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Première E · Leçon 18

Sphère, distance et surfaces de niveau

Sphère : équation, sections planes, plan tangent

Équation cartésienne

La sphère de centre \(\Omega(x_0;y_0;z_0)\) et de rayon \(R>0\) est l'ensemble des points \(M(x;y;z)\) tels que \(\Omega M=R\), soit :

\[ (x-x_0)^2+(y-y_0)^2+(z-z_0)^2=R^2. \]
Position d'un plan par rapport à une sphère

Soit \(P\) un plan et \(d\) la distance du centre \(\Omega\) à \(P\) :

• si \(d<R\), \(P\) coupe la sphère selon un cercle de rayon \(r=\sqrt{R^2-d^2}\) (plan sécant) ;
• si \(d=R\), \(P\) est tangent à la sphère en un unique point \(T\), et le rayon \(\Omega T\) est alors orthogonal à \(P\) (\(\vec{\Omega T}\) en est un vecteur normal) ;
• si \(d>R\), \(P\) est extérieur à la sphère.

Exemple

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Figure interactive — Coupe d'une sphère de rayon 10 par un plan à distance \(d\)

Faites glisser \(d\) : sécant si \(d<10\), tangent si \(d=10\), extérieur si \(d>10\).

Distance d'un point à un plan, projeté orthogonal

Méthode — distance d'un point à un plan

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Exemple

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Surfaces de niveau

Une surface de niveau est l'ensemble des points \(M\) vérifiant une condition donnée. Trois exemples classiques, pour \(\vec u\) vecteur non nul donné et \(a,b,c\) réels donnés :

• \(\overrightarrow{AM}\cdot\vec u=a\) : un plan orthogonal à \(\vec u\) ;
• \(MA^2+MB^2=b\) : une sphère de centre le milieu de \([AB]\) (à condition que \(b\) soit assez grand) ;
• \(MA^2-MB^2=c\) : un plan orthogonal à \((AB)\).

Exemple — surface de niveau \(MA^2+MB^2=b\)

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Résumé

Résumé — Sphère et surfaces de niveau

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