Construction (pas à la règle et au compas)

Bonjour
Il s'agit de généraliser la construction vue ICI.
Les données sont deux droites $D$ et $D^{\prime }$ et trois points $U,V,M$.
Construire les droites $\Delta $ passant par $M$ pour lesquelles les points $U$, $V$, $P=D\cap \Delta $ et $P^{\prime }=D^{\prime }\cap \Delta $ sont cocycliques. (Cela n'est en général pas faisable à la règle et au compas)

Une suggestion : $P$ étant un point variable de $D$, la droite $MP$ recoupe en $Q$ le cercle $UVP$. Si $j$ est une inversion de pôle $M$, quel est le lieu de $j\left( Q\right) $?

Amicalement. Poulbot

Réponses

  • Voyons. On a un faisceau linéaire de cercles (les cercles passant par $U$ et $V$). Un faisceau linéaire, c'est une droite projective $\mathbb{P}^1$.
    On a un point $P$ qui se promène sur une droite. À ce point $P$ on associe le cercle $\gamma(P)$ du faisceau qui passe par $P$. On a ainsi un morphisme régulier $\gamma$ de $\mathbb{P}^1$ dans $\mathbb{P}^1$, visiblement de degré $2$.
    On a un autre point $P'=h(P)$ sur une autre droite, image de $P$ par une homographie entre les deux droites. Et au point $P'$ on associe le cercle $\delta(P')=\delta(h(P))$ du faisceau. On a un deuxième morphisme régulier de degré $2$ $\delta\circ h : \mathbb{P}^1\to \mathbb{P}^1$.
    La question est donc de résoudre l'équation $\gamma(P) = (\delta\circ h)(P)$, ce qui s'écrit comme une équation de degré $4$. A priori pas résoluble à la règle et au compas, effectivement.

    PS. Peut-on caractériser les cas où le problème a 4 solutions réelles, ou 2, ou 0 ?
  • Bonjour GaBuZoMeu
    En omettant la solution évidente (et sans intérêt) $P=D\cap D^{\prime }$, on a une équation de degré $3$. En particulier, ce problème a toujours au moins une solution non triviale.
    Cordialement. Poulbot
  • Mon cher Poulbot
    Si l'on suit ta suggestion, tout revient à montrer que le lieu de $Q$ est une cubique circulaire ayant $M$ pour point double.
    On peut donc oublier la droite $D'$.
    Je suppose que tu attends une solution analytique?
    Amicalement
    [small]p[/small]appus
  • Bonjour Pappus et merci
    Effectivement, une solution synthétique me semble dépasser mes compétences.
    La cubique passant par $U$ et $V$, son inverse est une conique passant par $M$ et les inverses de $U$ et $V$ et il est immédiat d'en construire $2$ autres points. Chaque solution $\Delta $ passe alors par un point d'intersection (autre que $M$) de cette conique et du cercle inverse de la droite $D^{\prime }$.
    Amicalement. Poulbot
  • Bonsoir Poulbot
    Il suffit de construire cinq points de la cubique.
    Par inversion, on a cinq points de la conique, ce qui permet de la tracer puis de prendre ses intersections avec le cercle inverse de $L'$, etc, etc...
    Amicalement
    [small]p[/small]appus
  • Bonne Nuit
    Tout revient à chercher l'image d'une droite par la transformation $f:M\mapsto M'$ définie dans la figure ci-dessous, où je me suis permis de changer les notations. Il y a sans doute des choses à dire du point de vue de la géométrie circulaire.
    Amicalement
    [small]p[/small]appus68660
  • Bonjour Pappus
    En adoptant tes notations, et pour éviter de trainer des transformations cubiques, j'ai calculé directement l'image de $M^{\prime }$ par une inversion de pôle $O$.
    Plus précisément, soit $O=\left[ 0,0\right] ,C=\left[ 1,0\right] $, $j$ l'inversion par rapport au cercle $\left( O,1\right) $, $A$ et $B$ sur le cercle de diamètre de $\left[ OC\right] $ avec $j\left( A\right) =\left[ 1,a\right] ,j\left( B\right) =\left[ 1,b\right] $.
    Avec $M=\left[ x,y\right] ,j\left( M\right) =\dfrac{1}{x^{2}+y^{2}}M$, on calcule la puissance de $O$ par rapport au cercle inverse du cercle $ABM$, soit$\pi =\dfrac{\left( 1-ab\right) x+\left( a+b\right) y-1}{x^{2}+y^{2}-x}$.
    Les points communs à ce cercle et à la droite $OM$ étant $j\left( M\right) $ et $j\left( M^{\prime }\right) $, il en résulte que $j\left( M^{\prime }\right) =\pi M$.
    $\varphi :M\rightarrow j\left( M^{\prime }\right) $ est quadratique (et même biquadratique); elle transforme une droite $D$ en une conique. Prenant pour $M$ les points d'intersections de $D$ avec les droites $AB$, $OA$, et $OB$, on voit que la conique $\varphi \left( D\right) $ passe par $O$, $j\left( A\right) $ et $j\left( B\right) $.
    Etant données deux droites $D$ et $D^{\prime }$, pour trouver les droites $\Delta $ passant par $O$ pour lesquelles $A,B,\Delta \cap D,\Delta \cap D^{\prime }$ sont cocycliques, il suffit de construire $\varphi \left( D\right) $ en en trouvant $2$ autres points; $\Delta $ passe alors par un point commun (autre que $O$) à $\varphi \left( D\right) $ et au cercle $j\left( D^{\prime }\right) $.
    Evidemment, on peut prendre pour $j$ n'importe quelle inversion de pôle $O$ pour faire cette construction.
    Amicalement. Poulbot
  • Merci Poulbot pour tes élégantes explications.
    Amicalement
    [small]p[/small]appus
  • Bonjour Pappus et merci
    Avec tes notations, mon énoncé initial devient :
    Etant donnés les points $O,A,B$ et les droites $D$ et $D^{\prime }$, construire les droites $\Delta $ passant par $O$ pour lesquelles les points $A,B,\Delta \cap D,\Delta \cap D^{\prime }$ sont cocycliques.

    Of course, il résulte de l'étude précédente que, comme tu le disais, l'image d'une droite $D$ par ta transformation $M\rightarrow M^{\prime }$ est, en général, une cubique circulaire de point double $O$ et passant par $A$ et $B$.

    Question subsidiaire : quand $M$ décrit une droite $D$, quelle est l'enveloppe de la perpendiculaire en $M^{\prime }$ à $OM$?
    (Je présume qu'il y a fort longtemps, connaître l'antipodaire d'une cubique circulaire rationnelle par rapport à son point singulier devait faire partie du b.a-ba)

    Amicalement. Poulbot68662
  • Mon cher Poulbot
    Dans ma jeunesse, il me semble avoir appris que cette antipodaire était une parabole mais je suis si vieux que je n'en suis plus tout à fait sûr!
    Amicalement
    [small]p[/small]appus
  • Re-bonjour Pappus
    Ne t'inquiète pas trop! Ta mémoire est excellente.
    En fait, le foyer de la parabole est le symétrique du point double de la cubique par rapport à son foyer singulier.
    Pour le vérifier, il suffit d'utiliser l'équation de la cubique circulaire de point double l'origine $O$, foyer singulier $F_{0}=\left( a,b\right) $ et asymptote réelle $x=d$, équation qui est $\left( x-d\right) \left( x^{2}+y^{2}\right) -2x\left( ax+by\right) =0$ puis de paramétrer la courbe en la coupant par $y=tx$, ...
    On obtient alors la parabole $\left( y-2b\right) ^{2}+4d\left( x-d-2a\right) =0$ qui a bien pour foyer $\left( 2a,2b\right) $.
    Tout cela est conforme à Cubique circulaire rationnelle qui est bien plus complet mais n'utilise pas la dénomination de foyer singulier (point commun aux tangentes à la cubique aux points cycliques).
    Amicalement. Poulbot
  • Bonjour
    Bien entendu, pour montrer que la perpendiculaire en $M^{\prime }$ à $OM$ enveloppe une parabole, on peut se passer des propriétés des cubiques circulaires rationnelles.

    Reprenant ce qui a été fait ICI, la perpendiculaire en en $M^{\prime }$ à $OM$ a pour équation $uX+vY+w=0$ où $\left( u:v:w\right) =\left( x:y:-\dfrac{1}{\pi }\right) $.
    $M$ décrivant la droite $D$ d'équation $px+qy+r=0$, si, dans $\lambda w+\dfrac{1}{\pi }=0$, on remplace $x$ par $\lambda u$, $y$ par $\lambda v$, puis $\lambda $ par $-\dfrac{r}{pu+qv}$, on obtient l'équation tangentielle de l'enveloppe et il suffit de vérifier que c'est une forme quadratique en $\left( u,v,w\right) $ sans terme en $w^{2}$ pour montrer qu'il s'agit d'une parabole.
    Prenant $M=D\cap OA$ et $M=D\cap OB$, on constate que cette parabole est toujours tangente aux droites $CA$ et $CB$.
    Amicalement. Poulbot
  • A tout hasard, une inversion de centre O donne une hyperbole équilatère.
    (Cubique circulaire à point double = Inverse d'hyperbole.)

    P.S. Doublon avec poulbot plus haut. Mes excuses.
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