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,z)3 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 : M(x,y,z) ou M(xyz)

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 : OM(x,y,z) ou OM(xyz)

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 u(x,y,z) et v(x' 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