un dodécagone régulier dans le cercle trigonométrique : coordonnées, périmètre, aire ;
l'algorithme d'Archimède pour approcher π ;
une roue de vélo : coordonnées d'un point qui tourne et longueur d'arc.
Les corrections sont rédigées comme on l'attend d'une excellente copie :
la symétrie utilisée est nommée à chaque valeur exacte ;
les formules (ℓ=Rα, Pythagore, distance dans un repère orthonormé) sont citées ;
les conclusions sont des phrases avec unités.
Elles suivent le Guide de rédaction général et celui du chapitre. Durée conseillée : 25 minutes par exercice, sur papier, sans regarder la correction.
💡 Comment t'entraîner efficacement
Chronomètre-toi et rédige tout, comme en devoir.
Dessine toujours le cercle : un schéma propre rapporte des points et évite les erreurs de signe.
Si tu bloques sur une question, écris ce que tu sais et passe à la suivante.
À la fin de chaque exercice, ouvre « Points clés attendus ».
Exercice 1 : un dodécagone dans le cercle trigonométrique
Dans un repère orthonormé (O;I,J), on note C le cercle trigonométrique. Pour k∈{0,1,…,11}, on pose Mk=M(6kπ).
Le dodécagone régulier M0 M1 … M11 inscrit dans le cercle trigonométrique
1. Donner les coordonnées exactes de M0,M1,…,M11, en nommant les symétries utilisées.
2. Calculer la distance M0M1. Montrer que 2−3=26−2. Justifier que M0M1…M11 est un dodécagone régulier.
3. Calculer le périmètre de ce dodécagone et le comparer à 2π.
4. En découpant le dodécagone en triangles OMkMk+1, calculer son aire et la comparer à l'aire π du disque.
5. Montrer que le triangle M0M4M8 est équilatéral.
✏️ Correction de la question 1
On utilise les valeurs remarquables pour M1 et M2, les points I, J, I′, J′ pour k=0,3,6,9, et les angles associés pour les autres.
k
xk=6kπ
Coordonnées de Mk
Justification
0
0
(1;0)
point I
1
6π
(23;21)
valeur remarquable
2
3π
(21;23)
valeur remarquable
3
2π
(0;1)
point J
4
32π=π−3π
(−21;23)
symétrique de M2 par rapport à (OJ)
5
65π=π−6π
(−23;21)
symétrique de M1 par rapport à (OJ)
6
π
(−1;0)
point I′
7
67π=π+6π
(−23;−21)
symétrique de M1 par rapport à O
8
34π=π+3π
(−21;−23)
symétrique de M2 par rapport à O
9
23π
(0;−1)
point J′
10
35π=2π−3π
(21;−23)
symétrique de M2 par rapport à (OI)
11
611π=2π−6π
(23;−21)
symétrique de M1 par rapport à (OI)
✅ Les douze points ont les coordonnées du tableau ci-dessus.
✏️ Correction de la question 2
Dans un repère orthonormé : M0M1=(x1−x0)2+(y1−y0)2.
M0M12=(23−1)2+(21)2=43−3+1+41=2−3.
Donc M0M1=2−3.
Montrons que 2−3=26−2. Le nombre 26−2 est positif et son carré vaut 46+2−212=48−43=2−3. Deux nombres positifs de même carré sont égaux.
Le dodécagone est régulier. Pour tout k, l'angle MkOMk+1 mesure 6π (arc de longueur 6π ; pour k=11, M12=M0 car 612π=2π) et OMk=OMk+1=1. Les triangles OMkMk+1 ont un angle égal compris entre deux côtés égaux : ils sont isométriques, donc tous les côtés MkMk+1 ont la même longueur. Les douze sommets sont sur le cercle C.
✅ M0M1=2−3=26−2, et M0M1…M11 est un dodécagone régulier inscrit dans C.
✏️ Correction de la question 3
Le périmètre vaut 12×M0M1=12×26−2=6(6−2).
Valeur approchée : 6≈2,4495 et 2≈1,4142, donc 6(6−2)≈6×1,0353≈6,21.
✅ Le périmètre est 6(6−2)≈6,21, légèrement inférieur au périmètre 2π≈6,28 du cercle.
✏️ Correction de la question 4
Le dodécagone est convexe et contient O : il est réunion des 12 triangles OMkMk+1, tous isométriques.
Triangle OM0M1 : on prend pour base [OM0], de longueur 1, portée par (OI). La hauteur issue de M1 est la distance de M1 à (OI), c'est-à-dire son ordonnée sin6π=21.
Aire de OM0M1 : 21×1×21=41. Aire du dodécagone : 12×41=3.
✅ L'aire du dodécagone vaut 3, légèrement inférieure à l'aire π≈3,14 du disque, ce qui est cohérent puisque le dodécagone est inclus dans le disque.
✏️ Correction de la question 5
M0(1;0), M4(−21;23) et M8(−21;−23).
M0M42=(−21−1)2+(23)2=49+43=3.
M4M82=02+(−23−23)2=(−3)2=3.
M8M02=(1+21)2+(0+23)2=49+43=3.
✅ Les trois côtés valent 3 : le triangle M0M4M8 est équilatéral.
✏️ Points clés attendus pour l'exercice 1
• Coordonnées des douze points avec la symétrie nommée pour chaque angle associé.
• Distance M0M1=2−3 calculée avec la formule de la distance, puis simplifiée (26−2, justifié par le carré).
• Régularité justifiée par des triangles isométriques (OMk=OMk+1=1, angle 6π).
• Triangle équilatéral : les trois carrés des côtés égaux à 3.
Exercice 2 : l'algorithme d'Archimède
On note cn le côté du polygone régulier à n côtés inscrit dans le cercle de centre O et de rayon 1. Soit [AB] un côté du polygone à n côtés, de longueur cn, M le milieu du petit arc AB et H le milieu de [AB]. Le segment [AM] est un côté du polygone à 2n côtés.
Archimède : A et B voisins dans le polygone à n côtés, M milieu de l'arc AB
1. Montrer que c6=1.
2. Montrer que c2n2=2−4−cn2.
3. Calculer les valeurs exactes de c122 et de c242. Montrer que 2+3=26+2 et en déduire une expression de c242 sans racine imbriquée.
4. Compléter le programme Python suivant pour qu'il affiche, pour n=12,24,48,96,192, le demi-périmètre 2ncn, et donner les valeurs obtenues.
from math import sqrt
c = ... # côté de l'hexagone
n = 6
for etape in range(5):
c = ... # côté du polygone à 2n côtés
n = ...
print(n, ...) # n et le demi-périmètre
5. Pourquoi ces nombres sont-ils des minorants de π ? Que peut-on affirmer sur π avec n=96 ?
6. Écrire un programme qui renvoie le premier n (de la forme 6×2k) pour lequel le demi-périmètre est à moins de 10−3 de π (on pourra utiliser pi du module math pour mesurer l'écart).
7. (Pour aller plus loin, hors programme.) Pour obtenir une borne supérieure, on considère le polygone régulier à n côtés circonscrit au cercle, dont les côtés sont parallèles à ceux du polygone inscrit et tangents au cercle. On admet que son périmètre est supérieur à 2π. Montrer que son côté vaut dn=4−cn22cn, puis encadrer π avec n=6 et avec n=96.
✏️ Correction de la question 1
Si A et B sont deux sommets consécutifs de l'hexagone régulier, AOB=62π=3π.
Le triangle OAB est isocèle en O : ses angles à la base sont égaux et valent chacun 21(π−3π)=3π. Il est équilatéral, donc AB=OA=1.
✅ c6=1.
✏️ Correction de la question 2
OA=OB et MA=MB (M est le milieu de l'arc AB) : O et M sont sur la médiatrice de [AB]. Cette droite coupe [AB] en son milieu H à angle droit. Le point H est dans le disque, sur le rayon [OM] : OM=OH+HM, donc HM=1−OH.
Triangle OHA rectangle en H (Pythagore) : OH2=OA2−AH2=1−4cn2.
Triangle AHM rectangle en H (Pythagore) : c2n2=AM2=AH2+HM2=4cn2+(1−OH)2=4cn2+1−2OH+OH2.
En remplaçant OH2 : c2n2=4cn2+1−2OH+1−4cn2=2−2OH.
Or 2OH=21−4cn2=4(1−4cn2)=4−cn2.
✅ c2n2=2−4−cn2.
✏️ Correction de la question 3
Avec c6=1 : c122=2−4−1=2−3.
Puis c242=2−4−c122=2−4−(2−3)=2−2+3.
Le nombre 26+2 est positif et son carré vaut 46+2+212=48+43=2+3. Donc 2+3=26+2.
✅ c122=2−3 et c242=2−26+2=24−6−2 (soit c24≈0,2611).
✏️ Correction de la question 4
from math import sqrt
c = 1.0 # côté de l'hexagone inscrit dans le cercle de rayon 1
n = 6 # nombre de côtés
for etape in range(5):
c = sqrt(2 - sqrt(4 - c * c)) # côté du polygone à 2n côtés
n = 2 * n
print(n, n * c / 2) # demi-périmètre : un minorant de pi
n
12
24
48
96
192
2ncn (arrondi à 10−5)
3,10583
3,13263
3,13935
3,14103
3,14145
✅ Le programme affiche les cinq demi-périmètres du tableau.
✏️ Correction de la question 5
Chaque côté du polygone est une corde, plus courte que l'arc qu'il sous-tend (le plus court chemin entre deux points est le segment). Le périmètre ncn est donc inférieur à la longueur 2π du cercle, d'où 2ncn<π : c'est un minorant de π. Les valeurs augmentent avec n, donc la précision s'améliore.
✅ Avec n=96 : 3,141<3,14103⩽296c96<π, donc π>3,141.
✏️ Correction de la question 6
from math import sqrt, pi
c, n = 1.0, 6
while pi - n * c / 2 >= 0.001: # pi ne sert ici qu'à mesurer la qualité
c = sqrt(2 - sqrt(4 - c * c))
n = 2 * n
print(n, n * c / 2)
On calcule : n=48 donne π−3,13935≈0,0022>10−3 ; n=96 donne π−3,14103≈0,00056<10−3.
✅ Le programme affiche 96 et 3,14103… : il faut un polygone à 96 côtés.
✏️ Correction de la question 7
Pour aller plus loin, hors programme. Le polygone circonscrit est l'image du polygone inscrit par l'homothétie de centre O qui envoie le côté [AB] sur un côté tangent au cercle. La distance de O au côté inscrit est OH=1−4cn2 ; la distance de O au côté circonscrit (tangent) est 1. Le rapport est donc OH1.
dn=OHcn=1−cn2/4cn=4−cn22cn.
Pour n=6 : d6=32, donc 26d6=36=23≈3,464 et 3<π<3,47.
from math import sqrt
c, n = 1.0, 6
for etape in range(4):
c = sqrt(2 - sqrt(4 - c * c))
n = 2 * n # on arrive à n = 96
d = 2 * c / sqrt(4 - c * c) # côté du polygone circonscrit
print(n * c / 2, n * d / 2)
✅ Pour n=96, le programme donne 3,14103<π<3,14272, donc 3,141<π<3,143.
✏️ Points clés attendus pour l'exercice 2
• Hexagone : triangle OAB isocèle d'angle 3π, donc équilatéral.
• Preuve de la relation : médiatrice, OH=1−cn2/4, HM=1−OH, Pythagore dans AHM, simplification.
• Valeurs exactes c122=2−3 et c242=2−2+3 puis simplification de la racine imbriquée par un carré.
• Programme correct (initialisation à 1, formule dans la boucle, n doublé, affichage de 2nc).
• Minorant justifié (corde plus courte que l'arc) et conclusion π>3,141.
• Boucle while avec le test sur l'écart et résultat n=96.
Exercice 3 : une roue de vélo
Une roue de vélo a pour rayon R=0,35 m. On munit le plan de la roue d'un repère orthonormé (O;,) d'unité le mètre, où O est le centre de la roue et est horizontal. Un point P du pneu part de P0(R;0) et tourne autour de O dans le sens direct. On note Px sa position quand la roue a tourné de x radians.
1. Justifier que Px a pour coordonnées (Rcosx;Rsinx).
2. Donner les coordonnées exactes, puis arrondies au millimètre, de Px pour x=6π, x=3π, x=43π et x=−4π.
3. La roue fait les 125 d'un tour dans le sens direct. Quelles sont les coordonnées de P ? Quelle distance P a-t-il parcourue sur le pneu ?
4. Le centre O est à 0,35 m du sol. Exprimer la hauteur de Px au-dessus du sol en fonction de x, puis la calculer pour x=6π, x=67π et x=23π.
5. Calculer la distance P0Pπ/3. Que remarque-t-on ?
✏️ Correction de la question 1
Soit H l'homothétie de centre O et de rapport R. Elle transforme le cercle trigonométrique en le cercle de centre O et de rayon R, et elle multiplie les coordonnées par R.
Le point Px est atteint en tournant de l'angle x depuis P0=H(I) : c'est H(M(x)), avec M(x)=(cosx;sinx).
✅ Px=(Rcosx;Rsinx).
✏️ Correction de la question 2
On utilise les valeurs remarquables et les angles associés, avec R=0,35 et 2R=0,175.
x
Coordonnées exactes de Px
Valeurs approchées (m)
6π
(0,1753;0,175)
(0,303;0,175)
3π
(0,175;0,1753)
(0,175;0,303)
43π=π−4π
(−0,1752;0,1752)
(−0,247;0,247)
−4π
(0,1752;−0,1752)
(0,247;−0,247)
Pour 43π : cos43π=−cos4π et sin43π=sin4π (symétrie par rapport à (OJ)). Pour −4π : symétrie par rapport à (OI).
✅ Voir le tableau.
✏️ Correction de la question 3
125 de tour correspondent à x=125×2π=65π.
cos65π=−23 et sin65π=21 (symétrie par rapport à (OJ)). Donc P=(−0,35×23;0,35×21)=(−0,1753;0,175)≈(−0,303;0,175).
Longueur parcourue : ℓ=Rx=0,35×65π=247π≈0,916.
✅ P≈(−0,303;0,175) et P a parcouru 247π≈0,92 m sur le pneu.
✏️ Correction de la question 4
Le centre est à 0,35 m du sol et l'ordonnée de Px dans le repère est Rsinx : la hauteur est h(x)=0,35+0,35sinx.
x=6π : sin6π=21, h=0,35+0,175=0,525.
x=67π : sin67π=−21 (symétrie par rapport à O), h=0,35−0,175=0,175.
x=23π : sin23π=−1, h=0 : P touche le sol.
✅ Les hauteurs sont 0,525 m, 0,175 m et 0 m.
✏️ Correction de la question 5
P0=(0,35;0) et Pπ/3=(0,175;0,1753).
P0Pπ/32=(0,175−0,35)2+(0,1753)2=0,1752+3×0,1752=4×0,1752, donc P0Pπ/3=2×0,175=0,35.
✅ La distance vaut 0,35 m, c'est-à-dire R : le triangle OP0Pπ/3 est équilatéral (angle au sommet 3π), comme les côtés de l'hexagone régulier.
✏️ Points clés attendus pour l'exercice 3
• Justification des coordonnées (Rcosx;Rsinx) par l'homothétie de rapport R.
• Valeurs exactes avec la symétrie nommée, puis arrondis au millimètre.
• Conversion 125 de tour =65π et longueur d'arc ℓ=Rx.
• Hauteur 0,35+0,35sinx et lecture des signes sur le cercle.
• Distance dans un repère orthonormé, lien avec l'hexagone régulier.
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