Points de Brocard

En géométrie, les points de Brocard sont deux points remarquables associés à un triangle, images l'un de l'autre par changement d'orientation du plan. Ils forment la première « paire bicentrique » P(1) dans l'encyclopédie de Klimberling^[1].

Historique

Le problème a été posé en 1875 par Henri Brocard comme question dans les Nouvelles Annales de mathématiques^[2], et résolu la même année par C. Chadu^[3], puis étudié plus longuement par Brocard en 1877^[4]. L'appellation "points de Brocard" a été proposée par Joseph Neuberg en 1881^[5]. Cependant, la formule de l'angle de Brocard avait déjà été trouvée par August Leopold Crelle en 1816^[6]^,^[7]^,^[8], et Charles Jacobi avait poursuivi l'étude en 1825 ^[9].

Définition

Points de Brocard

Le premier point de Brocard d'un triangle $ABC$ est le point $P$ tel que les angles ${\widehat {PAB}},$ ${\widehat {PBC}}$ et ${\widehat {PCA}}$ orientés positivement soient égaux.

Le second point de Brocard du triangle est le point P' tel que les angles ${\widehat {P'BA}},$ ${\widehat {P'CB}}$ et ${\widehat {P'AC}}$ orientés positivement soient égaux.

L'existence de ces deux points est une conséquence de la version trigonométrique du théorème de Ceva.

Angle de Brocard

Les angles ${\widehat {PAB}},$ ${\widehat {PBC}},$ ${\widehat {PCA}},$ ${\widehat {P'BA}},$ ${\widehat {P'CB}}$ et ${\widehat {P'AC}}$ sont tous égaux à l'angle de Brocard du triangle, noté $\omega$ , pouvant être calculé à partir d'une des formules :

$\cot \omega =\cot {\widehat {A}}+\cot {\widehat {B}}+\cot {\widehat {C}},$

$\tan \omega ={\frac {4\;S}{a^{2}+b^{2}+c^{2}}},$
$\sin \omega ={\frac {2S}{\sqrt {b^{2}c^{2}+a^{2}c^{2}+a^{2}b^{2}}}},$
$1/\sin ^{2}\omega =1/\sin ^{2}{\widehat {A}}+1/\sin ^{2}{\widehat {B}}+1/\sin ^{2}{\widehat {C}}$ ^[10].

où $S$ désigne l'aire du triangle, $a, b, c$ les longueurs de ses côtés, ${\widehat {A}},{\widehat {B}},{\widehat {C}}$ ses angles en $A, B, C$ .

Droites de Brocard

On appelle droite de Brocard l'une quelconque des six droites joignant un sommet du triangle à l'un des points de Brocard^[11].

Elles ne sont pas à confondre avec l'axe de Brocard, qui est la droite reliant le centre du cercle circonscrit au triangle à son point de Lemoine^[12].

Coordonnées des points de Brocard

Les coordonnées barycentriques du premier et du deuxième point de Brocard sont respectivement : $\left({\frac {1}{b^{2}}},{\frac {1}{c^{2}}},{\frac {1}{a^{2}}}\right)$ et $\left({\frac {1}{c^{2}}},{\frac {1}{a^{2}}},{\frac {1}{b^{2}}}\right)$ .

Leurs coordonnées trilinéaires sont respectivement : $\left({\frac {c}{b}}:{\frac {a}{c}}:{\frac {b}{a}}\right)$ et $\left({\frac {b}{c}}:{\frac {c}{a}}:{\frac {a}{b}}\right)$ .

Le milieu des deux points, référencé X(39) dans l'encyclopédie de Kimberling, a pour coordonnées barycentriques : $\left(a^{2}(b^{2}+c^{2}),b^{2}(c^{2}+a^{2}),c^{2}(a^{2}+b^{2})\right)$ . Ce point milieu a quelques propriétés remarquables : il est sur l'axe de Brocard et est le centre de plusieurs cercles remarquables du triangle, comme ses cercles de Gallatly, de demi-Moses et de Moses^[13].

Constructions

Par des droites isoclines

Les triangles

ABC

et

A (t) B (t) C (t)

sont semblables.

Animation de la transformation du triangle

A (t) B (t) C (t)

pour

t

variant de 0 à

ω

.

En considérant que le triangle $ABC$ est dans le sens direct, les trois droites isoclines issues respectivement de $A, B, C$ faisant un même angle $t$ avec les droites $(AB),(BC),(CA)$ découpent un triangle $A (t) B (t) C (t)$ qui reste semblable au triangle $ABC$ ^[10].

Démonstration

Dans le triangle $AA (t) C$ , l'angle en $A$ vaut ${\widehat {A}}-t$ , donc l'angle en $A (t)$ vaut $\pi -t-({\widehat {A}}-t)={\widehat {A}}$ , donc dans le triangle $A (t) B (t) C (t)$ , l'angle en $A (t)$ est égal à ${\widehat {A}}$ . Par analogie, on a ${\widehat {C(t)B(t)A(t)}}={\widehat {B}}$ et ${\widehat {A(t)C(t)B(t)}}={\widehat {C}}$ , et les triangles sont bien semblables.

Lorsque $t$ est égal à $ω$ , ce triangle se réduit au premier point de Brocart $P$ .

Or, d'après le théorème de l'angle inscrit, le point $B (t)$ décrit le cercle passant par $A$ et $B$ et tangent à ( $BC$ ) (son centre est donc à l'intersection de la médiatrice de [ $AB$ ] et de la perpendiculaire à ( $BC$ ) passant par B), le point $C (t)$ décrit le cercle passant par $B$ et $C$ et tangent à ( $CA$ ) et le point $A (t)$ décrit le cercle passant par $C$ et $A$ et tangent à ( $AB$ ). Ceci permet de construire le point P comme intersection de trois cercles ^[14].

De façon similaire, le deuxième point de Brocard du triangle $ABC$ s'obtient comme intersection du cercle passant par $A$ et $B$ et tangent à ( $AC$ ), du cercle passant par $B$ et $C$ et tangent à ( $BA$ ) et du cercle passant par $C$ et $A$ et tangent à ( $CB$ ).

Points de Brocard d'un triangle, avec les cercles de construction.

Construction de Lemoine

Dans un article de 1885, Émile Lemoine propose une autre construction des points de Brocard à partir du point de Lemoine^[15].

Soit K le point de Lemoine du triangle ABC. On note A' l'intersection de (AK) et (BC), et on définit B' et C' de façon similaire.

La parallèle à (AC) passant par A' coupe (BC) en N, la parallèle à (BA) passant par B' coupe (CA) en L, et la parallèle à (CB) passant par C' coupe (AB) en M. Alors les droites (AL), (BM) et (CN) sont concourantes et se croisent au premier point de Brocard.
De même, la parallèle à (AB) passant par A' coupe (AC) en M', la parallèle à (BC) passant par B' coupe (BA) en N', et la parallèle à (CA) passant par C' coupe (CB) en L'. Alors les droites (AL'), (BM') et (CN') sont concourantes et se croisent au second point de Brocard.

Propriétés remarquables

Les deux points de Brocard sont conjugués isogonaux l'un de l'autre.
La médiane issue d'un sommet du triangle, la symédiane issue d'un second sommet et une des droites de Brocard issue d'un troisième sommet sont concourantes.

Application à la poursuite triangulaire

Article détaillé : problème des souris.

Trois chiens placés initialement aux sommets d'un triangle $ABC$ se poursuivent dans le sens $A$ poursuivant $B$ , poursuivant $C$ , poursuivant $A$ ; R. K. Miller a déterminé en 1871^[10] que le triangle formé par les trois chiens reste semblable à lui-même si et seulement si les vitesses respectives de $A,B,C$ sont proportionnelles à $b^{2}c,c^{2}a,a^{2}b$ .

Dans ce cas, le premier point de Brocard du triangle formé par les chiens reste fixe et les chiens se rencontrent simultanément en ce point ; de plus, les courbes décrites sont des spirales logarithmiques^[10], par définition tangentielle de ces dernières.

Troisième point de Brocard

Les coordonnées barycentriques des premier et second points de Brocard invitent à créer un troisième point de Brocard, dont les coordonnées barycentriques sont : $\left({\frac {1}{a^{2}}},{\frac {1}{b^{2}}},{\frac {1}{c^{2}}}\right)$ .

Ce point porte le numéro X₇₆ dans la nomenclature de Kimberling^[16]. Il est situé sur l'hyperbole de Kiepert.

Notes et références

↑ « Bicentric Pairs », sur faculty.evansville.edu
↑ Henri Brocard, « Question 1166 », Nouvelles annales de mathématiques,‎ 1875 (lire en ligne)
↑ C. Chadu, « Solution de la question 1166 », Nouvelles annales de mathématiques,‎ 1875 (lire en ligne)
↑ Henri Brocard, « Propriétés du triangle », Nouvelles Correspondances Mathématiques, vol. 3,‎ 1877, p. 65-69,106-110,187-192
↑ J. Neuberg, « .. », Mathesis, vol. 1,‎ 1881, p. 175
↑ M. Vigarié, « Sur un ouvrage de Crelle », Journal de mathématiques élémentaires,‎ 1890, p. 33 (lire en ligne [PDF])
↑ (de) Ludwig Crelle, Über einige Eigenschaften des ebenen geradlinigen Dreiecks : rücksichtlicht dreier durch Winkel-Spitzen gezogenen geraden Linien ; mit 2 Kupfertafeln., Berlin, 1816 (lire en ligne)
↑ Jean-Louis Ayme, « La géométrie de Brocard » [archive] [PDF], p. 17
↑ (la) C.F.A. Jacobi, De triangulorum rectilineorum proprietatibus quibusdam nondum satis cognitis, Mumburgi, 1825 (lire en ligne)
↑ ^{a b c et d} (en) Arthur Bernhart, « Polygons of Pursuit », Scripta Mathematica 24,‎ 1959, p. 23-50 (lire en ligne)
↑ (en) Eric W. Weisstein, « Brocard Line », sur MathWorld
↑ (en) Eric W. Weisstein, « Brocard Axis », sur MathWorld
↑ (en) Eric W. Weisstein, « Brocard Midpoint », sur MathWorld
↑ Mohammed Aassila, 1000 challenges mathématiques, géométrie, Ellipses, 2018, p. 33
↑ Émile Lemoine, « Sur une généralisation des propriétés relatives au cercle de Brocard et au point de Lemoine », Nouvelles annales de mathématiques, vol. 3, n^o 4,‎ 1885, p. 201-223 (lire en ligne)
↑ Encyclopédie ETC X76

Voir aussi

Articles connexes

Liens externes

Animation GeoGebra

Portail de la géométrie

[1] « Bicentric Pairs », sur faculty.evansville.edu

[2] Henri Brocard, « Question 1166 », Nouvelles annales de mathématiques,‎ 1875 (lire en ligne)

[3] C. Chadu, « Solution de la question 1166 », Nouvelles annales de mathématiques,‎ 1875 (lire en ligne)

[4] Henri Brocard, « Propriétés du triangle », Nouvelles Correspondances Mathématiques, vol. 3,‎ 1877, p. 65-69,106-110,187-192

[5] J. Neuberg, « .. », Mathesis, vol. 1,‎ 1881, p. 175

[6] M. Vigarié, « Sur un ouvrage de Crelle », Journal de mathématiques élémentaires,‎ 1890, p. 33 (lire en ligne [PDF])

[7] (de) Ludwig Crelle, Über einige Eigenschaften des ebenen geradlinigen Dreiecks : rücksichtlicht dreier durch Winkel-Spitzen gezogenen geraden Linien ; mit 2 Kupfertafeln., Berlin, 1816 (lire en ligne)

[8] Jean-Louis Ayme, « La géométrie de Brocard » [archive] [PDF], p. 17

[9] (la) C.F.A. Jacobi, De triangulorum rectilineorum proprietatibus quibusdam nondum satis cognitis, Mumburgi, 1825 (lire en ligne)

[:0-10] {a b c et d} (en) Arthur Bernhart, « Polygons of Pursuit », Scripta Mathematica 24,‎ 1959, p. 23-50 (lire en ligne)

[11] (en) Eric W. Weisstein, « Brocard Line », sur MathWorld

[12] (en) Eric W. Weisstein, « Brocard Axis », sur MathWorld

[13] (en) Eric W. Weisstein, « Brocard Midpoint », sur MathWorld

[14] Mohammed Aassila, 1000 challenges mathématiques, géométrie, Ellipses, 2018, p. 33

[15] Émile Lemoine, « Sur une généralisation des propriétés relatives au cercle de Brocard et au point de Lemoine », Nouvelles annales de mathématiques, vol. 3, n^o 4,‎ 1885, p. 201-223 (lire en ligne)

[16] Encyclopédie ETC X76

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