais l'heure locale parce qu'il ne connaît pas le fuseau : celui-ci dépend de frontières politiques et de règles de changement d'heure qui ne se déduisent d'aucune mesure physique. Le temps universel coordonné est la seule référence sans ambiguïté, et la conversion est laissée au logiciel qui, lui, dispose d'une base de données des fuseaux.

c) Première raison, la GÉOMÉTRIE : plus il y a de satellites, plus on a de chances d'en avoir de bien répartis, ce qui abaisse la dilution de la précision. Seconde raison, la REDONDANCE : avec plus d'équations que d'inconnues, le récepteur ajuste au mieux et détecte les mesures aberrantes, par exemple un signal ayant rebondi sur une façade. Une troisième raison compte en ville : les satellites disparaissent et réapparaissent derrière les immeubles, et une réserve permet de ne jamais tomber sous le seuil de quatre.

d) Erreur estimée : 0,9×3=2,70{,}9 \times 3 = 2{,}7 m, ce qui est excellent. Avec un indicateur de 6,56{,}5, l'erreur passerait à 6,5×3=19,56{,}5 \times 3 = 19{,}5 m, soit sept fois plus, alors que la qualité des mesures n'a pas changé d'un iota. C'est la démonstration chiffrée de la question e de l'exercice 2 : en ville, ce n'est pas le récepteur qui se dégrade, c'est le ciel qui se rétrécit.

e) Avec 3 satellites il ne peut plus résoudre les quatre inconnues. Il peut encore calculer une position s'il accepte de FIXER l'une d'elles : l'astuce courante consiste à supposer l'altitude connue, par exemple celle du dernier point calculé ou celle du sol donnée par une carte. Il obtient alors une position à deux dimensions, dite calage 2D, dont la latitude et la longitude restent utilisables mais dont l'altitude n'est plus une mesure. Ce qu'il perd, c'est donc l'altitude et une part de la fiabilité, puisqu'une hypothèse fausse sur l'altitude contamine les deux autres coordonnées.

Exercice 5 : Cartes numériques : échelle, projection et tuiles

Une carte numérique n'est pas une image unique : c'est une pile de niveaux de zoom, chacun découpé en tuiles carrées. La figure montre les trois premiers niveaux.

zoom 0 : 1 tuilezoom 1 : 4 tuileszoom 2 : 16 tuiles
  • a) Combien de tuiles compte le niveau de zoom 3 ? le niveau de zoom n ? Combien en compte le niveau 19, utilisé pour la vue de rue ?
  • b) Chaque tuile est une image de 256 pixels de côté pesant en moyenne 18 kio. Quel serait le poids du niveau 12 complet ?
  • c) Expliquez pourquoi le découpage en tuiles est indispensable, alors qu'une seule très grande image serait plus simple à concevoir.
  • d) Qu'appelle-t-on projection ? Énoncez le théorème qui rend toute carte plane nécessairement fausse, et dites ce que conserve la projection utilisée par la plupart des cartes en ligne.
  • e) Sur une carte au 1 : 25 000, deux points sont distants de 7,2 cm. Quelle distance réelle cela représente-t-il ? Sur une carte numérique, pourquoi l'échelle indiquée à l'écran est-elle toujours approximative ?

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Réponses

  • a) 4n4^{n} tuiles : 64 au niveau 3, 274 877 906 944274\ 877\ 906\ 944 au niveau 19
  • b) 16 777 21616\ 777\ 216 tuiles, soit environ 288288 Gio
  • c) Parce qu'on ne transmet que l'écran visible : une vingtaine de tuiles au lieu de 288 Gio
  • d) Une règle de la sphère vers le plan ; le theorema egregium l'interdit de tout conserver ; les cartes en ligne conservent les angles
  • e) 1 8001\ 800 m, soit 1,81{,}8 km ; l'échelle varie avec la latitude et avec l'écran

a) Le niveau nn découpe chaque côté en 2n2^{n} parts, donc il compte 2n×2n=4n2^{n} \times 2^{n} = 4^{n} tuiles. Au niveau 3 : 43=644^{3} = 64 tuiles. Au niveau 19 : 419=274 877 906 9444^{19} = 274\ 877\ 906\ 944 tuiles, soit près de 275 milliards. Le nombre quadruple à chaque niveau, ce qui explique qu'aucun service ne pré-calcule les niveaux profonds sur toute la Terre : ils sont produits à la demande, et seulement là où quelqu'un regarde.

b) Le niveau 12 compte 412=16 777 2164^{12} = 16\ 777\ 216 tuiles. À 18 kio chacune, cela pèse 16 777 216×18=301 989 88816\ 777\ 216 \times 18 = 301\ 989\ 888 kio, soit 301 989 888/1 048 576288301\ 989\ 888 / 1\ 048\ 576 \approx 288 Gio. Un seul niveau de zoom, à mi-parcours, pèse donc déjà près de trois cents gibioctets.

c) Parce que l'on ne transmet et ne dessine que ce qui est visible. Une image unique du niveau 12 obligerait à télécharger 288 Gio pour afficher un écran de téléphone. Avec des tuiles, l'écran demande une vingtaine d'images de 18 kio, soit moins d'un demi-mébioctet, et le reste n'est jamais lu. Le découpage permet en outre de mettre les tuiles en cache, de les servir depuis un serveur proche et de ne recalculer que les tuiles modifiées lors d'une mise à jour.

d) Une projection est une règle qui associe à chaque point de la sphère un point du plan. Le théorème qui rend toute carte fausse est le theorema egregium de Gauss : une sphère et un plan n'ont pas la même courbure, donc aucune application de l'une sur l'autre ne peut conserver toutes les distances. Une projection doit donc choisir ce qu'elle sacrifie. Celle qu'emploient la plupart des cartes en ligne conserve les ANGLES, donc les formes locales, ce qui est ce que l'on veut pour naviguer ; en contrepartie elle dilate énormément les surfaces vers les pôles, au point que le Groenland y paraît aussi grand que l'Afrique alors qu'il est quatorze fois plus petit.

e) L'échelle 1:25 0001 : 25\ 000 signifie qu'un centimètre sur la carte vaut 25 00025\ 000 cm sur le terrain. Donc 7,27{,}2 cm valent 7,2×25 000=180 0007{,}2 \times 25\ 000 = 180\ 000 cm, soit 1 8001\ 800 m, c'est-à-dire 1,81{,}8 km. Sur une carte numérique, l'échelle affichée est approximative pour deux raisons : la projection dilate différemment selon la latitude, si bien qu'une même barre d'échelle ne vaut pas la même chose à Montréal et à l'équateur ; et la taille réelle d'un pixel dépend de l'écran, si bien que la même carte n'a pas la même échelle sur un téléphone et sur un moniteur.

Partie B : Problèmes et raisonnement (/50)

Exercice 6 : Calculer une distance sur la sphère

On prend pour la Terre une sphère de rayon R=6 371R = 6\ 371 km. Un degré d'arc de grand cercle vaut donc toujours la même longueur, et c'est cette longueur qui sert de mètre étalon à tout le chapitre.

  • a) Calculez la longueur d'un degré de latitude, en kilomètres, puis celle d'une minute d'angle. Ce dernier nombre porte un nom : lequel ?
  • b) Deux villes sont sur le même méridien, l'une à 45,50° Nord, l'autre à 48,85° Nord. Calculez la distance qui les sépare.
  • c) Montrez que la longueur d'un degré de longitude à la latitude φ\varphi vaut celle d'un degré de latitude multipliée par cosφ\cos \varphi. Calculez-la à la latitude de Montréal, 45,50°.
  • d) Deux points sont à la latitude de Montréal et leurs longitudes diffèrent de 0,25°. Quelle distance les sépare, le long du parallèle ?
  • e) Un service de cartographie affiche une distance à vol d'oiseau de 5 062 km entre Montréal et Paris, alors que le vol dure plus longtemps qu'une route droite ne le laisserait croire et passe au-dessus du Groenland. Expliquez ce qui se passe.

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Réponses

  • a) 111,2111{,}2 km par degré, 1,8531{,}853 km par minute : c'est le mille marin
  • b) 3,35°3{,}35° d'écart, soit environ 372,5372{,}5 km
  • c) Le parallèle a pour rayon RcosφR\cos\varphi ; à Montréal, 111,2×0,700977,9111{,}2\times 0{,}7009\approx 77{,}9 km
  • d) Environ 19,519{,}5 km, contre 27,827{,}8 km pour le même écart de latitude
  • e) Rien d'anormal : le grand cercle est bien le plus court, et il ne se dessine pas en droite sur une carte conforme

a) La circonférence d'un grand cercle vaut 2πR=2π×6 37140 0302 \pi R = 2 \pi \times 6\ 371 \approx 40\ 030 km. Un degré en est la trois-cent-soixantième partie, soit 40 030/360111,240\ 030 / 360 \approx 111{,}2 km. Une minute d'angle vaut le soixantième de ce nombre, soit 111,2/601,853111{,}2 / 60 \approx 1{,}853 km. Ce nombre porte un nom : c'est le MILLE MARIN, défini précisément comme la longueur d'une minute d'arc de méridien. Toute la navigation maritime repose sur cette coïncidence commode, qui n'en est pas une puisque le mille a été défini ainsi.

b) Les deux villes étant sur le même méridien, la distance est un arc de grand cercle. L'écart de latitude vaut 48,8545,50=3,35°48{,}85 - 45{,}50 = 3{,}35°. La distance vaut donc 3,35×111,2372,53{,}35 \times 111{,}2 \approx 372{,}5 km. C'est le seul cas où le calcul est immédiat : dès que les longitudes diffèrent aussi, il faut la formule complète des distances sphériques.

c) Le parallèle de latitude φ\varphi est un cercle dont le rayon n'est pas RR mais RcosφR \cos \varphi, puisque le point du globe se trouve à la distance RcosφR \cos \varphi de l'axe des pôles. Un degré de longitude est un degré d'arc sur ce cercle plus petit : sa longueur vaut donc 2πRcosφ/3602 \pi R \cos \varphi / 360, c'est-à-dire la longueur d'un degré de latitude multipliée par cosφ\cos \varphi. À Montréal, cos(45,50°)0,7009\cos(45{,}50°) \approx 0{,}7009, donc un degré de longitude vaut 111,2×0,700977,9111{,}2 \times 0{,}7009 \approx 77{,}9 km, soit trente pour cent de moins qu'un degré de latitude.

d) La distance vaut 0,25×77,919,50{,}25 \times 77{,}9 \approx 19{,}5 km. À titre de comparaison, 0,25°0{,}25° de latitude vaudrait 0,25×111,227,80{,}25 \times 111{,}2 \approx 27{,}8 km : le même écart de coordonnée donne des distances qui diffèrent de plus de huit kilomètres selon l'axe. C'est exactement pourquoi on ne peut pas calculer une distance en appliquant Pythagore à des différences de degrés sans corriger la longitude par le cosinus de la latitude.

e) Rien d'anormal : la distance affichée est bien la plus courte, mesurée le long du grand cercle qui joint les deux villes. Or sur une carte en projection conforme, un grand cercle ne se dessine PAS comme une droite ; il apparaît comme un arc qui remonte vers le nord. La trajectoire qui semble faire un détour par le Groenland est en réalité la plus courte, et la ligne droite tracée sur la carte serait plus longue. La carte ment sur ce point précis, et l'avion a raison.

Exercice 7 : Le calcul d'itinéraire : un graphe pondéré

Le graphe donne le réseau routier entre six carrefours. Chaque arête porte le temps de parcours en minutes. On cherche le trajet le plus rapide de A à G.

45364325ABCDEG
  • a) Énumérez tous les chemins de A à G qui ne repassent jamais par un carrefour déjà visité, et donnez la durée de chacun.
  • b) Donnez le trajet le plus rapide et sa durée. En quoi ce trajet diffère-t-il du trajet le plus COURT en nombre de routes empruntées ?
  • c) Un embouteillage fait passer le temps de B à C de 5 à 12 minutes. Recalculez le meilleur trajet. Que faut-il en conclure sur la fréquence de recalcul d'un service de navigation ?
  • d) Expliquez pourquoi l'algorithme qui résout ce problème traite les carrefours par ordre de durée croissante depuis le départ, et non dans l'ordre du dessin. Que garantit cette façon de faire ?
  • e) Le réseau réel d'une ville compte 40 000 carrefours et 90 000 routes. Expliquez pourquoi énumérer tous les chemins, comme à la question a, est impossible, alors que l'algorithme de la question d reste praticable.

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a)
b)
c)
d)
e)
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Réponses

  • a) A-B-C-G 11, A-B-E-G 13, A-B-E-C-G 13, A-D-E-G 14, A-D-E-C-G 14, A-B-C-E-G 17, A-D-E-B-C-G 20
  • b) A-B-C-G en 11 min ; trois chemins comptent trois routes mais durent 11, 13 et 14 min
  • c) A-B-C-G passe à 18 min, le meilleur devient A-B-E-G en 13 min : une seule arête change tout l'itinéraire
  • d) La durée d'un carrefour sorti de la file est définitive, donc on ne revient jamais en arrière
  • e) Environ 701 000701\ 000 opérations, contre un nombre de chemins hors de portée : c'est l'algorithme qui change tout

a) Les chemins simples de A à G sont : A-B-C-G, soit 4+5+2=114+5+2 = 11 min ; A-B-E-G, soit 4+4+5=134+4+5 = 13 min ; A-B-E-C-G, soit 4+4+3+2=134+4+3+2 = 13 min ; A-B-C-E-G, soit 4+5+3+5=174+5+3+5 = 17 min ; A-D-E-G, soit 3+6+5=143+6+5 = 14 min ; A-D-E-C-G, soit 3+6+3+2=143+6+3+2 = 14 min ; A-D-E-B-C-G, soit 3+6+4+5+2=203+6+4+5+2 = 20 min. Il faut être systématique : on fixe le premier pas, B ou D, puis on développe. Sauter un chemin est l'erreur la plus fréquente, et c'est aussi ce qui rend la méthode inutilisable en vrai.

b) Le trajet le plus rapide est A-B-C-G, en 11 minutes. Ce n'est pas le trajet comportant le moins de routes : A-B-C-G en compte trois, tout comme A-B-E-G et A-D-E-G, mais ces deux derniers durent 13 et 14 minutes. La leçon est que dans un graphe PONDÉRÉ, le plus court n'est plus celui qui a le moins d'arêtes : c'est la somme des poids qui décide, et il arrive régulièrement qu'un chemin plus long en nombre d'étapes soit plus rapide.

c) Avec B-C à 12 minutes, le chemin A-B-C-G passe à 4+12+2=184+12+2 = 18 min. Les autres ne changent pas : A-B-E-G reste à 13, A-B-E-C-G reste à 13, A-D-E-G reste à 14. Le meilleur devient donc A-B-E-G, ou A-B-E-C-G, en 13 minutes. Conclusion : la modification d'UNE seule arête a changé l'itinéraire optimal de bout en bout. C'est pourquoi un service de navigation recalcule en continu à partir des temps observés, et non une fois pour toutes au départ.

d) Parce que traiter les carrefours par durée croissante garantit qu'au moment où l'on sort un carrefour de la file, la durée qu'on lui a attribuée est DÉFINITIVE : aucun chemin découvert plus tard ne pourra faire mieux, puisque tous les chemins restants passent par des carrefours déjà plus lointains, et que les poids sont positifs. Cette garantie est ce qui permet de ne jamais revenir en arrière, donc de traiter chaque carrefour une seule fois. Elle tombe si un poids est négatif, cas qui n'existe pas pour des temps de trajet.

e) Le nombre de chemins simples dans un graphe croît de façon combinatoire avec le nombre de sommets : sur 40 000 carrefours il dépasse tout ce qui est calculable, et de très loin. L'algorithme de la question d, lui, examine chaque route au plus une fois depuis chacune de ses extrémités et fait un travail proportionnel à environ 90 00090\ 000 routes, plus le coût de la gestion de la file, soit de l'ordre de 90 000+40 000×log2(40 000)90 000+611 00090\ 000 + 40\ 000 \times \log_{2}(40\ 000) \approx 90\ 000 + 611\ 000, c'est-à-dire moins d'un million d'opérations élémentaires. Un ordinateur fait cela en quelques millisecondes. L'écart entre les deux méthodes n'est pas une question de puissance de machine, c'est une question d'algorithme.

Exercice 8 : Cinq affirmations à corriger

Chacune des cinq affirmations suivantes est FAUSSE. Dites pourquoi et donnez l'énoncé correct.

  • 1) « Un récepteur GPS envoie sa position aux satellites. »
  • 2) « Trois satellites suffisent toujours à un récepteur pour se positionner dans l'espace. »
  • 3) « Un degré de longitude et un degré de latitude représentent la même distance. »
  • 4) « Le trajet le plus rapide est celui qui emprunte le moins de routes. »
  • 5) « Désactiver la localisation dans un téléphone empêche de savoir où il se trouve. »

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1)
2)
3)
4)
5)
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Réponses

  • 1) Faux : le récepteur écoute et calcule seul, il n'émet rien
  • 2) Faux : quatre inconnues, dont le décalage d'horloge, donc quatre satellites
  • 3) Faux sauf à l'équateur : 111,2111{,}2 km contre 77,977{,}9 km à Montréal
  • 4) Faux dans un graphe pondéré : c'est la somme des poids qui décide
  • 5) Faux : antennes, réseaux sans fil visibles et adresses réseau localisent encore le téléphone

1) FAUX, et l'erreur est structurante. Le système GPS est purement DESCENDANT : les satellites émettent, le récepteur écoute et calcule tout seul. Il n'émet rien. Énoncé correct : un récepteur GPS reçoit les signaux datés des satellites et calcule sa position localement ; le système ne sait pas combien de récepteurs existent ni où ils sont. C'est ce qui permet un nombre illimité d'utilisateurs simultanés.

2) FAUX. La géométrie n'en demande que trois, mais le récepteur a quatre inconnues, les trois coordonnées et le décalage de sa propre horloge, donc il lui faut quatre satellites. Énoncé correct : quatre satellites sont nécessaires pour un calage complet ; avec trois, le récepteur ne peut donner une position qu'en supposant l'altitude connue, et cette position est dégradée.

3) FAUX, sauf exactement à l'équateur. Un degré de latitude vaut toujours environ 111,2111{,}2 km, alors qu'un degré de longitude vaut 111,2×cosφ111{,}2 \times \cos \varphi km, donc environ 77,977{,}9 km à Montréal. Énoncé correct : un degré de longitude rétrécit avec la latitude, en cosφ\cos \varphi, parce que les parallèles sont des cercles plus petits que les méridiens.

4) FAUX dans un graphe pondéré. Sur le réseau de l'exercice 7, trois chemins comptent trois routes et durent 11, 13 et 14 minutes. Énoncé correct : le trajet le plus rapide minimise la SOMME DES POIDS des arêtes, pas leur nombre ; les deux ne coïncident que si toutes les arêtes ont le même poids.

5) FAUX. Couper le récepteur satellitaire supprime une source de position, pas toutes. Le téléphone reste localisable par l'opérateur grâce aux antennes auxquelles il se rattache, par recoupement des réseaux sans fil visibles, et par les adresses réseau qu'il utilise. Énoncé correct : désactiver la localisation empêche les applications d'obtenir une position précise ; elle ne rend le téléphone ni invisible ni indétectable, et seule l'extinction complète supprime le rattachement au réseau.

Exercice 9 : Les traces de localisation et la vie privée

Un téléphone enregistre une position toutes les 5 minutes, 24 heures sur 24. Cet exercice mesure ce que cela représente et ce que l'on peut en déduire.

  • a) Combien de positions un téléphone enregistre-t-il en une journée ? en une année de 365 jours ?
  • b) Chaque position occupe 24 octets. Quel volume annuel cela fait-il ? Comparez ce volume à celui d'une seule photographie de 4 Mio, et concluez.
  • c) À partir de cette seule trace, sans aucun autre renseignement, comment retrouve-t-on l'adresse du domicile et celle de l'établissement scolaire ? Décrivez le traitement en trois étapes.
  • d) Une étude a montré que quatre points espacés dans le temps suffisent à identifier 95 pour cent des personnes dans une base de traces prétendument anonyme. Rapprochez ce résultat de l'exercice sur la ré-identification et expliquez le mécanisme commun.
  • e) Citez trois usages légitimes des données de localisation agrégées, puis la condition qui rend l'agrégation réellement protectrice.

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a)
b)
c)
d)
e)
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Réponses

  • a) 288 positions par jour, 105 120105\ 120 par an
  • b) 2 522 8802\ 522\ 880 octets, soit 2,412{,}41 Mio : moins qu'une seule photographie de 4 Mio
  • c) Regrouper par proximité, croiser avec l'heure, géocoder les deux lieux retenus
  • d) Même mécanisme que les quasi-identifiants : une trajectoire est une signature
  • e) Flux de circulation, détection d'embouteillage, fréquentation d'un quartier ; la condition est un SEUIL d'effectif

a) En une heure il y a 60/5=1260 / 5 = 12 positions, donc 12×24=28812 \times 24 = 288 par jour et 288×365=105 120288 \times 365 = 105\ 120 par an. Cent mille points par personne et par an, c'est déjà un journal de bord extrêmement détaillé.

b) Le volume annuel vaut 105 120×24=2 522 880105\ 120 \times 24 = 2\ 522\ 880 octets, soit 2 522 880/1 048 5762,412\ 522\ 880 / 1\ 048\ 576 \approx 2{,}41 Mio. Une seule photographie de 4 Mio pèse donc plus lourd qu'une année entière de trace. Conclusion : le coût de stockage n'est jamais un frein à la collecte de position. Rien, techniquement, ne pousse à limiter cette collecte ; seule une règle juridique ou une décision de conception le fait.

c) Trois étapes. Un, REGROUPER les points par proximité géographique, ce qui fait apparaître quelques dizaines de lieux fréquentés au lieu de cent mille points. Deux, CROISER avec l'heure : le lieu où le téléphone passe la plupart des nuits, entre minuit et six heures, est le domicile ; celui où il passe les matinées des jours ouvrés, hors vacances scolaires, est l'établissement. Trois, GÉOCODER ces deux lieux, c'est-à-dire convertir les coordonnées en adresse postale à l'aide d'une base publique. Aucune de ces trois étapes ne demande de renseignement extérieur à la trace.

d) Le mécanisme est identique à celui de la ré-identification par quasi-identifiants : aucun point pris isolément ne désigne quelqu'un, mais la COMBINAISON de plusieurs attributs banals réduit très vite le nombre de personnes compatibles. Ici, chaque point ajouté multiplie le pouvoir discriminant, parce que la probabilité que deux personnes se trouvent aux quatre mêmes endroits aux quatre mêmes moments est infime. Une trajectoire est en réalité une signature, au même titre qu'une empreinte, et l'appeler anonyme parce qu'elle ne porte pas de nom est une erreur de raisonnement, pas un abus de langage.

e) Trois usages légitimes : mesurer les flux de circulation pour dimensionner les transports en commun ; détecter en temps réel un embouteillage ou un accident à partir du ralentissement d'un groupe de véhicules ; évaluer la fréquentation d'un quartier commerçant pour décider d'un aménagement. La condition pour que l'agrégation protège réellement est un SEUIL : ne publier une valeur agrégée que si elle porte sur un nombre suffisant de personnes, faute de quoi une case peu fréquentée désigne à nouveau un individu. Une agrégation sans seuil n'est qu'un déguisement.

Exercice 10 : Problème : dimensionner un service de covoiturage

Le diagramme donne la répartition des 4 600 trajets d'une journée par tranche de distance, pour un service de covoiturage urbain. Le service veut savoir combien de véhicules mettre en circulation et ce que la localisation lui apporte.

0-2 km9402-5 km16205-10 km118010-20 km64020 km et +220040080012001600
  • a) Vérifiez que le total vaut bien 4 600 trajets, puis calculez la part de chaque tranche, au dixième de pour cent près, pour les deux tranches les plus fournies.
  • b) En prenant le milieu de chaque tranche comme distance représentative, et 25 km pour la dernière, estimez la distance totale parcourue dans la journée.
  • c) Un véhicule roule en moyenne à 22 km/h en ville et peut fonctionner 14 heures par jour. Combien de véhicules faut-il au minimum ? Pourquoi ce nombre est-il un minimum et non une réponse ?
  • d) L'exploitant veut placer les véhicules là où la demande naît. Décrivez le traitement de données qui, à partir du journal des trajets, produit la carte des zones de départ les plus demandées le matin. Nommez les opérations dans l'ordre.
  • e) Le service envisage de conserver la trace complète de chaque trajet pendant cinq ans. Chaque trajet enregistre une position toutes les 10 secondes et dure en moyenne 16 minutes, chaque position pesant 24 octets. Calculez le volume sur cinq ans, en gibioctets, puis dites ce qu'un responsable des données devrait objecter.

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a)
b)
c)
d)
e)
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Réponses

  • a) 4 6004\ 600 trajets ; 2-5 km à 35,235{,}2 pour cent, 5-10 km à 25,725{,}7 pour cent
  • b) 30 56030\ 560 km
  • c) 308 km par véhicule et par jour, donc 100 véhicules au minimum, en supposant une occupation totale
  • d) Sélectionner le matin, projeter sur le départ, calculer la case, grouper et compter, filtrer sous le seuil
  • e) 96 positions, 2 3042\ 304 octets par trajet, 10 598 40010\ 598\ 400 octets par jour, environ 18,018{,}0 Gio sur cinq ans ; objecter la minimisation et la durée

a) Total : 940+1 620+1 180+640+220=4 600940 + 1\ 620 + 1\ 180 + 640 + 220 = 4\ 600 trajets, ce qui confirme l'énoncé. Tranche 2-5 km : 1 620/4 6000,35221\ 620 / 4\ 600 \approx 0{,}3522, soit 35,235{,}2 pour cent. Tranche 5-10 km : 1 180/4 6000,25651\ 180 / 4\ 600 \approx 0{,}2565, soit 25,725{,}7 pour cent. À elles deux, ces tranches portent près de 61 pour cent des trajets : la demande est nettement urbaine et courte.

b) Distances représentatives : 1, 3,5, 7,5, 15 et 25 km. La distance totale vaut 940×1+1 620×3,5+1 180×7,5+640×15+220×25=940+5 670+8 850+9 600+5 500=30 560940 \times 1 + 1\ 620 \times 3{,}5 + 1\ 180 \times 7{,}5 + 640 \times 15 + 220 \times 25 = 940 + 5\ 670 + 8\ 850 + 9\ 600 + 5\ 500 = 30\ 560 km. Le choix de 25 km pour la tranche ouverte est une hypothèse, qu'il faut écrire : c'est elle qui porte l'essentiel de l'incertitude, puisque la tranche n'a pas de borne supérieure.

c) Un véhicule parcourt au plus 22×14=30822 \times 14 = 308 km par jour. Il faut donc au moins 30 560/30899,230\ 560 / 308 \approx 99{,}2 véhicules, soit 100 véhicules. Ce nombre est un minimum et non une réponse pour trois raisons : il suppose les véhicules occupés 100 pour cent du temps, alors qu'ils roulent à vide entre deux courses ; il ignore la répartition dans la journée, or les deux tiers de la demande arrivent aux heures de pointe et il en faudrait bien davantage à ces moments-là ; et il ignore l'entretien et la recharge. Un dimensionnement réaliste part de la demande au pic, jamais de la moyenne journalière.

d) Dans l'ordre. Un, SÉLECTIONNER les trajets dont l'heure de départ tombe dans la plage du matin. Deux, PROJETER sur les seules coordonnées du point de départ. Trois, CALCULER pour chaque point la case de la grille à laquelle il appartient, ce qui ajoute une colonne dérivée, exactement comme les tuiles de l'exercice 5. Quatre, GROUPER par case et AGRÉGER par un comptage. Cinq, FILTRER les cases dont l'effectif est inférieur au seuil de publication, pour ne pas exposer un point de départ unique, c'est-à-dire un domicile. C'est encore la chaîne sélection, projection, calcul, regroupement, agrégation, avec le seuil de l'exercice 9 en plus.

e) Un trajet de 16 minutes fait 16×60/10=9616 \times 60 / 10 = 96 positions, soit 96×24=2 30496 \times 24 = 2\ 304 octets. Pour 4 600 trajets par jour : 4 600×2 304=10 598 4004\ 600 \times 2\ 304 = 10\ 598\ 400 octets par jour. Sur cinq ans de 365 jours : 10 598 400×365×5=19 342 080 00010\ 598\ 400 \times 365 \times 5 = 19\ 342\ 080\ 000 octets, soit 19 342 080 000/1 073 741 82418,019\ 342\ 080\ 000 / 1\ 073\ 741\ 824 \approx 18{,}0 Gio. Le volume est dérisoire, et c'est précisément l'objection à formuler : puisque le coût de stockage ne limite rien, seule la FINALITÉ peut limiter la conservation. Or dimensionner une flotte ne demande que des agrégats par case et par heure, pas la trajectoire complète de chaque personne pendant cinq ans. Le responsable doit donc opposer le principe de minimisation et celui de limitation de la durée : conserver les agrégats longtemps, les traces brutes quelques semaines.

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