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Leçon 6

Problèmes de configuration dans l'espace

Vidéo 6 : Problèmes de configuration dans l'espace · 3 min 08 s · sous-titres en français

Le cours écrit

6.1 La méthode

Pour étudier un alignement, un parallélisme ou une coplanarité :

  1. Choisir une base formée de trois vecteurs non coplanaires de la figure : (AB→,AD→,AE→)(\overrightarrow{AB}, \overrightarrow{AD}, \overrightarrow{AE}) dans le cube, (AB→,AC→,AD→)(\overrightarrow{AB}, \overrightarrow{AC}, \overrightarrow{AD}) dans un tétraèdre ABCDABCD.
  2. Exprimer les vecteurs utiles dans cette base, avec la relation de Chasles et les données (milieux, points définis par une égalité vectorielle).
  3. Conclure :
    • deux vecteurs colinéaires : alignement de points, ou droites parallèles ;
    • un vecteur combinaison linéaire de deux vecteurs non colinéaires : coplanarité, droite parallèle à un plan ;
    • deux vecteurs non colinéaires de la direction d'un autre plan : plans parallèles.

On peut aussi travailler en coordonnées dans le repère associé : c'est la même méthode, écrite avec des nombres.

6.2 Exemple dans un tétraèdre

Exemple 22. ABCDABCD est un tétraèdre. II, JJ, KK, LL sont les milieux des arêtes [AB][AB], [BC][BC], [CD][CD], [DA][DA]. Montrer que II, JJ, KK, LL sont coplanaires.

IJ→=IB→+BJ→=12AB→+12BC→=12(AB→+BC→)=12AC→.\overrightarrow{IJ} = \overrightarrow{IB} + \overrightarrow{BJ} = \frac12\overrightarrow{AB} + \frac12\overrightarrow{BC} = \frac12\left(\overrightarrow{AB} + \overrightarrow{BC}\right) = \frac12\overrightarrow{AC}. De même, LK→=LD→+DK→=12AD→+12DC→=12AC→\overrightarrow{LK} = \overrightarrow{LD} + \overrightarrow{DK} = \frac12\overrightarrow{AD} + \frac12\overrightarrow{DC} = \frac12\overrightarrow{AC}.

Donc IJ→=LK→\overrightarrow{IJ} = \overrightarrow{LK} : IJKLIJKL est un parallélogramme, et ses quatre sommets sont coplanaires. Pourtant, AA, BB, CC, DD ne le sont pas !

6.3 Exemple dans un cube

Exemple 23. Dans le cube, le point KK est défini par AK→=13AG→\overrightarrow{AK} = \frac13\overrightarrow{AG}. Montrer que KK appartient au plan (BDE)(BDE).

Base (AB→,AD→,AE→)(\overrightarrow{AB}, \overrightarrow{AD}, \overrightarrow{AE}). Comme AG→=AB→+AD→+AE→\overrightarrow{AG} = \overrightarrow{AB} + \overrightarrow{AD} + \overrightarrow{AE} : AK→=13AB→+13AD→+13AE→,BK→=BA→+AK→=−23AB→+13AD→+13AE→.\overrightarrow{AK} = \frac13\overrightarrow{AB} + \frac13\overrightarrow{AD} + \frac13\overrightarrow{AE}, \qquad \overrightarrow{BK} = \overrightarrow{BA} + \overrightarrow{AK} = -\frac23\overrightarrow{AB} + \frac13\overrightarrow{AD} + \frac13\overrightarrow{AE}. Vecteurs du plan : BD→=−AB→+AD→\overrightarrow{BD} = -\overrightarrow{AB} + \overrightarrow{AD} et BE→=−AB→+AE→\overrightarrow{BE} = -\overrightarrow{AB} + \overrightarrow{AE}, non colinéaires. Alors 13BD→+13BE→=−23AB→+13AD→+13AE→=BK→.\frac13\overrightarrow{BD} + \frac13\overrightarrow{BE} = -\frac23\overrightarrow{AB} + \frac13\overrightarrow{AD} + \frac13\overrightarrow{AE} = \overrightarrow{BK}. Conclusion : BK→=13BD→+13BE→\overrightarrow{BK} = \frac13\overrightarrow{BD} + \frac13\overrightarrow{BE}, donc K∈(BDE)K \in (BDE). La droite (AG)(AG) n'est pas parallèle à ce plan (AA n'y est pas et KK y est) : elle le coupe exactement en KK, au tiers de la diagonale [AG][AG].

En coordonnées, dans le repère (A ;AB→,AD→,AE→)(A\,;\overrightarrow{AB}, \overrightarrow{AD}, \overrightarrow{AE}) : K(13 ;13 ;13)K\left(\frac13\,;\frac13\,;\frac13\right), BK→(−23 ;13 ;13)\overrightarrow{BK}\left(-\frac23\,;\frac13\,;\frac13\right), BD→ (−1 ;1 ;0)\overrightarrow{BD}\,(-1\,;1\,;0), BE→ (−1 ;0 ;1)\overrightarrow{BE}\,(-1\,;0\,;1), et l'on retrouve la même égalité.

Lire le cours complet du chapitre

Exercices 11 et 12

  • Exercice 11 : la grande diagonale coupée en trois
  • Exercice 12 : les milieux des arêtes d'un tétraèdre

Exercices du chapitre (PDF, 168 Ko)

Corrigés

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

Corrigés du chapitre (PDF, 155 Ko)

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