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IV Espace et géométrie · Chapitre 11 / 14

Rotations et homothéties

Symétries, translation, rotation, homothétie, effet sur les longueurs, les aires et les volumes.

14 min de lecture
5 sections, 8 exemples
40 exercices · 1 devoir type brevet

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40 exercices corrigés sur les rotations et les homothéties

L'essentiel en 30 secondes

Une rotation de centre O et d'angle α fait tourner une figure autour de O, dans un sens donné : chaque point reste à la même distance de O. Comme les symétries et les translations, elle conserve les longueurs, les angles, les aires, l'alignement et le parallélisme. Une homothétie de centre O et de rapport k place l'image de M sur la droite (OM), du même côté que M si k > 0, de l'autre côté si k < 0 : les longueurs sont multipliées par k (par −k si k est négatif), les aires par k² et les volumes par k³ (par (−k)³ si k est négatif). Les frises se construisent par translation, et une rosace de n motifs par des rotations d'angle 360° ÷ n.

1 I. Les transformations déjà connues

Une transformation associe à chaque point MM du plan un point M′M', appelé son image. Transformer une figure, c'est transformer chacun de ses points. Trois transformations sont connues depuis la 5ᵉ et la 4ᵉ : on les rappelle ici, car la rotation partage avec elles les mêmes propriétés de conservation.

2 II. La rotation

Une rotation fait tourner une figure autour d'un point fixe, d'un angle donné, dans un sens donné. C'est le mouvement d'une aiguille d'horloge, d'une grande roue ou d'une porte qui pivote sur ses gonds.
Rotation de centre O, d’angle 90°, sens inverse des aiguilles d’une montre
190°ABCA′B′C′O
OA′ = OA · OB′ = OB · OC′ = OC angle AOA′ = 90°

3 III. Ce que conservent symétries, translations et rotations

4 IV. L'homothétie

Les transformations précédentes déplacent une figure sans changer ses dimensions. L'homothétie, elle, l'agrandit ou la réduit à partir d'un point fixe, comme un zoom centré sur ce point.
Homothéties de centre O, de rapports 2 et −0,5
ABCA′B′C′A″B″C″O
  • ABC : figure de départ
  • A′B′C′ : rapport 2, même côté de O, longueurs × 2
  • A″B″C″ : rapport −0,5, autre côté de O, longueurs × 0,5
Sur la figure, chaque sommet du triangle rouge est deux fois plus loin de OO que le sommet correspondant du triangle bleu, du même côté : c'est le rapport 22. Chaque sommet du triangle vert est deux fois plus près de OO, de l'autre côté : c'est le rapport −0,5-0{,}5.
Rapport kkPosition de l'imageLongueursAiresVolumes
k=2k=2même côté de OO×2\times 2×4\times 4×8\times 8
k=0,5k=0{,}5même côté de OO×0,5\times 0{,}5×0,25\times 0{,}25×0,125\times 0{,}125
k=−1k=-1autre côté de OO×1\times 1×1\times 1×1\times 1
k=−3k=-3autre côté de OO×3\times 3×9\times 9×27\times 27
k=−0,5k=-0{,}5autre côté de OO×0,5\times 0{,}5×0,25\times 0{,}25×0,125\times 0{,}125

5 V. Frises, pavages et rosaces

Beaucoup de décors — carrelages, frises de papier peint, vitraux, logos — sont construits en répétant un même motif par une transformation. Savoir la reconnaître permet de décrire la construction, puis de calculer des grandeurs sur toute la figure à partir d'un seul motif.
On observe…Transformation
même taille, même orientation, motif déplacétranslation
même taille, motif retourné comme dans un miroirsymétrie axiale
même taille, motif tourné autour d'un pointrotation (le demi-tour est la symétrie centrale)
taille modifiée, points alignés avec un centrehomothétie

À travailler ensuite

Questions fréquentes

Quelle est la différence entre une rotation et une symétrie centrale ?
La symétrie centrale est une rotation particulière : le demi-tour, d'angle 180∘180^\circ. Pour ce seul angle, le sens n'a pas d'importance, et le centre est le milieu de chaque segment [MM′][MM']. Pour tout autre angle, une rotation se définit par son centre, son angle et son sens.
Comment trouver les coordonnées de l'image d'un point par un quart de tour ?
Au collège, on raisonne sur la figure, avec un centre à l'origine OO. Pour aller de OO à A(3 ; 1)A(3\ ;\ 1), on fait 33 unités vers la droite puis 11 vers le haut ; un quart de tour dans le sens inverse des aiguilles d'une montre fait tourner ce trajet, qui devient 33 vers le haut puis 11 vers la gauche. D'où A′(−1 ; 3)A'(-1\ ;\ 3), et l'on contrôle que OA′=OAOA'=OA.
Une homothétie de rapport négatif donne-t-elle des longueurs négatives ?
Non. Un rapport k<0k<0 indique seulement que l'image est de l'autre côté du centre. Les longueurs sont multipliées par −k-k, qui est positif : avec k=−2k=-2, un segment de 33 cm devient un segment de 66 cm, et une aire est multipliée par (−2)2=4(-2)^{2}=4.
Pourquoi l'aire est-elle multipliée par k² et non par k ?
Parce qu'une aire fait intervenir deux longueurs : si la longueur et la largeur d'un rectangle sont toutes deux multipliées par 33, son aire est multipliée par 3×3=93\times 3=9. Un volume fait intervenir trois longueurs, d'où k3k^{3} : doubler les dimensions d'un pavé multiplie son volume par 88.
Comment reconnaître la transformation utilisée dans une frise ou une rosace ?
Dans une frise, les motifs sont alignés, régulièrement espacés et orientés de la même façon : c'est une translation. Dans une rosace, ils tournent autour d'un centre : c'est une rotation, d'angle 360∘n\dfrac{360^\circ}{n} pour nn motifs. Si la taille change, c'est une homothétie ; si le motif est retourné comme dans un miroir, c'est une symétrie axiale.