Mathématiques : 1Bac S.Exp – STE – STM

Séance 12 (Géométrie analytique de l’espace)

 

 

Professeur : Mr ETTOUHAMY Abdelhak

 

Sommaire

 

I- Coordonnées d’un point

1-1/ Base et repère de l’espace E

1-2/ Coordonnées d’un point par rapport un repère – Coordonnées d’un vecteur par rapport une base

1-3/ Coordonnées des vecteurs  u+vαu et AB

II- Deux vecteurs colinéaires - Trois vecteurs coplanaires

2-1/ Conditions de colinéarité de deux vecteurs

2-2/ Conditions de coplanarité de trois vecteurs

III- Représentation paramétrique d’une droite de l’espace E

IV- Positions relatives de deux droites dans l’espace E

V- Représentation paramétrique d’un plan – Équation cartésienne d’un plan de l’espace E

5-1/ Représentation paramétrique d’un plan

5-2/ Équation cartésienne d’un plan de l’espace E

5-3/ Positions relatives de deux plans

VI- Système de deux équations cartésiennes d’une droite de l’espace E

6-1/ Système de deux équations cartésiennes d’une droite

6-2/ Positions relatives d’une droite et un plan de l’espace E

VII- Exercices

7-1/ Exercice 1

7-2/ Exercice 2

7-3/ Exercice 3

7-4/ Exercice 4

7-5/ Exercice 5

7-6/ Exercice 6

 


I- Coordonnées d’un point

 

1-1/ Base et repère de l’espace E

Vocabulaire

Le triplet i,j,k s’appelle base de l’espace .

On dit que l’espace E est muni (ou rapporté) de la base i,j,k.

Le quadruplet O,i,j,k s’appelle repère de l’espace.

On dit que l’espace E est muni (ou rapporté au) du repère O,i,j,k.

 

 

1-2/ Coordonnées d’un point par rapport un repère – Coordonnées d’un vecteur par rapport une base

Définition

Pour tout point M de l’espace E muni du repère O,i,j,k, il existe un et un seul triplet x,y,z3 tel que : OM=xi+yj+zk

Le triplet x,y,z s’appelle les coordonnées du point M par rapport au repère O,i,j,k.

On note : Mx,y,z ou Mxyz

Le triplet x,y,z s’appelle aussi les coordonnées du vecteur OM de l’espace E par rapport au repère O,i,j,k (ou encore par rapport à la base i,j,k).

On note : OMx,y,z ou OMxyz

Le nombre réel x s’appelle l’abscisse du point M de l’espace E par rapport au repère O,i,j,k.

Le nombre réel y s’appelle l’ordonné du point M de l’espace E par rapport au repère O,i,j,k.

Le nombre réel z s’appelle la cote du point M de l’espace E par rapport au repère O,i,j,k.

 

 

1-3/ Coordonnées des vecteurs  u+vαu et AB

Propriété

Soient ux,y,z et vx',y',z' deux vecteurs et A(a,b,c) et B(a',b',c') deux points de l’espace E rapporté au repère O,i,j,k, et I le milieu du segment AB et α.

On a :

1) u+vx+x',y+y',z+z' et αuαx,αy,αz

2) ABa'-a,b'-b,c'-c

3) Ia+a'2,b+b'2,c+c'2

 

II- Deux vecteurs colinéaires - Trois vecteurs coplanaires

 

2-1/ Conditions de colinéarité de deux vecteurs

Propriété (Rappel)

Soient ux,y,z et vx',y',z' deux vecteurs de l’espace E rapporté au repère O,i,j,k.

u et v sont colinéaires équivaut à il existe α de tel que v=αu ou u=αv.

 

 

Déterminants extraites de u et v

Soient ux,y,z et vx',y',z' deux vecteurs de l’espace E rapporté au repère O,i,j,k.

Les déterminants suivants :

Δx=yy'zz' ; Δy=xx'zz' ; Δz=xx'yy'

s’appellent les déterminants extraites de u et v.

u et v sont colinéaires équivaut à Δx=Δy=Δz=0 (les déterminants extraites de u et v sont tous nuls).

 

 

2-2/ Condition de coplanarité de trois vecteurs

Déterminant de trois vecteurs de l’espace

Soient ux,y,z et vx',y',z' et wx",y",z" trois vecteurs de l’espace E rapporté au repère O,i,j,k.

Le nombre :

detu,v,w=xx'x"yy'y"zz'z"=xy'y"z'z"-yx'x"z'z"+zx'x"y'y"detu,v,w=xy'z"-xz'y"+-yx'z"+yz'x"+zx'y"-zy'x"

est appelé déterminant des vecteurs u et v et w dans cet ordre.

 

 

 

Propriété

Soient ux,y,z et vx',y',z' et wx",y",z" trois vecteurs de l’espace E rapporté au repère O,i,j,k.

u et v et w sont coplanaires si et seulement si detu,v,w=0.

III- Représentation paramétrique d’une droite de l’espace E

 

Définition

Le système x=x0+ty=y0+tz=z0+t, t s’appelle représentation paramétrique de la droite DAx0y0z0,uabc

Remarques

Pour chaque valeur du paramètre t on obtient un point et un seul, et la réciproque est vraie.

Par exemple : la valeur t=0 donne le point Ax0,y0,z0.

La représentation paramétrique de la droite DA,u n’est pas unique, on peut remplacer x0,y0,z0 par x1,y1,z1 coordonnées du point B à condition que BDA,u.

 

IV- Positions relatives de deux droites dans l’espace E

 

Activité

On considère dans l’espace E rapporté au repère O,i,j,k les droites AB et EH et IJ et BG.

  • Déduire les différentes positions relatives distinctes entre deux droites :

 

 

Propriété

DA,u et D'B,v sont deux droites de l’espace E rapporté au repère O,i,j,k.

1) D=D'(u et v sont colinéaire et les deux droites ont un point commun).

2) D et D' sont strictement parallèles (u et v sont colinéaire et les deux droites n’ont pas un point commun).

3) DD'=I(u et v ne sont pas colinéaires et le point I est commun aux deux droites).

4) D et D' sont deux droites non coplanaires (u et v ne sont pas colinéaires et les deux droites n’ont pas des points communs) (u et v et AB ne sont pas coplanaires)detu,v,AB=0.

 

V- Représentation paramétrique d’un plan – Équation cartésienne d’un plan de l’espace E

 

5-1/ Représentation paramétrique d’un plan

Définition

Le système x=x0+αa+βa'y=y0+αb+βb'z=z0+αc+βc'; α,β2 s’appelle représentation paramétrique du plan PAx0y0z0,uabc,va'b'c' de l’espace E.

Remarques

Pour chaque valeur du paramètre α et du paramètre β on obtient un point et un seul, et la réciproque est vraie.

La représentation paramétrique du plan PA,u,v n’est pas unique, on peut remplacer x0,y0,z0 par x1,y1,z1 coordonnées du point B à condition que BPA,u,v.

 

 

5-2/ Équation cartésienne d’un plan de l’espace E

Définition et propriété

Soit PAx0y0z0,ua'b'c',va"b"c" un plan de l’espace E rapporté au repère O,i,j,k.

Le plan P est l’ensemble des points M(x,y,z) de l’espace E qui vérifie l’équation :

x-x0Δx+y-y0Δy+z-z0Δz=0

avec a=Δx et b=Δy et c=Δz sont les déterminants extraites de u et v.

L’équation x-x0Δx+y-y0Δy+z-z0Δz=0 s’appelle équation cartésienne du plan PA,u,v.

En générale l’équation s’écrit PA,u,v : ax+by+cz+d=0, avec a=Δx et b=Δy et c=Δz et d=-x0Δx+y0Δy-z0Δz sont des réels et a,b,c0,0,0 (au moins un nombre est non nul).

 

 

Application

On donne l'équation cartésienne du plan PO,i,j.

Méthode 1 :

Mx,y,zPO,i,jdetAM,i,j=0x10y01z00=0x0100-y1000+z1001=0z=0

Méthode 2 :

P : ax+by+cz+d=0a=Δx=0100=0b=Δy=1000=0c=Δz=1001=1P : z+d=0O0,0,0P0+d=0d=0P : z=0

 

 

5-3/ Positions relatives de deux plans

Activité

On considère dans l’espace E rapporté au repère O,i,j,k les droites P et P1 et Q et ABC

Déduire les différentes positions relatives distinctes entre deux plans :

 

 

Propriété

P:ax+by+cz+d=0 et P':a'x+b'y+c'z+d'=0 sont deux plans del’espace E rapporté au repère O,i,j,k.

1) Les 2 plans sont confondues :

P=P'a'=ka et b'=kb et c'=kc et d'=kd et k0P=P'aa'=bb'=cc'=dd'

2) Les 2 plans sont strictement parallèles :

PP'=a'=ka et b'=kb et c'=kc et d'kd et k0P=P'aa'=bb'=cc' et d'kd 

3) Les 2 plans sont sécants suivant une droite :

PP'=Dua,b,c et va',b',c' ne sont pas colinéaires

PP'=Dau moins deux des rapports suivants aa' et bb' et cc' ne soient pas égaux.

4) PA,u,v et P'B,u',v' sont deux plans sécants(u et v et u' sont coplanaires, et aussi les vecteurs u et v et v')detu,v,u'=0 et detu,v,v'=0.

VI- Système de deux équations cartésiennes d’une droite de l’espace E

 

6-1/ Système de deux équations cartésiennes d’une droite

Propriété et définition

Dans l’espace E rapporté au repère O,i,j,k, on considère la droite DAx0,y0,z0,ua,b,c.

Un point M(x,y,z) de l’espace E appartient à la droite DA,u si et seulement si on a :

- 1er cas : on suppose que les nombres a et b et c sont non nuls :

 x-x0a=y-y0b=z-z0c s’appelle système de deux équations cartésiennes de la droite DA,u.

- 2ème cas : on suppose qu’un nombre seul parmi les nombres a et b et c est nul ( on suppose que a=0)

x-x0=0 et y-y0b=z-z0c s’appelle système de deux équations cartésiennes de la droite DA,u.

- 3ème cas : on suppose que juste deux nombres parmi les nombres a et b et c sont nuls ( on suppose que a=0 et c=0)

x-x0=0 et z-z0=0 s’appelle système de deux équations cartésiennes de la droite DA,u.

 

 

6-2/ Positions relatives d’une droite et un plan de l’espace E

Activité

On considère dans l’espace E rapporté au repère O,i,j,k une droite D et un plan P.

  • Déduire les différentes positions relatives distinctes entre le plan et la droite :

 

 

Propriété

Soient DB,w une droite et PA,u,v un plan de l’espace E rapporté au repère O,i,j,k.

1) La droite D est inclue dans le plan P(les vecteurs u et v et w sont coplanaires et BP)detu,v,w=0 et BP

2) Le droite D est strictement parallèle u plan P(les vecteurs u et v et w sont coplanaires et BP)detu,v,w=0 et BP.

3) La droite D coupe le plan P au point A(les vecteurs u et v et w ne sont pas coplanaires)detu,v,w0.

VII- Exercices

 

7-1/ Exercice 1

On considère les vecteurs u(2;1;4)v(1;-1;1) et w(1;2;3).

  1. Montrer que les vecteurs uv et w sont  coplanaires.

On considère les vecteurs u(1+m;1;2m-1)v(1;-1;1) et w(1;2;3).

  1. Déterminer m pour que les vecteurs uv et w soient coplanaires.

 

 

7-2/ Exercice 2

On considère les points A(1;2;-1), B(-1;3;1)C(5;0;-5) et E(1;3;0).

Soit M(x;y;z) un point de l’espace.

  1. Montrer que si M(AB), alors t tel que le système S : x=1-2ty=2+tz=-1+2t est une représentation paramétrique de la droite (AB).
  1. Montrer que C(AB).
  1. Le point E appartient-il à la droite (AB) ?

 

 

7-3/ Exercice 3

  1. Déterminer deux équations cartésiennes de la droite (D) passant par le point A-1;-2;13 et dirigée par le vecteur u-2;12;1.

SoitΔ  une droite définie par ses deux équations cartésiennes suivantes :

2x-13=3y-2-2=z-12

  1. Déterminer un vecteur directeur de la droite Δ et un point de Δ.
  1. Déduire une représentation paramétrique de la droite Δ.

 

 

7-4/ Exercice 4

On considère les points A(1;2;3)B(-1;3;1) et C(3;3;-1).

  1. Montrer que les points AB et C ne sont pas alignés.

Soit M(x;y;z) un point de l’espace.

  1. Montrer que MABCt;t'2 : x=1-2t+2t'y=2+t+t'z=3-2t+4t' le système  est une représentation paramétrique du plan (ABC).
  1. En déduire que M(x;y;z)(ABC)x+6y-2z-7=0.

 

 

7-5/ Exercice 5

  1. Étudier les positions relatives de la droite (D) et la droite Δ dans les cas suivants :

1 D:x=-2+ty=2-2tz=4+tt et Δ:x=-1-t'y=2t'z=1+t't'2 D:x=1+ty=-2-2tz=2+3tt et Δ:x=2t'y=1-t'z=3+t't'3 D:x=1+ty=-2z=2-tt et Δ:x=2t'y=1z=3-2t't'

 

 

7-6/ Exercice 6

  1. Étudier la position relative de la droite D et le plan P dans les cas suivants :

1 D:x=2-4ty=-1+2tz=3tt et P : 3x+2y+z+1=02 D:x=-4+5ty=-1-2tz=-3+tt et P : x+3y+z+4=0