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Leçon 4

Orthogonalité de deux droites, d'une droite et d'un plan

Vidéo 4 : Droites orthogonales, droite orthogonale à un plan · 3 min 06 s · sous-titres en français

Le cours écrit

4.1 Droites orthogonales, droites perpendiculaires

Définition. Deux droites dd et d′d', de vecteurs directeurs u⃗\vec{u} et u⃗′\vec{u}', sont orthogonales si u⃗⋅u⃗′=0\vec{u} \cdot \vec{u}' = 0. Cela revient à dire que leurs parallèles menées par un même point sont perpendiculaires.

Deux droites perpendiculaires sont deux droites orthogonales et sécantes (elles sont alors coplanaires).

Exemple 14. Dans le cube :

  • (AB)(AB) et (BF)(BF) sont perpendiculaires : elles se coupent en BB, et la face ABFEABFE est un carré ;
  • (AB)(AB) et (CG)(CG) sont orthogonales, car AB→⋅CG→=AB→⋅BF→=0\overrightarrow{AB} \cdot \overrightarrow{CG} = \overrightarrow{AB} \cdot \overrightarrow{BF} = 0, mais elles ne se coupent pas (elles ne sont même pas coplanaires) : elles ne sont pas perpendiculaires ;
  • piège : (AB)(AB) et (AD)(AD) sont toutes les deux orthogonales à (AE)(AE), mais elles ne sont pas parallèles. Dans l'espace, deux droites orthogonales à une même droite ne sont pas forcément parallèles.

4.2 Droite orthogonale à un plan

Définition. Une droite dd est orthogonale à un plan P\mathcal{P} si elle est orthogonale à toutes les droites de P\mathcal{P}.

Théorème. Une droite est orthogonale à un plan si et seulement si elle est orthogonale à deux droites sécantes de ce plan.

Démonstration. Si dd est orthogonale au plan, elle est orthogonale en particulier à deux droites sécantes de ce plan. Réciproquement, soit w⃗\vec{w} un vecteur directeur de dd, et u⃗\vec{u}, v⃗\vec{v} des vecteurs directeurs de deux droites sécantes du plan : ils ne sont pas colinéaires, et tout vecteur de la direction du plan s'écrit au⃗+bv⃗a\vec{u} + b\vec{v} (chapitre 3). Par bilinéarité, w⃗⋅(au⃗+bv⃗)=a w⃗⋅u⃗+b w⃗⋅v⃗=a×0+b×0=0.\vec{w} \cdot \left(a\vec{u} + b\vec{v}\right) = a\,\vec{w} \cdot \vec{u} + b\,\vec{w} \cdot \vec{v} = a \times 0 + b \times 0 = 0. Donc w⃗\vec{w} est orthogonal à tout vecteur directeur d'une droite du plan.

Conséquence. Si une droite est orthogonale à un plan, elle est orthogonale à toutes les droites de ce plan, même à celles qui ne la coupent pas.

Exemple 15. Dans le cube, (AE)(AE) est orthogonale à (AB)(AB) et à (AD)(AD), deux droites sécantes du plan (ABC)(ABC). Donc (AE)(AE) est orthogonale au plan (ABC)(ABC), et par conséquent à (BD)(BD) et à (AC)(AC).

Exemple 16. Dans le repère (A ;AB→,AD→,AE→)(A\,;\overrightarrow{AB}, \overrightarrow{AD}, \overrightarrow{AE}) : AG→ (1 ;1 ;1)\overrightarrow{AG}\,(1\,;1\,;1), BD→ (−1 ;1 ;0)\overrightarrow{BD}\,(-1\,;1\,;0) et BE→ (−1 ;0 ;1)\overrightarrow{BE}\,(-1\,;0\,;1). On calcule AG→⋅BD→=−1+1+0=0\overrightarrow{AG} \cdot \overrightarrow{BD} = -1 + 1 + 0 = 0 et AG→⋅BE→=−1+0+1=0\overrightarrow{AG} \cdot \overrightarrow{BE} = -1 + 0 + 1 = 0. Les droites (BD)(BD) et (BE)(BE) sont sécantes en BB : la diagonale (AG)(AG) est orthogonale au plan (BDE)(BDE). Elle est donc aussi orthogonale à (DE)(DE).

Exemple 17 (tétraèdre régulier, sans coordonnées). ABCDABCD est un tétraèdre régulier et II le milieu de [CD][CD]. Le triangle ACDACD est équilatéral, donc sa médiane (AI)(AI) est aussi une hauteur : (AI)⊥(CD)(AI) \perp (CD). De même, (BI)⊥(CD)(BI) \perp (CD). La droite (CD)(CD) est orthogonale aux droites sécantes (AI)(AI) et (BI)(BI) du plan (ABI)(ABI) : elle est orthogonale à ce plan, donc à la droite (AB)(AB). On retrouve le résultat de l'exemple 5 : deux arêtes opposées sont orthogonales.

Lire le cours complet du chapitre

Exercices 7 et 8

  • Exercice 7 : orthogonalités dans un cube
  • Exercice 8 : le toit d'un kiosque

Exercices du chapitre (PDF, 174 Ko)

Corrigés

Cherche d'abord les exercices sur ta feuille, puis compare avec le corrigé détaillé.

Corrigés du chapitre (PDF, 162 Ko)

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