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Mathématiques · Prépa concours post-bac — ENSA & ENSAM

Transformations du plan

Le cours expliqué simplement, les questions que tous les élèves se posent et des exercices type examen national. Programme marocain, gratuit.

📘 Fiche de cours

L'essentiel du cours

Dans le plan complexe $\mathbb{P}$ muni d'un repère orthonormé direct $(O, \vec{u}, \vec{v})$, les transformations du plan s'expriment souvent à l'aide des nombres complexes. Une transformation $f$ associe à tout point $M$ d'affixe $z$ un point $M'$ d'affixe $z'$.

  1. Translation de vecteur $\vec{u}$ d'affixe $b$ : $z' = z + b$. Pas de point invariant si $b \neq 0$.
  2. Rotation de centre $\Omega(\omega)$ et d'angle $\theta$ : $z' - \omega = e^{i\theta}(z - \omega)$. Un seul point invariant $\Omega$.
  3. Homothétie de centre $\Omega(\omega)$ et de rapport $k$ ($k \in \mathbb{R}^* \setminus {1}$) : $z' - \omega = k(z - \omega)$. Un seul point invariant $\Omega$.
  4. Réflexion (symétrie axiale) ou symétrie centrale : cas particuliers de similitudes ou d'isométries.
  5. Similitude directe de centre $\Omega(\omega)$, de rapport $k > 0$ et d'angle $\theta$ : $z' - \omega = re^{i\theta}(z - \omega)$ avec $r=k$. L'écriture complexe générale est $z' = az + b$ avec $a \in \mathbb{C}^*$ et $|a| \neq 1$ (ou $1$ pour une isométrie).

Méthodes à maîtriser

  • Reconnaître une transformation à partir de son expression complexe $z' = az + b$ :
    • Si $a = 1$, c'est une translation de vecteur d'affixe $b$.
    • Si $a \neq 1$ et $|a| = 1$, c'est une rotation d'angle $\arg(a)$ dont on détermine le centre $\Omega$ en résolvant l'équation $z = az + b$.
    • Si $a \neq 1$ et $a \in \mathbb{R}$, c'est une homothétie de rapport $a$ et de centre $\Omega$.
    • Si $a \neq 1$ et $|a| \neq 1$ (et $a \notin \mathbb{R}$), c'est une similitude directe de rapport $|a|$, d'angle $\arg(a)$ et de centre $\Omega$.
  • Déterminer l'image d'une figure géométrique simple (droite, cercle) par une transformation.

Exemples corrigés

Exemple 1 : Soit $f$ la transformation d'expression complexe $z' = 2iz + 1 - i$. Déterminer la nature et les éléments caractéristiques de $f$. Corrigé : On a $a = 2i$ et $b = 1 - i$. Comme $|a| = |2i| = 2 \neq 1$, $f$ est une similitude directe. Son rapport est $k = |2i| = 2$ et son angle est $\theta = \arg(2i) = \frac{\pi}{2}$ $[2\pi]$. Le centre $\Omega(\omega)$ est le point invariant : $\omega = 2i\omega + 1 - i \implies \omega(1 - 2i) = 1 - i \implies \omega = \frac{1-i}{1-2i} = \frac{(1-i)(1+2i)}{1+4} = \frac{3+i}{5}$.

Erreurs fréquentes

  • Oublier de diviser par $1-a$ lors du calcul du centre $\Omega$ d'une transformation.
  • Confondre le rapport d'une homothétie (qui peut être négatif) et le rapport d'une similitude (qui est toujours strictement positif).
  • Négliger de préciser le modulo $2\pi$ pour l'angle d'une rotation ou d'une similitude.

🌉 Jisr : les mots du chapitre FR ⇄ AR

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Défi flash : 4 questions

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🎯 Transformations du plan

1/4

Quelle est l'expression complexe d'une translation de vecteur $\vec{u}$ d'affixe $2+3i$ ?

❓ Questions fréquentes

Comment déterminer l'écriture complexe d'une rotation ?

Pour trouver l'écriture complexe d'une rotation de centre $\Omega(\omega)$ et d'angle $\theta$, on utilise la formule générale $z' - \omega = e^{i\theta}(z - \omega)$. On développe pour obtenir la forme standard $z' = az + b$ avec $a = e^{i\theta}$ et $b = \omega(1 - e^{i\theta})$.

C'est quoi un point invariant f'chi tahwil?

Noqta samida hiya noqta $M$ li katbeddelch blasa dyalha melli katطبق 3liha l'transformation, yani $f(M) = M$. B darija, hiya l'markaz awla noqta li katbqa f blastaha.

Quelle est la différence entre une isométrie et une similitude ?

Une isométrie est une transformation qui conserve les distances (le rapport est $k=1$). Exemples : translation, rotation, réflexion. Une similitude conserve les rapports de distances et multiplie les longueurs par un rapport $k > 0$ ($k \neq 1$ en général).

Kifach n'3arfo wach wahd l'kitaba z' = az + b hiya tawsil (translation) wla la?

Khassek tchof l'coefficient $a$. Ila kan $a = 1$, rah s'dada (translation) w l'vector dyalha $u$ andou lafk $b$. Ila kan $a \neq 1$, mashi translation.

Comment trouver l'image d'une droite par une rotation ?

Pour trouver l'image d'une droite $(D)$ par une rotation, on peut déterminer les images de deux points distincts de $(D)$, ou utiliser l'image d'un point et l'angle de la droite avec le vecteur directeur transformé. Souvent, on passe par l'équation cartésienne en utilisant les affixes.

Ach kat3ni "Similitude directe" b l'3arbiya w f l'mokhtasar?

Similitude directe hiya "تشابه مباشر". Katافظ 3la l'ittijah (l'orientation) w katbeddel l'masafat b nafs l'mo'amil (raport $k$).

Quelle est la nature de la transformation z' = bar{z} ?

C'est la réflexion (symétrie axiale) par rapport à l'axe réel $(O, \vec{u})$. Ce n'est pas une similitude directe car l'expression contient $\bar{z}$ et non $z$.

Wach l'morafiq (conjugué) kayakhdm f l'mohawalat dyal tTahwilate?

Oui, l'iStikhdam dyal l'morafiq mohim bzaf f t'tahwilate lli fihom l'in'kias (réflexions) wlla symétrie axiale, mais f l'similitudate direta kansta3mlo ghir $z$ machi $\bar{z}$.

Comment composer deux rotations ?

La composée de deux rotations de centres différents et d'angles $\theta_1$ et $\theta_2$ est soit une rotation d'angle $\theta_1 + \theta_2$ (si $\theta_1 + \theta_2 \not\equiv 0 [2\pi]$), soit une translation (si $\theta_1 + \theta_2 \equiv 0 [2\pi]$).

Chno houwa l'mo'amil (rapport) dyal l'homothétie f l'kitaba z' = kz + b?

L'mo'amil houwa $k$. Ila kan $k$ reel w $k \neq 1$, rah homothétie. S'ar rapport houwa $|k|$.

Que vaut l'affixe du vecteur image par une translation ?

Si $M$ a pour affixe $z$ et $M'$ a pour affixe $z'$ tel que $\vec{MM'}$ est le vecteur de la translation d'affixe $b$, alors l'affixe du vecteur $\vec{MM'}$ est $z' - z = b$.

Kifach n'barhno belli wahd l'noqta hiya markaz dyal doran (rotation)?

Khassek tbiyn belli l'masafa bin l'markaz w l'noqta katساوي l'masafa bin l'markaz w sora dyalha, w l'zawia binathom katساوي zawiayt l'doran. B l'3qda (complexes), katsstamel $z' - \omega = e^{i\theta}(z - \omega)$.

✍️ Exercices type examen national

Exercice 1

Soit $R$ la rotation de centre $\Omega$ d'affixe $\omega = 1+i$ et d'angle $\theta = \frac{\pi}{3}$.

  1. Donner l'expression complexe de la rotation $R$.
  2. Soit $M$ le point d'affixe $z = 2 + i$. Calculer l'affixe $z'$ de son image $M'$ par $R$.
  3. Montrer que le triangle $\Omega MM'$ est isocèle.
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Exercice 2

Le plan complexe est rapporté à un repère orthonormé direct $(O, \vec{u}, \vec{v})$. On considère la transformation $f$ qui à tout point $M$ d'affixe $z$ associe le point $M'$ d'affixe $z'$ tel que : $$z' = \frac{1+i}{2}z + 1 - \frac{1}{2}i$$

  1. Déterminer la nature et les éléments caractéristiques de $f$.
  2. Déterminer l'affixe du point $\Omega$, centre de $f$.
  3. Soit $A$ le point d'affixe $1$. Déterminer l'affixe de $A'$, image de $A$ par $f$.
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Exercice 3

Dans le plan complexe, on considère l'homothétie $h$ de centre $A$ d'affixe $2$ et de rapport $k = -2$, et la translation $t$ de vecteur $\vec{u}$ d'affixe $3-i$. Soit $f = t \circ h$ la composée de $h$ puis de $t$.

  1. Déterminer l'expression complexe de $h$, puis celle de $t$.
  2. En déduire l'expression complexe de la transformation $f$.
  3. Quelle est la nature de $f$ ? Préciser ses éléments caractéristiques.
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