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Leçon 7

Approximation de π par la méthode d'Archimède, en Python

Vidéo 7 : Approximation de π par la méthode d'Archimède, en Python · 4 min 18 s · sous-titres en français

Le cours écrit

7.1 L'idée d'Archimède

Le nombre π\pi est le demi-périmètre du cercle trigonométrique. Archimède enferme le cercle entre deux polygones réguliers à nn côtés, l'un à l'intérieur, l'autre à l'extérieur. Leurs demi-périmètres encadrent π\pi : on admet que le polygone intérieur est plus court que le cercle, et le polygone extérieur plus long.

Exemple 18 (deux hexagones). L'hexagone régulier intérieur est fait de six triangles équilatéraux : son côté vaut 11 et son demi-périmètre vaut 33. L'hexagone extérieur en est un agrandissement, de rapport 1cos⁡π6=23\dfrac{1}{\cos\frac{\pi}{6}} = \dfrac{2}{\sqrt3}. Son demi-périmètre vaut 3×23=23≈3,463 \times \dfrac{2}{\sqrt3} = 2\sqrt3 \approx 3{,}46. Ainsi, 3<π<3,473 < \pi < 3{,}47.

7.2 Doubler le nombre de côtés

Soit cc le côté d'un polygone intérieur, AA et BB deux sommets voisins, HH le milieu de [AB][AB] et MM le milieu de l'arc ABAB.

  • Dans le triangle OHAOHA, rectangle en HH : OH2=1−c24OH^2 = 1 - \dfrac{c^2}{4}, donc OH=1−c24OH = \sqrt{1 - \dfrac{c^2}{4}}.
  • On a HM=1−OHHM = 1 - OH.
  • Le nouveau côté est AMAM. Dans le triangle AHMAHM, rectangle en HH : AM2=c24+(1−OH)2=c24+1−2 OH+OH2=2−2 OH.AM^2 = \frac{c^2}{4} + (1 - OH)^2 = \frac{c^2}{4} + 1 - 2\,OH + OH^2 = 2 - 2\,OH.

Comme 2 OH=4−c22\,OH = \sqrt{4 - c^2}, le polygone à 2n2n côtés a pour côté 2−4−c2.\sqrt{2 - \sqrt{4 - c^2}}.

7.3 Le polygone extérieur

Le côté du polygone extérieur touche le cercle en MM et il est parallèle à (AB)(AB). D'après le théorème de Thalès, le polygone extérieur est un agrandissement du polygone intérieur, de rapport OMOH=1OH\dfrac{OM}{OH} = \dfrac{1}{OH}. Si l'on note bas et haut les deux demi-périmètres : bas=n×c2,haut=basOH.\text{bas} = \frac{n \times c}{2}, \qquad \text{haut} = \frac{\text{bas}}{OH}.

7.4 Le programme

La fonction encadrement reçoit le nombre k de doublements et renvoie la liste [bas, haut].

from math import sqrt

def encadrement(k):
    n = 6
    c = 1
    for i in range(k):
        c = sqrt(2 - sqrt(4 - c**2))
        n = 2 * n
    bas = n * c / 2
    haut = bas / sqrt(1 - c**2 / 4)
    return [bas, haut]

En langage naturel, la boucle s'écrit : c←2−4−c2c \leftarrow \sqrt{2 - \sqrt{4 - c^2}}, puis n←2×nn \leftarrow 2 \times n. Le programme n'utilise que des racines carrées : il n'a pas besoin de connaitre π\pi.

7.5 Les résultats

Doublements Côtés bas (arrondi par défaut) haut (arrondi par excès)
00 66 3,00003{,}0000 3,46423{,}4642
11 1212 3,10583{,}1058 3,21543{,}2154
22 2424 3,13263{,}1326 3,15973{,}1597
33 4848 3,13933{,}1393 3,14613{,}1461
44 9696 3,14103{,}1410 3,14283{,}1428

Avec 9696 côtés, le dernier polygone calculé par Archimède, on obtient 3,1410<π<3,14283{,}1410 < \pi < 3{,}1428. À chaque doublement, l'écart entre les deux bornes est divisé par environ 44.

7.6 Les limites de la machine

Avec dix doublements, encadrement(10) donne six décimales exactes de π\pi : 3,1415923{,}141592. Mais encadrement(25) renvoie deux nombres proches de 3,3543{,}354, ce qui est faux. Quand le côté devient minuscule, le calcul de 2−4−c22 - \sqrt{4 - c^2} soustrait deux nombres presque égaux, et les arrondis font perdre la précision. La méthode reste juste : c'est le calcul approché qui a ses limites.

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Exercices 13 et 14

  • Exercice 13 : lire et compléter le programme
  • Exercice 14 : partir d'un carré

Exercices du chapitre (PDF, 147 Ko)

Corrigés

Cherche d'abord les exercices sur ta feuille, puis compare avec le corrigé détaillé.

Corrigés du chapitre (PDF, 167 Ko)

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