Leçon
La théorie — Théorème de Pick : L'aire par comptage de points
Un polygone sur réseau est un polygone simple dont les sommets sont des points de la grille carrée à coordonnées entières. Le théorème de Pick affirme que son aire vaut A = I + B ÷ 2 − 1, où I représente le nombre de points de la grille strictement à l'intérieur et B le nombre de points situés sur ses arêtes, sommets compris. Une arête reliant un point du réseau à un autre traverse gcd(|Δx|, |Δy|) pas de grille. La valeur de B correspond donc à la somme de ces pas sur l'ensemble des arêtes. Pour un polygone contenant h trous, l'aire devient A = I + B ÷ 2 + h − 1, les arêtes des trous étant incluses dans le calcul de B.
Ce que signifie chaque symbole
I- les points de la grille strictement à l'intérieur du polygone
B- les points de la grille sur ses arêtes, sommets compris. Chaque arête contribue à hauteur de gcd(|Δx|, |Δy|)
A- l'aire, en carreaux de la grille. Toujours un multiple de ½
h- le nombre de trous. Chacun ajoute un à la formule
Problème entièrement résolu
-
L'aire d'un carré, par comptage 5 étapes
Un carré possède ses sommets en (2, 2), (6, 2), (6, 6) et (2, 6). Déterminez son aire en comptant les points de la grille selon le théorème de Pick. Vérifiez ensuite ce résultat avec la formule des lacets, puis indiquez ce que deviennent ces comptages lorsque le carré est doublé. Cliquez sur Carré pour vérifier votre réponse.
Ouvrez ce problème dans l'outil
-
Chaque arête s'étend sur 4 unités le long d'une ligne de la grille, elle compte donc gcd(4, 0) = 4 pas. Le nombre de points sur la frontière est alors de :
-
Les points strictement à l'intérieur forment un bloc de 3 sur 3 :
-
Le théorème de Pick :
-
La formule des lacets calculée depuis les sommets, pour comparaison :
-
Une fois doublé, le carré fait 8 sur 8. Il abrite un bloc de 7 sur 7 points à l'intérieur, et 32 sur ses arêtes :
Réponse
L'aire vaut 16 par comptage et 16 par le calcul des coordonnées. Après l'avoir doublé, les comptages s'élèvent à 49 points à l'intérieur et 32 sur les arêtes. L'aire passe ainsi à 64, soit quatre fois plus. Le nombre de points sur la frontière n'ayant que doublé, le comptage intérieur a dû croître bien plus vite (de 9 à 49) pour rendre l'aire quatre fois plus grande. Un polygone doublé contient toujours 4I + B − 3 points à l'intérieur.
-