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\section{Triominos}
Énoncé
\graphicspath{ {./images/} }
On considère un pavage triangulaire du plan comme illustré ci-dessous.
Soit $n\geq 1$ un entier, fixé dans la suite. Alice a des pièces triangulaires, appelées triominos. Sur chaque triomino, trois nombres entre $1$ et $n$ sont inscrits, un sur chaque côté.
\begin{center}
\begin{figure}[h]
\includegraphics[scale=0.4]{src/Pavage.png}
\centering
\begin{tikzpicture}
\draw (0,0)--(2,0)--(1,1.732)--cycle;
\draw (1,.2) node{$1$};
\draw (.65,.766) node{$3$};
\draw (1.35,.766) node{$3$};
\end{tikzpicture}
\caption{Un exemple de triomino avec sur les côtés les valeurs $1, 3$ et $3$}
\end{figure}
\end{center}
Nous allons placer sur ce pavage des pièces de triomino qui sont des triangles équilatéraux sur lesquels sont inscrits dans chaque coin des numéros non nécéssairement distincts parmi $1, \dots, n$$n \in \mathbb{N}^{*}$ fixé.
Deux triominos peuvent se trouver à côté seulement si les numéros inscrits dans les coins de ces deux triangles coincident, comme le montre l'illustration suivante :
Alice décide de placer les triominos les uns à côté des autres dans le plan, de sorte que les numéros écrits sur deux côtés adjacents coïncident.
\begin{center}
\begin{figure}[h]
\includegraphics[scale=0.5]{src/Triangle 1.png}
\centering
\begin{tikzpicture}
\draw (0,0)--(4,0)--(2,3.464)--cycle;
\draw (2,0)--(3,1.732)--(1,1.732)--cycle;
\draw (1,.2) node{$2$};
\draw (.65,.766) node{$2$};
\draw (1.35,.766) node{$2$};
\draw (3,.2) node{$3$};
\draw (2,1.932) node{$1$};
\draw (1.65,2.498) node{$2$};
\draw (2.35,2.498) node{$1$};
\draw (2,1.532) node{$1$};
\draw (1.65,.966) node{$2$};
\draw (2.35,.966) node{$2$};
\draw (2.65,.766) node{$2$};
\draw (3.35,.766) node{$1$};
\end{tikzpicture}
\caption{Exemple de configuration possible}
\end{figure}
\end{center}
Dans la première partie de ce problème, on s'intéresse à une variante plus simple des triominos : les trominos modifiés, dans laquelle les numéros sont inscrits non pas sur les coins du triangle mais sur les côtés du triangle.
Deux triominos sont considérés comme identiques si on peut obtenir l'un à partir de l'autre par rotation. En revanche, on ne peut pas retourner un triomino. Ainsi, les deux triominos ci-dessous sont considérés comme distincts.
\begin{figure}[h!]
\includegraphics[scale=0.5]{src/Triangle 2.png}
\centering
\begin{center}
\begin{figure}[h]
\begin{tikzpicture}
\draw[thick, orangeAnimath] (0,0)--(4,0)--(3,1.732)--(2,0)--(1,1.732)--cycle;
\draw[thick, bleuAnimath] (4,0)--(6,0)--(5,1.732)--cycle;
\draw (1,.2) node{$2$};
\draw (3,.2) node{$1$};
\draw (.65,.766) node{$1$};
\draw (1.35,.766) node{$3$};
\draw (2.65,.766) node{$3$};
\draw (3.35,.766) node{$2$};
\draw (5,.2) node{$2$};
\draw (4.65,.766) node{$1$};
\draw (5.35,.766) node{$3$};
\end{tikzpicture}
\caption{Les deux triominos orange sont identiques, mais le triomino bleu est différent}
\end{figure}
\end{center}
Nous allons étudier la faisabilité de la construction de certaines formes géométriques à l'aide de ces triominos modifiés. La seconde partie et la troixième partie s'intéresse à des propriétés analogues pour le jeu du triomino classique tel que décrit précédemment.
Alice possède un jeu complet de triominos, composé d'un unique exemplaire de chaque triomino possible en utilisant les nombres de $1$ à $n$.
Dans l'intégralité du problème, on considère que les pièces sont invariantes par rotation, c'est-à-dire que tourner une pièce redonne la même pièce mais les pièces ne sont pas invariantes par symétrie, c'est-à-dire que retourner une pièce ne redonne pas la même pièce. Ainsi, les deux pièces ci-dessous sont considérés comme deux pièces distinctes.
\q Combien Alice possède-t-elle de triominos ?
\begin{figure}[h!]
\includegraphics[scale=0.5]{src/Symetrie.png}
\centering
Alice souhaite disposer ses triominos en ligne droite, de la façon suivante :
\begin{center}
\begin{figure}[h]
\begin{tikzpicture}
\draw (0,0)--(8,0);
\draw (1,1.766)--(7,1.766);
\draw (0,0)--(1,1.766)--(2,0)--(3,1.766)--(4,0)--(5,1.766)--(6,0)--(7,1.766)--(8,0);
\end{tikzpicture}
\caption{Exemple de disposition s'il y a $7$ triominos}
\end{figure}
\end{center}
On dira qu'une configuration de triangle est connexe si elle est en "un seul morceau", c'est-à-dire qu'elle peut s'obtenir à partir d'un triangle en accolant successivement un nouveau triangle aux triangles déjà présents sur le pavage. Par exemple, la configuration formé des deux triangles symétriques ci-dessus n'est pas connexe.
\q a) Alice peut-elle disposer les triominos en ligne droite si $n=1$ ? $n=2$ ? $n=3$ ?
Soit $n \in \mathbb{N}^{*}$ un entier strictement positif fixé. On considère nos "triominos modifié" où les nombres sont répartis sur les arêtes des triangles. On Deux triangles peuvent être mis l'un à coté de l'autre lorsque le même nombre figure sur les arrêtes en contact.
b) Et pour $n$ quelconque ?
\q 1) On considère toutes les pièces de triomino modifié que l'on peut former en utilisant les nombre de $1$ à $n$, en respectant l'invariance des pièces par rotation mais pas par symétrie. Combien y-a-t-il de pièces ?
Une configuration est dite \textit{connexe} si, pour tout couple de triominos, il existe un chemin dans les triominos qui va de l'un à l'autre. Un chemin est une suite de triominos adjacents, et dire que deux triominos sont adjacents signifie qu'ils ont un côté commun.
\q 2.a) Réaliser une ligne droite utilisant toutes les pièces pour les cas : n = 2, 3 et 4.
\q Est-il toujours possible de trouver une configuration connexe utilisant toutes les pièces ?
\q 2.b) Peut-on toujours réaliser une ligne droite utilisant l'intégralité des pièces ?
Désormais, les nombres ne sont plus écrits sur les côtés mais sur chaque sommet. Alice souhaite donc que les nombres écrits sur deux sommets adjacents coïncident.
On considère dorénavant les pièces de triominos classiques. Dans cette partie, on considerera uniquement les pièces qui parmi les 3 nombres qui les composent, n'en ont qu'au plus deux de différents.
\begin{center}
\begin{figure}[h]
\begin{tikzpicture}
\draw (0,0)--(4,0)--(2,3.464)--cycle;
\draw (2,0)--(3,1.732)--(1,1.732)--cycle;
\draw (.3,.2) node{$2$};
\draw (1.7,.2) node{$4$};
\draw (1,1.366) node{$2$};
\draw (2.3,.2) node{$4$};
\draw (3.7,.2) node{$2$};
\draw (3,1.366) node{$1$};
\draw (2,.4) node{$4$};
\draw (1.35,1.516) node{$2$};
\draw (2.65,1.516) node{$1$};
\draw (1.3,1.966) node{$2$};
\draw (2.7,1.966) node{$1$};
\draw (2,3.064) node{$3$};
\end{tikzpicture}
\caption{Exemple de configuration possible}
\end{figure}
\end{center}
\q 1) Combien y a-t-il de pièces ?
\q Reprendre les questions précédentes dans ce cas.
\q 2) Existe t-il une ligne droite avec toutes les pièces si :
a) $n = 2$
b) $n \geq 4$ pair
c) $n$ impair
\q Quel est le plus grand losange qu'on puisse former en assemblant les pièces ?
\q 3) Est-il toujours possible de trouver une configuration connexe utilisant toutes les pièces ?
On considère dorénavant un jeu de triomino "classique" muni de toutes ses pièces.
\q 1) Combien y a-t-il de pièces ?
\q 2) Existe-t-il toujours une configuration connexe utilisant toutes les pièces ?
\q 3) Existe-t-il toujours une ligne droite utilisant toutes les pièces ?
\q 4) Quel est le plus grand losange qu'on puisse former en assemblant les pièces ?
\q Proposez et étudiez d'autres pistes de recherche.