J. B. D URRANDE
Géométrie élémentaire. Solution de divers problèmes de géométrie, dont plusieurs ont été proposés dans ce recueil
Annales de Mathématiques pures et appliquées, tome 8 (1817-1818), p. 322-330
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322
GÉOMÉTRIE ÉLÉMENTAIRE.
Solution de divers problèmes de géométrie , dont plusieurs
ontété proposés dans
cerecueil ;
Par M. J. B. D U R A N D E , professeur suppléant de mathématiques spéciales
aucollège royal de Cahors.
" -~
PROBLÈMES
AVA.14T
d’entrer enmatière, je
vais drabord établirquelques
lemmesnécessaires pour
l’objet
quej’ai
en vue.~.E~~l ~l ~ 1. Les
tangentes
meraées à deux cercles de chacunéquations
"qui
n’est que dupremier degré ;
mais alors le calculperdrait
desa
symétrie , à
moins qu’on, ne substitua!, à l’autre une ~mb~na~5onsymétrique
de. ces deux-là ~ distincte Je la prcui:ere et la plus
simple possible-
Ces considérations peuvent être facilement étendues aux surfaces, courbes ; et
hon voit que si
f (x ,
y, ,z)-o estl’équation
d’unepareille
surface" la manière laiplus analitique
d’en trouver lespoints remarquables
sera d’éliminex x , ~’ ~ ~entre cette
équation
et les troiséquations
-et de
-disposer
ensuite des neuf constantes indéterminées « , y, y, ~~, ~~ , 0~~~:‘~‘~ ~"’ , y,‘~ , pour rendre
l’equation
résultante, q en r, r~ r~ laplus simple.
possible ;
mais. ici les diHicu!te& de calcul sont bienplus grandes
encore, qu~dans. le
premier
cai..J. D.. Go.
DE GÉOMÉTRIE. 323
des
pol*nis
dele~~·
axer~~~’cal ,
et ~errn~~~es ~ leurs~oi~zt~~
de-contact
~es~ecti~s ,
t sor~tégal,-s
entre elles(*),
.~~.~.~,~,~
~I..~es~an ~ cr~~es
~~er~ées à trois~er~’les
de leur centre,-adical ,
~‘erjni~~écs â leurspoi,-zts
de ~n~~t~ctres~et’t~~s ,
~sont~~~~les
entre elles.~~~1~~~’~.Î,~’
III Les co’izes circonscrits à deuxsplîèr,es , a a~y~ant
pnur~o~~~~-r~e~ con~r~~run l’un
q7ielcoîzqzie
despoints
de leurplan r~~clicac~ ~
-et ~er~nr’nés à leurs
ii ,gncs
de contact ont leurs ~rctes ougéné-
.--atriees
éb ~les
entre e r~eS,.~ ~~.~,~~’.~ l ~..Les cônes
~lrcor~scrits
à trois.~~al~~res , a~ran~
pour sotnme,t ~ornrr~ut~ un
~ue,~cor~~ue
despoints
de l’axe rrl~l’cr~l de ces ~rais~s~héres ,
et se ~erminan~ ~ leurslignes
de cnrtr~c~.-e.çpecii;,es ,
ont leu,,-sezr~Ces .
~~r~générati@ices légales
entre elles.L.~’l~l~.l.~ Y..~ es cônes circonscrits à
quatre ,~~hères , ayant
,Pour so~n~net commun le centre
radical
de cesquatre sphères,
etse
~errn~°na~t ~
1,-i~rslignes
de contactres~e~tiy~es ,
o~at leurs arêtes,ou
~én~ra~rices é~~’ales
~en~re elles~*~;.
~~‘)
Voyez,
pour la définition des~luns ,
axes et centres radicaux , soit unmémoire inséré à la page
349
du JV.e volume de ce recueil , soit un autre ulémoire inséré à la page 326 du ~L° volume, soit enfin un mémoire de 1B1. GAULTIER~DE..To’(]ns, dans le X VI.e cahier du Journal de l’écolepal~~techn~~ue
(~.) Toutes ces
propositions
découlent si naturellement et si évidemment tant(les
propriétés
des tan~er~tes et sécante$ partant d’un mêtnepoint,
que de la Inanière dont se déterminent lesplans,
axes et centresradi~a~~x ’
que nous aurions cru faire t-.ne chosesuperl1ue
que de nous arrêter à lesdémontrer ;
i il en résulte lesconséquences
que voici:1.0 Les quatre tangentes coiiirntines à detix cercles, terminées à leurs
points
de contact respectifs ont leurs milieux sur une l11êmc droite
qui
n’est autre-que 1’axe radical de ces deux cercles,
,2, Q Les quatre troncs de cônes circonscrits at1X deux mên1cs
sphères
se" terminant à leur5
lignes
de contactrespectives,
ont leurs sectionségalement
distantes des deux bases si tuées eur un mêl11e
plan,
ilequel
n’est autre que leplan
radical de ces deuxsphères.
3- 0 Les centres des cercles passant par le$
points
de -co-utac ts de troiss-phèrei
324 PROBLÈMES
LEJIME
Yl. ~estangentes
menées à der,t.~cereles ;
parleurs
points
d’intersectionhor~lolog~ues
avec une sécante communequel~
conque passant
par leur centre desimilitude ,
sontparallèles
entreelles
(*).
.~~1~?~.lYl ~
T~ll. Lesplans tc~n & ens
menés à deuxsph~res ~
par leurspoints d’intersection homologues
a~°ec une sécante communequelconque , passant par
leur centre desimilitude,
sontparallèles (*~).
LE.NII~~.~ VIII. Soient deux cercles touchés
respectivement
parune n2éme droite AA.~ en A et A/ et par un mPrne cercle BB/C
en B et
B~ ;
si la droite et le cercle touchent de la même manière les deux cercles dont ils’agit ,
lepoint
C de concours de AB etA/BI
sera, à
lafois,
sur lacb rcon férencc
du cercleBB/C
et sur,l’axe
radical CD des deux autres cercles.a~Dérnonstration. En
effet ( fig. l, 2, 3) ,
lespoints
B et BI’étant des centres de
similitude,
il enrésulte
Lemme~’~ )
que d’abord AB et A/B/ doivent rencontrer la troisième circonférenceen des
points
dont lestangentes
soientparallèles
àAA/ ;
oir , iln’existe sur cette circonférence que deux tels
points , lesquels
sontr _ _ _ __,._ ,, _,,_ __ _ ~ _ , _ -- _.. , _ , . _ _ ,, ,
avec chacun de leurs plaiib tangens comIDUn:5’ sont huit
points-
situés sur unemême
ligne droite, laquelle
n’est autre que l’axe radical de ces troissphères.
C")
Voyez
7 pour la définition des centres , axes etplans
de si~nilitu~e , lemémoire
déjà
cité de la page 326 du VI.e. volume de ce recueil.(’’’-¥) Ces deux derniers lemmes résultent si évidemment de la nature et d’e la sitliàtion du centre de
similitude,
que nous croyonssuperflu
de lesdémontrer ;
il en résulte les
conséquences
suivantes: r1.° Trois cercles étant ttacés arbitrairement sur ’tin mêlne
plan ;
on peuttoujours
trouver troispoints
semblablementplacés
sur leurs circonférences -. ce sont leurspoints
de contact avec les tangentesparallèles
à leur axe de similitude.Le
problème
a huit solutions..2..° Quatre
sphères
étant données dansl’espace ;
on peuttoujours
trouver quatrepoints
semblablement situés sur ces quatresphères:
ce sont leurspoints
de contact avec les plans tangens
parallèles il
leurplan
de similitude. Leproblèiu~ ~
seize ~ol"tion~~ ’ies les
D’E GÈ’01~IÊTRIE. 325
les
extrémités
d’unmême~diamètre perpendiculaire à AAl;
et commepar
l’ir~spection
même de lafigure ,
AB et .A~B~ nepeuvent
passer l’une par un de cespoints
et l’autre parl’autre,
ellespasseront
,toutes deux par l’un
d’eux,
et secouperont
ainsi en unpoint C
de la circonférence BB/C.
En second
lieu,
comme ilest d’ailleurs
connu que lesquatre
points A, A~ , B,
BIappartiennent ~~â
unemême circonférence~
il s’ensuit
qu’on
doit avoirCAXCB~=CA~xGB~ ;
cequi
prouveque les
tangentes
menées par lepoint C
aux deux cercles doivent êtreégales ,
etqu’ainsi
lepoint C
est un de ceux de l’axe radical de ces deux cercles.Si le cercle et la droite ne touchaient " pas les deux cercles donnés de la même
manière ; c’est-à-dire ,
si l’un seulementpassait
entre eux ; alors AB et A/B/
passeraient
par les deux extrémités d’un mêmediamètre J
etconséquemment
laproposition
cesseraitd’avoir
lieu..
; Par un raisonnement tout-à-fait
semblable ,
et ens’appuyant
surles lem,mesv’Y’et
i~ll ,
on démontrera le1-enime analogue
que voici : .~,~~~~.~ IX. Soient troissphères
touchéesre~s,~ectivernent
par’un rnérne
plan
AA~A~~ erz.li ~ A/, At~,
et par une rrzémesph~~~‘
l~~i~B~~G
enB , B/ , B,*/ ;
si teplan
et lasphère
touchent de laméine rr~aniére les trois
sphères
dont ils’agit,
les droitesAB -~
A~B~ ~
A~~B~~ concourront en un î7jéinepoint
Cqui
ser~a â ~a~oz,~
jz~r .la~
quatrième sphère
et sur l’axe radical des troispremières.
~
.~’fi0~~~1~‘~
I. ~‘o,ns~r~r~ire ~ro~s o~rc~es telsque
chacun d~PU,~Jouch-e les de~zx autres, et
qui satisfassent
deplus
aux condztlons..euie,antes :- 1.~ rhxe les
points
de contact de deux d’entre ez.-x ave~.le iroisl~nae soient
déux po~P~ts donnés ;
2.0 que ces deux-là soien~tungens
à UI2 -4 CCr£fC ZÀÔRné(*) ~ tangens à
un même cercle donné(~~ ~
(~ C’est le
premier problème proposé à
la page s8 du VI,e volume de ce:recueil.
,~’o~, Î~,ll.,~.
.;:; ’326
PROBLÈMES
Solution.
SoientE ,
F les deuxpoints donnés,
et D le centredu cercle
donné ( fig 4, 5 ) ;
ils’agit
donc de décrire trois cerclesA, B, C tels,
i.° que A touche BCrespectivement
enE , F ;
2.° que ces deux
derniers
setouchent eux-mêmes ;
3.~ enfinqu’ils
soient en même
temps
tous deuxtangens
au cercle D.Supposons
leproblème
résolu et les cerclestraces ,
ainsiqu’on
le voit
dans
lesfigures
et soientG ,
H lespoints
de contactrespectifs
de Davec B
C. .D’après
les théorèmes connus , les trois droitesBC , EF ,
GHconcourent en un même
point R,
et on a deplus RExRF==RGxRH;
donc ,
si l’on mène unetangente
RI au cercleD ,
on auraRi’===RGxRIl==RExRF;
d’où il suit que le cercleqiii , passant
par
E , F ,
toucheraRI.,
la touchera aupoint I ;
il touchera donc aussi le cercle D en cepoint.
Lepoint
1 est donc connu , ainsique la direction de la
tangente
RI en cepoint ;
et, y comme ladroite EF est
donnée ,
il s’ensuit que lepoint
R d’intersection deces deux droites
peut
êtreassigné.
Décrivant donc un cercle dece
point
comme centre et avec RI pour rayon , on sait que ce cercle passera par lepoint
K decontact
des deux cercles B et C : ichacun
de ces deux derniers setrouvera
doncassujetti
à passer par unpoint
donne et à toucherdeux
cerclesdonnés;
ces deuxcercles peuvent
donc êtretracés ;
et ,lorsqu’ils
leseront,
lien nesera
plus
facile que de construire le cercle A.~.~(~~.~~,’a~~’
Il. Construirequatre s~~,~éres telles
quecliacu’ne
d’~~l~s tor~o~u les trois ~rzr~~~~s et
qui s~td4 fa~scr~t
deplus
~rt~.~~orr~l~ro~s
suzv~r~tes ;
1.0 que lespoints
de ~o~tc~et des trois ~re~~~~~r~s ~~~>~ec
la ~ ~~r~t~i~r~o
soi.ent trois~ol°~z~s ~ox~~~és ;
2.0 que ~~~trois
sphères
soient~~~a~~rn~~.~
~~ une ~êr~~sphère dr~~r~ée ~
~o~~.~tia~. Soient
A, B, C
t D lesquatre sphères i,-herchées , E-
la
sphère donnée ,
devant êtretouchée y a
lafols ~ par les
troissphères
B,
fC D,
auxpoints respectifs
et Inconnus, K L;
» et soient:F’,
pC,
H lespoints
de contactdonnés de
~~~ trois mêmessphères
~~’e~ la
sphère
A.DE GÉOMÉTRIE. 327
mLes droites
BC, FG ,
IK concourent en un mêmepoint P ;
les droites
CD , GH ,
KL concourent en un mêmepoint Q ;
lesdroites
BD , FR,
IL concourent en un mêmepoLt R ;
et lestrois
points P , Q ,
R sont enligne
droite. -Soit 0 le centre d’une
sphère qui , passant
par lespoints F, ’
°,
9H,
touche lasphère E,
et soit M sonpoint
de contact aveccette dernière
sphère.
Il sera facile de prouver, comme dans le
problème précédent ; que le plan tangent
en M à lasphère
E passe par la droitePQR
et , comme
ce plan peut
êtredétermine ~
et que deplus
les droitesFG, GH,
FH sontdonnées ,
il s’ensuit que lespoints P, Q, fi)
intersections de ces droites avec ce
plan , peuvent
être considéréscomme connus.
Donc,
si de cespoints P, Q,
Rpris respectivement
pour centres,et avec des rayons
respectivement
moyensproportionnels
entre PFet
PG ~ QG
etQH ,
RF etRH ,
on décrit troissphères ;
cessphères
seront, deux àdeux , tangentes
auxsphères
cherchéesIl ;
~ , D ;
savoir : lapremière
et la troisième àB,
s lapremière
et ]àseconde à
C ,
la seconde et la troisièmeà D ;
chacune des troissphères B, C ,
D sera doncassujettie
à passer par unpoint donné
a toucher la
sphère
donnéeE,
et à toucher en outre deux autressphères données ; chacune
de ces troissphères B, C, D ,
pourra donc êtreconstruite ;
et ,lorsqu’elles
l’auront été toutestrois ,
rienDe sera
plus
facile que de construire laquatrième sphère
A.PROBLÈME
III. Décrire trois cercles tels gue chacun d5ez,,xtouche
les deuxautres-,-
etqui satisfr~ssent
deplus
aux conditions~/~7~.y , savoir ;
1.0 que lespoints
de contact de deux d’entreeux avec le troisz«èrrie soient deux
points doiînés ;
2.0 que lepoint
de contact de ces deux-ci soit en ~néme
temps leur point
de contactcommiin arec r~n cercle donné ?
Solution.
Soient E,
F les deuxpoints donnés. ,
et D le centredu cercle
donné ( fig.
6).
Ils’agit
donc de décrire trois cercles,& , 13 ,
t C demanière que
lesdeux
derniers touchentrespectivement
328
PROBLÈMES PRO 13 L_E 1B1 E S
le
premier
auxpoints E, F,
etqu’en
outre ces deux-ci touchent le cercle D en un mêmepoint
G.Supposons
leproblème
~ésol~~~: soient menées lestangentes
com-munes intérieures en
E , F ~ G ,
elles concourront en un mêmepoint 0 , qui
sera le centre radical de ces troiscercles,
de manièrequ’on
auraOE=OF=OG; c~o~;c ,
’lepoint
0 est aussi(
T~er~r~rleII )
le centre radical du cercle D et des deux
points E
F considerés eux-mêmes comme deux cerclesde rayons nuls ; donc, ce point
0 est connu ;
donc,
les trois droitesOEy OF,
OG sontégale-
ment connus ; chacun des cercles BC se trouve donc
assujetti
à. toucher deux droites données dont l’une d’elles en un
point donné ;
ces deux cercles
peuvent
donc êtreconstruits ,
et leur constructionc~~~;c~~~ce j
il est facile d’en déduire celle du cercle A..~~(~.~~~‘,~.~E
.d’$~~’. On demande trois cerclesA, B, C,
telsque chacun d’eux touche les deux autres ,
et qui satisfassent
deplus
aux conditionssaï~antes , saypoir~ ~ 1.0
quele point
de contactde A et B soit un
~o~~~t donné ;
2.. 0 que latangente
commune aupoint
de contact de A et C soit une droitedonnée ;
3.° que laiaraâen~e
commune au~eiJat
de contact de B et C soit aussi unedroite donnée
(*) ?
Solution. Soit D le
point
donné et soientOE,
OF les deuxdroites données
( 6g. ~ , 8 )
concourant en0 ;
cepoint
0 sera lecentre radical des trois
cercles ,
de sorte que OD sera unetangente
commune aux cercles
A , B ;
deplus,
siE ,
F sont lespoints
decontact
inconnus,
on auraOD=OE==OF;
cespoints peuvent
doncêtre
déterminés;
on connaît donc deuxtangentes
à chacun descercles
cherches ,
ainsi que leurspoints
de contact ; i cequi
estplus
que suffisant pour les déterminer.
Il est clair que le
problème peut
admettrequatre
solutions.... , - ~ ... _ ..
(~) C’est un cas
parLIculiç~r
duproblème proposé a
la page 92 duY.~
volume 4e ce recueiL .
DE GÉOMÉTRIE.
329~’~®.~,~~~’~
V. I~L~ ri,, e tro.,’s cercles ielsque chacun ~’~r~x to~~c~~e
les deux ar~tres , et
qui satïsfassent
deplus
aux deuxco~adriï~~rrs
.sui- vantes ,savoir ; ~ .°
que lesla,-.geizies
auxpoints
de contact del’un d’ezix a;,ec les rlcux autres soient deux droites
dc~nn~es ;
~~°, que ces deux-ci soienttangens
à une même droite doiinée ?Solution. Soient A , B ,
C les trois cerclescherel-~és ( fi-. 0 9 J 10 ) ;Î G,
H lespoints
de contact inconnus de A avec B etG ; OP, OQ
les
tangentes
données en cespoints ; PQ
unetangente
commune donnée aux deux cercles B etC ;
D. et E sespoints
inconnus decontact avec eux ; et I le
point
où ces deuxcercles
setouchent ; point également
inconnu., Il est d’abord clair que 0 est le centre radical des trois cercles
chercl1és,
on voit enoutre ( Z~/?2//~ VIII) que la tangente
com-mune
0I , qui
passe par le milieu K deDE ,
doit allerconcourir
en
F ,
avec GD etHE,
sur la circonférence A.’
Cela
posé ;
par0,
menons àPQ
uneparallèle
rencontrée en T et U par DG_et EH ;
lestriangles GOT ,
HOU seront respec- tivement seniblables auxtriangles GPD, HQE,
etconséquemment
isocèles comme eux ; et de même
qu’on
aOG=OH ,
on a aussiOT=OU. On voit par la que
FT,
FU sontrespectivement
per-pendiculaires
aux droitesOL ,
OMqui
divisent lesangles
connusGOT,
HOU en deuxparties égales ;
la droiteOF peut
donc êtreconsidérée comme le lieu de tous les
points desquels ,
abaissant desperpendiculaires FT ,
FU sur les droites connuesOL, OM,
cesperpendiculaires interceptent
sur TU desparties égales 01’ ~ OU ;
cette droite OF
peut
donc être considérée comme connue ; les cerclesB , C
sont doncassujettis à
êtrerespectivement
inscrits auxtriangles POK ~ QOK ;
ces cerclespeuvent
donc êtreconstruits ;
et deleur
construction
résultera
fortsimplement
celle ducercle
A.PROBLÈ3IE
YI. Décrire trois cerclesqui
se touchent deux’à deux et
qui touclre~at ~
leurspoints
de contact troiscercle.~
donnés ?
~~l~t~vn. So.-*-~.ent P , ~ , R (fig..1 1 } le~ !!:Qis cerclee donnés
330
PROBLÈMES DE GÉOMÉTRIE.
et soient
A ,
B , C les trois trois cerclescherchés ;
les deux cerclesA ,
B devant toucher P au mêmepoint D ;
les deux cerclesA ,
Cdevant
toucher R au mêmepoint E ;
et les deux cerclesB
Cdevant
toucher Q
au mêmepoint
F.Les
tangentes
communes menées à ces cercles par leurspoints
de contact concourent , comme l’on
s~it g
en un mêmepoint
0qui
est leur centreradical ;
de sortequ’on
aOD=OE==OF ;
cepoint 0
est doncaussi (Lemme Il )
le centre radical des trois cercles donnésP , Q ,
R : etconséquemment
ilpeut
être considèrecomme connu , ainsi que les
points
decontact D, E , F
des tan-gentes
menées de cepoint
à ces troiscercles ;
on connaît doncdeux
tangentes
à chacun des cerclescherchés ,
ainsi que leurspoints
de contact ; on a donc
plus qu’il
ne faut pour les déterminerComplètement.
La construction ne cesserait pas d’être la même si tout ou
partie
des cercles donnés se réduisaient à des
points.
Si l’un des cercles donnés R
dégénérait
enligne droite ( fig. 12 ),
le
point
0 serait l’intersection de cette droite avec l’axe radical des deux autres cerclesP , Q.
Si deux des cercles
donnés Q ,
Rdégénéraient
enlignes
droites( 6g~ ï3 ) ,
lepoint
0 serait l’intersection de ces deuxlignes droites ,
sur
lesquelles
il faudraitprendre, à partir
de cepoint , des,parties OE OF égales
à latangente
OD menée du mêmepoint
au cercle P.Si
enfiii ,
les cerclesP Q ,
R se trouvaient tous troisremplacées par
deslignes droites ;
oubien
ces droites ne concourraient pasen un même
point , auquel
cas leproblème
seraitimpossible ,
oubien elles y
concourraient ,
et alors leproblème
seraitindéterminé,
les distances des