F ERRIOT
Géométrie. Analogies entre le triangle et le tétraèdre
Annales de Mathématiques pures et appliquées, tome 2 (1811-1812), p. 133-144
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GÉOMÉTRIE.
Analogies
entrele triangle
etle tétraèdre;
Par M. FERRIOT , principal du collège de Baume.
ON
trouvera dans ce mémoirequelques propositions déjà
connues,mais que
j’ai
cru néanmoins devoir ycomprendre,
afin d’en formerun tout
plus complet.
§.
I.1. Avec trois droites
données,
telles que chacune soit moindreque
la somme des deux autres, onpeut toujours former
untriangle,
et on n’en
peut former qu’un
seul.2. Avec six droites données et
inégales,
telles que chacune d’elles soit moindre que la somme de deuxquelconques
des autres , onpeut toujours former
60 tétraèdresdifférens,
dont 3o sontsymétriques
par
rapport
aux 30 autres, et on n’ensaurait former
unplus grand
nombre.
Soient en
effet a, b, r, d, e,f,
les six droitesdonnées,
onpourra
choisir trois d’entre elles de 20 manièresdifférentes
pour former la base dutétraèdre ;
et , le choix de ces trois étantfait, il
y aura en-core six manières
d’ajuster
d’un côté de cette base les trois arêtes res-tantes, ce
qui
fera en tout I20tétraèdres,
et on en obtiendra I20autres
symétriques
àceux-là,
enajustant
les mêmes trois arêtes res-tantes de l’autre côté de la face
prise
pourbase ;
mais il est évidentqu’en procédant ainsi,
les tétraèdres nedifféneront ? quatre a quatre
que par la face surlaquelle
ils se trouverontposés : donc,
eneffet,
Tom. Il. I9
I34
le nombre des tétraèdres essentiellement
différens
se réduira à 60 seu-lement ?
dont 30 serontsymétriques
parrapport
aux 3o autres.Renzarque
I. La condition que l’unequelconque
des six droitesdonnées
soit inoindre que la somme de deuxprises
d’une manièrequelconque parmi
lescinq
autres ,équivaut
à 60inégalités lesquelles
doivent toutes avoir lieu pour que les 60 tétraèdres soient
possibles.
Si donc
quelques-unes
de cesinégalités
n’étaient passatisfaites,
lenombre des tétraèdres
possibles
s’en trouverait d’autant diminué. Il seraitplus long
que difficile de déterminer à combien il se réduirait danschaque
cas.Remarque
Il. Siplusieurs
des droites données étaientégales
entreelles ; quand
bien même toutes les conditionsd’inégalité
se trouve-raient
satisfaites,
ilpourrait y
avoir diverses séries detétraèdres, égaux
et
superposables,
en sorte que le nombre des tétraèdresdifférens
tom-berait alors au-dessous de 60. Il serait encore facile ici de déterminer à combien leur nombre se réduirait dans
chaque
cas., Enparticulier
si les six droites données étaient toutes
égales, auquel
cas les 60 con-ditions
d’inégalité
se trouveraient satisfaitesd’elles-mêmes ,
tous lestétraèdres se rédoiraient à un seul
qui
serait le tétraèdrerégulier.
Remarque
III.Enfin,
ilpourrait
arriver à la fois que les droites données ne satisfissent pas aux 60 conditionsd’inégalité
etqu’en
outreplusieurs
de ces droites fussentégales
entreelles ;
on aurait alors deuxcauses
qui conspireraient
à la fois à réduire le nombre des tétraèdrespossibles
et réellement différens.§.
2.i. Les
perpendiculaires
élevées surles milieux
des côtés d’untrian-
yle se coupent
toutes trois en un mêmepoint qui
est le centre ducercle circonscrit.
2. Les
plans perpendiculaires
sur les milieux des arêtes d’un té-traèdre,
secoupent
tous six en un mêmepoint qui
est le centre dela
sphère
circonscrite.Ou autrement ;
Les
perpendiculaires
élevéesaux faces
d’untétraèdre par
les centresdes cercles circonscrits à ces
faces ,
se coupent toutesquatre
en zinméme
point qui
est le centre de lasphère
circonscrit.Ces
propositions
deviennent évidentes si l’on considère que les arêtes d’un tétraèdre sont des cordes de lasphère qui
lui estcirconscrite ,
que les cercles circonscrits à ses
faces ,
sont des cercles de cette mèmesphère,
et que lesplans perpendiculaires
sur les milieux des cordes d’unesphère
ainsi que les droites menées par les centres de sescercles
perpendiculairement
à leurplan , passent
nécessairement par le centre de cetlesplière.
§. 3
I. Les droites
qui partagent
lesangles
d’antriangle
en deuxparties -égales,
secoupent
toutes trois en un mêmepoint qui
est lecentre du cercle inscrit.
2. Les
plans qui
divisent lesangles
dièdres d’un tètraèdre endeux
parties égales,
secoupent
tous six en un mêmepoint qui
estle centre de la
sphère
inscrite.Ou autrement,
Les droites
qui, partant
des sornmets desangles
trièdres d’untètraèdre, font
desangles égaux
avecles faces
de cesangles trièdres,
se
coupeent
toutesquatre
en un mêmepoint qui
est le centre de lasphère
inscrite.En
effet ,
I.° les deux faces de l’unquelconque
desangles
dièdresd’un tétraèdre sont des
plans tangens
à lasphère inscrite,
et il estévident que le
plan qui
divise en deuxparties égales l’angle
fornupar ces
deux-là,
doit passer par le centre de lasphère.
2.° Soit un
angle
trièdre circonscrit à unesphère;
le cône droitinscrit à cet
angle
trièdre sera comme lui circonscrit à lasphère ;
or ,il est facile de voir que l’axe de ce
cène, lequel
ne sera autrechose
qu’une
droitequi, partant du
sonimetde l’angle trièdre,
fera desangles égaux
avec sesfaces,
passera par le centre de lasphère (*).
(*) Il existe toujours quatre cercles tangens à la fois aux trois côtés d’un mème
TRIANGLE
§. 4.
I. Les droites
qui joignent
les sommets d’untriangle
aux milieuxdes côtés
opposés,
secoupent
toutes trois en un mêmepoint qui
estle centre de
gravité
ou le centre des moyennes distarices des troissommets de ce
triangle.
triangle,
considères comme des droites indéfinies; l’un de ces cercles est intérieurau
triangle
et touche , à proprementparler,
ses trois côtés; les trois autres lui sontextérieurs, et chacun d’eux touche un côté et les
prolongemens
des deux autres audelà du
premier.
Si, pour chacune des droites
qui
par leur intersection forment untriangle ,
onregarde
comme côtépositif
celui des deux côtés de cette droitequi regarde
l’inté-rieur du
triangle ,
et commenégatif
le côtéopposé,
on pourra dire que, des quatre cerclesqui
touchent à la fois les trois côtés d’untriangle 1
un touche ces trois côtéspositivement ,
tandis que chacun des trois autres touche seulement deux côtéspositive-
ment et le troisième
négativement.
Huit
sphères
différentes peuvent , engénéral,
toucher à la fois les quatre faces .d’un même tétraèdre, considérées comme desplaces
Indénnies ; et ces huitsphères ,
considérées relativement à leur situation par rapport au tétraèdre, peuvent être distribuées dans les trois classes que voici : 1.0 une
sphère
intérieurequi
est proprement lasphère
inscrite ; 2.Q quatre sphères sur
les faces
dont chacune touche une face extérieurement et touche lesprolongemens
des trois autres au delà de cettepremière ;
3.0 enfintrois
sphères
sur les arêtes, touchant lesprolongemens
des quatre faces au delàde l’une des arêtes ; ces dernières
répondent
toujours aux trois arêtes d’un mêmeangle
trièdre ou aux trois arêtes d’une ’même face.Si , pour chacun des
plans qui
par leur intersection forment un tétraèdre, onregarde ,
comme côtépositif,
celui des deux côtés de ceplan qui regarde
l’intétieur du tétraèdre , et commenégatif
le côtéopposé,
on pourra dire que, des huitsphères qui
touchent à la fois les quatre faces d’un tétraèdre, cellequi
est inscrite toucheces quatre faces
positiv ement ;
que lessphères
sur les faces touchent seulement trois facespositivement
et laquatrième négativement ; qu’enfin
cellesqui répondent
auxarêtes touchent deux faces
positivement
et les deux autresnégativement.
Si , en
particulier
le tétraèdre estrégulier ,
lessphères qui répondent
aux arètesont leur centre à une distance innnie et leur rayon mnni ;
de plus
chacune d’elles peutêtre indifféremment considérée comme
répondant
à une arête ou à sonopposée ;
ensorte
qu’on
peut direégalement ,
ou que les faces d’un tel tétraèdre ne peuvent être touchées que parcinq sphères seulement,
ouqu’clkë peuvent
être touchées par onzesphères
dont six sont infinies. ( Note deséditeurs.)
TÉTRAÈDRE.
2. Les droites
qui joignent chaque
sommet d’untétraèdre
au centrecommun de
gravité
ou des moyennes distances de ses trois autres som-mets, se
coupent
toutesquatre
en un mêmepoint qui est
le centre degravité
ou des moyennes distances desquatre
sonrrnets de ce tétraèdre.On
peut
se convaincrefacilement ,
comme ilsuit ,
de la véritéde ces deux
propositions :
i.° si l’onjoint
les milieux des côtés dutriangle
donné par desdroites ,
on formera un nouveautriangle
ins-crit au
premier
et danslequel
lesdroites, joignant
les sommets auxmilieux des côtés
opposés ,
seront encore les mêmes que dans le pre-mier ;
enopérant
d’une manière semblable sur ce nouveautriangle
et
poursuivant
ainsi àl’infini,
on formera une série detriangles
con-tinuellement
décroissans ,
dont le dernier se réduira a unpoint
uni-que
qui,
contenanttoujours
les trois droitesdont
ils’agit ,
sera consé-quemment
leur commune section.2.°
Pareillement,
en considérant les centres des moyennes distances des aires des faces du tétraèdre donné comme les sommets d’un nou- veau tétraèdre inscrit àcelui-là,
il est facile de voir que les droitesqui,
dans cedernier, joindront
les sommets aux centres des moyen-nes distances des aires des faces
opposées,
seront les mêmes que dans lepremier ; opérant
donc de la même manière sur ce nouveau tétraèdreet
poursuivant
ainsi àl’infini,
on formera une série de tétraèdres con-tinuellement
décroissans,
dont le dernier se réduira à unpoint
uni-que
qui ,
contenanttoujours
lesquatre
droites dont ilsagit ,
seraconséquemment
leur commune section.Corollaire. Les
triangles
et tétraèdresdont
il vient d’êtrequestion
étant tous semblables et
ayant
leurs côtés et faceshomologues
pa-rallèles ,
onpeut
établir lespropositions
suivantes :I.° Si par les sornmets d’un
triangle
donné on mènedesparal-
lèles aux côtés
opposés,
cesparallèles formeront
un nouuveautriangle
tel que les sommets du
premier
se trouverontsitziés
aux milieux deses côtés.
2.°
par
les sammets d’un tétraèdre donné onmène
desplans
parallèles
auxfaces opposées ,
cesplans formeront
un nouveauTRIANGLE
tétraèdre tel
que
les sommets dupremier
se trouveront situés aux centres des moyenns distances de sesfaces.
Remarque
1. Lestriangles
inscrits les uns aux autres dont il aété
question
ci-dessus étant tels que les côtés de chacun sont moitiés de leurshomologues
dans celuiqui
leprécède Immédiatement ;
sil’on
prend
pour unité le contour duplus grand,
la somme des contoursdes autres sera
Et,
si l’onprend
pour unité l’aire duplus grand,
la somme des airesdes autres sera
Remarque
II. Les tétraèdres inscrits les uns aux autres dont il a étéquestion ci-dessus,
étant tels que les arêtes de chacun sont le tiersde
leurshomologues
dans celuiqui
leprécède immédiatement ;
sil’on
prend
pour unité la surface duplus grand ,
la somme des sur-faces des autres sera
Et,
si l’onprend
pour unité levolume
duplus grand,
la sommedes
volwnes
des autres sera§. 5.
I. L’un
quelconque
des côfés d’untriangle
estégal
à la sommedes
produits
des deux autres par lescosinus
de leurs inclinaisonssur celui-là.
2. L’une
quelconque des faces
d’un tétraèdre estégale à
la sommedes
produits
des trois autres par les cosinus de leursinclinaisons
sur
celle-là.
I39
Soient
c, c’, c’’,
les trois côtés d’untriangle ;
le côtéc’’,
parexemple
n’est autre chose que la somme desprojections
des côtésc, c’,
sur sadirection (
le mot somme étantpris
ici comme enalgèbre );
ainsi on doit avoir
Soient
t, t’, t’’, t’’’,
lesquatre
faces d’untétraèdre ;
la facet’’’,
par
exemple ,
n’est autre chose que lu somme desprojections
desfaces
t, t’, t’’,
sur sonplan (
le mot somme étanttoujours pris
dans le même
sens ) ;
ainsi on doitavoir
§.
6.I. Le
quarrè
de l’un des côtés d’untriangle égale
la somme desquarrés
des deux autres moins le double duproduit
de ces mêmescôtés et du cosinus de leur inclinaison l’un à l’autre.
2.
Le quarrè
de l’aire de lune desfaces d’un tétraèdre égale
lasomme des
quarrés
des trois autres moins les doubles desproduits
de ces mêmes
faces multipliées
deux àdeux
etpar les cosinus de leurs
inclinaisons les unes auxautres.
En effet I.°
on a, par cequi précède,
multipliant respectivement ces équations
par leurpremier membre .
et retranchant ensuite
la
dernièrede
la sommedes deux premières
il
viendra,
en réduisant ettransposant,
2.° On a
aussi , par
cequi précède ,
I40
multipliant respectivement
ceséquations
par leurpremier membre.
et retranchant ensuite la dernière de la somme des trois
premières,
il
viendra,
en réduisant ettransposant ,
’Corollaire.
Il suit de là I.° que, dans untriangle rectangle,
lequarré
del’hypothènuse
estégal
à la somme desquarrés
des deuxautres
côtés ;
2.° que, dans un tétraédherectangle,
lequarré
defaire de la
face hypothènusale
estégal
à la somrne desquarrés
des aires des trois autres
faces.
S.
7-I. Dans tout
triangle,
la somnie des troisangles
est constanteet
égale
à deuxangles
droits.2. Dans un tétraèdre dont les arêtes
opposées
sontperpendiculaires,
la somme des six
angles
dièdresaugmentèe
de la somme des douzeinclinaisons des six arêtes sur les
quatre faces
est constante etégale
à
douzeangles
droits.Soient
A ,
B deux arêtesopposées
dutétraèdre ;
par A soit faitpasser un
plan perpendiculaire
àB ;
ceplan
déterminera un trian-gle
dont un desangles
mesurera l’inclinaison des deux facesqui
passent
parB,
tandis que les deux autres mesureront les inclinai-sons de l’arête A sur ces deux
faces ; opérant
de même successive-ment sur
chaque arête,
on en conclura que la somme desangles
dièdreset des inclinaisons des arétes sur les
faces
est la même que la somme desangles
de sixtriangles ; c’est-à-dire ;
que cette somme est cons-tante et
égale
à douzeangles
droits.§.
8.I. Les
perpendiculaires
abaisséesdes
sommets d’untriangle
surles directions des
côtésopposés
secoupent
toutes trois en unmême point.
2.°
2.0
Si
deux arêtescontiguës
d’un tétraèdre sontrespectivement perpendiculaires à
leursopposées,
les deux arêtes restantes serontaussi
perpendiculaires
l’une àl’autre,
et alors lesperpendiculaires
abaissées des sommets du tétraèdre sur les
plans
desfaces opposées
se
couperont
toutesquatre
en un mêmepoint lequel
est aussi lepoint
d’intersection des sixplans
conduits parchaque arête,
perpen-diculairement à son
opposée.
Ce même
point
estencore
celui où secoupent
lesquatre
perpen-diculaires élevées aux
faces
du tétraèdre par lespoints
de cesfaces
où se
coupent
les troisperpendiculaires
abaissées de leurs sommes sur les directions des côtésopposés.
Soient
a, b, c,
les trois arêtes de la base d’untétraèdre ; a, b’, CI,
cellesqui
leur sontrespectivement opposées
etqui conséquemment
concourent au sommet ; supposons
que al
et l’ soientrespectivement perpendiculaires
à aet b ; par al
et bl soient fait passer deuxplans
A et B
respectivement perpendiculaires
à aet b,
etayant
pour in- tersections avec la base du tétraèdre deux droites 03B1 et f3 secoupant
en o : ces deux
plans
secoupant
eux-mêmes suivant une droite p pas-sant par 0 et par le sommet du
tétraèdre ; enfin, par cl
et p soit conduit unplan C ,
dont l’intersection avec la base sera une droite03B3,
passant
par o : a étantperpendiculaire
à A doit l’être aussià 03B1,
et b doit
pareillement
êtreperpendiculaire à A ; a
et 03B2 ne sont doncautre chose que les
perpendiculaires
abaissées sur les directions de a et b des sommetsqui
leur sontopposés ;
donc yqui
passe par o, intersection de 03B1 et 03B2, est aussi uneperpendiculaire
abaissée sur ladirection de c du sommet de
l’angle opposé :
deplus
A et B étantrespectivement perpendiculaires à
a etb,
sontperpendiculaires
à labase du
tétraèdre,
etconséquemment
leur intersection p est aussi perpen- diculaire à cettebase,
et par suiteà c ;
leplan
Cqui
passe par p et par yperpendiculaires
à c, est donc lui-mêmeperpendiculaire
à cette
droite;
la droite CIqui
est dans ceplan
est donc aussiperpendicu-
laire
à c ;
cequi
démontre lapremière partie
de laproposition.
Lemême
raisonnement
prouve aussi que, dans un tétraèdre dont lesTom. II. 20
I42 TRIANGLE
arêtes sont à
angles droits la perpendiculaire
abaissée sur leplan
d’uneface
du sommet del’angle opposé ,
se termine aupoint
de cette faceoù se croisent les
perpendiculaires
abaissées sur les directions de sescôtés des sommets des
angles opposés.
Le tétraèdre
ayant
ainsi ses arêtesopposées perpendiculaires
l’uneà
l’autre ;
concevons que, par les trois arêtes de sabase ,
on conduisedes
plans perpendiculaires
aux arêtesqui
leur sontrespectivement opposées ;
ces troisplans
secouperont
en un certainpoint
suivanttrois droites
passant
par cepoint,
etqui,
par cequi
vient d’être dé- montré, ne seront autre chose que lesperpendiculaires
abaissées res-pectivement
des trois sommets de la base sur lesplans
des facesopposées.
Deplus,
il arriveraaussi ,
par cequi précède ,
que lepoint
de chacune de ces faces où se terminera laperpendiculaire
tombant sur son
plan,
sera celui où se croisent lesperpendiculaires
abaissées des sommets de cette face sur les directions des côtés
opposés.
Ainsi ,
dans un tétraèdre dont les arêtesopposées
sont àangle droit
chacune des
perpendiculaires
abaissées d’un sommet sur leplan
dela face
opposée,
se termine aupoint
de cette face où se croisent lesperpendiculaires abaissées
de ses trois sommets sur les directions des côtésopposés ;
et trois de cesperpendiculaires
secoupent ?
et secoupent
en un même
point ;
d’où il résultequ’elles
secoupent
toutesquatre
en ce
point ;
et, comme chacune d’elles est la commune section de trois desplans
conduits par des arêtesperpendiculairement
à leurs op-posées ,
il faut en conclure que les sixplans
conduits de cette ma-nière
passent
aussi par cepoint.
Remarque.
Il est facile de s’assurer que cespropositions
ont leurréciproque ,
etdu’ainsi ,
si un tétraèdre a seulement deux arêtes op-posées perpendiculaires ,
lesperpendiculaires
abaissées de sesquatre
sommets sur les
plans
des facesopposées
secouperont
deux à deuxet seront
comprises
dans deuxplans,
tandisqu’il n’y
aura aucunpoint
commun aplusieurs
de cesperpendiculaires
si aucune desarêtes du tétraèdre n’est
perpendiculaire
à sonopposée.
I. Dans tout
triangle,
lesperpendiculaires
élavées sur les milicuxdes côtés se
coupent
toutes trois cru mémepoint.
2. Dans tout tétraèilre dont les arétes
opposées
sont àangle droit ,
lesperpencliculaires
élevées auxplans
desfaces
par leurscentres
de gravitèse coupent
toutesquatre
en un mémepoint.
En
efiet,
les centres degravité
des faces du tétraèdre dont ils’agit, peuvent ( §. 4.)
être considérés comme les sommets d’un tétraèdre semblable àcelui-là,
etayant
ses facesparallèles
à leurshomologues
dans le
premier :
ce nouycau tétraèdre adonc,
comme le tétraèdreproposé ,
ses arêtesopposées à angle droit ;
et parconséquent (§. 8.)
les
perpendiculaires
abaissées de ses sommets sur lesplans
des facesopposées, lesquelles
ne sont autre chose que lesperpendiculaires
éle-vées aux
plans
des faces dupremier
par les centres degravité
deces
faces,
doivent toutesquatre
se couper au mêmepoint,
§.
I0.i. Dans tout
triangle,
l’intersection desperpendiculaires
sur lesmilieux des
côtés,
le centre commun degravitè
des sommets et l’inter-section des
perpendiculaires
abaissées de ces soinuiets surles
di-rcctiojzs des côiés
opposés,
sont troispoints
situés sur une mêmeligne droite ,
de manière que le second est intermédiaire aux deux autres. Deplus,
la distance entre les deux derniers est double dela distance entre les deux
premiers.
2. Dans tout tétraèdre dont les arétcs
opposées
sont àangle droit,
l’intersection des
perpendiculaires
élevées auxplans des faces
par leurs centres degravitè,
le centre commun degravitè
des sommets dutétraèdre et l’interscction des
perpendiculaires
alaissées de ces son- mets sur lesplans
desfaces opposées
sont troispoints
situés surune même
ligne droite ,
de inanière que le second est intermédiaireaux deux autres. De
plus, la
distance entre les deux derniers esttriple
de la distance entre les deuxpremiers.
144
Soit T un
triangle , g
son centre degravité
et p lepoint
de sonplan
où se croisent lesperpendiculaires
abaissées de ses sommets surles directions des côtés
opposés.
Soit TI unautre triangle ayant
sessommets aux milieux des côtés du
premier ;
soitg’ son centre
degravité
et
pl
lepoint
où se croisent lesperpendiculaires
abaissées de scsf sornmets sur les directions des côtésopposés.
Les deuxtriangles
Tet T’ étant semblables
( §. 5. ) , ayant
leurs côtéshomologues parallèles
et dans le
rapport
de .2 à 1 , il en résulte que les distances gp etg’p’ qui
sont deslignes homologues
de ces deuxtriangles
seront pa- rallèles oudirigées
suivant une même droite etqu’on
auragp=2g’p’;
nlais gl
étant le même que g(§. 4. ), il
s’ensuit que p, g,pl
sonttrois
points
enligne droite, parmi lesquels g
est intermédiaireà p
et
pl, puisque
T’ est situé en sens inverse de T : or, si l’ondésigne
par q le
point
où se croisent lesperpendiculaires
élevées sur les mi-lieux des côtés de
T,
cepoint y
ne sera autre chose que lepoint pl;
donc lespoints p,
g, q, son t enligne droite,
de telle manièreq’ue g
estintermédiaire à p
et q etqu’on
a gp==-2gq.La même démonstration a lieu pour le
tétraèdre ,
en recourant aun second tétraèdre
ayant
ses sommets aux centres degravité
des facesdu
premier.
GÉOMÉTRIE ANALITIQUE.
Recherche de la position des
axesprincipaux dans
les surfaces du second ordre ;
Par M. BRET , professeur de mathématiques transcendantes
au