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Leçon 2

Équation cartésienne d'un plan

Vidéo 2 : Équation cartésienne d'un plan · 4 min 23 s · sous-titres en français

Le cours écrit

2.1 Le théorème (démonstration du programme)

Au chapitre 9 : le plan P\mathcal{P} passant par AA et normal au vecteur non nul n⃗\vec{n} est l'ensemble des points MM tels que AM→⋅n⃗=0\overrightarrow{AM} \cdot \vec{n} = 0. Écrite avec des coordonnées, cette condition devient une équation.

Théorème. Dans un repère orthonormé, soit A(xA ;yA ;zA)A(x_A\,;y_A\,;z_A) un point et n⃗ (a ;b ;c)\vec{n}\,(a\,;b\,;c) un vecteur non nul. Le plan P\mathcal{P} passant par AA et normal à n⃗\vec{n} a une équation de la forme ax+by+cz+d=0,ax + by + cz + d = 0, où dd est un réel : un point M(x ;y ;z)M(x\,;y\,;z) appartient à P\mathcal{P} si et seulement si ses coordonnées vérifient cette équation. On l'appelle une équation cartésienne de P\mathcal{P}.

Démonstration. Soit M(x ;y ;z)M(x\,;y\,;z) un point de l'espace. Alors AM→ (x−xA ; y−yA ; z−zA)\overrightarrow{AM}\,(x - x_A\,;\ y - y_A\,;\ z - z_A). Comme le repère est orthonormé, le produit scalaire se calcule avec les coordonnées (chapitre 9) : AM→⋅n⃗=a(x−xA)+b(y−yA)+c(z−zA)=ax+by+cz−(axA+byA+czA).\overrightarrow{AM} \cdot \vec{n} = a(x - x_A) + b(y - y_A) + c(z - z_A) = ax + by + cz - (a x_A + b y_A + c z_A). On pose d=−(axA+byA+czA)d = -(a x_A + b y_A + c z_A) : c'est un nombre fixé, qui ne dépend pas de MM. Alors M∈P  ⟺  AM→⋅n⃗=0  ⟺  ax+by+cz+d=0.M \in \mathcal{P} \iff \overrightarrow{AM} \cdot \vec{n} = 0 \iff ax + by + cz + d = 0.

Les coefficients de xx, yy et zz sont les coordonnées du vecteur normal. Le nombre dd se trouve en écrivant que AA vérifie l'équation.

2.2 Trouver une équation

Méthode. 1. On écrit ax+by+cz+d=0ax + by + cz + d = 0 avec les coordonnées (a ;b ;c)(a\,;b\,;c) du vecteur normal. 2. On remplace xx, yy, zz par les coordonnées de AA pour trouver dd. 3. On peut contrôler avec un autre point connu du plan.

Exemple 7. Le plan P\mathcal{P} passe par A(2 ;−1 ;3)A(2\,;-1\,;3) et il est normal à n⃗ (1 ;2 ;−2)\vec{n}\,(1\,;2\,;-2). Une équation est x+2y−2z+d=0x + 2y - 2z + d = 0. Comme A∈PA \in \mathcal{P} : 2−2−6+d=02 - 2 - 6 + d = 0, donc d=6d = 6, et P:x+2y−2z+6=0.\mathcal{P} : x + 2y - 2z + 6 = 0. Le point B(0 ;−3 ;0)B(0\,;-3\,;0) est dans P\mathcal{P} : 0−6−0+6=00 - 6 - 0 + 6 = 0. Le point OO n'y est pas : 0+0−0+6=6≠00 + 0 - 0 + 6 = 6 \neq 0.

Exemple 8. Le plan passant par l'origine OO et normal à n⃗ (3 ;−1 ;4)\vec{n}\,(3\,;-1\,;4) a pour équation 3x−y+4z=03x - y + 4z = 0. En général, un plan passe par l'origine si et seulement si d=0d = 0.

2.3 Une équation n'est pas unique

Si l'on multiplie une équation par un réel kk non nul, on obtient une autre équation du même plan : x+2y−2z+6=0x + 2y - 2z + 6 = 0 et 2x+4y−4z+12=02x + 4y - 4z + 12 = 0 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 (A ;AB→,AD→,AE→)(A\,;\overrightarrow{AB}, \overrightarrow{AD}, \overrightarrow{AE}) du cube :

  • la face ABCDABCD est dans le plan normal à AE→ (0 ;0 ;1)\overrightarrow{AE}\,(0\,;0\,;1) passant par AA : son équation est z=0z = 0. La face EFGHEFGH a pour équation z=1z = 1 ;
  • les faces ABFEABFE et DCGHDCGH : y=0y = 0 et y=1y = 1 ; les faces ADHEADHE et BCGFBCGF : x=0x = 0 et x=1x = 1 ;
  • au chapitre 9, on a montré que AG→ (1 ;1 ;1)\overrightarrow{AG}\,(1\,;1\,;1) est normal au plan (BDE)(BDE). Ce plan passe par B(1 ;0 ;0)B(1\,;0\,;0), donc x+y+z+d=0x + y + z + d = 0 avec 1+d=01 + d = 0 : (BDE):x+y+z−1=0.(BDE) : x + y + z - 1 = 0. Contrôle : D(0 ;1 ;0)D(0\,;1\,;0) et E(0 ;0 ;1)E(0\,;0\,;1) vérifient l'équation.

Une équation où une coordonnée n'apparaît pas décrit aussi un plan : z=1z = 1 s'écrit 0x+0y+1z−1=00x + 0y + 1z - 1 = 0, de vecteur normal k⃗\vec{k}.

2.5 Plan médiateur

Au chapitre 9 : le plan médiateur de [AB][AB] passe par le milieu II de [AB][AB] et il est normal à AB→\overrightarrow{AB}.

Exemple 10. 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). Le plan médiateur a une équation 2x−2y+4z+d=02x - 2y + 4z + d = 0, avec 4−2+4+d=04 - 2 + 4 + d = 0, donc d=−6d = -6. En divisant par 22 : x−y+2z−3=0.x - y + 2z - 3 = 0. Contrôle avec le point M(3 ;2 ;1)M(3\,;2\,;1), dont on a vu au chapitre 9 qu'il est à égale distance de AA et de BB : 3−2+2−3=03 - 2 + 2 - 3 = 0.

Lire le cours complet du chapitre

Exercices 3 et 4

  • Exercice 3 : trouver des équations de plans
  • Exercice 4 : des plans dans le cube

Exercices du chapitre (PDF, 135 Ko)

Corrigés

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

Corrigés du chapitre (PDF, 151 Ko)

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