Descartes et les Mathématiques Le nombre d'orNombre d'or, section d'or, rectangle d'or, | ||||||||||||||||
Sommaire1. Le nombre d'or 3. Constructions classiques 4. Nombre d'or et trigonométrie 8. Suites de Fibonacci - puissances de φ | ||||||||||||||||
Le nombre d'or n'est presque nulle part. Certains le voient partout ! L'harmonie a le plus souvent affaire avec le 5/3 Les proportions du Parthénon résistent fortement | ||||||||||||||||
1. Nombre d'or (ou section dorée ou encore divine proportion)en : golden ratio in geometry Partage d'un segment, appelé par Euclide, en « moyenne raison » : Trois points A, B et M alignés
forment une section dorée Le rapport est, comme le montre les calculs ci-dessous, | ||||||||||||||||
Calculs algébriquesSoit un segment [AB] de longueur 1 et un point M Le point M partage [AB] suivant la section d'or si on Le produit des « extrêmes » 1 − x est égal au produit Cette équation a pour solution positive x = = = φ − 1, Le rapport = , inverse de , est donc égal au nombre d'or φ : | ||||||||||||||||
2. Éléments d'Euclide - Le triangle d'or dans le livre IVLa découverte du nombre d'or remonte à l'antiquité grecque. Pour les « anciens Grecs », le nombre d'or apparaît comme L'essentiel des propriétés du nombre d'or se trouve dans | ||||||||||||||||
Les éléments d'Euclide - livre IV - Proposition 10Dans ce problème, Euclide AC2 = AB × BC. Pour nous x2 = 1 × (1 − x). x = . Le point C partage le segment [AB] en moyenne raison. Sur le cercle de cercle A, passant par B, ABD est un triangle d'or. Voir la construction d'Euclide du pentagone avec ce triangle d'or | ||||||||||||||||
3. Triangle rectangle où un des
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3.b. Section d'orPartage d'un segment en « extrême et moyenne raison » À partir du segment [AB], sur la perpendiculaire en A à (AB), Le cercle (c1) de centre M, passant par A, coupe le segment [MB] en P. Le cercle (c2) de centre B, passant par P, coupe le segment [AB] en C. Le point C réalise une section dorée du segment [AB] : Soit D le point de la droite (AB), à l'extérieur de [AB] tel que AD = BC. C et D partagent le segment [AB] en « moyenne et extrême raison »: Si on choisit AB comme unité, alors DB = φ et CB = . Indications En effet, d'après la propriété de Pythagore dans le triangle rectangle AMB, on a : MB2 = AM2 + AB2 = AM2 + (2AM)2 = 5 AM2 d'où MB = AM. = 2AM/PB = 2AM/(MB−MP) = 2AM/(MB−AM) = | ||||||||||||||||
3.c. Construction de la section doréeConstructions d'Euclide dans le livre VI Partage d'un segment [AB] en « moyenne et extrême raison : On considère une droite (AB) et sur la perpendiculaire On note I le milieu de [AB]. Le cercle (c2) de centre I D'après le livre VI des éléments Preuve par le calculOn vérifiera facilement, en prenant AB comme unité (AB = 1) que : MA = ; = φ ; Remarque : le cercle (c3) coupe le segment [AC] | ||||||||||||||||
Construction avec deux carrésPartage d'un segment [AC] en « moyenne raison » : Construction On complète avec le point E le carré de côtés [AB] et [AC], La droite (QP) coupe (BE) en N. Preuve par le calcul Le rectangle PNEC a pour longueur CE = 1 Son aire est 2 − φ. Le carré DAPQ a pour côté AP = AM = . Nous avons montré au chapitre 7 que = 2 − φ. = : on a bien une section dorée du segment [AC]. | ||||||||||||||||
Autre construction 3.d. Corde et tangente égalesConstruction du forum futura-sciences : Soit deux points M et T du plan tels que MT = 1 Étant donné un point A du cercle (c), sur la demi-droite [MA), à l'extérieur Déplacer le point A de telle façon que B, intersection de [MA) 1. Montrer que MA × MB = MT2. Indications 1. La puissance de M par rapport au cercle (c) est MA × MB 2. AB = MT = 1. Posons MA = x, alors MB = MA + AB = x + 1; Les trois points M, A, et B forment une section dorée. 4. Nombre d'or et trigonométrieOn a vu dans la page angle trigonométrie que cos est égal à En appliquant la formule de duplication cos 2a = 2 cos2a − 1, on trouve : cos = − cos = sin = 2 cos2 − 1 = = = .
L'inverse du nombre d'or est donc = φ − 1 = = 2 sin . | ||||||||||||||||
5. Rectangle d'orDans un rectangle d'or, le rapport de la longueur Depuis l'antiquité grecque, on sait construire un En effet, en choisissant la largeur AB comme unité, on a KE = KC = , | ||||||||||||||||
5.b. Diagonales des rectangles d'orÀ partir d'un carré ABCD, la diagonale [AF] du grand Cette propriété se retrouve en terminale S, avec La diagonale [AF] a pour image [CE] et elles sont bien Le centre O et le point I, intersection de ces deux diagonales, Figure interactive dans GeoGebraTube : | ||||||||||||||||
Perpendiculaires et rectangles d'orGrâce à cette propriété est caractéristique, à partir du carré Avec un logiciel de géométrie dynamique, il est en Les anciens Égyptiens auraient utilisé cette propriété. Figure interactive dans GeoGebraTube : Commande GeoGebra : déplacer le point E | ||||||||||||||||
5.c. Tracé régulateurEn architecture, comme en dessin, le tracé régulateur « Le tracé régulateur n'apporte pas d'idées poétique ou lyrique ; il n'inspire nullement le thème ; il n'est pas créateur ; il est équilibreur. » Le Modulor - Le Corbusier - 1948 5.c.2. Tracé régulateur dans un rectangle d'orLes diagonales du rectangle rencontrent les diagonales Les diagonales des carrés ABCD et EFHG coupent en L, M, N, P Section d'or sur une diagonale : AF/AP = AP/AM = φ. Section d'or sur un côté des carrés : CD/CN = CN/CP = φ. | ||||||||||||||||
5.c.3. Tracé régulateur dans un « rectangle »« Rectangle » : Le rapport entre la longueur et la largeur est . AFGD et EBCH sont des rectangles d'or de longueur φ et de largeur 1. | ||||||||||||||||
Construction à partir d'un carré de côté [EF] tel que EF = 1. ABCD est un « rectangle » de longueur 1 et de largeur . | ||||||||||||||||
5.c.4. La Présentation de la Vierge au TempleTitien 1488-1576, Académie de Venise L'escalier est parallèle à une des diagonales du rectangle d'or de droite. Plus contestable : il comporte 8 et 5 marches, une suite de Fibonacci. Le centre est dans la lumière, deux rectangles d'or de chaque côté La petite fille, à l'intersection des diagonales du rectangle d'or Tout cela c'est bien beau, mais les dimensions du tableau ne Figure interactive dans GeoGebraTube : | ||||||||||||||||
5.c.5. Carré inscrit dans un demi-cercleL'École d'Athènes Le côté du carré jaune est égal au diamètre du cercle, divisé par . | ||||||||||||||||
5.d. Pavage du plan avec des rectangles d'orPavage non périodique de rectangles d'or Il est possible de paver le plan à partir de rectangles d'or. Ces rectangles sont obtenus en ajoutant au rectangle un carré | ||||||||||||||||
Joconde et spirale d'orLe nombre d’or a fasciné mais Dans les années 30, Par exemple sur la Joconde | ||||||||||||||||
5.d.2. Spirale logarithmiqueLa spirale dorée est approchée par une spirale C'est la spirale miraculeuse (spira mirabilis) de Jacob Bernouilli. Une autre spirale logarithmique passe par les sommets des rectangles d'or. | ||||||||||||||||
6.a. Nombre d'or dans le triangle égyptienDans le triangle rectangle égyptien 3 ; 4 ; 5, on trace le cercle Dans le triangle rectangle AEO de petits côtés 2 et 1, l'hypoténuse mesure . En divisant AP par 2, on trouve le nombre d'or φ = . Les anciens Égyptiens ne savaient pas le théorème Figure interactive dans GeoGebraTube : triangle égyptien | ||||||||||||||||
6.b. Triangle d'or, triangle d'argentLe triangle d'or (ou triangle sublime, ou triangle d'Euclide) Le rapport entre le grand côté et la base est égal au nombre d'or : = = φ. Soit B le point qui partage [AC] en une section d'or : Le triangle BCD est un triangle d'argent, isocèle en B d'angle , | ||||||||||||||||
6.c. Pentagone régulierUn triangle d'or et deux triangles d'argentUn pentagone régulier est formé par un Dans le pentagone ABCDE, ACD est un C'est harmonique, Euclide n'y voyait que de l'or. | ||||||||||||||||
Pentagone régulier et nombre d'orPE = BQ = BA. Le rapport est égal au nombre d'or : BA/BE = φ. Le point P divise [BQ] et [BE] dans le rapport du nombre d’or : BP/BQ = PE/BE = φ. Les points P et E divise [BQ] en « moyenne et extrême raison ». Triangle bisocèle : voir triangle au collège | ||||||||||||||||
6.d. Construction du triangle d'or à partir du grand côtéSi A et C sont deux sommets du triangle, soit B Soit α = l'angle au sommet du triangle d'or. α est aussi α = . Le triangle d'or a donc un angle au sommet de , | ||||||||||||||||
6.e. Construction du triangle d'or à partir de la baseÀ partir du segment [AB] trouver un point C et tracer un On adapte ici le procédé de construction du rectangle d'or Soit K le milieu de [AB] et B’ le point de la droite perpendiculaire Le cercle c2 de centre K passant par B’ coupe la demi-droite [AB) en C. B est la section dorée de [AC]. En effet, si la longueur AB représente l'unité,
la propriété de Pythagore AC = AK + KC = AK + KB’ = + = φ. Une des intersections du cercle c3 de centre A passant par C | ||||||||||||||||
6.f. Pavage non périodique du plan avec des triangles d'orIl est possible de paver le plan à partir de triangles d'or. À partir du triangle AnAn+1An+2 créer le point An+3 tel Ces triangles sont obtenus en ajoutant au triangle un | ||||||||||||||||
6.g. Spirale d'orUne spirale logarithmique d'équation, en coordonnées polaires, | ||||||||||||||||
7. Suites et nombre d'orÉtudier la suite numérique un définie par u0 = 0 et La limite l de cette suite est le nombre d'or φ = . x2 = x + 1, soit x2 − x − 1 = 0. Le produit des solutions de cette équation est −1, On pourra montrer que la suite vn, définie par v0 = 0 Remarque : au XIXe siècle on utilise la lettre grecque C'est suffisant pour inventer le mythe du Parthénon : | ||||||||||||||||
7.b. Mythe de la pyramide de KhéopsÀ la fin de sa construction, Le côté AB = 2 c mesure 232 m. On a = = d'où = φ. Voir : cos et pentagone | ||||||||||||||||
La moitié du côté de la base multipliée par le nombre
d'or La demi-face SHA de la pyramide est la moitié d'un Les faces latérales sont donc formées de deux demi-rectangles d'or. Cette coïncidence est d'autant plus impossible que les Après l'échec de la quadrature du cercle, entre contre-vérités | ||||||||||||||||
8. Nombre d'or et suites de Fibonacci
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Multiplions par φ, successivement |
En additionnant deux égalités |
φ2 = φ + 1 |
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φ3 = φ2 + φ |
φ3 = (φ + 1) + φ = 2 φ + 1. |
φ4 = φ3 + φ2 |
φ4 = (2 φ + 1) + (φ + 1) = 3 φ + 2 |
φ5 = φ4 + φ3 |
φ5 = (3 φ + 2) + (2 φ + 1) = 5 φ + 3 |
φ6 = φ5 + φ4 |
φ6 = (5 φ + 3) + (3 φ + 2) = 8 φ + 5 |
φ7 = φ6 + φ5 |
φ7 = (8 φ + 5) + (5 φ + 3) = 13 φ + 8 |
φ8 = φ7 + φ6 |
φ8 = (13 φ + 8) + (8 φ + 5) = 21 φ + 13 |
On peut facilement démontrer par récurrence que l'on a : φn = anφ + an−1
avec pour n > 0, an + 1 = an + an−1 et a0 = 0 ; a1 = 1.
an est la suite de Fibonacci 0, 1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34…
Tous les pentagones réguliers sont semblables.
Le pentagone A1A2B2C2C1 est l'image du pentagone AA1B1C1C
par l'homothétie de centre O et de rapport φ (nombre d'or).
Les longueurs AA1, A1A2, A2A3, A3A4 sont égales
aux puissances du nombre φ.
AA1 = 1, A1A2 = φ,
A2A3 = φ2 = φ + 1,
A3A4 = φ3 = 2 φ + 1…
AA1 = 1, A1A2 = φ– 1,
A2A3 = φ– 2,
A3A4 = φ– 3…
On a aussi démontré ci-dessus que
φ = 1 + donc = φ − 1 = .
Calculons les puissances négatives
suivantes de φ :
φ– 2 = = = = 1 −
= 1 − (φ − 1) = − φ + 2.
De même, φ– 3 = = = = −1 + = −1 + 2(φ − 1) = 2φ −3,
et φ– 4 = = = =
2 − = 2 − 3(φ − 1) = − 3φ + 5 et ainsi de suite.
On peut enfin démontrer par récurrence que l'on a : φ− n = bn−1φ + bn,
avec pour n > 0, bn+1 = − bn + bn−1 et b0 = 1 ; b1 = − 1 ;
bn = (−1)nan+1 est la suite de Fibonacci alternée :
1, −1, 2, −3, 5, −8, 13, −21, 34…
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