En 1899, Frank Morley, alors professeur au Haverford College, découvrit le résultat suivant. Soient {A,B,C} trois points non alignés. Les trisectrices intérieures des angles du triangle se coupent deux à deux en {P,Q,R}, comme sur la figure. Le triangle {PQR} est équilatéral. Ce problème étudie plusieurs démonstrations de ce théorème.
I. Les preuves d’Adolphe Letac (1939) et de Leon Bankoff (1962)
On pose {\widehat{BAC}=3\alpha}, {\widehat{CBA}=3\beta}, {\widehat{ACB}=3\gamma}, avec {0\lt\alpha,\beta,\gamma\lt\pi/3} et {\alpha+\beta+\gamma=\pi/3}. On note {a=BC}, {b=CA}, {c=AB} et {r} le rayon du cercle circonscrit.
I. 1. Justifier les égalités {a/\sin3\alpha=b/\sin3\beta=c/\sin3\gamma=2r}.
I. 3. Montrer que, pour tout {x}, {\sin3x=4\sin x\sin(\pi/3+x)\sin(\pi/3-x)}En déduire une nouvelle expression de {BP} en fonction de {r,\alpha,\gamma}. Par analogie, donner celle de {BR}.
I. 5. Développer {\|\overrightarrow{PR}\|^2=\|\overrightarrow{BR}-\overrightarrow{BP}\|^2}. En déduire {PR=8r\sin\alpha\sin\beta\sin\gamma} et conclure.
La méthode de Leon Bankoff est une variante à partir de I.3. On pose {x=\pi/3+\gamma}, {y=\pi/3+\alpha}, {x'=\widehat{RPB}}, {y'=\widehat{BRP}}, avec {x',y'\in]0,\pi[}.
I. 6. (a) Observer que {BP\sin x=BR\sin y} et {BP\sin x'=BR\sin y'}.
On part d’un triangle équilatéral {P'Q'R'} de côté {a}. Soient {\alpha,\beta,\gamma\in]0,\pi/3[}, de somme {\pi/3}. On pose {x=\pi/3+\alpha}, {y=\pi/3+\beta}, {z=\pi/3+\gamma}.
À l’extérieur de {P'Q'R'}, on construit les triangles {P'C'Q'}, {Q'A'R'}, {R'B'P'} tels que {\begin{array}{ll}\widehat{C'P'Q'}=y,&\widehat{P'Q'C'}=x\\[4pt]\widehat{A'Q'R'}=z,&\widehat{Q'R'A'}=y\\[4pt]\widehat{B'R'P'}=x,&\widehat{R'P'B'}=z\end{array}}
II. 1. Préciser les angles {\widehat{R'A'Q'}}, {\widehat{P'B'R'}} et {\widehat{Q'C'P'}}.
On conserve {P'Q'R'}, {\alpha,\beta,\gamma}, et l’on pose {u=\pi/3-\alpha}, {v=\pi/3-\beta}, {w=\pi/3-\gamma}. Sur les côtés de {P'Q'R'}, vers l’extérieur, on construit les triangles isocèles {Q'UR'}, {R'VP'}, {P'WQ'}, d’angles à la base {u,v,w}.
On définit {A'=(VR')\cap(WQ')}, {B'=(UR')\cap(WP')}, {C'=(VP')\cap(UQ')}.
III. 1. Montrer que {(UP')} est la bissectrice intérieure issue de {U} dans {UB'C'}.
On identifie le plan euclidien orienté à {\mathbb C}. On note {\widehat a=(\overrightarrow{AB},\overrightarrow{AC})}, {\widehat b=(\overrightarrow{BC},\overrightarrow{BA})}, {\widehat c=(\overrightarrow{CA},\overrightarrow{CB})}.
Soient {\rho_1,\rho_2,\rho_3} les rotations de centres {A,B,C} et d’angles {2\widehat a/3}, {2\widehat b/3}, {2\widehat c/3}. On écrit {\rho_i(z)=a_i z+b_i} et {\omega=a_1a_2a_3}. On note {j=e^{2i\pi/3}}.
IV. 1. Montrer que {\rho_1\circ\rho_2}, {\rho_2\circ\rho_3}, {\rho_3\circ\rho_1} sont des rotations de centres respectifs {R,P,Q}.
IV. 5. On pose {\begin{array}{l}E=-\omega a_1^2a_2(a_1-\omega)(a_2-\omega)\\[4pt]\quad\times(a_3-\omega)(p+\omega q+\omega^2r)\end{array}}En utilisant les expressions de {p,q,r} et {\omega\in\{j,j^2\}}, développer et simplifier pour obtenir {E=0}.