Le théorème de Morley

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# Chapitre 6 Le théorème de Morley

## 6.1 Le théorème

Soit un triangle ABC et ses trissectrices intérieures.
Soient P,Q,R les points de ces trissectrices tels que le triangle ABP (respectivement BCQ, CAR) ait comme angles A/3 et B/3 (respectivement B/3 et C/3, C/3 et A/3), alors le triangle PQR est équilatéral.
De plus si U, V, W sont les points de ces trissectrices tels que le triangle ABU (respectivement BCV, CAW) ait comme angles 2A/3 et 2B/3 (respectivement 2B/3 et 2C/3, 2C/3 et 2A/3), alors les triangles URQ, VRP, WPQ sont isocèles.
On remarquera que le triangle isocèle URQ a comme angles :
U=π− 2A/3− 2B/3
R=Q= A/3+ B/3.

## 6.2 La figure

On prend comme paramètres `a1` et `b1` qui représentent le tiers des angles `A` et `B` du triangle `ABC`.
Quitte à faire une similitude, on peut choisir `A` à l’origine du repère et `B` au point d’affixe 1, le point `C` a alors comme affixe :

tan(3*b1)
tan(3*a1)+tan(3*b1)*(1+i*tan(3*a1))

C est donc sur la droite passant par A de pente tan(3*a1) et sur la droite passant par B et de pente −tan(3*b1).
On tape :

    A:= point(-4.95-1.777*i);
    B:= point(3.786-2.876*i);
    C:= point(0.722+1.9*i);
    a1:=(angle(A,B,C))/3;
    b1:=(angle(B,C,A))/3;
    c1:=eval(pi/3-a1-b1);
    P:=inter(rotation(A,a1,droite(A,B)),rotation(B,-b1,
                                        droite(B,A)))[0];
    Q:=inter(rotation(C,-c1,droite(C,B)),rotation(B,b1,
                                        droite(B,C)))[0];
    R:=inter(rotation(A,-a1,droite(A,C)),rotation(C,c1,
                                        droite(C,A)))[0];
    U:=inter(rotation(A,2*a1,droite(A,B)),rotation(B,-2*b1,
                                        droite(B,A)))[0];
    V:=inter(rotation(C,-2*c1,droite(C,B)),rotation(B,2*b1,
                                        droite(B,C)))[0];
    W:=inter(rotation(A,-2*a1,droite(A,C)),rotation(C,2*c1,
                                        droite(C,A)))[0];
    triangle(A,R,C);
    triangle(B,Q,C);
    triangle(A,P,B);
    triangle(P,Q,R);
    triangle(U,Q,R);
    triangle(V,P,R);
    triangle(W,Q,P);

Remarque On peut aussi utiliser la définition d’une droite par un point et sa pente pour définir les points `C` et `P` ce qui nous dispense faire les calculls des coordonnées de `C` et `P`.
On peut aussi taper :

    A:=point(0);
    B:=point(1);
    a1:=0.32;
    b1:=0.42;
    TA1:=droite(A,pente=tan(a1));
    TA2:=droite(A,pente=tan(2a1));
    TA3:=droite(A,pente=tan(3a1)):;
    TB1:=droite(B,pente=-tan(2b1)):;
    TB2:=droite(B,pente=-tan(b1)):;
    TB3:=droite(B,pente=-tan(3b1)):;
    C:=inter_unique(TA3,TB3);
    TC1:=droite(C,pente=tan(2a1-b1+pi/3)):;
    TC2:=droite(C,pente=tan(a1-2b1+2pi/3)):;
    TC3:=droite(C,pente=tan(3a1+pi/3)):;
    P:=inter_unique(TA1,TB2);
    Q:=inter_unique(TB1,TC2);
    R:=inter_unique(TC1,TA2);
    triangle(A,R,C);
    triangle(B,Q,C);
    triangle(A,P,B);
    triangle(P,Q,R,couleur=magenta+line_width_2);
    pq2:=longueur2(P,Q);
    pr2:=longueur2(P,R);
    qr2:=longueur2(Q,R);
    U:=inter_unique(TB1,TA2);
    V:=inter_unique(TB2,TC1);
    W:=inter_unique(TC2,TA1)
    normal(longueur2(W,Q)-longueur2(W,P));
    normal(longueur2(U,Q)-longueur2(U,R));
    normal(longueur2(V,P)-longueur2(V,R));
    angle(A,B,W,"a1");
    angle(B,V,A,"b1");
    polygone(W,Q,U,R,V,P,affichage=vert);

On obtient la figure du triangle de Morley :
et `0.0379352631434` comme valeur des carrés des 3 longueurs et des valeurs de l’ordre de 10−14 pour les différence de longueurs.
Mais cela n’est pas une démonstration....

## 6.3 La démonstration du théorème avec `Xcas`

On place `A` à l’origine, `B` en (1,0) et on utilise 2 paramètres `a1` et `b1`, tels que les angles en `A` et `B` soient `3*a1`, `3*b1` `C` est donc sur la droite passant par `A` de pente `tan(3*a1)` et sur la droite passant par `B` et de pente `-tan(3*b1)`, etc.
Pour faire une démonstration avec `Xcas`, on va remplacer : `a1:=0.32;` par `assume(a1=0.32);` et
`b1:=0.42;` par `assume(b1=0.42);`
La figure reste la même mais les calculs sont faits avec les paramètres formels `a1` et `b1`:

    assume(a1=0.32);
    assume(b1=0.42);
    A:=point(0);
    B:=point(1);
    TA1:=droite(A,pente=tan(a1));
    TB1:=droite(A,pente=texpand(tan(2a1)));
    TA3:=droite(A,pente=texpand(tan(3a1))):;
    TB1:=droite(B,pente=-texpand(tan(2b1))):;
    TB2:=droite(B,pente=-tan(b1)):;
    TB3:=droite(B,pente=-texpand(tan(3b1))):;
    C:=inter_unique(TA3,TB3);
    TC1:=droite(C,pente=texpand(tan(2a1-b1+pi/3))):;
    TC2:=droite(C,pente=texpand(tan(a1-2b1+2pi/3))):;
    TC3:=droite(C,pente=texpand(tan(3a1+pi/3))):;
    P:=inter_unique(TA1,TB2);
    Q:=inter_unique(TB1,TC2);
    R:=inter_unique(TC1,TA2);
    triangle(A,R,C);
    triangle(B,Q,C);
    triangle(A,P,B);
    triangle(P,Q,R,couleur=magenta+line_width_2);
    pq2:=longueur2(P,Q);
    pr2:=longueur2(P,R);
    qr2:=longueur2(Q,R);
    U:=inter_unique(TB1,TA2);
    V:=inter_unique(TB2,TC1);
    W:=inter_unique(TC2,TA1)
    angle(A,B,W,"a1");
    angle(B,V,A,"b1");
    polygone(W,Q,U,R,V,P,affichage=vert);
    normal(pq2-pr2),normal(pq2-qr2);
    normal(longueur2(W,Q)-longueur2(W,P));
    normal(longueur2(U,Q)-longueur2(U,R));
    normal(longueur2(V,P)-longueur2(V,R));

Ou on tape dans un éditeur de programme

    assume(a1=0.32);
    assume(b1=0.42);
    A:=point(0);
    B:=point(1);
    C:=point(texpand(tan(b1*3)/(tan(a1*3)+
                     tan(b1*3))*(1+i*tan(a1*3))));
    P:=point(texpand(tan(b1)/(tan(a1)+
                     tan(b1))*(1+i*tan(a1))));
    R:=(inter(droite(0,1+i*texpand(tan(2*a1))),
          droite(C,C+1+i*texpand(tan(pi/3+2*a1-b1)))))[0];
    Q:=(inter(droite(1,i*texpand(tan(2*b1))),
          droite(C,C+1+i*texpand(tan(2*pi/3+a1-2*b1)))))[0];
    U:=point(texpand(tan(2*b1)/(tan(2*a1)+
                     tan(2*b1))*(1+i*tan(2*a1))));
    W:=(inter(droite(0,1+i*texpand(tan(a1))),
          droite(C,C+1+i*texpand(tan(2*pi/3+a1-2*b1)))))[0];
    V:=(inter(droite(1,i*texpand(tan(b1))),
           droite(C,C+1+i*texpand(tan(pi/3+2*a1-b1)))))[0];
    triangle(A,R,C);
    triangle(B,Q,C);
    triangle(A,P,B);
    triangle(P,Q,R);
    triangle(P,Q,W);
    triangle(P,V,R);
    triangle(U,Q,R);
    pq2:=longueur2(P,Q);
    pr2:=longueur2(P,R);
    qr2:=longueur2(Q,R);
    ur2:=longueur2(U,R);
    uq2:=longueur2(U,Q);
    vr2:=longueur2(V,R);
    vp2:=longueur2(V,P);
    pw2:=longueur2(P,W);
    qw2:=longueur2(Q,W);
    normal(pq2-pr2),normal(pq2-qr2);
    normal(uq2-ur2);
    normal(vp2-vr2);
    normal(pw2-qw2);

On valide par `OK`

On obtient alors :
`0,0,0,0,0`
ce qui prouve que le triangle `PQR` est équilatéral et que les triangles `UQR`, `VPR` et `WPQ` sont isocèles.

### 6.3.1 Une démonstration géométrique

`La figure`

`La démonstration`
On suppose que les angles du triangle ABC valent 3a,3b,3c (a+b+c=π/3).
On trace les trissectrices des angles B et C.
Soit D l’intersection des deux trissectrices tels que le triangle BCD aient comme angles b et c et π−b−c.
Soient F et H tels que le triangle HFD soit isocéle d’angle à la base a+c et H sur CD et F sur la 2-ième trissectrice de B : on construit F sur la 2-ième trissectrice de B tel que l’angle FDB =π/3+c=a+c+b+c,
Soient E et K tels que le triangle KED soit isocéle d’angle à la base a+b et K sur BD et E sur la 2-ième trissectrice de C : on construit F sur la 2-ième trissectrice de C tel que l’angle CDK =π/3+b=a+b+b+c)
On a :
HDB=b+c=KDC
FDE+(a+c)+(b+c)+(π−b−c)+(a+b)+(b+c)=2π donc,
FDE=π−2a−2b−2c=π/3 et
BFD=π−b−(a+c)−(b+c)=a+π/3
CED=π−c−(a+b)−(b+c)=a+π/3
D est sur les bissectrices des angles CBF et BCE, donc D est équidistant de BF et CE et puisque BFD=CED on a DE=DF
donc le triangle DEF est équilatèral (DE=DF et FDE=π/3).
Il reste donc à montrer que F et E sont sur les trissectrices de A : on va montrer que FH et EK sont les trissectrices de A.
FK est la bissectrice de DKE
FB est la bissectrice de DBA donc
si on suppose que KE coupe AB an L, LF est la bissectrice de L et BLF=FLK=a (BKL=π−2(a+b) KBL=2b donc BLK=2a) et comme BFH=a+b, L,F,H sont alignés.
De même si on suppose que HF coupe AC en J, JE est la bissectrice de J et CJE=EJH=a et J,E,K sont alignés.
On a K,E,L sont alignés et J,E,K sont alignés.
On a L,F,H sont alignés et F,H,J sont alignés
donc J et L sont à l’intersection de EK et FH. Mais J est sur AB et L sur AC, donc J et L sont confondus en A et on en déduit que FH et EK sont les trissectices de l’angle A.

### 6.3.2 La démonstration d’un Lemme

Les instructions pour faire cette figure se trouve dans le fichier `morley1.xws`.

Lemme : Soient un triangle ABC, J le point de concours de ses bissectrices intérieures et P un point de la bissectrice intérieure de l’angle A se trouvant à l’intérieur du triangle ABC alors :
J et P sont confondus si et seulement si BPC=(π+ A)/2.
En effet :
- si J et P sont confondus on a bien : BJC=π−( B+ C)/2=(π+ A)/2.
- soit P est un point de la bissectrice intérieure de l’angle A se trouvant à l’intérieur du triangle ABC et tel que BPC=(π+ A)/2.
On remarque que BPC=π−(PBC+PCB) croît lorsque P s’éloigne de A en restant sur la bissectrice intérieure de l’angle A, donc si P ≠ J on a soit BPC>BJC=(π+ A)/2 soit BPC<BJC=(π+ A)/2.
On en déduit donc que P et J sont confondus.

### 6.3.3 Une démonstration géométrique pas courante

On va démontrer le théorème pour un triangle ABC d’angles de mesure 3*a, 3*b et 3*c (a+b+c=π/3).
La forme de la preuve n’est pas courante : on part d’un triangle PQR équilatéral et on construit à l’extérieur de ce triangle les triangles isocèles UQR, VPR et WPQ d’angles :
QRU=UQR=a+b=π/3−c,
VPR=VRP=b+c=π/3−a et
WPQ=WQP=c+a=π/3−b.
En effet on sait d’après les calculs faits par `Xcas` que le triangle PQR est équilatéral et que les triangles UQR, VPR et WPQ sont isocèles.
Puis on construit le triangle ABC :
A est l’intersection de UR et de PW,
B est l’intersection de UQ et de PV et
C est l’intersection de VR et de QW.

On obtient la figure ci-dessus :
On peut montrer par des considération d’angles que V se trouve à l’intérieur du triangle ARP (PRU+RPW>π et VPR<π−RPW) etc...
On va montrer qu’alors P, Q, R sont les points de concours des trissectrices intérieures de Morley.
Calculons quelques angles :
APV=π−(π/3−b)−π/3−(π/3−a)=a+b=π/3−c donc
APR=π/3−c+π/3−a=π/3+b
de même
ARV=π/3−b et
ARP=π/3−b+π/3−a=π/3+c
donc PAR=a
de même PBQ=b et QCR=c
AUB=RUQ=π−(2π/3−c)=π/3+2*c
APB=π−APV=2π/3+c=π/2+π/6−c=π/2+AUB/2
PU est la médiatrice de RQ puisque PQ=PR et UQ=UR.
PU est donc aussi la bissectrice intérieure de l’angle U et APB=(π+AUB)/2 donc d’après le lemme :
P est le point de concours des bissectrices intérieures du triangle UAB de même,
Q est le point de concours des bissectrices intérieures du triangle VBC et
R est le point de concours des bissectrices intérieures du triangle WAC.
L’angle A vaut donc 3a, l”angle B vaut donc 3b et l”angle C vaut donc 3c ce qui prouve que P, Q, R sont les points de concours des trissectrices intérieures de Morley.

### 6.3.4 Une démonstration selon Conway

On suppose tout d’abord le problème résolu c’est à dire que le triangle PQR est équilatéral.
Soient :
a, b, c le tiers des mesures des angles du triangle ABC on a donc a+b+c=π/3,
R1 le symétrique de R par rapport à PA : R1 se trouve sur AB puisque PAR=PAB=a,
et de même, Q2 le symétrique de Q par rapport à PB se trouve sur AB.
Le triangle PQ2R1 est donc isocèle (PR1=PR=PQ=PQ2),
on en déduit que Q2R1P= PQ2R1, et par symétrie que ARP= PQB=γ.
On a : APB+BPQ+QPR+RPA=2π c’est à dire
(π−a−b)+(π−b−γ)+π/3+(π−a−γ)=2π soit
γ=2*π/3−a−b=c+π/3.
Donc le triangle APR a comme angles : a, c+π/3, b+π/3,
le triangle BQP a comme angles : b, c+π/3, a+π/3,
de même le triangle CRQ a comme angles : c, b+π/3, a+π/3.
L’écriture en Latex de cette figure se trouve dans le fichier `morleypuzzel.tex`. L’idée de Conway est de faire un puzzle avec 7 pièces (cf figure) :
avec ces 7 pièces on va pouvoir reconstituer un triangle ABC d’angle 3a, 3b et 3c dans lequel les trissectrices se coupent selon le triangle équilatéral de Morley.
Les pièces du puzzles sont :

- 1 triangle équilatéral de cotés de longueur 1 (en rouge),
- 3 triangles
  - le premier PAR (en vert) est défini par PR de longueur 1, l’angle P de mesure π/3+b et l’angle R de mesure π/3+c et APR est de sens direct.
    On a donc :
    PA=sin(c+π/3)/sin(a), RA=sin(b+π/3)/sin(a) et l’angle A est de mesure a,
  - le second PQB (en bleu) est défini par PQ de longueur 1, l’angle P de mesure π/3+a et l’angle Q de mesure π/3+c et BQP est de sens direct.
    On a donc :
    PB=sin(c+π/3)/sin(b), QB=sin(a+π/3)/sin(b) et l’angle B est de mesure b,
  - le troisième QRC (en magenta) est défini par RQ de longueur 1, l’angle R de mesure π/3+a et l’angle Q de mesure π/3+b et CRQ est de sens direct.
    On a donc :
    QC=sin(a+π/3)/sin(c), RC=sin(b+π/3)/sin(c) et l’angle C est de mesure c.
- 3 triangles
  - le premier PAB1 (en noir) est défini par un coté de longueur PA trouvée ci-dessus (PA=sin(c+π/3)/sin(a)) l’angle A de mesure a et l’angle P de mesure c+2*π/3. Dans ce triangle l’angle B1 a comme mesure b et on a : PB1=PA*sin(a)/sin(b)=sin(c+π/3)/sin(b)=PB,
  - le second RCA1 (en jaune) est défini par un coté de longueur RC trouvée ci-dessus (RC=sin(b+π/3)/sin(c)) l’angle C de mesure c et l’angle R de mesure b+2π/3. Dans ce triangle l’angle A1 a comme mesure a et on a : RA1=RC*sin(c)/sin(a)=sin(b+π/3)/sin(a)=RA,
  - le troisième QBC1 (en cyan) est défini par un coté de longueur QB trouvée ci-dessus (QB=sin(a+π/3)/sin(b)) l’angle B de mesure b et l’angle Q de mesure a+2π/3. Dans ce triangle l’angle C1 a comme mesure c et on a : QC1=QB*sin(b)/sin(c)=sin(a+π/3)/sin(c)=QC.

Il est alors facile de montrer, par des considérations de mesure d’angles et de longueurs, que les triangles s’emboitent bien.

### 6.3.5 Une autre démonstration

On pose :
ARP=γ et
APR=β.
Si R est le rayon du cercle circonscrit du triangle ABC on a la relation :

AB
sin(3c)
| = |
AC
sin(3b)
| = |
BC
sin(3a)
| =2R

En considérant les triangles APR, APB, ARC, ABC on peut montrer en utilisant les relations ci-dessus que :

PR= |
2R sin(a) sin(b) sin(3c)
sin(γ) sin(c+2π/3)
| = |
2R sin(a) sin(3b) sin(c)
sin(β) sin(b+2π/3)

On en déduit après différents calculs laissés au lecteur (voir les indications ci-dessous) que :
γ=c+π/3, β=b+π/3 et
PR=8Rsin(a)sin(b)sin(c)
Indications :
1/ Pour tout x on a :
2sin(x+π/3) sin(x+2π/3)=1/2−cos(2x+π)=1/2+cos(2x) et
2sin(x)(1/2−cos(2x))=3sin(x)−4sin(x)3=sin(3x) donc
4sin(x) sin(x+π/3) sin(x+2π/3)=sin(3x).
On obtient donc en remplacant sin(3c) et sin(3b) dans :

2R sin(a) sin(b) sin(3c)
sin(γ) sin(c+ |
2π
3
| )
| = |
2R sin(a) sin(3b) sin(c)
sin(β) sin(b+ |
2π
3
| )

l’égalité :
sin(β)sin(c+π/3)=sin(γ)sin(b+π/3)
et donc
PR=8R sin(a) sin(b) sin(c)sin(c+π/3)/sin(γ) 2/ si sin(a)≠ 0, sin(b)≠ 0, sin(a+b)≠ 0, le système :

⎧ ⎨ ⎩ |
x+y=a+b
sin(x)/sin(a)=sin(y)/sin(b)

a comme solution x=a+kπ, y=b−kπ où k ∈ Z.
En effet on a y=a+b−x
donc sin(x)sin(b)=sin(a)(sin(a+b)cos(x)−cos(a+b)sin(x))
sin(x)(sin(b)+sin(a)cos(a+b))=cos(x)sin(a)sin(a+b)
on développe cos(a+b) et on obtient :
sin(x)cos(a)sin(a+b)=cos(x)sin(a)sin(a+b)
et donc puisque sin(a+b)≠ 0
sin(x−a)=0 d’ou le résultat.
Donc le système :

⎧ ⎪ ⎪ ⎪ ⎨ ⎪ ⎪ ⎪ ⎩ |
sin(β)/sin(b+ |
π
3
| )=sin(γ)/sin(c+ |
π
3
| )
β+γ=b+ |
π
3
| +c+ |
π
3
| =π−a

avec sin(b+π/3)≠ 0, sin(c+π/3)≠ 0, sin(π−a)≠ 0
a pour solutions :
β=b+π/3+kπ et γ=(c+π/3)−kπ où k ∈ Z.
Donc sin(γ)=sin(c+π/3) et donc
PR=8*R*sin(a)*sin(b)*sin(c) La formule etant symétrique par rapport à a, b, c on a :
PR=8*R*sin(a)*sin(b)*sin(c)=RQ=PQ
Le triangle PQR est donc équilatèral.

## 6.4 Le théorème de Morley généralisé

Soit un triangle ABC et ses trissectrices.
On considère toutes les intersections de ces trissectrices.
Combien trouve-t-on de triangles équilatéraux ?

### 6.4.1 Les trissectrices d’un angle de droites

Soit un angle de droites (AB, AC) de mesure 3t+kπ (k entier) : il y a 6 trissectrices (D1, D2, D3, D4, D5, D6) qui forment avec AB des angles de mesure :

t, 2t, t+ |
π
3
| , 2t+ |
2π
3
| , t+ |
2π
3
| , 2t+ |
4π
3
| =2t+ |
π
3
| +π

On considère deux groupes de trois trissectrices (D1, D3, D5) et (D2, D4, D6) : dans chaque groupe les trissectrices se déduisent l’une de l’autre par des rotations d’angle π/3.
Voici les instructions contenu dans le fichier `morleytri6` qui permet de tracer les 6 trissectrices de l’angle de droite (AB,AC) :

    A:= point(-1.2*i);
    B:= point(3.7-1.5*i);
    C:= point(1.5+1.1*i);
    t:=angle(A,B,C)/3;
    D1:=droite(A,A+(B-A)*exp(i*t));
    D2:=droite(A,A+2*(B-A)*exp(i*t*2));
    D3:=droite(A,A+(B-A)*exp(i*(t+pi/3)));
    D4:=droite(A,A+2*(B-A)*exp(i*2*(t+pi/3)));
    D5:=droite(A,A+(B-A)*exp(i*(t+2*pi/3)));
    D6:=droite(A,A+2*(B-A)*exp(i*(2*t+pi/3)));
    couleur(droite(A,B),1);
    couleur(droite(A,C),1);

On obtient la figure :

### 6.4.2 Calcul numérique des différentes longueurs

On fait tout d’abord avec `Xcas` un calcul numérique pour avoir une idée du résultat. Quitte à faire une similitude on peut choisir `A` à l’origine et `B` au point d’affixe 1.
La site d’instructions ci-dessous calcule les coordonnées des 108 points d’intersections des trissectrices entre elles : il y a 3× 6=18 trissectrices, sur chaque trissectrices il y a 6+6=12 points d’intersections donc en tout 18× 12/2=108 points d’intersections que l’on met dans la liste `P`.
Puis on met dans une matrice symétrique `LO` de dimension 108× 108 le carré des distances entre ces 108 points.
On met ensuite dans la variable `trequi` la liste des triplets formant un triangle équilatéral, selon le calcul numérique.
`A` est une liste de 7 éléments qui sont :
`A[0]=0`, c’est l’affixe du sommet A du triangle,
`A[1]` est l’affixe d’un point situé sur la trissectrice `AD1`,
`A[2]` est l’affixe d’un point situé sur la trissectrice `AD2`, etc...
de même pour `B` et `C` (`B[0]=1`...).
Voici les instructions qui calcule les coordonnées des 108 points d’intersections des trissectrices entre elles :

    a1:=0.2;
    b1:=0.4;
    A:=[0,1+i*texpand(tan(a1)),1+i*texpand(tan(2*a1)),
       1+i*texpand(tan(pi/3+a1)),
       1+i*texpand(tan(2*a1+2*pi/3)),1+i*texpand(tan(a1+2*pi/3)),
       1+i*texpand(tan(pi/3+2*a1))];
    B:=[1,i*texpand(tan(2*b1)),i*texpand(tan(b1)),
        i*texpand(tan(2*b1+2*pi/3)),i*texpand(tan(b1+pi/3)),
        i*texpand(tan(pi/3+2*b1)),i*texpand(tan(2*pi/3+b1))];
    C0:=texpand(tan(b1*3)/(tan(a1*3)+tan(b1*3))*(1+i*tan(a1*3)));
    C:=[C0,C0+1+i*texpand(tan(pi/3+2*a1-b1)),
        C0+1+i*texpand(tan(2*pi/3+a1-2*b1)),
        C0+1+i*texpand(tan(2*pi/3+2*a1-b1)),
        C0+1+i*texpand(tan(pi/3+a1-2*b1)),
        C0+1+i*texpand(tan(2*a1-b1)),C0+1+i*texpand(tan(a1-2*b1))];
    P:=[];
    for (k:=1;k<=6;k++) {
     for (j:=1;j<=6;j++){
       P:=concat(P,affixe((inter(droite(A[0],A[k]),
          droite(B[0],B[j])))[0]));
       P:=concat(P,affixe((inter(droite(B[0],B[k]),
          droite(C[0],C[j])))[0]));
       P:=concat(P,affixe((inter(droite(A[0],A[k]),
          droite(C[0],C[j])))[0]));
     }
    };
    LO:=[];
    for (k:=0;k<108;k++) {
      LOL:=[];
      for (j:=0;j<108;j++){
        LOL:=concat(LOL,longueur2(P[k],P[j]));
      }
    LO:=append(LO,LOL);
    };
    trequi:=[];
    for (k:=0;k<106;k++) {
      for (j:=k+1;j<107;j++){
        l:=LO[k,j];
        for (s:=j+1;s<108;s++){
          if ((abs(normal(l-LO[j,s]))<0.0000001) and
              (abs(normal(l-LO[k,s]))<0.0000001)){
            trequi:=append(trequi,[k,j,s]);
          }
        }
      }
    };
    trequi;

On tape dans `Xcas` : `size(trequi)` : on obtient `54`.
Cette liste contient donc 54 triplets ce qui veut dire qu’il y a numériquement 54 triangles équilatéraux. Parmi ces triangles il y en a 18 seulement qui mettent en jeu les trissectrices des 3 angles du triangle.
Les autres triangles ont des sommets qui sont des intersections de trissectrices de 2 angles du triangle : ceci était à prévoir et se démontre facilement.
En effet si on considère deux angles de sommets A et B et leurs trissectrices : les 3 trissectrices AD1, AD3, AD5 de l’angle A se déduisent l’une de l’autre par des rotations de centre A et d’angle π/3 et les intersections des 3 trissectrices (AD1, AD3, AD5) de l’angle A avec les 3 trissectrices BD1, BD3, BD5 de l’angle B déterminent 3 triangles équilatéraux.

Plus précisément soient M le point d’intersection de AD1 avec BD1, N le point d’intersection de AD3 avec BD3, O le point d’intersection de AD5 avec BD5. Alors le triangle MNO est équilatèral.
On tape :

    trissect(A,B,C):={
    local t;
    t:=angle(A,B,C)/3;
    D1:=droite(A,A+(B-A)*exp(i*t));
    D2:=droite(A,A+(B-A)*exp(i*t*2));
    D3:=droite(A,A+(B-A)*exp(i*(t+pi/3)));
    D4:=droite(A,A+(B-A)*exp(i*2*(t+pi/3)));
    D5:=droite(A,A+(B-A)*exp(i*(t+2*pi/3)));
    D6:=droite(A,A+(B-A)*exp(i*2*(t+2*pi/3)));
    return([D1,D2,D3,D4,D5,D6,
      couleur(droite(A,B),1),couleur(droite(A,C),1)]);
    }:;

Puis, on tape :

    A:= point(-1.2*i);
    B:= point(3.7-1.5*i);
    C:= point(1.5+1.1*i);
    TA:=trissect(A,B,C):;
    TB:=trissect(B,C,A):;
    M:=inter_droite(TA[0],TB[0]);
    N:=inter_droite(TA[2],TB[2]);
    O:=inter_droite(TA[4],TB[4]);
    triangle(A,B,C);
    segment(A,M),segment(B,M);
    segment(A,N),segment(B,N);
    segment(A,O),segment(B,O);
    triangle(M,N,O,affichage=2+epaisseur_ligne_2)

On obtient :

Montrons par exemple que MNO est un triangle équilatéral : la rotation de centre M et d’angle π/3 transforme A en A1, B en B1 et N en N1.

les triangles MAA1 et MNN1 sont des triangles équilatéraux directs (triangle isocèle ayant un angle de π/3). M étant sur AD1, A1 se trouve donc sur AD5.
A1N1 fait un angle de π/3 avec AN. N étant sur AD3, A1N1 est donc parallèle à AD5. On a ainsi montré que N1 se trouve sur AD5 c’est à dire que A, A1, N1 sont alignés.
On montre de même que B, B1, N1 sont alignés et donc N1 se trouve sur BD5 d’où N1 et O sont confondus. Ce qui prouve que MNO est un triangle équilatéral. Donc les 3 trissectrices AD1, AD3, AD5 de l’angle A forment avec les 6 trissectrices de l’angle B, 6 triangles équilatéraux. Donc les 6 trissectrices de l’angle A forment avec les 6 trissectrices de l’angle B, 12 triangles équilatéraux. Donc il existe 3× 12=36 triangles équilatéraux de ce type.

### 6.4.3 Les 18 triangles équilatéraux

#### Qui sont-ils?

On modifie le programme `morley108` pour ne tester que des triangles obtenus par les intersections des trissectrices des 3 angles.
Un triangle est désigné soit :
- par un triplet qui sont ses sommets par exemple : `(A1B2, B1C2, C1A2)` ce qui veut dire que le premier sommet est l’intersection de la trissectrice 1 issue de `A` avec la trissectrice 2 issue de `B` etc... soit
- par un triplet de couples par exemple : `[[1,2],[1,4],[3,2]]` désigne le même triangle que `(A1B2, B1C4, C3A2)`.
On écrit le fichier `morley18` qui met dans la liste `trequi` les triangles qui sont numériquement équilatéraux :

    a1:=0.2;
    b1:=0.4;
    A:=[0,1+i*texpand(tan(a1)),1+i*texpand(tan(2*a1)),
    1+i*texpand(tan(pi/3+a1)),1+i*texpand(tan(2*a1+2*pi/3)),
    1+i*texpand(tan(a1+2*pi/3)),1+i*texpand(tan(pi/3+2*a1))];
    B:=[1,i*texpand(tan(2*b1)),i*texpand(tan(b1)),
    i*texpand(tan(2*b1+2*pi/3)),i*texpand(tan(b1+pi/3)),
    i*texpand(tan(pi/3+2*b1)),i*texpand(tan(2*pi/3+b1))];
    C0:=texpand(tan(b1*3)/(tan(a1*3)+tan(b1*3))*(1+i*tan(a1*3)));
    C:=[C0,C0+1+i*texpand(tan(pi/3+2*a1-b1)),
        C0+1+i*texpand(tan(2*pi/3+a1-2*b1)),
        C0+1+i*texpand(tan(2*pi/3+2*a1-b1)),
        C0+1+i*texpand(tan(pi/3+a1-2*b1)),
        C0+1+i*texpand(tan(2*a1-b1)),C0+1+i*texpand(tan(a1-2*b1))];
    P1:=[];
    P2:=[];
    P3:=[];
    for (k:=1;k<=6;k++) {
      for (j:=1;j<=6;j++){
        P1:=concat(P1,affixe((inter(droite(A[0],A[k]),
            droite(B[0],B[j])))[0]));
        P3:=concat(P3,affixe((inter(droite(A[0],A[k]),
            droite(C[0],C[j])))[0]));
        P2:=concat(P2,affixe((inter(droite(B[0],B[k]),
            droite(C[0],C[j])))[0]));
      }
    };
    LO12:=[];
    for (k:=0;k<36;k++) {
      LOL12:=[];
      for (j:=0;j<36;j++){
        LOL12:=concat(LOL12,longueur2(P1[k],P2[j]));
      }
      LO12:=append(LO12,LOL12);
    };
    LO23:=[];
    for (k:=0;k<36;k++) {
      LOL23:=[];
      for (j:=0;j<36;j++){
        LOL23:=concat(LOL23,longueur2(P2[k],P3[j]));
      }
      LO23:=append(LO23,LOL23);
    };
    LO13:=[];
    for (k:=0;k<36;k++) {
      LOL13:=[];
      for (j:=0;j<36;j++){
        LOL13:=concat(LOL13,longueur2(P1[k],P3[j]));
      }
      LO13:=append(LO13,LOL13);
    };
    trequi:=[];
    for (k:=0;k<36;k++) {
      for (j:=0;j<36;j++){
        l:=LO12[k,j];
        for (s:=0;s<36;s++){
          if ((abs(normal(l-LO23[j,s]))<0.0000001) and
              (abs(normal(l-LO13[k,s]))<0.0000001)){
            trequi:=append(trequi,[[iquo(k,6)+1,irem(k,6)+1],
                                   [iquo(j,6)+1,irem(j,6)+1],
                                   [irem(s,6)+1,iquo(s,6)+1]]);
          }
        }
      }
    };
    trequi;

On fait `Charger session` du menu `Fich` de `Xcas` et on sélectionne `morley18` du répértoire `examples/geo` pour exécuter ce fichier.
La liste `trequi` contient cette fois 18 triplets, il y donc numèriquement 18 triangles équilatéraux dont les sommets sont définis comme intersection des trissectrices des 3 angles du triangle.
On trouve comme contenu de `trequi` :

    [[[1,2],[1,2],[1,2]],
    [[1,2],[1,4],[3,2]],
    [[1,4],[3,2],[1,2]],
    [[1,4],[3,6],[5,2]],
    [[1,6],[5,4],[3,2]],
    [[1,6],[5,6],[5,2]],
    [[3,2],[1,2],[1,4]],
    [[3,2],[1,6],[5,4]],
    [[3,4],[3,4],[3,4]],
    [[3,4],[3,6],[5,4]],
    [[3,6],[5,2],[1,4]],
    [[3,6],[5,4],[3,4]],
    [[5,2],[1,4],[3,6]],
    [[5,2],[1,6],[5,6]],
    [[5,4],[3,2],[1,6]],
    [[5,4],[3,4],[3,6]],
    [[5,6],[5,2],[1,6]],
    [[5,6],[5,6],[5,6]]]

Chaque triplet désigne les sommets d’un triangle. Avec la notation `A1B2` qui désigne l’intersection de la trissectrice 1 issue de `A` avec la trissectrice 2 issue de `B` on a :
`(A1B2, B1C2, C1A2),`
`(A1B2, B1C4, C3A2),`
`(A1B4, B3C2, C1A2),`
`(A1B4, B3C6, C5A2),`
`(A1B6, B5C4, C3A2),`
`(A1B6, B5C6, C5A2),`
`(A3B2, B1C2, C1A4),`
`(A3B2, B1C6, C5A4),`
`(A3B4, B3C4, C3A4),`
`(A3B4, B3C6, C5A4),`
`(A3B6, B5C2, C1A4),`
`(A3B6, B5C4, C3A4),`
`(A5B2, B1C4, C3A6),`
`(A5B2, B1C6, C5A6),`
`(A5B4, B3C2, C1A6),`
`(A5B4, B3C4, C3A6),`
`(A5B6, B5C2, C1A6),`
`(A5B6, B5C6, C5A6)`

### 6.4.4 La figure

On dessine les 18 triangles.
On écrit un fichier `morleydess18` qui va calculer les coordonnées des 27 points sommets de ces 18 triangles et dessiner ces 18 triangles.
On pourra avec un tel dessin faire bouger `A` ou `B` ou `C`.
On note `DA` (resp `DB`, `DC`) la liste des 6 trissectrices de l’angle `A` (resp `B`, `C`).
On remarquera dans la définition de `DA, DB, DC` :
- un zéro au début de la liste pour que la première trissectrice soit d’indice 1 etc...
- un zéro en fin de liste pour que les objets graphiques situés dans la liste ne soient pas dessinés (pour ne pas surcharger la figure) (on aurait aussi pu employer la fonction `nodisp`).

    A:=point(-2.35-i*2.28);
    B:=point(-0.684-i*2.3);
    C:=point(-1.35-i*0.61);
    a1:=angle(A,B,C)/3;
    a2:=angle(B,C,A)/3;
    a3:=pi/3-a1-a2;
    DA:=0,droite(A,A+(B-A)*exp(i*a1)):;
    DA:=DA,droite(A,A+(B-A)*exp(i*a1*2)):;
    DA:=DA,droite(A,A+(B-A)*exp(i*(a1+pi/3))):;
    DA:=DA,droite(A,A+(B-A)*exp(i*2*(a1+pi/3))):;
    DA:=DA,droite(A,A+(B-A)*exp(i*(a1+2*pi/3))):;
    DA:=DA,droite(A,A+(B-A)*exp(i*2*(a1+2*pi/3))),0:;
    DB:=0,droite(B,B+(C-B)*exp(i*a2)):;
    DB:=DB,droite(B,B+(C-B)*exp(i*a2*2)):;
    DB:=DB,droite(B,B+(C-B)*exp(i*(a2+pi/3))):;
    DB:=DB,droite(B,B+(C-B)*exp(i*2*(a2+pi/3))):;
    DB:=DB,droite(B,B+(C-B)*exp(i*(a2+2*pi/3))):;
    DB:=DB,droite(B,B+(C-B)*exp(i*2*(a2+2*pi/3))),0:;
    DC:=0,droite(C,C+(A-C)*exp(i*a3)):;
    DC:=DC,droite(C,C+(A-C)*exp(i*a3*2)):;
    DC:=DC,droite(C,C+(A-C)*exp(i*(a3+pi/3))):;
    DC:=DC,droite(C,C+(A-C)*exp(i*2*(a3+pi/3))):;
    DC:=DC,droite(C,C+(A-C)*exp(i*(a3+2*pi/3))):;
    DC:=DC,droite(C,C+(A-C)*exp(i*2*(a3+2*pi/3))),0:;
    P1:=[];
    P1:=concat(P1,affixe((inter(DA[1],DB[2]))[0]));
    P1:=concat(P1,affixe((inter(DA[1],DB[4]))[0]));
    P1:=concat(P1,affixe((inter(DA[1],DB[6]))[0]));
    P1:=concat(P1,affixe((inter(DA[3],DB[2]))[0]));
    P1:=concat(P1,affixe((inter(DA[3],DB[4]))[0]));
    P1:=concat(P1,affixe((inter(DA[3],DB[6]))[0]));
    P1:=concat(P1,affixe((inter(DA[5],DB[2]))[0]));
    P1:=concat(P1,affixe((inter(DA[5],DB[4]))[0]));
    P1:=concat(P1,affixe((inter(DA[5],DB[6]))[0]));
    P2:=[];
    P2:=concat(P2,affixe((inter(DB[1],DC[2]))[0]));
    P2:=concat(P2,affixe((inter(DB[1],DC[4]))[0]));
    P2:=concat(P2,affixe((inter(DB[1],DC[6]))[0]));
    P2:=concat(P2,affixe((inter(DB[3],DC[2]))[0]));
    P2:=concat(P2,affixe((inter(DB[3],DC[4]))[0]));
    P2:=concat(P2,affixe((inter(DB[3],DC[6]))[0]));
    P2:=concat(P2,affixe((inter(DB[5],DC[2]))[0]));
    P2:=concat(P2,affixe((inter(DB[5],DC[4]))[0]));
    P2:=concat(P2,affixe((inter(DB[5],DC[6]))[0]));
    P3:=[];
    P3:=concat(P3,affixe((inter(DC[1],DA[2]))[0]));
    P3:=concat(P3,affixe((inter(DC[1],DA[4]))[0]));
    P3:=concat(P3,affixe((inter(DC[1],DA[6]))[0]));
    P3:=concat(P3,affixe((inter(DC[3],DA[2]))[0]));
    P3:=concat(P3,affixe((inter(DC[3],DA[4]))[0]));
    P3:=concat(P3,affixe((inter(DC[3],DA[6]))[0]));
    P3:=concat(P3,affixe((inter(DC[5],DA[2]))[0]));
    P3:=concat(P3,affixe((inter(DC[5],DA[4]))[0]));
    P3:=concat(P3,affixe((inter(DC[5],DA[6]))[0]));
    triangle(A,B,C);
    triangle(P1[0],P2[0],P3[0]);
    P:=point(P1[0]);
    Q:=point(P2[0]);
    R:=point(P3[0]);
    triangle(P1[0],P2[1],P3[3]);
    triangle(P1[1],P2[3],P3[0]);
    triangle(P1[1],P2[5],P3[6]);
    triangle(P1[2],P2[7],P3[3]);
    triangle(P1[2],P2[8],P3[6]);
    triangle(P1[3],P2[0],P3[1]);
    triangle(P1[3],P2[2],P3[7]);
    triangle(P1[4],P2[4],P3[4]);
    triangle(P1[4],P2[5],P3[7]);
    triangle(P1[5],P2[6],P3[1]);
    triangle(P1[5],P2[7],P3[4]);
    triangle(P1[6],P2[1],P3[5]);
    triangle(P1[6],P2[2],P3[8]);
    triangle(P1[7],P2[3],P3[2]);
    triangle(P1[7],P2[4],P3[5]);
    triangle(P1[8],P2[6],P3[2]);
    triangle(P1[8],P2[8],P3[8]);

On obtient :
On voit que ces triangles ont leur cotés parallèles.
On peut le faire montrer par `Xcas` avec le programme suivant se trouvant dans le fichier `morleypara` :

    est_parallele(droite(P1[0],P2[0]),droite(P1[8],P2[8]));
    est_parallele(droite(P1[0],P2[0]),droite(P1[0],P3[6]));
    est_parallele(droite(P1[0],P2[0]),droite(P1[4],P2[4]));
    est_parallele(droite(P1[4],P2[4]),droite(P1[4],P3[1]));
    est_parallele(droite(P1[0],P2[0]),droite(P1[8],P2[8]));
    est_parallele(droite(P1[8],P2[8]),droite(P1[8],P3[5]));
    est_parallele(droite(P1[0],P2[0]),droite(P3[6],P2[5]));
    est_parallele(droite(P1[4],P2[4]),droite(P1[2],P3[3]));

### 6.4.5 La démonstration avec `Xcas`

Pour montrer plus facilement que les 18 triangles trouvés sont équilatéraux on va écrire dans le fichier `equimorley` une fonction ayant `m,n,p,q,r,s` comme paramètres représentant le triangle `AmBn,BpCq,CrAs` et qui teste si ce triangle est équilatéral :

    equimore(m,n,p,q,r,s):={
    assume(a1=0.3);
    assume(a2=0.4);
    A:=[0,1+i*texpand(tan(a1)),1+i*texpand(tan(2*a1)),
    1+i*texpand(tan(pi/3+a1)),1+i*texpand(tan(2*a1+2*pi/3)),
    1+i*texpand(tan(a1+2*pi/3)),1+i*texpand(tan(pi/3+2*a1))];
    B:=[1,i*texpand(tan(2*a2)),i*texpand(tan(a2)),
    i*texpand(tan(2*a2+2*pi/3)),i*texpand(tan(a2+pi/3)),
    i*texpand(tan(pi/3+2*a2)),i*texpand(tan(2*pi/3+a2))];
    C0:=texpand(tan(a2*3)/(tan(a1*3)+tan(a2*3))*(1+i*tan(a1*3)));
    C:=[C0,C0+1+i*texpand(tan(pi/3+2*a1-a2)),
    C0+1+i*texpand(tan(2*pi/3+a1-2*a2)),
    C0+1+i*texpand(tan(2*pi/3+2*a1-a2)),
    C0+1+i*texpand(tan(pi/3+a1-2*a2)),
    C0+1+i*texpand(tan(2*a1-a2)),C0+1+i*texpand(tan(a1-2*a2))];
    P:=affixe((inter(droite(A[0],A[m]),droite(B[0],B[n])))[0]);
    Q:=affixe((inter(droite(B[0],B[p]),droite(C[0],C[q])))[0]);
    R:=affixe((inter(droite(C[0],C[r]),droite(A[0],A[s])))[0]);
    lpq:=longueur2(P,Q);
    lpr:=longueur2(P,R);
    lqr:=longueur2(Q,R);
    return([normal(lpq-lpr),normal(lpq-lqr)]);
    };

On fait `Charger session` du menu `Fich` de `Xcas` et on selectionne `equimorley` du répértoire `examples/geo` pour exécuter ce fichier, puis :
`equimorley(5,6,5,6,5,6)`
On trouve :
`[0,0]`
et cela prouve que le triangle `(A5B6, B5C6, C5A6)` est équilatéral.
puis par exemple :
`equimorley(5,4,3,2,1,6)`
On trouve :
`[0,0]`
et cela prouve que le triangle `(A5B4, B3C2, C1A6)` est équilatéral.
Avec la fonction `equimore`, on peut donc montrer que les 18 triangles trouvés précédemment sont bien tous équilatéraux.

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