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Première S1-S3 · Leçon 5

Droites, plans, sphère

Ce que dit le programme officiel (16 points)
  • Droites : caractérisation vectorielle, vecteur directeur ; détermination paramétrique
  • Condition de parallélisme, condition d’orthogonalité de deux droites (conditions analytiques)
  • Déterminer les positions relatives de deux droites grâce à leurs déterminations paramétriques, et éventuellement leur point d’intersection
  • Plan : caractérisation vectorielle ; vecteur normal à un plan
  • Conditions pour que deux plans soient parallèles, orthogonaux ; pour qu’une droite et un plan soient parallèles, orthogonaux
  • Équation cartésienne d’un plan dans un repère orthonormal
  • Démontrer vectoriellement qu’un point appartient à un plan (ABC) ; trouver un vecteur normal à un plan, une équation cartésienne d’un plan
  • Détermination de l’intersection de deux plans, d’une droite et d’un plan
  • Projeté orthogonal d’un point sur un plan
  • Distance d’un point A(α ; β ; γ) à un plan (P) : ax + by + cz + d = 0, d = |aα + bβ + cγ + d| / √(a² + b² + c²)
  • Sphère : définition analytique dans un repère orthonormé ; équation cartésienne d’une sphère
  • Positions relatives d’une sphère et d’un plan (en exercice : d’une sphère et d’une droite, de deux sphères)
  • Lieux géométriques : plan médiateur d’un segment (définition, équation cartésienne, propriétés caractéristiques)
  • Ensemble des points équidistants de trois points non alignés
  • Surfaces de niveau, généralisation des lignes de niveau du plan : U · OM = k ; MA · MB = k ; MA/MB = k ; α·MA² + β·MB² = k
  • Limite : la détermination paramétrique d’un plan n’est pas exigible

Source : Programme de mathématiques, Premières S1 et S3 (Sénégal), octobre 2006

Droites et plans de l'espace : représentations, positions relatives, intersections

Représentation paramétrique d'une droite

La droite \(D\) passant par \(A(x_A;y_A;z_A)\) et dirigée par \(\vec u(a;b;c)\) admet pour représentation paramétrique, \(t\in\mathbb R\) :

\[ \begin{cases} x=x_A+ta \\ y=y_A+tb \\ z=z_A+tc \end{cases} \]

Chaque valeur de \(t\) donne un point de \(D\) ; \(t=0\) redonne \(A\).

Exemple

Droite \(D\) passant par \(A(1;-2;3)\), dirigée par \(\vec u(2;1;-1)\) : \(x=1+2t,\ y=-2+t,\ z=3-t\). Pour \(t=1\) : le point \((3;-1;2)\) appartient à \(D\).

Représentation paramétrique et équation cartésienne d'un plan

Le plan \(P\) passant par \(A(x_A;y_A;z_A)\), de vecteurs directeurs \(\vec u(a_1;b_1;c_1)\) et \(\vec v(a_2;b_2;c_2)\) non colinéaires, admet pour représentation paramétrique, \((t,t')\in\mathbb R^2\) :

\[ \begin{cases} x=x_A+ta_1+t'a_2 \\ y=y_A+tb_1+t'b_2 \\ z=z_A+tc_1+t'c_2 \end{cases} \]

\(P\) admet aussi une équation cartésienne de la forme \(\alpha x+\beta y+\gamma z+\delta=0\), où \((\alpha;\beta;\gamma)\neq(0;0;0)\). Un point \(M(x;y;z)\) appartient à \(P\) si et seulement si ses coordonnées vérifient cette équation.

Méthode — vérifier l'appartenance d'un point à un plan

Plan \(P:\ 2x-y+3z-4=0\). Le point \(M(1;0;\tfrac23)\) : on remplace, \(2(1)-0+3(\tfrac23)-4=2+2-4=0\) ✓ : \(M\in P\). Le point \(N(1;1;1)\) : \(2-1+3-4=0\) ✓ : \(N\in P\) également.

Positions relatives et projections

Une droite et un plan sont soit sécants (un seul point commun), soit parallèles — la droite est alors incluse dans le plan ou strictement en dehors. Deux plans sont soit sécants (leur intersection est une droite), soit parallèles (confondus ou disjoints). Une projection sur un plan parallèlement à une droite (ou sur une droite parallèlement à un plan) conserve l'équipollence des bipoints, le parallélisme, l'alignement et les milieux.

Pièges fréquents
  • Deux droites de l'espace qui ne sont pas parallèles ne sont pas forcément sécantes : elles peuvent être non coplanaires (« gauches »), cas qui n'existe pas dans le plan.
  • Pour qu'une droite soit incluse dans un plan, il ne suffit pas qu'elle lui soit parallèle : il faut en plus qu'un de ses points appartienne au plan.
Droites et plans orthogonaux

Deux droites de vecteurs directeurs \(\vec u,\vec v\) sont orthogonales si \(\vec u\cdot\vec v=0\) (même si elles ne se coupent pas — cas des droites gauches orthogonales). Une droite de vecteur directeur \(\vec u\) est orthogonale à un plan \(P\) si \(\vec u\) est orthogonal à deux vecteurs directeurs non colinéaires de \(P\) — elle l'est alors à tout vecteur de \(P\).

Vecteur normal, plans perpendiculaires

Un vecteur \(\vec n\) est normal au plan \(P\) s'il est orthogonal à deux vecteurs directeurs non colinéaires de \(P\) (donc à toute droite de \(P\)). Le plan \(\alpha x+\beta y+\gamma z+\delta=0\) admet \(\vec n(\alpha;\beta;\gamma)\) pour vecteur normal — lecture directe sur l'équation. Deux plans sont perpendiculaires si leurs vecteurs normaux sont orthogonaux.

Exemple — vecteur normal et perpendicularité

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Figure — Plan \(P\) et son vecteur normal \(\vec n\)

\(\vec n\) est orthogonal à toute droite tracée dans le plan \(P\), quelle que soit sa direction.

Projection orthogonale d'un angle droit

Résultat admis. Un angle droit se projette orthogonalement sur un plan suivant un angle droit si et seulement si l'un au moins de ses côtés est parallèle au plan de projection. Sans cette condition, l'angle projeté peut être quelconque — c'est un piège classique en représentation en perspective.

Piège fréquent

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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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Sphère : équation, sections planes, plan tangent

Sphère et position d'un plan

La sphère de centre \(O\) et de rayon \(R\) est l'ensemble des points de l'espace situés à distance \(R\) de \(O\). Soit \(P\) un plan et \(d\) la distance de \(O\) à \(P\) :

• si \(d<R\), \(P\) coupe la sphère selon un cercle de rayon \(r=\sqrt{R^2-d^2}\) (plan sécant) ;
• si \(d=R\), \(P\) coupe la sphère en un unique point \(T\) (plan tangent en \(T\), orthogonal au rayon \(OT\)) ;
• si \(d>R\), \(P\) ne rencontre pas la sphère (plan extérieur).

Exemple

Sphère de centre \(O\) et de rayon \(R=5\). Un plan \(P\) est situé à distance \(d=3\) de \(O\) : \(P\) est sécant, et coupe la sphère selon un cercle de rayon \(r=\sqrt{5^2-3^2}=\sqrt{16}=4\).

Figure interactive — Coupe d'une sphère de rayon 5 par un plan à distance \(d\)

Faites glisser \(d\) : sécant si \(d<5\), tangent si \(d=5\), extérieur si \(d>5\).

Résumé

Résumé — Parallélisme, orthogonalité et sphère
Droite ⊥ plan

Orthogonale à deux droites sécantes du plan ⟹ orthogonale au plan entier.

Plan sécant

\(d<R\) : cercle de rayon \(r=\sqrt{R^2-d^2}\).

Plan tangent

\(d=R\) : un seul point, plan orthogonal au rayon en ce point.

Plan extérieur

\(d>R\) : aucune intersection.

Résumé — Vecteurs, repères, droites et plans
Coplanaires

\(a\vec u+b\vec v+c\vec w=\vec 0\) avec \(a,b,c\) non tous nuls.

Droite

\((x_A+ta,\ y_A+tb,\ z_A+tc)\), point + vecteur directeur.

Plan

Paramétrique (point + 2 vecteurs) ou cartésienne \(\alpha x+\beta y+\gamma z+\delta=0\).

Droites gauches

Non parallèles et non sécantes — spécifique à l'espace.

Résumé — Orthogonalité dans l'espace

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Résumé — Sphère et surfaces de niveau

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Sujet type devoir

Sphère et plans — Sujet complet

Question 1. Sphère de centre \(O\) et de rayon \(R=13\). Un plan \(P_1\) est à distance \(d_1=5\) de \(O\). Quelle est la nature de la section ? Donner son rayon.

Solution détaillée

\(d_1=5<13=R\) : plan sécant. Rayon \(r=\sqrt{13^2-5^2}=\sqrt{169-25}=\sqrt{144}=12\).

Question 2. Un plan \(P_2\) est à distance \(d_2=13\) de \(O\). Quelle est la nature de la section ?

Solution détaillée

\(d_2=13=R\) : plan tangent à la sphère en un unique point.

Question 3. Un plan \(P_3\) est à distance \(d_3=15\) de \(O\). Quelle est la nature de la section ?

Solution détaillée

\(d_3=15>13=R\) : plan extérieur à la sphère, aucune intersection.

Droites et plans de l'espace — Sujet complet

Question 1. Donner une représentation paramétrique de la droite \(D\) passant par \(A(0;1;2)\) et \(B(3;-1;1)\).

Solution détaillée

\(\overrightarrow{AB}(3;-2;-1)\) dirige \(D\) : \(x=3t,\ y=1-2t,\ z=2-t\), \(t\in\mathbb R\).

Question 2. Le point \(C(1;1;2)\) appartient-il au plan \(P:\ x+2y-z-1=0\) ?

Solution détaillée

\(1+2(1)-2-1=1+2-2-1=0\) ✓ : \(C\in P\).

Question 3. Les vecteurs \(\vec u(1;1;0)\), \(\vec v(0;1;1)\), \(\vec w(2;4;2)\) sont-ils coplanaires ?

Solution détaillée

Cherchons \(a,b\) : \(\vec w=a\vec u+b\vec v\) donne \(2=a\), \(4=a+b\Rightarrow b=2\), \(2=b=2\) ✓. Cohérent sur les trois coordonnées : oui, coplanaires (\(\vec w=2\vec u+2\vec v\)).

Orthogonalité dans l'espace — Sujet complet

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Sphère et distances — Sujet complet

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Mode hors-ligne — données en cache