En géométrie algébrique , le théorème de Newton précise une invariance sur les rapports de produits des longueurs dessinées par des droites coupant une courbe algébrique .
Illustration du théorème de Newton : pour cette courbe algébrique plane et ces couples de droites parallèles, on a
M
A
⋅
M
B
M
C
⋅
M
D
=
N
E
⋅
N
F
N
G
⋅
N
H
{\displaystyle {\frac {MA\cdot MB}{MC\cdot MD}}={\frac {NE\cdot NF}{NG\cdot NH}}}
Plus précisément, on considère une courbe plane Γ algébrique de degré n et
d
1
→
{\displaystyle {\vec {d_{1}}}}
et
d
2
→
{\displaystyle {\vec {d_{2}}}}
deux directions de droites.
Pour tout point M, si la droite
(
M
,
d
1
→
)
{\displaystyle (M,{\vec {d_{1}}})}
(resp. la droite
(
M
,
d
2
→
)
{\displaystyle (M,{\vec {d_{2}}})}
) rencontre la courbe en n points
A
1
,
M
,
A
2
,
M
…
,
A
n
,
M
{\displaystyle A_{1,M},A_{2,M}\dots ,A_{n,M}}
(resp.
B
1
,
M
,
B
2
,
M
.
.
.
,
B
n
,
M
{\displaystyle B_{1,M},B_{2,M}...,B_{n,M}}
alors le rapport
M
A
1
,
M
⋅
M
A
2
,
M
⋯
M
A
n
,
M
M
B
1
,
M
⋅
M
B
2
,
M
⋯
M
B
n
,
M
{\displaystyle {\frac {MA_{1,M}\cdot MA_{2,M}\cdots MA_{n,M}}{MB_{1,M}\cdot MB_{2,M}\cdots MB_{n,M}}}}
est indépendant du point M.
Principe de démonstration
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Le principe de la démonstration s'appuie sur le fait que, dans un polynôme de degré n , le produit des racines est égal à
(
−
1
)
n
c
0
c
n
{\displaystyle (-1)^{n}{\frac {c_{0}}{c_{n}}}}
.
La courbe algébrique a pour équation F(x,y) = 0.
On note
u
1
→
=
(
cos
θ
1
,
sin
θ
1
)
{\displaystyle {\vec {u_{1}}}=(\cos \theta _{1},\sin \theta _{1})}
(resp.
u
2
→
=
(
cos
θ
2
,
s
i
n
θ
2
)
{\displaystyle {\vec {u_{2}}}=(\cos \theta _{2},sin\theta _{2})}
un vecteur unitaire de même direction que
d
1
→
{\displaystyle {\vec {d_{1}}}}
(resp.
d
2
→
{\displaystyle {\vec {d_{2}}}}
).
Si M a pour coordonnées (a , b ), les mesures algébriques
M
A
i
,
M
¯
{\displaystyle {\overline {MA_{i,M}}}}
sont les racines du polynôme en λ,
F
(
a
+
λ
cos
θ
1
,
b
+
λ
sin
θ
1
)
{\displaystyle F(a+\lambda \cos \theta _{1},b+\lambda \sin \theta _{1})}
. Dans ce polynôme, le coefficient constant est F(a,b) et le coefficient du terme de degré n ne dépend que du polynôme F et de l'angle θ 1 . En particulier, ce coefficient
c
F
,
θ
1
{\displaystyle c_{F,\theta _{1}}}
ne dépend pas des valeurs a et b .
On a alors
M
A
1
,
M
⋅
M
A
2
,
M
⋯
M
A
n
,
M
=
|
F
(
a
,
b
)
c
F
,
θ
1
|
{\displaystyle MA_{1,M}\cdot MA_{2,M}\cdots MA_{n,M}=\left|{\frac {F(a,b)}{c_{F,\theta _{1}}}}\right|}
M
B
1
,
M
⋅
M
B
2
,
M
⋯
M
B
n
,
M
=
|
F
(
a
,
b
)
c
F
,
θ
2
|
{\displaystyle MB_{1,M}\cdot MB_{2,M}\cdots MB_{n,M}=\left|{\frac {F(a,b)}{c_{F,\theta _{2}}}}\right|}
M
A
1
,
M
⋅
M
A
2
,
M
⋯
M
A
n
,
M
M
B
1
,
M
⋅
M
B
2
,
M
⋯
M
B
n
,
M
=
|
c
F
,
θ
2
c
F
,
θ
1
|
{\displaystyle {\frac {MA_{1,M}\cdot MA_{2,M}\cdots MA_{n,M}}{MB_{1,M}\cdot MB_{2,M}\cdots MB_{n,M}}}=\left|{\frac {c_{F,\theta _{2}}}{c_{F,\theta _{1}}}}\right|}
Ce rapport est bien indépendant de M.
Si la courbe est un cercle, on retrouve la puissance d'un point par rapport à un cercle car on a
M
A
1
¯
⋅
M
A
2
¯
M
B
1
¯
⋅
M
B
2
¯
=
Ω
C
1
¯
⋅
Ω
C
2
¯
Ω
D
1
¯
⋅
Ω
D
2
¯
=
−
r
2
−
r
2
=
1
{\displaystyle {\frac {{\overline {MA_{1}}}\cdot {\overline {MA_{2}}}}{{\overline {MB_{1}}}\cdot {\overline {MB_{2}}}}}={\frac {{\overline {\Omega C_{1}}}\cdot {\overline {\Omega C_{2}}}}{{\overline {\Omega D_{1}}}\cdot {\overline {\Omega D_{2}}}}}={\frac {-r^{2}}{-r^{2}}}=1}
ce qui prouve l'invariance du produit des mesures algébriques quand on change la direction de la droite.
De plus, la démonstration fournit la valeur de cette puissance. Pour un cercle d'équation
x
2
+
y
2
−
2
α
x
−
2
β
y
+
c
=
0
{\displaystyle x^{2}+y^{2}-2\alpha x-2\beta y+c=0}
(où α et β sont les coordonnées du centre), on a
c
F
,
θ
=
1
{\displaystyle {c_{F,\theta }}=1}
et donc
M
A
1
¯
⋅
M
A
2
¯
=
F
(
a
,
b
)
{\displaystyle {\overline {MA_{1}}}\cdot {\overline {MA_{2}}}=F(a,b)}
où a et b sont les coordonnées du point M.
Ce théorème intervient aussi dans la démonstration du théorème de Maclaurin sur les transversales et les tangentes [ 1]
Charles-Emilie Page, Complément de géométrie analytique , 1841, pp. 83-84
Notes et références
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