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Leçon 5

Vecteur normal à un plan, plan médiateur

Vidéo 5 : Vecteur normal à un plan, plan médiateur · 3 min 28 s · sous-titres en français

Le cours écrit

5.1 Vecteur normal

Définition. Un vecteur n⃗\vec{n} non nul est normal à un plan P\mathcal{P} si sa direction est orthogonale à P\mathcal{P}, c'est-à-dire si n⃗\vec{n} est orthogonal à tous les vecteurs de la direction de P\mathcal{P}.

D'après le théorème de la leçon 4, il suffit que n⃗\vec{n} soit orthogonal à deux vecteurs non colinéaires du plan. Tous les vecteurs normaux à un même plan sont colinéaires (admis).

Exemple 18. Dans le cube :

  • AE→\overrightarrow{AE} est normal au plan (ABC)(ABC) (exemple 15) ;
  • AG→\overrightarrow{AG} est normal au plan (BDE)(BDE) (exemple 16) ;
  • BH→ (−1 ;1 ;1)\overrightarrow{BH}\,(-1\,;1\,;1) est normal au plan (ACF)(ACF) : BH→⋅AC→=−1+1+0=0\overrightarrow{BH} \cdot \overrightarrow{AC} = -1 + 1 + 0 = 0 et BH→⋅AF→=−1+0+1=0\overrightarrow{BH} \cdot \overrightarrow{AF} = -1 + 0 + 1 = 0, avec AC→\overrightarrow{AC} et AF→\overrightarrow{AF} non colinéaires.

5.2 Plan passant par un point et normal à un vecteur

Propriété. Soit AA un point et n⃗\vec{n} un vecteur non nul. L'ensemble des points MM tels que AM→⋅n⃗=0\overrightarrow{AM} \cdot \vec{n} = 0 est le plan P\mathcal{P} passant par AA et normal à n⃗\vec{n}.

Pourquoi ? Soit u⃗\vec{u}, v⃗\vec{v} deux vecteurs non colinéaires de la direction de P\mathcal{P}.

  • Si M∈PM \in \mathcal{P}, le vecteur AM→\overrightarrow{AM} est dans la direction de P\mathcal{P}, donc orthogonal à n⃗\vec{n}.
  • Réciproquement, n⃗\vec{n} n'est pas une combinaison de u⃗\vec{u} et v⃗\vec{v} : sinon, n⃗=au⃗+bv⃗\vec{n} = a\vec{u} + b\vec{v} donnerait n⃗⋅n⃗=a n⃗⋅u⃗+b n⃗⋅v⃗=0\vec{n} \cdot \vec{n} = a\,\vec{n} \cdot \vec{u} + b\,\vec{n} \cdot \vec{v} = 0, ce qui est impossible car n⃗≠0⃗\vec{n} \neq \vec{0}. Donc (u⃗,v⃗,n⃗)(\vec{u}, \vec{v}, \vec{n}) est une base de l'espace (chapitre 3), et AM→=au⃗+bv⃗+cn⃗\overrightarrow{AM} = a\vec{u} + b\vec{v} + c\vec{n}. Si AM→⋅n⃗=0\overrightarrow{AM} \cdot \vec{n} = 0, on obtient c ∥n⃗∥2=0c\,\lVert\vec{n}\rVert^2 = 0, donc c=0c = 0 : AM→=au⃗+bv⃗\overrightarrow{AM} = a\vec{u} + b\vec{v}, et M∈PM \in \mathcal{P}.

Méthode (tester si un point est dans le plan). On calcule AM→⋅n⃗\overrightarrow{AM} \cdot \vec{n} : le point MM est dans P\mathcal{P} si et seulement si ce nombre est nul. Au chapitre 10, cette condition, écrite avec les coordonnées de MM, donnera l'équation cartésienne du plan.

Exemple 19. Le plan P\mathcal{P} passe par A(1 ;0 ;2)A(1\,;0\,;2) et il est normal à n⃗ (2 ;−1 ;3)\vec{n}\,(2\,;-1\,;3).

  • M(3 ;1 ;1)M(3\,;1\,;1) : AM→ (2 ;1 ;−1)\overrightarrow{AM}\,(2\,;1\,;-1) et AM→⋅n⃗=4−1−3=0\overrightarrow{AM} \cdot \vec{n} = 4 - 1 - 3 = 0, donc M∈PM \in \mathcal{P}.
  • N(0 ;2 ;3)N(0\,;2\,;3) : AN→ (−1 ;2 ;1)\overrightarrow{AN}\,(-1\,;2\,;1) et AN→⋅n⃗=−2−2+3=−1≠0\overrightarrow{AN} \cdot \vec{n} = -2 - 2 + 3 = -1 \neq 0, donc N∉PN \notin \mathcal{P}.

5.3 Conséquences

Soit P\mathcal{P} un plan de vecteur normal n⃗\vec{n}, et dd une droite de vecteur directeur w⃗\vec{w}.

  • dd est orthogonale à P\mathcal{P} si et seulement si w⃗\vec{w} et n⃗\vec{n} sont colinéaires.
  • dd est parallèle à P\mathcal{P} (strictement, ou contenue dans P\mathcal{P}) si et seulement si w⃗⋅n⃗=0\vec{w} \cdot \vec{n} = 0, c'est-à-dire si w⃗\vec{w} est dans la direction de P\mathcal{P}.
  • Deux plans sont parallèles si et seulement si leurs vecteurs normaux sont colinéaires.

5.4 Plan médiateur d'un segment

Définition. Soit AA et BB deux points distincts. Le plan médiateur du segment [AB][AB] est l'ensemble des points MM de l'espace tels que MA=MBMA = MB.

Propriété. Le plan médiateur de [AB][AB] est le plan qui passe par le milieu II de [AB][AB] et qui est normal au vecteur AB→\overrightarrow{AB}.

Démonstration. Pour tout point MM, d'après la leçon 3, MA2−MB2=(MA→+MB→)⋅(MA→−MB→).MA^2 - MB^2 = \left(\overrightarrow{MA} + \overrightarrow{MB}\right) \cdot \left(\overrightarrow{MA} - \overrightarrow{MB}\right). Or MA→+MB→=2MI→\overrightarrow{MA} + \overrightarrow{MB} = 2\overrightarrow{MI} (II est le milieu de [AB][AB]) et MA→−MB→=MA→+BM→=BA→\overrightarrow{MA} - \overrightarrow{MB} = \overrightarrow{MA} + \overrightarrow{BM} = \overrightarrow{BA}. Donc MA2−MB2=2MI→⋅BA→=2 IM→⋅AB→MA^2 - MB^2 = 2\overrightarrow{MI} \cdot \overrightarrow{BA} = 2\,\overrightarrow{IM} \cdot \overrightarrow{AB}. Comme MAMA et MBMB sont positifs, MA=MB  ⟺  MA2=MB2  ⟺  IM→⋅AB→=0MA = MB \iff MA^2 = MB^2 \iff \overrightarrow{IM} \cdot \overrightarrow{AB} = 0 : c'est la propriété 5.2 avec le point II et le vecteur AB→\overrightarrow{AB}.

C'est un exemple de lieu géométrique : l'ensemble des points qui vérifient une condition est un plan.

Exemple 20. Dans le cube, AB=AD=1AB = AD = 1, CB=CD=1CB = CD = 1 et EB=ED=2EB = ED = \sqrt2 : les points AA, CC et EE sont dans le plan médiateur de [BD][BD]. Ils ne sont pas alignés, donc ce plan médiateur est le plan (ACE)(ACE) (qui contient aussi GG). En particulier, BD→\overrightarrow{BD} est normal au plan (ACE)(ACE), et (BD)(BD) est orthogonale à (AG)(AG) et à (CE)(CE).

Exemple 21. A(1 ;2 ;−1)A(1\,;2\,;-1) et B(3 ;0 ;3)B(3\,;0\,;3). Le milieu de [AB][AB] est I(2 ;1 ;1)I(2\,;1\,;1) et AB→ (2 ;−2 ;4)\overrightarrow{AB}\,(2\,;-2\,;4). Pour M(3 ;2 ;1)M(3\,;2\,;1) : IM→ (1 ;1 ;0)\overrightarrow{IM}\,(1\,;1\,;0) et IM→⋅AB→=2−2+0=0\overrightarrow{IM} \cdot \overrightarrow{AB} = 2 - 2 + 0 = 0, donc MM est dans le plan médiateur. Vérification : MA2=4+0+4=8MA^2 = 4 + 0 + 4 = 8 et MB2=0+4+4=8MB^2 = 0 + 4 + 4 = 8.

Lire le cours complet du chapitre

Exercices 9 et 10

  • Exercice 9 : un plan défini par un point et un vecteur normal
  • Exercice 10 : plans médiateurs

Exercices du chapitre (PDF, 174 Ko)

Corrigés

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Corrigés du chapitre (PDF, 162 Ko)

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