D352 ‒ Un produit maximal
Problème proposé par Dominique Roux
Soit un point M à l'intérieur d'un tétraèdre. Quelle est la position de ce point qui rend maximal le produit des distances de M aux faces du tétraèdre?
Solution par Patrick Gordon
Notons x y z t les distances de M aux faces du tétraèdre et X Y Z T les aires des faces homologues (X aire de BCD, etc. par permutation circulaire).
Soit V le volume du tétraèdre. On a : 1) (Xx + Yy + Zz + Tt) = 3V
Il s'agit de maximiser xyzt sous la contrainte (1).
Avec un multiplicateur, il vient : 2) yzt – X = 0
et de même par permutation circulaire.
Soit encore, en multipliant (2) par x : Xx = Yy = Zz = Tt = xyzt /
Les volumes Xx/3 etc. des 4 tétraèdres MABC, MBCD etc. sont donc égaux et donc égaux chacun au ¼ du volume du tétraèdre ABCD, soit à V/4.
Or, si l'on note h la hauteur issue de A, on a V = Xh/3.
Il en résulte : x = h/4 et ainsi pour les autres sommets.
Il n'existe dans le tétraèdre qu'un point dont les distances aux faces du tétraèdre soient égales au
¼ des hauteurs respectives, c'est son centre de gravité (plus précisément, le centre de gravité des 4 points ABCD).