Mathématiques : 1Bac SM

Séance 15-1 : Vecteurs de l’espace (Cours)

 

 

Professeur : Mr CHEDDADI Haitam

 

Sommaire

 

I- Vecteurs de l'espace

1-1/ Notion de vecteur dans l'espace

1-2/ Addition vectorielle dans l'espace

1-3/ Multiplication d'un vecteur par un réel

II- Vecteurs colinéaires - Droites de l'espace

2-1/ Colinéarité de deux vecteurs

2-2/ Définition vectorielle d'une droite de l'espace

III- Définition sectorielle d'un plan - Vecteurs coplanaires

3-1/ Définition vectorielle d'un plan de l'espace

3-2/ Vecteurs coplanaires

IV- Parallélisme dans l'espace

4-1/ Droites parallèles dans l’espace

4-2/ Droites et plans parallèles dans l'espace

4-3/ Plans parallèles dans l'espace

 


I- Vecteurs de l'espace

 

1-1/ Notion de vecteur dans l'espace

Définition

Soit A et B deux points de l’espace.

- Si A≠B, alors le bipoint A;B détermine un vecteur AB→ d’origine A et d’extrémité B tel que :

  • Sa direction est celle de la droite AB de l’espace ;
  • Son sens est de A vers B ;
  • Sa norme, notée AB→, est la longueur du segment AB, et on écrit : AB→=AB

- Si A=B, alors le vecteur AB→ est appelée le vecteur nul qu'on le note 0→, et on écrit : AA→=0→

 

 

Remarques

- Soit O un point de l'espace.

Pour tout vecteur u→ de l'espace, il existe un unique point M de l'espace tel que : OM→=u→

- L'ensemble de tous les vecteurs de l'espace est noté V3.

- Le vecteur -u→ est le vecteur de même direction, de même norme que u→, mais de sens contraire :

- Deux vecteurs sont dits égaux s'ils ont même direction, même sens et même longueur.

- Dire que AB→=CD→ signifie que ABDC est un parallélogramme, c'est-à-dire que les segments AD et BC ont le même milieu. Les droites AD et BC sont parallèles.

 

 

Applications

Soit ABCDEFGH un parallélépipède rectangle.

  1. a- Construire les points I et J tels que BI→=DC→ et JD→=AC→.

Soit O et O' respectivement les centres des parallélogrammes ABCD et EFGH.

  1. b- Montrer que AOGO' est un parallélogramme.

Soit ABCD un tétraèdre.

  1. a- Construire le point E tel que : AB→=CE→
  1. b- Construire le point F symétrique du point C par rapport au point A, puis montrer que FAEB est un parallélogramme.
  1. c- Construire les points H et K tels que EH→=BC→ et KA→=BD→.

 

 

1-2/ Addition vectorielle dans l'espace

Définition

Soit u→ et v→ deux vecteurs de l'espace V3.

On pose : u→=AB→ et v→=BC→.

La somme des vecteurs u→ et v→ est le vecteur AC→, et on écrit : u→+v→=AC→

 

 

Proposition

1) Pour tous points M, N et P de l'espace, on a : MN→+NP→=MP→ (Relation de Chasles).

2) Pour tous vecteurs u→, v→ et w→ de l'espace V3, on a :

u→+v→=v→+u→u→+v→+w→=u→+v→+w→u→+0→=u→u→+-u→=0→

 

 

Applications

Soit ABCDA'B'C'D' un cube.

  1. Déterminer les points M et N sachant que :

A'M→=B'D→+D'C'→+CA→ et A'N→=B'C'→+AD→+D'A→

Soit ABCD un tétraèdre, H le milieu du segment [BC] et K le milieu du segment [AD].

  1. Montrer que : BD→+CA→+CD→+BA→=4HK→

Soit ABCDEFGH un parallélépipède rectangle, I le milieu de [AD] et J le milieu de [EG].

  1. a- Montrer que BF→+AD→+HG→=AG→ et EF→+BC→+CG→=EC→.
  1. b- Déterminer le point M tel que IJ→+GD→+EA→=IM→.

 

 

1-3/ Multiplication d'un vecteur par un réel

Définition

Soit u→ un vecteur non nul et k un réel non nul.

Le produit du vecteur u→ par le réel k est le vecteur v→ noté k.u→, ou simplement ku→, et qui vérifie les conditions suivantes :

  • u→ et v→ ont la même direction ;
  • v→ a le même sens que celui de u→ si k>0, et de sens contraire de u→ si k<0.
  • v→=k.u→

On écrit : v→=k.u→

Pour tout vecteur u→ et tout réel k, on pose 0.u→=0→ et k.0→=0→.

 

 

Proposition

Pour tous vecteurs u→ et v→ de l’espace V3 et pour tout réels α et β, on a :

1 αu→+v→=αu→+αv→2 α+βu→=αu→+βu→3 1.u→=u→4 αβu→=αβu→5 αu→=0→⇔α=0 ou u→=0→

 

 

Remarques

- Aux règles de calcul citées dans la proposition précédente s'ajoutent les règles suivantes :

Pour tous vecteurs u→ et v→ de l’espace, et pour tout réels α et β, on a :

1 αu→-v→=αu→-αv→2 α-βu→=αu→-βu→3 -1.u→=-u→4 α-βu→=-αβu→=-αβu→

- Si u→, v→ et w→ sont trois vecteurs de l’espace V3, alors : w→=u→+v→⇔v→=w→-u→

- Soit ABCD un quadrilatère convexe et k un réel non nul. Alors :

AB→=k.CD→ si et seulement si, ABCD ou ABDC est un trapèze de bases AB et CD avec : AB=kCD

 

II- Vecteurs colinéaires - Droites de l'espace

 

2-1/ Colinéarité de deux vecteurs

Définition

On dit que deux vecteurs u→ et v→ de l’espace V3 sont colinéaires s’il existe un réel k tel que :

v→=k.u→ ou u→=k.v→

Remarques

- Le vecteur nul 0→ est colinéaire avec tout vecteur de l’espace V3.

- On considère deux vecteurs non nuis u→=AB→ et u'→=A'B'→.

Les vecteurs u→ et u'→ sont colinéaires si, et seulement si : AB//A'B'

- Les points A, B et C sont alignés si, et seulement si, les vecteurs AB→ et AC→ sont colinéaires, c’est-à-dire : il existe k∈ℝ tel que : AC→=k.AB→

 

 

Applications

Soit ABCDEFGH un cube.

On considère les points I, N et P définis par :

AP→=15AD→  ;  NA→+NE→=0→  ;  BI→=25BC→

  1. a- Montrer que les vecteurs IF→ et NP→ sont colinéaires.

Soit J le symétrique du point B par rapport à A.

  1. b- Montrer que les points I, J et P sont alignés.

Soit ABCDEFGH un parallélépipède rectangle.

  1. a- Construire les points K, L et M défini par :

AK→=12AB→+AD→+12AE→EL→=34EF→AM→=HF→+32AE→

  1. b- Montrer que les points K, L et M sont alignés.

 

 

Proposition

Soit u→ et v→ deux vecteurs de l’espace V3 et a;b∈ℝ2.

1) Si au→+bv→=0→ et a;b≠0;0, alors les vecteurs u→ et v→ sont colinéaires.

2) Si u→ et v→ ne sont pas colinéaires, alors pour tout a;b∈ℝ2 : au→+bv→=0→⇒a=b=0

 

 

2-2/ Définition vectorielle d'une droite de l'espace

Proposition

Soit A un point de l’espace et u→ un vecteur non nul de V3.

L’ensemble de points M de l'espace tels que AM→=k.u→ où k∈ℝ, est la droite passant par A et de vecteur directeur u→.

Cette droite est notée : DA;u→

 

 

Remarques

- On a : DA;u→=M∈E/AM→=k.u→ ; k∈ℝ

Soit D une droite de l’espace E et u→ un vecteur directeur de D.

  • Si A et B sont deux points de la droite D, alors : DA;u→=DB;u→
  • Pour tout λ∈ℝ* : DA;u→=DA;λu→

- Si A et B sont deux points distincts de l’espace E, alors : M∈AB⇔∃k∈ℝ ; AM→=k.AB→

 

III- Définition sectorielle d'un plan - Vecteurs coplanaires

 

3-1/ Définition vectorielle d'un plan de l'espace

Théorème

- Tout plan de l'espace est déterminé par un point et deux vecteurs non colinéaires appelés vecteurs directeurs de ce plan.

- Soit A un point de l'espace et u→ et v→ deux vecteurs non colinéaires.

L'ensemble P des points M de l'espace E tels que AM→=αu→+βv→ avec α;β∈ℝ2 est le plan passant par A et dirigé par les vecteurs u→ et v→.

On le note PA;u→;v→, et on écrit :

PA;u→;v→=M∈E/AM→=α.u→+β.v→ ; α;β∈ℝ2

 

 

Remarques

- Soit A, B et C trois points non alignés de l'espace.

On a Pour tout point M de l'espace :

M∈ABC⇔∃α;β∈ℝ2; AM→=α.AB→+β.AC→

- Soit P le plan passant par A et dirigé par les vecteurs u→ et v→.

Alors, pour tout E∈P et pour tout λ;μ∈ℝ*2, on a : P=PE;u→;v→=PE;λu→;μv→

 

 

Applications

Soit ABCDEFGH un cube.

On pose : u→=AE→, v→=AB→ et w→=FG→

  1. Déterminer les plans PC;u→-12v→;w→ et PE;u→-v→;v+w→.

Soit ABCDEFGH un cube.

I, J et O sont respectivement les milieux des segments [BC], [AE] et [CF].

2)Déterminer les plans suivants :

PO;AJ→;EH→  ;  PI;IJ→;CG→  ;  PJ;OB→;DH→

On considère les points I, N et P définis par :

AP→=15AD→  ;  NA→+NE→=0→  ;  BI→=25BC→

 

 

3-2/ Vecteurs coplanaires

Définition

Soit u→, v→ et w→ trois vecteurs de l'espace V3.

On dit que les vecteurs u→, v→ et w→ sont coplanaires, s’il existe quatre points coplanaires A, B, C et D appartenant à un même plan tels que :

u→=AB→ et v→=AC→ et w→=AD→

 

 

Remarques

- Le vecteur nul est coplanaire avec deux vecteurs quelconques de l'espace V3.

- Si deux vecteurs u→ et v→ sont colinéaires, alors pour tout vecteur w→ de l’espace V3, les trois vecteurs u→, v→ et w→ sont coplanaires.

- Si ABCD est tétraèdre, alors les vecteurs AB→, AC→ et AD→ ne sont pas coplanaires.

 

 

Proposition

Soit u→ et v→ deux vecteurs non colinéaires et w→ un vecteur de l’espace.

Les vecteurs u→, v→ et w→ sont coplanaires si, et seulement si, il existe deux réels a et b tels que : w→=au→+bv→

Remarques

Soit A, B, C et M quatre points de l'espace.

S'il existe deux réels x et y tels que AM→=x.AB→+y.AC→, alors les points A, B, C et M sont coplanaires.

 

 

Applications

Soit ABCDEFGH un parallélépipède rectangle.

  1. Montrer que les vecteurs FD→, 2BD→ et 2EA→ sont coplanaires.
  1. Les vecteurs 12FD→, BD→ et EH→ sont-ils coplanaires ? Justifier la réponse.

On pose : u→=AF→+AD→, v→=AH→+CF→ et w→=AG→+HB→.

  1. Les vecteurs u→, v→ et w→ sont-ils coplanaires ?

 

IV- Parallélisme dans l'espace

 

4-1/ Droites parallèles dans l’espace

Proposition

Soit A et A' deux points de l’espace et u→ et v→ sont deux vecteurs non nuls.

Les droites DA;u→ et DA';v→ sont parallèles si, et seulement si, les vecteurs u→ et v→ sont colinéaires.

 

 

Application

Soit ABCD un tétraèdre.

Les points M et N sont respectivement les milieux des segments [AC] et [AD].

Soit K le point de l’espace vérifiant la relation : 2BK→+CK→=0→

  1. Montrer que (MN)//(BK), puis que les droites (KN) et (BM) sont sécantes.

 

 

4-2/ Droites et plans parallèles dans l'espace

Proposition

Soit D une droite de vecteur directeur u→, et P un plan de vecteurs directeurs v→ et w→.

Pour que la droite D soit parallèle au plan P, il faut et il suffit que les trois vecteurs u→, v→ et w→ soient coplanaires.

Autrement dit : D//P⇔∃a;b∈ℝ2 ; u→=av→+bw→

 

 

Application

Soit ABCDEFGH un cube.

K et L sont respectivement les milieux des segments [BC] et [AD].

Le point M est le centre de gravité de BCD, etle point N est le centre de gravité de FGH.

Soit S un point du segment [MN].

  1. Montrer que la droite (KS) est parallèle au plan (BFL).

 

 

4-3/ Plans parallèles dans l'espace

Proposition

Soit P un plan de vecteurs directeurs u→ et v→, et P' un plan de vecteurs directeurs u'→ et v'→.

Pour que les plans P et P' soient parallèles, il faut et il suffit que :

(u→, u'→ et v→ soient coplanaires) et (u→, u'→ et v'→soient coplanaires)

 

 

Applications

Soit ABCD un tétraèdre.

On considère les points E, F et G tels que :

AE→=43AB→  ;  DG→=13AD→  ;  CF→=13AC→

  1. Montrer que les plans (BCD) et (EFG) sont parallèles.

Soit ABCD un tétraèdre et t∈ℝ*.

On considère les points M, N et K tels que :

DM→=tDA→  ;  CN→=1-tCD→  ;  NK→=tCB→

  1. Montrer que les plans (ABC) et (MNK) sont parallèles.

Soit ABCDEFGH un cube.

Les points I, J, K et L sont les milieux respectifs des segments [AE], [AB], [EH] et [KJ].

  1. a- Montrer que AK→=12AD→+AE→ et IL→=14AC→.
  1. b- Montrer que les plans (ABC) et (IJK) se coupent selon une droite Δ, dont on déterminera un point et un vecteur directeur.