Au chapitre 3, une droite était donnée par un point et un vecteur directeur, un plan par un point et deux vecteurs. Au chapitre 9, le produit scalaire a ajouté l'angle droit, le vecteur normal et le projeté orthogonal. Ce chapitre traduit tout cela en calculs sur des coordonnées : une droite devient un système de trois équations à un paramètre, un plan devient une seule équation, et les questions de géométrie (un point est-il sur une droite ? deux droites se coupent-elles ? trois vecteurs forment-ils une base ?) deviennent des systèmes d'équations linéaires, que l'on résout puis que l'on interprète.
Le repère. Dans tout le chapitre, l'espace est muni d'un repère orthonormé , comme le demande le programme. À chaque point correspond un unique triplet de coordonnées , et réciproquement : c'est la bijection entre l'espace et vue au chapitre 3. Un point, une droite ou un plan deviennent ainsi un ou plusieurs triplets de réels.
La figure de référence. Comme aux chapitres 3 et 9, désigne un cube d'arête : est la face du bas, et , , , sont au-dessus de , , , . Dans le repère orthonormé :
Leçon 1 : Représentation paramétrique d'une droite
1.1 D'une égalité vectorielle à trois équations
Au chapitre 3 : la droite passant par et de vecteur directeur (non nul) est l'ensemble des points tels que Avec des coordonnées, , et , cette égalité de vecteurs s'écrit coordonnée par coordonnée : , et .
1.2 Définition
Propriété et définition. La droite passant par et de vecteur directeur est l'ensemble des points tels que Ce système est une représentation paramétrique de ; le réel est le paramètre.
Chaque valeur de donne un point de , et chaque point de est obtenu pour une seule valeur de : le paramètre repère le point sur la droite, comme une abscisse sur un axe gradué. Pour , on obtient ; pour , le point tel que .
Exemple 1. La droite passe par et elle est dirigée par . Une représentation paramétrique de est Pour , on obtient le point ; pour , le point .
Exemple 2 (droite passant par deux points). et . Le vecteur dirige la droite , qui passe par :
Exemple 3 (dans le cube). La grande diagonale passe par et elle est dirigée par : , , . La diagonale passe par et elle est dirigée par : , , . Quand on étudie deux droites ensemble, on donne à leurs paramètres des noms différents ( et ).
1.3 Lire une représentation paramétrique
Dans une représentation paramétrique, on lit :
- les coordonnées d'un point de la droite : les termes constants (c'est le point obtenu pour ) ;
- les coordonnées d'un vecteur directeur : les coefficients de , sans en oublier aucun (un coefficient peut être nul).
Exemple 4. Le système , , () représente la droite passant par et dirigée par . Le coefficient de dans la deuxième ligne est : la deuxième coordonnée de est nulle.
Attention : une droite a une infinité de représentations paramétriques. On peut partir d'un autre point de la droite, ou prendre un autre vecteur directeur (colinéaire à ). Pour savoir si deux représentations décrivent la même droite, on vérifie que leurs vecteurs directeurs sont colinéaires et qu'un point de l'une est sur l'autre.
Exemple 5. Le système , , () représente la droite de l'exemple 1. En effet, son vecteur directeur est égal à , et son point , obtenu pour , est sur (exemple 6 : c'est le point de paramètre ).
1.4 Un point est-il sur la droite ?
Méthode. Le point est sur si et seulement s'il existe un même réel qui vérifie les trois équations. On trouve avec une équation, puis on vérifie les deux autres.
Exemple 6. Avec la droite de l'exemple 1 : , , .
- : la première équation donne , soit . Alors et : ce sont bien les coordonnées de . , avec .
- : la première équation donne , et la deuxième aussi (). Mais la troisième donne . Aucun réel ne convient : .
Une seule équation ne suffit jamais : le point vérifie les deux premières.
1.5 Segment, demi-droite, mouvement rectiligne
- Si , les points de paramètre forment le segment , et ceux de paramètre la demi-droite . Le milieu de est le point de paramètre .
- Si désigne un temps, le point est la position d'un objet qui avance en ligne droite, toujours à la même vitesse : il parcourt le vecteur pendant chaque unité de temps. Sa vitesse est (la norme se calcule ainsi parce que le repère est orthonormé, chapitre 9). C'est le mouvement rectiligne uniforme de la physique.
Leçon 2 : Équation cartésienne d'un plan
2.1 Le théorème (démonstration du programme)
Au chapitre 9 : le plan passant par et normal au vecteur non nul est l'ensemble des points tels que . Écrite avec des coordonnées, cette condition devient une équation.
Théorème. Dans un repère orthonormé, soit un point et un vecteur non nul. Le plan passant par et normal à a une équation de la forme où est un réel : un point appartient à si et seulement si ses coordonnées vérifient cette équation. On l'appelle une équation cartésienne de .
Démonstration. Soit un point de l'espace. Alors . Comme le repère est orthonormé, le produit scalaire se calcule avec les coordonnées (chapitre 9) : On pose : c'est un nombre fixé, qui ne dépend pas de . Alors
Les coefficients de , et sont les coordonnées du vecteur normal. Le nombre se trouve en écrivant que vérifie l'équation.
2.2 Trouver une équation
Méthode. 1. On écrit avec les coordonnées du vecteur normal. 2. On remplace , , par les coordonnées de pour trouver . 3. On peut contrôler avec un autre point connu du plan.
Exemple 7. Le plan passe par et il est normal à . Une équation est . Comme : , donc , et Le point est dans : . Le point n'y est pas : .
Exemple 8. Le plan passant par l'origine et normal à a pour équation . En général, un plan passe par l'origine si et seulement si .
2.3 Une équation n'est pas unique
Si l'on multiplie une équation par un réel non nul, on obtient une autre équation du même plan : et décrivent le même plan. On dit donc « une équation cartésienne ». On admet que deux équations d'un même plan sont toujours proportionnelles.
2.4 Plans particuliers : les faces du cube
Exemple 9. Dans le repère du cube :
- la face est dans le plan normal à passant par : son équation est . La face a pour équation ;
- les faces et : et ; les faces et : et ;
- au chapitre 9, on a montré que est normal au plan . Ce plan passe par , donc avec : Contrôle : et vérifient l'équation.
Une équation où une coordonnée n'apparaît pas décrit aussi un plan : s'écrit , de vecteur normal .
2.5 Plan médiateur
Au chapitre 9 : le plan médiateur de passe par le milieu de et il est normal à .
Exemple 10. et . Le milieu de est et . Le plan médiateur a une équation , avec , donc . En divisant par : Contrôle avec le point , dont on a vu au chapitre 9 qu'il est à égale distance de et de : .
Leçon 3 : Reconnaître un plan ; plan défini par trois points
3.1 La réciproque
Propriété. Soit , , , quatre réels, avec , , non tous nuls. L'ensemble des points tels que est un plan, de vecteur normal .
Démonstration. Cet ensemble contient au moins un point : si , par exemple, le point convient (de même avec ou ). Alors , donc , et pour tout point : L'équation équivaut donc à : c'est le plan passant par et normal à (chapitre 9), et n'est pas nul.
3.2 Lire un vecteur normal, tester un point
Exemple 11. .
- Vecteur normal : , les coefficients de , , (le signe compris).
- Un point : on fixe deux coordonnées et l'on calcule la troisième. Avec : , donc . De même, et sont dans : ce sont ses points sur les trois axes.
- Tester un point : donne , donc ; donne , donc .
Exemple 12. L'équation , où n'apparaît pas, est celle d'un plan de vecteur normal . Si un point y est, tous les points y sont aussi : ce plan contient des droites parallèles à l'axe des cotes. Dans le cube, il contient , , et : c'est le plan .
3.3 Plans parallèles, droite orthogonale, droite parallèle à un plan
Les conséquences des vecteurs normaux (chapitre 9) se lisent sur les équations. Soit un plan de vecteur normal et une droite de vecteur directeur .
- Deux plans sont parallèles si et seulement si leurs vecteurs normaux sont colinéaires : les coefficients de , , sont proportionnels.
- est orthogonale à si et seulement si et sont colinéaires.
- est parallèle à (strictement, ou contenue dans ) si et seulement si .
Exemple 13. On reprend , de vecteur normal .
- a pour vecteur normal : les plans sont parallèles. Ils sont distincts, car , point de , donne dans l'équation de .
- Le plan parallèle à passant par a une équation , avec : .
- La droite passant par et orthogonale à est dirigée par : , , .
- La droite : , , est dirigée par , et : elle est parallèle à . Son point donne : elle n'est pas contenue dans , elle lui est strictement parallèle.
3.4 Plan défini par trois points
Méthode. Pour trouver une équation du plan :
- vérifier que et ne sont pas colinéaires (les points ne sont pas alignés) ;
- vérifier qu'un vecteur (souvent donné par l'énoncé) est orthogonal à et à : il est alors normal au plan (chapitre 9) ;
- écrire l'équation avec et le point ;
- contrôler avec et .
Exemple 14. , , et .
- et : ils ne sont pas colinéaires, car il faudrait multiplier par pour passer de à , et par pour passer de à .
- et : est normal au plan .
- avec : , donc , et .
- Contrôle : donne et donne .
3.5 Pour aller plus loin : trouver soi-même un vecteur normal
Le programme range « déterminer un vecteur orthogonal à deux vecteurs non colinéaires » parmi les approfondissements possibles : ce paragraphe n'est pas exigible. Pour trouver un vecteur normal au plan de l'exemple 14, on écrit les deux conditions : En ajoutant les deux lignes : . Deux équations pour trois inconnues : on choisit une valeur, par exemple . Alors , puis . On retrouve , ou tout vecteur colinéaire.
Leçon 4 : Intersections
4.1 Une droite et un plan
Une droite et un plan sont sécants (un seul point commun), strictement parallèles (aucun point commun), ou bien est contenue dans (chapitre 3).
Méthode. est donnée par une représentation paramétrique, par une équation cartésienne. Un point de est dans si ses coordonnées , , vérifient l'équation du plan. On remplace donc , , dans l'équation du plan : on obtient une équation du premier degré en .
- Une seule solution : et sont sécants, en le point de paramètre .
- Aucune solution (on arrive à une égalité fausse, par exemple ) : est strictement parallèle à .
- Tout réel est solution (on arrive à ) : est contenue dans .
Le coefficient de obtenu est exactement : il est nul quand est parallèle à (leçon 3).
Exemple 15 (dans le cube). La droite : , , , et le plan . On remplace : , donc . La droite coupe le plan au point , au tiers de la diagonale : c'est le point trouvé par une autre méthode au chapitre 3.
Exemple 16 (les trois cas). : , , , de vecteur directeur .
- . On remplace : . L'équation donne : et sont sécants en .
- . On obtient . L'équation n'a aucune solution : est strictement parallèle à .
- . On obtient , vrai pour tout : est contenue dans .
Contrôle : avec , .
4.2 Deux droites
Deux droites sont coplanaires (sécantes ou parallèles) ou non coplanaires (chapitre 3).
Méthode. Soit de vecteur directeur et de vecteur directeur , avec des paramètres de noms différents, et .
- Si et sont colinéaires, les droites sont parallèles : confondues si un point de l'une est sur l'autre, strictement parallèles sinon.
- Sinon, on cherche un point commun : on écrit l'égalité des trois coordonnées. On obtient un système de trois équations à deux inconnues et . On résout deux équations, puis on vérifie la troisième :
- si elle est vérifiée, les droites sont sécantes ;
- sinon, elles n'ont aucun point commun et ne sont pas parallèles : elles sont non coplanaires.
Exemple 17 (dans le cube). : , , et : , , . Les vecteurs et ne sont pas colinéaires. Le système donne , donc et ; la troisième équation est vérifiée. Les diagonales se coupent au point , le centre du cube.
Avec : , , , le système , , donne et par les deux dernières équations, puis dans la première : impossible. Comme et ne sont pas colinéaires, et sont non coplanaires.
Exemple 18. : , , .
- : , , . Les vecteurs et ne sont pas colinéaires. La première équation donne ; la troisième, , donne et . Deuxième équation : et , elle est vérifiée. Les droites sont sécantes en .
- : , , . La deuxième et la troisième équation donnent , donc , puis . La première donnerait : impossible. Les vecteurs et ne sont pas colinéaires : et sont non coplanaires.
4.3 Deux plans
Deux plans sont parallèles si leurs vecteurs normaux sont colinéaires (leçon 3) ; sinon, ils sont sécants selon une droite. Pour aller plus loin (approfondissement du programme, non exigible) : l'intersection des plans et est l'ensemble des points tels que et ; en posant , on obtient la droite , , .
Leçon 5 : Projeté orthogonal et distance
Au chapitre 9 : le projeté orthogonal d'un point sur un plan (ou sur une droite) est le point de ce plan (ou de cette droite) le plus proche de , et la distance de au plan (ou à la droite) est . Au chapitre 9, le projeté sur un plan était deviné sur une figure, puis vérifié, et le projeté sur une droite était donné par la formule . Ici, on calcule les coordonnées de dans tous les cas, avec une représentation paramétrique et une équation cartésienne.
5.1 Sur un plan donné par une équation cartésienne
Méthode. Soit , de vecteur normal , et un point.
- La droite passant par et orthogonale à est dirigée par : on écrit sa représentation paramétrique.
- Le projeté est le point d'intersection de et de (leçon 4) : on remplace dans l'équation du plan et l'on trouve .
- On en déduit les coordonnées de , puis la distance .
Exemple 19. et .
- ; : , , .
- , et donne .
- . Contrôle : . Alors et La distance du point au plan vaut . On a aussi et .
Exemple 20 (dans le cube). Le projeté de sur le plan . La droite passant par dirigée par le vecteur normal est , et l'exemple 15 donne . La distance de au plan vaut : c'est le résultat du chapitre 9, obtenu ici par le calcul.
5.2 Sur une droite donnée par un point et un vecteur directeur
Méthode. Soit la droite passant par et dirigée par , et un point.
- On écrit les coordonnées d'un point quelconque de avec la représentation paramétrique.
- est le projeté de si et seulement si : c'est une équation du premier degré en .
- On en déduit , puis la distance .
Exemple 21. passe par et elle est dirigée par : , , . Soit .
- , donc .
- , nul pour .
- et : la distance de à vaut .
On retrouve la formule du chapitre 9, : ici , et .
Exemple 22 (dans le cube). Le projeté de sur : , et , nul pour . Le projeté est encore le point , et la distance de à vaut , comme au chapitre 9.
Leçon 6 : Systèmes linéaires en géométrie
Le programme le dit : « l'étude générale des systèmes linéaires n'est pas un objectif », mais beaucoup de questions de géométrie se traduisent par un système d'équations linéaires. On le résout dans des cas simples (par substitution, ou en ajoutant des lignes), puis on interprète ses solutions.
6.1 Trois vecteurs forment-ils une base ?
Au chapitre 3 : trois vecteurs forment une base s'ils ne sont pas coplanaires, et si et ne sont pas colinéaires, , , sont coplanaires si et seulement si pour deux réels et .
Méthode. 1. On vérifie que et ne sont pas colinéaires. 2. On écrit coordonnée par coordonnée : trois équations, deux inconnues. 3. S'il n'y a pas de solution, n'est pas une combinaison de et : les trois vecteurs forment une base. S'il y en a une, ils sont coplanaires : ce n'est pas une base.
Exemple 23. , , . Les vecteurs et ne sont pas colinéaires (une coordonnée nulle chez l'un, pas chez l'autre). Le système donnerait : il n'a pas de solution. est une base.
Avec : , , et la troisième équation est vérifiée. Donc : les vecteurs , , sont coplanaires, ce n'est pas une base.
On peut aussi dire : est une base si et seulement si la seule solution de est . Les mathématiciens parlent de vecteurs linéairement indépendants.
6.2 Coordonnées d'un vecteur dans une base
Si est une base, tout vecteur s'écrit de façon unique (chapitre 3). Pour trouver , , , on résout un système de trois équations à trois inconnues, qui a une solution unique.
Exemple 24. Dans la base de l'exemple 23, les coordonnées de . Le système se résout en ajoutant les trois lignes : , donc . Alors (avec la troisième ligne), (avec la deuxième) et (avec la première). Donc : ses coordonnées dans la base sont .
Exemple 25 (retour au chapitre 3). Dans le cube, on avait lu sur la figure que est une base et que . Par le calcul :
- et ne sont pas colinéaires, et donnerait par la troisième coordonnée : c'est une base ;
- donne , , , donc , , . On retrouve les coordonnées .
6.3 Coplanarité et alignement
- Quatre points , , , (avec , , non alignés) sont coplanaires si et seulement si le système a une solution. On peut aussi chercher une équation du plan et tester .
- Trois points , , sont alignés si et seulement si le système (trois équations, une inconnue) a une solution.
Exemple 26. On reprend , , (exemple 14) et l'on pose . et le système donne , puis : , et la troisième équation est vérifiée (). Donc : les quatre points sont coplanaires ( est même un parallélogramme). Contrôle avec l'équation de : .
Avec : , les deux premières équations et donnent et , mais alors . Pas de solution : n'est pas dans le plan . Contrôle : .
6.4 Interpréter les solutions
| Question | Système | Interprétation |
|---|---|---|
| Un point est-il sur une droite ? | trois équations, inconnue | une solution : oui ; aucune : non |
| Une droite et un plan | une équation, inconnue | une solution : sécants ; aucune : strictement parallèles ; tout : droite contenue dans le plan |
| Deux droites non parallèles | trois équations, inconnues et | une solution : sécantes ; aucune : non coplanaires |
| Trois vecteurs (, non colinéaires) | aucune solution : base ; une solution : coplanaires | |
| Coordonnées dans une base | trois équations, trois inconnues | toujours une solution unique |
Ce qu'il faut retenir du chapitre
- Le repère est orthonormé. Une représentation paramétrique de la droite passant par et dirigée par est , , , . On y lit un point (pour ) et un vecteur directeur (les coefficients de ). Elle n'est pas unique.
- Un point est sur la droite s'il existe un même pour les trois équations.
- Équation cartésienne : le plan passant par et normal à a une équation ; on trouve avec le point . Démonstration : écrit avec les coordonnées.
- Réciproquement, si , est l'équation d'un plan de vecteur normal . Un point est dans le plan si ses coordonnées vérifient l'équation.
- Plan : vérifier que est orthogonal à et (non colinéaires), puis écrire l'équation avec et contrôler avec et .
- Droite et plan : on remplace , , par , , dans l'équation du plan ; une solution : sécants ; aucune : strictement parallèles ; tout : droite contenue dans le plan.
- Deux droites : vecteurs directeurs colinéaires, droites parallèles ; sinon, système en et : une solution, sécantes ; aucune, non coplanaires.
- Projeté sur un plan : intersection du plan et de la droite passant par dirigée par . Projeté sur une droite : le point tel que . La distance est .
- Systèmes en géométrie : base (pas de solution à ), coordonnées dans une base (solution unique), coplanarité, alignement. On résout, puis on interprète.