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D227. Une araignée très maniaque Version imprimable Suggérer par mail
D2. Quadrilatères et polygones
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Une araignée tisse une toile qui s'appuie sur les sommets de trois polygones réguliers à 2n+1 côtés P, . Ces trois polygones ont un sommet commun S . Par ailleurs P et sont symétriques l'un de l'autre par rapport à un côté commun SA tandis que P et sont symétriques l'un de l'autre par rapport au côté commun SB.

L'exemple ci-après donne avec trois heptagones réguliers le contour tracé en bleu à l'intérieur duquel l'araignée va tisser sa toile..



L'araignée est maniaque. Son fil unique est une ligne brisée constituée d'un succession de segments de droites qui s'appuient sur au moins trois sommets des polygones. D'autre part les angles formés par deux segments consécutifs s'expriment toujours en nombres entiers de degrés. Enfin l'araignée choisit n ni trop petit (n>2) ni trop grand (n<15).

Quels sont les polygones réguliers qui répondent aux critères de l'araignée ? Comment l'araignée s'y prend elle pour  tracer une ligne brisée qui passe au moins une fois par tous les sommets des polygones sachant qu'elle s'interdit de suivre deux fois la même portion de chemin mais s'autorise à suivre, si besoin est, les côtés des trois polygones?



En partant du contour défini par trois heptagones réguliers, on observe que des points S, A et B on voit les côtés des trois heptagones sous le même angle égal à t = 180°/ 7 = 25,714?°.

Il en résulte que les points N, B et D sont alignés au même titre que :

 

  • les points P, B et E,
  • les points Q, B et F,
  • les points N, S et F,
  • les points M, K, S et E,
  • les points J, L, S et D,
  • etc?.

 


Par exemple N, B et D sont alignés car angle(NBQ) =2t, angle(SBQ) = 900° /7 = 5t angle (QBC) = 360° - 2*5t = 360° - 10t, angle(CBD)= t. D'où angle(NBQ) + angle(QBC) + angle(CBD) = 360°-7t = 360°-180° = 180°.

 

De la même manière M, S et E sont alignés car angle(LSM) = t, angle(LSA) = 4t, angle(ASE) = 2t angle(LSM) + angle(LSA) + angle(ASE) = 7t = 180° etc?

 

On voit donc qu'après avoir tracé la contour bleu l'araignée en partant d'un sommet quelconque d'un heptagone situé sur ce contour, peut déployer son fil selon des segments de droite qui s'appuient sur au moins trois des 17 sommets existants et les angles faits par deux segments consécutifs sont tous des multiples de t = 180° / 7.

 

De manière générale si l'araignée tisse sa toile à l'intérieur d'un contour bleu défini à partir de trois polygones à 2n+1 côtés, les angles que font deux segments de droites consécutifs sont des multiples de 180°/(2n+1). Si ces angles s'expriment en nombres entiers de degrés, 2n+1 doit être un diviseur de 180. Comme les diviseurs 3 et 5 sont interdits par hypothèse, les autres diviseurs impairs possibles sont 9,15 et 45. Les deux derniers sont exclus car avec des polygones à 15 et 45 côtés, il y a respectivement au total 15 + 2*13 = 41 sommets et 45 + 2*43 = 131 sommets > 40 sommets.

 

Il ne reste plus que l'ennéagone (polygone régulier à 9 côtés) avec lequel il y a au total 9 + 2*7 = 23 sommets et qui donne un angle t de 20°.

 

D'où la figure réalisée avec trois ennéagones et donnant tous les segments de droite possibles qui s'appuient sur au moins trois sommets et incluent dans certains cas un côté de l'un des trois ennéagones:

 

 


Existe-t-il une ligne brisée joignant tous les sommets sans passer deux fois par le même chemin ? L'exercice s'apparente à la recherche d'un chemin eulérien dans un graphe connexe dont le nombre de sommets de degré impair est 0 ou 2. Voici l'une des solutions possibles. Les sommets sont numérotés de 1 à 23 selon l'ordre de passage de l'araignée sur son parcours en rouge.

 

 


La liste des seize segments de droites constituant la ligne brisée est donnée ci-après avec les sommets n°1 et N°23 comme point de départ et point d'arrivée:

 

1-2-3, 3-4-5, 5-6-7, 7-3-8-9, 9-10-11, 11-6-12, 12-4-2-13, 13-10-14, 14-6-15, 15-16-3-17, 17-6-18, 18-16-8-19, 19-3-20, 20-10-21, 21-3-22, 22-6-23.

 

A quatre occasions l'araignée a emprunté les côtés des polygones (2-3, 3-4, 21-10, 22-6).


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