درس Géométrie analytique de l'espace — الأولى باك علوم تجريبية

درس «Géométrie analytique de l'espace» لتلاميذ الأولى باك علوم تجريبية بالفرنسية والعربية: Coordonnées - Déterminant et coplanarité - Représentations paramétriques - Équation cartésienne d’un plan - Positions relatives. Cours Géométrie analytique de l'espace — 1ère année Bac sciences expérimentales.

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Repère de l’espace — Coordonnées

Propriété Rappels

Dans un repère $(O;\vec{i},\vec{j},\vec{k})$, avec $\vec{u}(x;y;z)$, $\vec{v}(x';y';z')$ et $\alpha\in\mathbb{R}$ :

  • $\vec{u}+\vec{v}(x+x';y+y';z+z')$ et $\alpha\vec{u}(\alpha x;\alpha y;\alpha z)$
  • $\overrightarrow{AB}(x_B-x_A;y_B-y_A;z_B-z_A)$
  • $\vec{u}$ et $\vec{v}$ sont colinéaires $\iff$ leurs coordonnées sont proportionnelles.

Propriété Repère orthonormé

Si le repère est orthonormé :

$\|\vec{u}\|=\sqrt{x^2+y^2+z^2}$ et $AB=\sqrt{(x_B-x_A)^2+(y_B-y_A)^2+(z_B-z_A)^2}$

Exemple

$A(1;-1;2)$, $B(3;0;1)$, $C(-1;-2;3)$ dans un repère orthonormé.

$\overrightarrow{AB}(2;1;-1)$, donc $AB=\sqrt{4+1+1}=\sqrt{6}$

$\overrightarrow{AC}(-2;-1;1)=-\overrightarrow{AB}$

$AB=\sqrt{6}$ et $A$, $B$, $C$ sont alignés

Déterminant de trois vecteurs — Coplanarité

Définition

Le déterminant de $\vec{u}(x;y;z)$, $\vec{v}(x';y';z')$ et $\vec{w}(x'';y'';z'')$ est le réel (développement suivant la première ligne) :

$\det(\vec{u},\vec{v},\vec{w})=\begin{vmatrix}x&x'&x''\\y&y'&y''\\z&z'&z''\end{vmatrix}=x\begin{vmatrix}y'&y''\\z'&z''\end{vmatrix}-x'\begin{vmatrix}y&y''\\z&z''\end{vmatrix}+x''\begin{vmatrix}y&y'\\z&z'\end{vmatrix}$

>> Attention au signe − devant le terme du milieu.

Théorème

  • $\vec{u}$, $\vec{v}$, $\vec{w}$ sont coplanaires $\iff\det(\vec{u},\vec{v},\vec{w})=0$.
  • Quatre points $A$, $B$, $C$, $D$ sont coplanaires $\iff\det(\overrightarrow{AB},\overrightarrow{AC},\overrightarrow{AD})=0$.
  • $(\vec{u},\vec{v},\vec{w})$ est une base de l’espace $\iff\det(\vec{u},\vec{v},\vec{w})\neq0$.

Exemple

$\vec{u}(1;2;-1)$, $\vec{v}(0;1;3)$, $\vec{w}(2;5;1)$ sont-ils coplanaires ?

$\det(\vec{u},\vec{v},\vec{w})=\begin{vmatrix}1&0&2\\2&1&5\\-1&3&1\end{vmatrix}$

$=1\times\begin{vmatrix}1&5\\3&1\end{vmatrix}-0\times\begin{vmatrix}2&5\\-1&1\end{vmatrix}+2\times\begin{vmatrix}2&1\\-1&3\end{vmatrix}$

$=1\times(1-15)-0+2\times(6+1)$

$=-14+14=0$

$\vec{u}$, $\vec{v}$, $\vec{w}$ sont coplanaires (en effet $\vec{w}=2\vec{u}+\vec{v}$)

Représentation paramétrique d’une droite

Propriété

La droite $D(A,\vec{u})$ passant par $A(x_A;y_A;z_A)$ et dirigée par $\vec{u}(a;b;c)\neq\vec{0}$ est l’ensemble des points $M(x;y;z)$ tels que $\overrightarrow{AM}=t\vec{u}$ ($t\in\mathbb{R}$), soit :

$\begin{cases}x=x_A+at\\y=y_A+bt\\z=z_A+ct\end{cases}\quad(t\in\mathbb{R})$

Exemple

Droite $(AB)$ avec $A(1;0;2)$ et $B(3;-1;4)$ : $\overrightarrow{AB}(2;-1;2)$ est un vecteur directeur.

$(AB):\begin{cases}x=1+2t\\y=-t\\z=2+2t\end{cases}\quad(t\in\mathbb{R})$

$C(5;-2;6)\in(AB)$ ? La 1ʳᵉ équation donne $5=1+2t$, donc $t=2$ ; alors $y=-2$ ✔ et $z=2+4=6$ ✔.

$C\in(AB)$ (paramètre $t=2$)

Erreur fréquente

  • Pour tester $C\in(D)$, la même valeur de $t$ doit vérifier les trois équations.

Représentation paramétrique d’un plan

Propriété

Le plan $P(A,\vec{u},\vec{v})$, avec $\vec{u}(a;b;c)$ et $\vec{v}(a';b';c')$ non colinéaires, est l’ensemble des points $M$ tels que $\overrightarrow{AM}=t\vec{u}+s\vec{v}$ :

$\begin{cases}x=x_A+at+a's\\y=y_A+bt+b's\\z=z_A+ct+c's\end{cases}\quad(t;s)\in\mathbb{R}^2$

Exemple

Plan $(ABC)$ avec $A(1;1;0)$, $B(2;0;1)$, $C(0;2;3)$ : $\overrightarrow{AB}(1;-1;1)$ et $\overrightarrow{AC}(-1;1;3)$ ne sont pas proportionnels (non colinéaires).

$(ABC):\begin{cases}x=1+t-s\\y=1-t+s\\z=t+3s\end{cases}\quad(t;s)\in\mathbb{R}^2$

Équation cartésienne d’un plan

Théorème

$M\in P(A,\vec{u},\vec{v})\iff\det(\overrightarrow{AM},\vec{u},\vec{v})=0$

En développant, on obtient une équation de la forme $ax+by+cz+d=0$ avec $(a;b;c)\neq(0;0;0)$ : c’est une équation cartésienne du plan.

Réciproquement, tout ensemble d’équation $ax+by+cz+d=0$ avec $(a;b;c)\neq(0;0;0)$ est un plan.

Exemple

Plan $(ABC)$ avec $A(1;0;0)$, $B(0;2;0)$, $C(0;0;3)$ : $\overrightarrow{AM}(x-1;y;z)$, $\overrightarrow{AB}(-1;2;0)$, $\overrightarrow{AC}(-1;0;3)$.

$\det(\overrightarrow{AM},\overrightarrow{AB},\overrightarrow{AC})=\begin{vmatrix}x-1&-1&-1\\y&2&0\\z&0&3\end{vmatrix}$

$=(x-1)\times(6-0)-(-1)\times(3y-0)+(-1)\times(0-2z)$

$=6x-6+3y+2z$

$(ABC):\ 6x+3y+2z-6=0$

Vérification : $B$ : $0+6+0-6=0$ ✔ ; $C$ : $0+0+6-6=0$ ✔.

Remarque Plans particuliers

  • $z=0$ : le plan $(O;\vec{i},\vec{j})$ ;
  • $x=2$ : plan parallèle au plan $(O;\vec{j},\vec{k})$ ;
  • $x+y=1$ (pas de $z$) : plan parallèle à l’axe $(Oz)$.

Positions relatives de deux plans

Propriété

Soient $(P):ax+by+cz+d=0$ et $(P'):a'x+b'y+c'z+d'=0$ :

  • $(a;b;c)$ et $(a';b';c')$ proportionnels : $(P)$ et $(P')$ sont parallèles (confondus si $d$ et $d'$ suivent la même proportion, strictement parallèles sinon) ;
  • non proportionnels : $(P)$ et $(P')$ sont sécants suivant une droite.

Exemple

$(P):x-2y+z-1=0$, $(Q):2x-4y+2z+3=0$ et $(R):x+y-z=0$.

  • $(2;-4;2)=2(1;-2;1)$ mais $3\neq2\times(-1)$ : $(P)$ et $(Q)$ sont strictement parallèles.

$(1;-2;1)$ et $(1;1;-1)$ ne sont pas proportionnels : $(P)$ et $(R)$ sont sécants suivant une droite

Positions relatives d’une droite et d’un plan

Méthode

On remplace $x$, $y$, $z$ de la représentation paramétrique de $(D)$ dans l’équation de $(P)$, et on résout en $t$ :

  • une seule valeur de $t$ : $(D)$ coupe $(P)$ en un point ;
  • aucune solution : $(D)$ est strictement parallèle à $(P)$ ;
  • tout $t$ convient : $(D)$ est incluse dans $(P)$.

Exemple

$(P):2x-y+z-3=0$ et $(D):\begin{cases}x=1+t\\y=2-t\\z=3t\end{cases}$ ($t\in\mathbb{R}$).

$2(1+t)-(2-t)+3t-3=0$

$\iff6t-3=0$

$\iff t=\dfrac{1}{2}$

$(D)$ coupe $(P)$ au point $I\left(\dfrac{3}{2};\dfrac{3}{2};\dfrac{3}{2}\right)$

Positions relatives de deux droites

Propriété

Deux droites $(D)$ et $(D')$ de l’espace sont :

  • parallèles si leurs vecteurs directeurs sont colinéaires ;
  • sécantes si elles ne sont pas parallèles et ont un point commun ;
  • non coplanaires si elles ne sont pas parallèles et n’ont aucun point commun.

Méthode

1. On compare les vecteurs directeurs (colinéaires ou non).

2. S’ils ne sont pas colinéaires, on résout le système avec deux paramètres différents $t$ et $s$ : une solution ⇒ sécantes ; aucune ⇒ non coplanaires.

Exemple

$(D):\begin{cases}x=1+t\\y=t\\z=2-t\end{cases}$ et $(D'):\begin{cases}x=2+s\\y=1+2s\\z=1+s\end{cases}$

$\vec{u}(1;1;-1)$ et $\vec{v}(1;2;1)$ ne sont pas proportionnels : pas parallèles.

$\begin{cases}1+t=2+s\\t=1+2s\\2-t=1+s\end{cases}$

Les deux premières équations donnent $t=1+s=1+2s$, donc $s=0$ et $t=1$ ; la troisième : $2-1=1+0$ ✔.

$(D)$ et $(D')$ sont sécantes au point $(2;1;1)$

Erreur fréquente

  • Utiliser le même paramètre $t$ pour les deux droites : faux ! Chaque droite a son paramètre.
  • Dans l’espace, « non parallèles » ne veut pas dire « sécantes ».

À retenir

  • Coplanaires $\iff\det=0$ ; base $\iff\det\neq0$.
  • Droite : $\overrightarrow{AM}=t\vec{u}$ ; plan : $\overrightarrow{AM}=t\vec{u}+s\vec{v}$ ou $ax+by+cz+d=0$.
  • Équation de $(ABC)$ : $\det(\overrightarrow{AM},\overrightarrow{AB},\overrightarrow{AC})=0$.
  • Droite et plan : on remplace et on résout en $t$ ; deux droites : deux paramètres $t$ et $s$.

النسخة العربية

معلم الفضاء — الإحداثيات

خاصية تذكير

في معلم $(O;\vec{i},\vec{j},\vec{k})$، مع $\vec{u}(x;y;z)$ و $\vec{v}(x';y';z')$ و $\alpha\in\mathbb{R}$ :

  • $\vec{u}+\vec{v}(x+x';y+y';z+z')$ و $\alpha\vec{u}(\alpha x;\alpha y;\alpha z)$
  • $\overrightarrow{AB}(x_B-x_A;y_B-y_A;z_B-z_A)$
  • $\vec{u}$ و $\vec{v}$ مستقيميتان $\iff$ إحداثياتهما متناسبة.

خاصية معلم متعامد ممنظم

إذا كان المعلم متعامداً ممنظماً :

$\|\vec{u}\|=\sqrt{x^2+y^2+z^2}$ و $AB=\sqrt{(x_B-x_A)^2+(y_B-y_A)^2+(z_B-z_A)^2}$

مثال

$A(1;-1;2)$ و $B(3;0;1)$ و $C(-1;-2;3)$ في معلم متعامد ممنظم.

$\overrightarrow{AB}(2;1;-1)$، إذن $AB=\sqrt{4+1+1}=\sqrt{6}$

$\overrightarrow{AC}(-2;-1;1)=-\overrightarrow{AB}$

$AB=\sqrt{6}$ و $A$ و $B$ و $C$ مستقيمية

محددة ثلاث متجهات — المستوائية

تعريف

محددة المتجهات $\vec{u}(x;y;z)$ و $\vec{v}(x';y';z')$ و $\vec{w}(x'';y'';z'')$ هي العدد الحقيقي (النشر حسب السطر الأول) :

$\det(\vec{u},\vec{v},\vec{w})=\begin{vmatrix}x&x'&x''\\y&y'&y''\\z&z'&z''\end{vmatrix}=x\begin{vmatrix}y'&y''\\z'&z''\end{vmatrix}-x'\begin{vmatrix}y&y''\\z&z''\end{vmatrix}+x''\begin{vmatrix}y&y'\\z&z'\end{vmatrix}$

>> انتبه للإشارة − أمام الحد الأوسط.

مبرهنة

  • $\vec{u}$ و $\vec{v}$ و $\vec{w}$ مستوائية $\iff\det(\vec{u},\vec{v},\vec{w})=0$.
  • أربع نقط $A$ و $B$ و $C$ و $D$ مستوائية $\iff\det(\overrightarrow{AB},\overrightarrow{AC},\overrightarrow{AD})=0$.
  • $(\vec{u},\vec{v},\vec{w})$ أساس للفضاء $\iff\det(\vec{u},\vec{v},\vec{w})\neq0$.

مثال

هل $\vec{u}(1;2;-1)$ و $\vec{v}(0;1;3)$ و $\vec{w}(2;5;1)$ مستوائية ؟

$\det(\vec{u},\vec{v},\vec{w})=\begin{vmatrix}1&0&2\\2&1&5\\-1&3&1\end{vmatrix}$

$=1\times\begin{vmatrix}1&5\\3&1\end{vmatrix}-0\times\begin{vmatrix}2&5\\-1&1\end{vmatrix}+2\times\begin{vmatrix}2&1\\-1&3\end{vmatrix}$

$=1\times(1-15)-0+2\times(6+1)$

$=-14+14=0$

$\vec{u}$ و $\vec{v}$ و $\vec{w}$ مستوائية (فعلاً $\vec{w}=2\vec{u}+\vec{v}$)

التمثيل البارامتري لمستقيم

خاصية

المستقيم $D(A,\vec{u})$ المار من $A(x_A;y_A;z_A)$ والموجه بـ $\vec{u}(a;b;c)\neq\vec{0}$ هو مجموعة النقط $M(x;y;z)$ بحيث $\overrightarrow{AM}=t\vec{u}$ ($t\in\mathbb{R}$)، أي :

$\begin{cases}x=x_A+at\\y=y_A+bt\\z=z_A+ct\end{cases}\quad(t\in\mathbb{R})$

مثال

المستقيم $(AB)$ مع $A(1;0;2)$ و $B(3;-1;4)$ : $\overrightarrow{AB}(2;-1;2)$ متجهة موجهة.

$(AB):\begin{cases}x=1+2t\\y=-t\\z=2+2t\end{cases}\quad(t\in\mathbb{R})$

هل $C(5;-2;6)\in(AB)$ ؟ المعادلة الأولى تعطي $5=1+2t$، إذن $t=2$ ؛ إذن $y=-2$ ✔ و $z=2+4=6$ ✔.

$C\in(AB)$ (البارامتر $t=2$)

خطأ شائع

  • لاختبار $C\in(D)$ يجب أن تحقق نفس قيمة $t$ المعادلات الثلاث.

التمثيل البارامتري لمستوى

خاصية

المستوى $P(A,\vec{u},\vec{v})$، مع $\vec{u}(a;b;c)$ و $\vec{v}(a';b';c')$ غير مستقيميتين، هو مجموعة النقط $M$ بحيث $\overrightarrow{AM}=t\vec{u}+s\vec{v}$ :

$\begin{cases}x=x_A+at+a's\\y=y_A+bt+b's\\z=z_A+ct+c's\end{cases}\quad(t;s)\in\mathbb{R}^2$

مثال

المستوى $(ABC)$ مع $A(1;1;0)$ و $B(2;0;1)$ و $C(0;2;3)$ : $\overrightarrow{AB}(1;-1;1)$ و $\overrightarrow{AC}(-1;1;3)$ غير متناسبتين (غير مستقيميتين).

$(ABC):\begin{cases}x=1+t-s\\y=1-t+s\\z=t+3s\end{cases}\quad(t;s)\in\mathbb{R}^2$

المعادلة الديكارتية لمستوى

مبرهنة

$M\in P(A,\vec{u},\vec{v})\iff\det(\overrightarrow{AM},\vec{u},\vec{v})=0$

بالنشر نحصل على معادلة من الشكل $ax+by+cz+d=0$ مع $(a;b;c)\neq(0;0;0)$ : إنها معادلة ديكارتية للمستوى.

عكسياً، كل مجموعة معادلتها $ax+by+cz+d=0$ مع $(a;b;c)\neq(0;0;0)$ هي مستوى.

مثال

المستوى $(ABC)$ مع $A(1;0;0)$ و $B(0;2;0)$ و $C(0;0;3)$ : $\overrightarrow{AM}(x-1;y;z)$ و $\overrightarrow{AB}(-1;2;0)$ و $\overrightarrow{AC}(-1;0;3)$.

$\det(\overrightarrow{AM},\overrightarrow{AB},\overrightarrow{AC})=\begin{vmatrix}x-1&-1&-1\\y&2&0\\z&0&3\end{vmatrix}$

$=(x-1)\times(6-0)-(-1)\times(3y-0)+(-1)\times(0-2z)$

$=6x-6+3y+2z$

$(ABC):\ 6x+3y+2z-6=0$

تحقق : $B$ : $0+6+0-6=0$ ✔ ؛ $C$ : $0+0+6-6=0$ ✔.

ملاحظة مستويات خاصة

  • $z=0$ : المستوى $(O;\vec{i},\vec{j})$ ؛
  • $x=2$ : مستوى موازٍ للمستوى $(O;\vec{j},\vec{k})$ ؛
  • $x+y=1$ (بدون $z$) : مستوى موازٍ للمحور $(Oz)$.

الوضع النسبي لمستويين

خاصية

ليكن $(P):ax+by+cz+d=0$ و $(P'):a'x+b'y+c'z+d'=0$ :

  • $(a;b;c)$ و $(a';b';c')$ متناسبان : $(P)$ و $(P')$ متوازيان (منطبقان إذا كان $d$ و $d'$ بنفس النسبة، ومتوازيان قطعاً إن لم يكونا) ؛
  • غير متناسبين : $(P)$ و $(P')$ متقاطعان وفق مستقيم.

مثال

$(P):x-2y+z-1=0$ و $(Q):2x-4y+2z+3=0$ و $(R):x+y-z=0$.

  • $(2;-4;2)=2(1;-2;1)$ لكن $3\neq2\times(-1)$ : $(P)$ و $(Q)$ متوازيان قطعاً.

$(1;-2;1)$ و $(1;1;-1)$ غير متناسبين : $(P)$ و $(R)$ متقاطعان وفق مستقيم

الوضع النسبي لمستقيم ومستوى

طريقة

نعوض $x$ و $y$ و $z$ من التمثيل البارامتري لـ $(D)$ في معادلة $(P)$، ونحل بالنسبة لـ $t$ :

  • قيمة وحيدة لـ $t$ : $(D)$ يقطع $(P)$ في نقطة ؛
  • لا حل : $(D)$ موازٍ قطعاً لـ $(P)$ ؛
  • كل قيم $t$ تناسب : $(D)$ ضمن $(P)$.

مثال

$(P):2x-y+z-3=0$ و $(D):\begin{cases}x=1+t\\y=2-t\\z=3t\end{cases}$ ($t\in\mathbb{R}$).

$2(1+t)-(2-t)+3t-3=0$

$\iff6t-3=0$

$\iff t=\dfrac{1}{2}$

$(D)$ يقطع $(P)$ في النقطة $I\left(\dfrac{3}{2};\dfrac{3}{2};\dfrac{3}{2}\right)$

الوضع النسبي لمستقيمين

خاصية

يكون مستقيمان $(D)$ و $(D')$ من الفضاء :

  • متوازيين إذا كانت متجهتاهما الموجهتان مستقيميتين ؛
  • متقاطعين إذا لم يكونا متوازيين ولهما نقطة مشتركة ؛
  • غير مستوائيين إذا لم يكونا متوازيين وليست لهما أي نقطة مشتركة.

طريقة

1. نقارن المتجهتين الموجهتين (مستقيميتان أم لا).

2. إذا لم تكونا مستقيميتين، نحل النظمة ببارامترين مختلفين $t$ و $s$ : حل ⇐ متقاطعان ؛ لا حل ⇐ غير مستوائيين.

مثال

$(D):\begin{cases}x=1+t\\y=t\\z=2-t\end{cases}$ و $(D'):\begin{cases}x=2+s\\y=1+2s\\z=1+s\end{cases}$

$\vec{u}(1;1;-1)$ و $\vec{v}(1;2;1)$ غير متناسبتين : غير متوازيين.

$\begin{cases}1+t=2+s\\t=1+2s\\2-t=1+s\end{cases}$

المعادلتان الأوليان تعطيان $t=1+s=1+2s$، إذن $s=0$ و $t=1$ ؛ والثالثة : $2-1=1+0$ ✔.

$(D)$ و $(D')$ متقاطعان في النقطة $(2;1;1)$

خطأ شائع

  • استعمال نفس البارامتر $t$ للمستقيمين : خطأ ! لكل مستقيم بارامتره الخاص.
  • في الفضاء، «غير متوازيين» لا يعني «متقاطعين».

للحفظ

  • مستوائية $\iff\det=0$ ؛ أساس $\iff\det\neq0$.
  • المستقيم : $\overrightarrow{AM}=t\vec{u}$ ؛ المستوى : $\overrightarrow{AM}=t\vec{u}+s\vec{v}$ أو $ax+by+cz+d=0$.
  • معادلة $(ABC)$ : $\det(\overrightarrow{AM},\overrightarrow{AB},\overrightarrow{AC})=0$.
  • مستقيم ومستوى : نعوض ونحل بالنسبة لـ $t$ ؛ مستقيمان : بارامتران $t$ و $s$.

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