Aller au contenu

Leçon 6

Projeté orthogonal, distance d'un point à une droite ou à un plan

Vidéo 6 : Projeté orthogonal et distance · 3 min 33 s · sous-titres en français

Le cours écrit

6.1 Définitions

Définition. Soit MM un point.

  • Le projeté orthogonal de MM sur une droite dd est le point HH de dd tel que la droite (MH)(MH) soit perpendiculaire à dd (si M∈dM \in d, H=MH = M).
  • Le projeté orthogonal de MM sur un plan P\mathcal{P} est le point HH de P\mathcal{P} tel que la droite (MH)(MH) soit orthogonale à P\mathcal{P} (si M∈PM \in \mathcal{P}, H=MH = M).

Dans les deux cas, ce point existe et il est unique (admis).

6.2 Le point le plus proche (démonstration du programme)

Théorème. Le projeté orthogonal HH d'un point MM sur un plan P\mathcal{P} est le point de P\mathcal{P} le plus proche de MM.

Démonstration. Soit NN un point quelconque de P\mathcal{P}. On a MN→=MH→+HN→\overrightarrow{MN} = \overrightarrow{MH} + \overrightarrow{HN}, donc MN2=∥MH→+HN→∥2=MH2+2 MH→⋅HN→+HN2.MN^2 = \lVert\overrightarrow{MH} + \overrightarrow{HN}\rVert^2 = MH^2 + 2\,\overrightarrow{MH} \cdot \overrightarrow{HN} + HN^2. Le vecteur HN→\overrightarrow{HN} est dans la direction de P\mathcal{P} (les points HH et NN sont dans P\mathcal{P}), et MH→\overrightarrow{MH} est orthogonal à P\mathcal{P} : donc MH→⋅HN→=0\overrightarrow{MH} \cdot \overrightarrow{HN} = 0. Il reste MN2=MH2+HN2≥MH2,MN^2 = MH^2 + HN^2 \geq MH^2, avec égalité si et seulement si HN=0HN = 0, c'est-à-dire N=HN = H. Comme les longueurs sont positives, MN≥MHMN \geq MH pour tout NN de P\mathcal{P}, avec égalité seulement pour N=HN = H. C'est le théorème de Pythagore dans le triangle MHNMHN, rectangle en HH.

Le même raisonnement montre que le projeté orthogonal de MM sur une droite dd est le point de dd le plus proche de MM.

Définitions. La distance de MM au plan P\mathcal{P} est la longueur MHMH, où HH est le projeté orthogonal de MM sur P\mathcal{P}. De même, la distance de MM à la droite dd est MHMH, où HH est le projeté orthogonal de MM sur dd.

6.3 Trouver le projeté sur une droite

Méthode. Soit dd la droite passant par AA et dirigée par u⃗\vec{u}, et MM un point. Le projeté HH est sur dd, donc AH→=t u⃗\overrightarrow{AH} = t\,\vec{u} pour un réel tt. Comme AM→=AH→+HM→\overrightarrow{AM} = \overrightarrow{AH} + \overrightarrow{HM} et HM→⋅u⃗=0\overrightarrow{HM} \cdot \vec{u} = 0 : AM→⋅u⃗=t ∥u⃗∥2donct=AM→⋅u⃗∥u⃗∥2.\overrightarrow{AM} \cdot \vec{u} = t\,\lVert\vec{u}\rVert^2 \qquad \text{donc} \qquad t = \frac{\overrightarrow{AM} \cdot \vec{u}}{\lVert\vec{u}\rVert^2}. On retrouve la propriété de projection de Première : AM→⋅u⃗=AH→⋅u⃗\overrightarrow{AM} \cdot \vec{u} = \overrightarrow{AH} \cdot \vec{u}.

Exemple 22. Dans le cube, la distance du point BB à la droite (AG)(AG). Ici u⃗=AG→ (1 ;1 ;1)\vec{u} = \overrightarrow{AG}\,(1\,;1\,;1) et AB→ (1 ;0 ;0)\overrightarrow{AB}\,(1\,;0\,;0), donc t=AB→⋅AG→AG2=13t = \dfrac{\overrightarrow{AB} \cdot \overrightarrow{AG}}{AG^2} = \dfrac13. Le projeté de BB est le point KK tel que AK→=13AG→\overrightarrow{AK} = \dfrac13\overrightarrow{AG}, c'est-à-dire K(13 ;13 ;13)K\left(\frac13\,;\frac13\,;\frac13\right). Alors BK→(−23 ;13 ;13)\overrightarrow{BK}\left(-\frac23\,;\frac13\,;\frac13\right), BK2=49+19+19=23BK^2 = \dfrac49 + \dfrac19 + \dfrac19 = \dfrac23, et la distance de BB à (AG)(AG) vaut BK=23=63≈0,82BK = \sqrt{\dfrac23} = \dfrac{\sqrt6}{3} \approx 0{,}82.

Exemple 23. Dans le cube, la distance du point AA au plan (BDE)(BDE). Au chapitre 3, on a montré que le point KK de l'exemple 22 est dans le plan (BDE)(BDE). D'après l'exemple 16, (AG)(AG) est orthogonale à (BDE)(BDE), et KK est sur (AG)(AG). Donc KK est le projeté orthogonal de AA sur (BDE)(BDE), et d(A,(BDE))=AK=13AG=33≈0,58.d\left(A, (BDE)\right) = AK = \frac13 AG = \frac{\sqrt3}{3} \approx 0{,}58.

Exemple 24. La droite dd passe par A(1 ;0 ;2)A(1\,;0\,;2) et elle est dirigée par u⃗ (2 ;1 ;−2)\vec{u}\,(2\,;1\,;-2). Soit M(4 ;3 ;2)M(4\,;3\,;2). Alors AM→ (3 ;3 ;0)\overrightarrow{AM}\,(3\,;3\,;0), AM→⋅u⃗=6+3+0=9\overrightarrow{AM} \cdot \vec{u} = 6 + 3 + 0 = 9 et ∥u⃗∥2=9\lVert\vec{u}\rVert^2 = 9, donc t=1t = 1 et H=A+u⃗H = A + \vec{u}, soit H(3 ;1 ;0)H(3\,;1\,;0). Vérification : MH→ (−1 ;−2 ;−2)\overrightarrow{MH}\,(-1\,;-2\,;-2) et MH→⋅u⃗=−2−2+4=0\overrightarrow{MH} \cdot \vec{u} = -2 - 2 + 4 = 0. La distance de MM à dd est MH=1+4+4=3MH = \sqrt{1 + 4 + 4} = 3.

Pour un plan, le projeté se trouve dans ce chapitre sur des figures où l'on peut deviner le point HH puis le vérifier : HH est dans le plan, et MH→\overrightarrow{MH} est orthogonal à deux vecteurs non colinéaires du plan. Le calcul systématique des coordonnées du projeté sur un plan donné par une équation est au chapitre 10.

Lire le cours complet du chapitre

Exercices 11 et 12

  • Exercice 11 : la tyrolienne
  • Exercice 12 : la diagonale du cube coupée en trois

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)

Tu es hors connexion. Les chapitres téléchargés restent disponibles dans Hors connexion.