Géométrie dans l'Égypte antique

Dans les mathématiques dans l'Égypte antique, les problèmes de géométrie, présents notamment dans le Papyrus Rhind, concernent l'évaluation de quantités numériques, en particulier le calcul de longueurs, d'aires et de volumes.

Mais, au regard des prouesses techniques et architecturales réalisées très tôt dans leur histoire, il apparait que la géométrie fut sans doute leur domaine de prédilection et cette science associée à l'architecture, fit la grande réputation des Égyptiens. C'est l'une des raisons pour lesquelles leur pays accueillit en pèlerinage les savants de la Grèce antique. 

Les Égyptiens réussirent ainsi à calculer l'aire d'un disque en élevant au carré les 8/9 de son diamètre, ce qui revient à une approximation de pi égale à 3,1605. Ils pouvaient calculer les volumes de pyramides et de cylindres et l'aire d'une sphère. Certains problèmes figurant sur les papyrus mathématiques du Moyen Empire permettent de calculer des longueurs associées à des racines d'entiers variées.

Le triangle 

Le calcul de l'aire de cette figure est étudié dans les problèmes R51 du papyrus Rhind, M4, M7 et M17 du papyrus de Moscou et datant tous du Moyen Empire. Le problème R51 constitue, dans l'histoire mondiale des mathématiques, le premier témoignage écrit traitant du calcul de l'aire d'un triangle.

Énoncé du problème R51 du papyrus Rhind  

Le terme mryt signifie probablement hauteur ou côté, mais la formule utilisée pour le calcul de l'aire fait pencher l'interprétation en faveur de la première solution. Le scribe prenait la moitié de la base du triangle et calculait l'aire du rectangle formé par ce côté et la hauteur, soit 
 
équivalente à la formule générale utilisée de nos jours :

Le triangle 3-4-5 

Un triangle dont les côtés sont en proportion 3-4-5 est rectangle, l'angle droit étant défini par les côtés 3 et 4. Cette propriété se démontre par la réciproque du théorème de Pythagore, du fait que 3 + 4 = 5 (car 9 + 16 = 25). Un tel triangle est parfois appelé « triangle égyptien », en référence à Plutarque et à son traité Sur Isis et Osiris où il donne une interprétation ésotérique du triangle 3-4-5, le  liant à Isis, Osiris et Horus. Plutarque écrit à la fin du  ou au début du suivant, et on ne peut rien en déduire à propos de l'Égypte antique.

Le triangle rectangle 3-4-5 est très anciennement connu : le triplet pythagoricien 3-4-5 est mentionné sur des tablettes babyloniennes, mais en ce qui concerne l'Égypte antique, les choses sont beaucoup moins claires. Quatre des sections du papyrus Rhind : R57, R58, R59a et R59b, ont pour objet des calculs relatifs à la pente d'une pyramide, et cette pente est de 4/3 (voir papyrus Rhind), c'est-à-dire que le triangle correspondant, dont les côtés sont la demi-base de la pyramide, sa hauteur, et la ligne de plus grande pente d'une face, est proportionnel au triangle 3-4-5. Cependant aucun de ces problèmes ne donne la mesure du troisième côté, ni même ne parle de triangle.

Il est possible que les architectes égyptiens, assistés de tendeurs de corde, aient tracé parfois leurs angles droits au moyen du triangle 3-4-5, mais il n'existe pas de traces écrites. La méthode ne pouvait pas fonctionner pour les édifices de grande dimension comme les pyramides, vu la précision de la méthode et ce que l'on sait des cordes utilisées à l'époque et de leur élasticité.

La pyramide de Khéphren a pu être construite en respectant le triangle directeur des quatre exemples du papyrus Rhind : la ligne de plus grande pente d'une face étant comme 5, la verticale du sommet à la base est comme 4 et la demi-base qui termine le triangle rectangle est comme 3, ce qui correspond à un angle théorique de  de la ligne de plus grande pente avec l'horizontale. L'angle mesuré par Petrie (, voir pyramide de Khéphren) est très proche de cette valeur. Le carré de la base, de  de côté, est exact à  près, les côtés sont parallèles à  près, les faces sont orientées avec les points cardinaux à  près. La hauteur, évaluée à , correspond pour le tétraèdre à une pente de .

Calcul d'une pente 

Les problèmes R56, R57, R58 et R59 du papyrus Rhind détaillent la méthode de calcul de la pente d'une pyramide. Cette pente est désignée en ancien égyptien par le terme seqed. Elle est le résultat de la demi-base divisée par la hauteur.

Énoncé du problème R56 du papyrus Rhind 

 

Cette solution représente pour le mathématicien moderne le produit par sept de la cotangente de l'angle formé par la demi-base et l'apothème de la pyramide (l'angle formé par b et a sur la figure ci-contre).
Les Égyptiens l'exprimèrent en coudées, puis finalement en palmes (une coudée valant sept palmes). Le seqed ne représentait donc pas à proprement parler une pente, mais plutôt la mesure du côté horizontal du triangle proportionnel dont la hauteur vaut une coudée, côté exprimé ensuite en palmes. 
Par conséquent, la formule suivante permettait d'obtenir le seqed de la pyramide : .

Le seqed correspond également à la différence de longueur des côtés inférieur et supérieur d'une pierre qui épouse la pente de la pyramide. Il permettait donc d'en déterminer la coupe.

Le trapèze ou triangle tronqué 

L'aire d'un trapèze est parfaitement calculé dans le problème R52 du papyrus Rhind :

 

Méthode équivalente à l'application de la formule .

Le rectangle 

Le papyrus de Moscou présente un problème illustrant la parfaite connaissance du calcul de l'aire d'un rectangle :

Énoncé du problème M6 du papyrus de Moscou  

Explication 

Ce problème consiste à déterminer la longueur d'un rectangle, le rapport largeur/longueur et l'aire étant fixés.

Le cercle et l'ellipse 

Le calcul de l'aire d'un disque représente sans doute l'un des progrès les plus significatifs effectué en mathématiques par les anciens égyptiens. Il est également l'un des exercices qui a fait couler le plus d'encre, le nombre pi et la quadrature du cercle semblant intimement liés au problème. Le calcul de l'aire est ainsi traité dans les problèmes R41, R42, R43, R48 et R50 du papyrus Rhind et enfin le problème M10 du papyrus de Moscou.

 Énoncé du problème R50 du papyrus Rhind 

 

 

La formule appliquée par la scribe est donc clairement : , d étant le diamètre du disque. L'énoncé évoque un champ rond de neuf khet, étant sous-entendu que neuf khet est le diamètre.

Cette formule est équivalente à celle-ci : . La formule moderne du calcul de l'aire d'un disque étant  ou , la plupart des auteurs attribuent aux anciens Égyptiens l'approximation de la valeur  à 256/81 soit 3,1605, valeur remarquable pour l'époque. Cependant, le problème R50 exposé ci-dessus ne prouve pas que les Égyptiens aient eu conscience de l'existence de cette constante. La seule certitude est qu'ils pouvaient calculer l'aire d'un disque à partir de son diamètre, et d'en donner une valeur approchée avec une grande précision en l'assimilant à un carré. La méthode employée pourrait bien trouver une explication dans une esquisse géométrique du problème R48 du papyrus Rhind.

 Opérations du problème R48 du papyrus Rhind 

 

et

Le problème ne contient aucun énoncé, ce qui rend son interprétation délicate. Néanmoins, son intérêt réside dans l'esquisse accompagnant les opérations mathématiques décrites ci-dessus. Celle-ci représente un cercle maladroitement dessiné (ou bien une figure octogonale) inscrit dans un carré. À l'évidence, les calculs sont relatifs à l'aire du disque de diamètre neuf, comparable à celui du problème R50. 

La première hypothèse concernant ce dessin est que le scribe considère le disque dont il cherche l'aire comme équivalent à un octogone. Ce dernier est ainsi inscrit dans un carré dont les côtés sont égaux au diamètre du disque. L'octogone ayant une aire de 9² - 2 * 3² = 63, la surface du disque est alors approximée à 64. 

La deuxième hypothèse, avancée par Michel Guillemot, reproduit plus fidèlement le dessin et considère que la surface du disque est équivalente à un octogone irrégulier dont l'aire est exactement de 9² - (3² + 2*4) = 64 (voir figure ci-dessous). Cet auteur est allé plus loin en émettant l'hypothèse que le scribe pouvait reconstituer un carré de côté 8 en décomposant cet octogone, ce qui revient à avancer que l'idée de quadrature du cercle était déjà présente à leur esprit. Cette dernière hypothèse a toutefois le mérite de donner une explication satisfaisante à la formule utilisée au problème R50, qui revient à avancer l'égalité entre l'aire d'un disque et l'aire d'un carré dont les côtés sont égaux au 8/9 du diamètre du disque. 

Cette recherche géométrique pourrait trouver un équivalent dans une autre esquisse, découverte sur un mur du temple de Louxor par Ludwig Borchardt. Il s'agit d'une ellipse construite à l'aide d'un rectangle, les aires des deux figures n'étant différentes que de 1 %.

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La demi-sphère 

L'énoncé M10 du papyrus de Moscou fut étudié maintes fois mais les auteurs ne s'accordent toujours pas sur l'interprétation du problème. Les tenants de l'étude de la surface d'un demi-cercle s'opposent à ceux de l'étude d'une demi-sphère. Il semble bien, au vu de l'énoncé et en dépit des nombreuses questions que cela engendre, que cette dernière proposition soit la plus acceptable.

Énoncé du problème M10 du papyrus de Moscou 

 

Le terme nbt est traduit par corbeille. L'égyptien aboutit donc à un calcul donnant 32 comme résultat. Sylvia Couchoud a remarqué que la formule  de la surface d'une demi-sphère,  étant remplacé par le rapport égyptien 256/81, donne exactement le même résultat.

Calcul d'un volume 

Autant l'arpentage nécessitait de solides connaissances quant aux calculs des aires, autant la vie domestique et la construction des grands édifices nécessitaient de savoir calculer des volumes, tels que ceux des greniers à blé ou des grandes constructions funéraires.

Volume d'un cube 

Comme le montre le problème R44 du papyrus Rhind, la formule du volume d'un solide de forme cubique était connue des anciens Égyptiens : V = l * L * H  où l, L et H sont respectivement la longueur, la largeur et la hauteur.

Énoncé du problème R44 du papyrus Rhind

Volume d'un cylindre (application aux greniers à blé) 

Les calculs de volume d'un cylindre interviennent dans les études du contenu des grenier à blé dont la base est ronde. Les représentations égyptiennes de ce type de grenier sont fréquentes (voir ci-contre). Le sommet est de forme ovoïde mais celui-ci n'est jamais pris en compte dans les calculs. L'introduction du grain se faisant par une trappe située au sommet, le tas de grain ne devait jamais dépasser la limite à partir de laquelle le diamètre du grenier diminuait.

Il existe deux types de calcul d'un tel volume. L'exemple suivant présente le premier type, fondé sur le calcul de l'aire d'un disque.

Énoncé du problème R41 du papyrus Rhind   

Méthode de calcul :

 

et

 

La formule algébrique équivalente serait donc , avec d le diamètre du disque et h, la hauteur du cylindre.

Le papyrus Kahun quant à lui, présente un calcul faisant intervenir une seconde méthode :

Calcul du problème K4 du papyrus Kahun  

et

et

Ce calcul, répondant au problème du calcul d'un cylindre dont l'énoncé manque, peut être traduit en langage algébrique moderne. L'énoncé devait demander au scribe de calculer le volume en khar d'un grenier rond de 12 coudées de diamètre et de 8 coudées de hauteur.

Nous traduirions le raisonnement du scribe par l'application de cette formule : , formule strictement équivalente à celle énoncée plus haut reposant sur le calcul de l'aire d'un disque.

Volume d'une pyramide tronquée 

Le problème M14 du papyrus de Moscou est remarquable en ce sens qu'il dévoile l'extraordinaire capacité des anciens Égyptiens à inventer et utiliser des méthodes de calcul complexes et d'une parfaite justesse. 

Énoncé du problème M14 du papyrus de Moscou  

Cet énoncé décrit le calcul suivant :

que l'on pourrait traduire très exactement par :

formule générale exacte d'une pyramide tronquée.

Le moyen mis en œuvre par les Égyptiens pour déterminer une méthode aussi complexe nous est inconnu. Les Babyloniens ne sont parvenus qu'à une approche approximative du résultat pouvant être associée à la formule suivante :
.

Volume d'un tronc de cône 

Un papyrus d'époque tardive, mais découvert en Égypte à Oxyrhynque traite du volume d'un tronc de cône identifié à une clepsydre. La description de cet instrument rappelle de très près la clepsydre de Karnak et démontre que les anciens Égyptiens furent très tôt capables de calculer de tels volumes.

Notes et références

Sources 

 
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Histoire de la géométrie
Mathématiques dans l'Égypte antique