درس Vecteurs de l'espace — الأولى باك علوم تجريبية

درس «Vecteurs de l'espace» لتلاميذ الأولى باك علوم تجريبية بالفرنسية والعربية: Opérations - Vecteurs colinéaires et droites - Vecteurs coplanaires et plans - Base, repère et coordonnées. Cours Vecteurs de l'espace — 1ère année Bac sciences expérimentales.

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Vecteurs de l’espace — Opérations

Définition

Les notions de vecteur, d’égalité, de somme et de produit d’un vecteur par un réel vues dans le plan s’étendent à l’espace.

$\overrightarrow{AB}=\overrightarrow{CD}\iff ABDC$ est un parallélogramme (éventuellement aplati).

Propriété Règles de calcul

  • Relation de Chasles : $\overrightarrow{AB}+\overrightarrow{BC}=\overrightarrow{AC}$ ;
  • Règle du parallélogramme : $\overrightarrow{AB}+\overrightarrow{AC}=\overrightarrow{AD}\iff ABDC$ est un parallélogramme ;
  • $I$ est le milieu de $[AB]\iff\overrightarrow{AI}=\dfrac{1}{2}\overrightarrow{AB}\iff\overrightarrow{IA}+\overrightarrow{IB}=\vec{0}$.

Exemple Dans un cube

$ABCDEFGH$ est un cube. Simplifier $\vec{u}=\overrightarrow{AB}+\overrightarrow{CG}+\overrightarrow{GH}$.

Les faces sont des carrés : $\overrightarrow{CG}=\overrightarrow{BF}$ et $\overrightarrow{GH}=\overrightarrow{FE}$.

$\vec{u}=\overrightarrow{AB}+\overrightarrow{BF}+\overrightarrow{FE}$

$\vec{u}=\overrightarrow{AE}$ (relation de Chasles)

Exemple

Simplifier $\vec{v}=\overrightarrow{AB}+\overrightarrow{AD}+\overrightarrow{AE}$.

$ABCD$ est un carré : $\overrightarrow{AB}+\overrightarrow{AD}=\overrightarrow{AC}$ (règle du parallélogramme).

$\overrightarrow{AE}=\overrightarrow{CG}$, donc $\vec{v}=\overrightarrow{AC}+\overrightarrow{CG}$.

$\vec{v}=\overrightarrow{AG}$

Vecteurs colinéaires — Droites de l’espace

Définition

Deux vecteurs $\vec{u}$ et $\vec{v}$ sont colinéaires si $\vec{u}=\vec{0}$ ou s’il existe un réel $k$ tel que $\vec{v}=k\vec{u}$.

Propriété

  • Soit $A$ un point et $\vec{u}\neq\vec{0}$. La droite $D(A,\vec{u})$ passant par $A$ et de vecteur directeur $\vec{u}$ est l’ensemble des points $M$ tels que :

$\overrightarrow{AM}=t\,\vec{u}$ avec $t\in\mathbb{R}$

  • $A$, $B$, $C$ sont alignés $\iff\overrightarrow{AB}$ et $\overrightarrow{AC}$ sont colinéaires.
  • Deux droites sont parallèles $\iff$ leurs vecteurs directeurs sont colinéaires.

Exemple Droite des milieux

$ABCD$ est un tétraèdre, $I$ le milieu de $[AB]$ et $J$ le milieu de $[AC]$. Montrer que $(IJ)\parallel(BC)$.

$\overrightarrow{IJ}=\overrightarrow{IA}+\overrightarrow{AJ}$

$=\dfrac{1}{2}\overrightarrow{BA}+\dfrac{1}{2}\overrightarrow{AC}$

$=\dfrac{1}{2}(\overrightarrow{BA}+\overrightarrow{AC})=\dfrac{1}{2}\overrightarrow{BC}$

$\overrightarrow{IJ}$ et $\overrightarrow{BC}$ sont colinéaires : $(IJ)\parallel(BC)$

Vecteurs coplanaires — Plans de l’espace

Propriété Plan de l’espace

Soient $A$ un point et $\vec{u}$, $\vec{v}$ deux vecteurs non colinéaires. Le plan $P(A,\vec{u},\vec{v})$ est l’ensemble des points $M$ tels que :

$\overrightarrow{AM}=x\vec{u}+y\vec{v}$ avec $(x;y)\in\mathbb{R}^2$

$(\vec{u},\vec{v})$ est un couple de vecteurs directeurs du plan.

Définition Vecteurs coplanaires

Trois vecteurs $\vec{u}$, $\vec{v}$, $\vec{w}$ sont coplanaires si, pour un point $O$, les points $O$, $A$, $B$, $C$ définis par $\overrightarrow{OA}=\vec{u}$, $\overrightarrow{OB}=\vec{v}$, $\overrightarrow{OC}=\vec{w}$ sont dans un même plan.

Propriété

  • Si $\vec{u}$ et $\vec{v}$ ne sont pas colinéaires : $\vec{u}$, $\vec{v}$, $\vec{w}$ sont coplanaires $\iff$ il existe deux réels $\alpha$, $\beta$ tels que $\vec{w}=\alpha\vec{u}+\beta\vec{v}$.
  • Quatre points $A$, $B$, $C$, $D$ sont coplanaires $\iff\overrightarrow{AB}$, $\overrightarrow{AC}$, $\overrightarrow{AD}$ sont coplanaires.
  • Une droite de vecteur directeur $\vec{w}$ est parallèle au plan $P(A,\vec{u},\vec{v})$ $\iff\vec{u}$, $\vec{v}$, $\vec{w}$ sont coplanaires.

Exemple Coplanaires

Dans le cube : $\overrightarrow{AC}=\overrightarrow{AB}+\overrightarrow{AD}$.

$\overrightarrow{AB}$, $\overrightarrow{AD}$ et $\overrightarrow{AC}$ sont coplanaires (ils sont dans le plan $(ABC)$)

Exemple Non coplanaires (raisonnement par l’absurde)

$\overrightarrow{AB}$, $\overrightarrow{AD}$ et $\overrightarrow{AG}$ sont-ils coplanaires ? On sait que $\overrightarrow{AG}=\overrightarrow{AB}+\overrightarrow{AD}+\overrightarrow{AE}$.

Supposons $\overrightarrow{AG}=x\overrightarrow{AB}+y\overrightarrow{AD}$. Alors :

$\overrightarrow{AE}=(x-1)\overrightarrow{AB}+(y-1)\overrightarrow{AD}$

donc $E$ serait dans le plan $(ABD)$ : impossible (la face $ABFE$ est perpendiculaire à $ABCD$).

$\overrightarrow{AB}$, $\overrightarrow{AD}$ et $\overrightarrow{AG}$ ne sont pas coplanaires

Base et repère de l’espace — Coordonnées

Définition

Trois vecteurs $\vec{i}$, $\vec{j}$, $\vec{k}$ non coplanaires forment une base de l’espace : tout vecteur $\vec{u}$ s’écrit de façon unique $\vec{u}=x\vec{i}+y\vec{j}+z\vec{k}$.

$(x;y;z)$ sont les coordonnées de $\vec{u}$. Avec un point $O$, $(O;\vec{i},\vec{j},\vec{k})$ est un repère ; les coordonnées de $M$ sont celles de $\overrightarrow{OM}$.

Propriété Calculs en coordonnées

Si $A(x_A;y_A;z_A)$, $B(x_B;y_B;z_B)$, $\vec{u}(x;y;z)$ et $\vec{v}(x';y';z')$ :

  • $\overrightarrow{AB}(x_B-x_A;y_B-y_A;z_B-z_A)$
  • milieu de $[AB]$ : $I\left(\dfrac{x_A+x_B}{2};\dfrac{y_A+y_B}{2};\dfrac{z_A+z_B}{2}\right)$
  • $\vec{u}+\vec{v}(x+x';y+y';z+z')$ et $k\vec{u}(kx;ky;kz)$
  • $\vec{u}$ et $\vec{v}$ colinéaires $\iff$ leurs coordonnées sont proportionnelles.

Exemple Points alignés

$A(1;0;2)$, $B(3;1;0)$, $C(-1;-1;4)$. Montrer que $A$, $B$, $C$ sont alignés.

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

$\overrightarrow{AC}=-\overrightarrow{AB}$

$\overrightarrow{AB}$ et $\overrightarrow{AC}$ sont colinéaires : $A$, $B$, $C$ sont alignés ($A$ est le milieu de $[BC]$)

Exemple Vecteurs coplanaires

$\vec{u}(1;0;1)$, $\vec{v}(0;1;1)$ et $\vec{w}(2;3;5)$. On cherche $\alpha$, $\beta$ tels que $\vec{w}=\alpha\vec{u}+\beta\vec{v}$ :

$\begin{cases}\alpha=2\\\beta=3\\\alpha+\beta=5\end{cases}$

Les deux premières équations donnent $\alpha=2$ et $\beta=3$ ; la troisième est vérifiée : $2+3=5$ ✔.

$\vec{w}=2\vec{u}+3\vec{v}$ : $\vec{u}$, $\vec{v}$, $\vec{w}$ sont coplanaires

Erreur fréquente

  • Dans l’espace, deux droites non parallèles ne se coupent pas forcément : elles peuvent être non coplanaires.
  • Pour la coplanarité en coordonnées, il faut vérifier toutes les équations du système (ici la troisième).

Application de synthèse

Application

$ABCD$ est un tétraèdre, $I$ le milieu de $[AB]$, $J$ le milieu de $[CD]$ et $G$ le point tel que $\overrightarrow{GA}+\overrightarrow{GB}+\overrightarrow{GC}+\overrightarrow{GD}=\vec{0}$. Montrer que $G$ est le milieu de $[IJ]$.

Réponse

>> On introduit les milieux avec la relation de Chasles : $\overrightarrow{GA}+\overrightarrow{GB}=2\overrightarrow{GI}$ car $\overrightarrow{IA}+\overrightarrow{IB}=\vec{0}$.

De même $\overrightarrow{GC}+\overrightarrow{GD}=2\overrightarrow{GJ}$.

$\overrightarrow{GA}+\overrightarrow{GB}+\overrightarrow{GC}+\overrightarrow{GD}=\vec{0}\iff2\overrightarrow{GI}+2\overrightarrow{GJ}=\vec{0}$

$\iff\overrightarrow{GI}+\overrightarrow{GJ}=\vec{0}$

$G$ est le milieu de $[IJ]$

À retenir

  • Les règles du plan (Chasles, parallélogramme, milieu) restent vraies dans l’espace.
  • Alignement / parallélisme : vecteurs colinéaires ($\vec{v}=k\vec{u}$).
  • Coplanarité : $\vec{w}=\alpha\vec{u}+\beta\vec{v}$ avec $\vec{u}$, $\vec{v}$ non colinéaires.
  • Base : trois vecteurs non coplanaires ; en coordonnées, colinéaires $\iff$ coordonnées proportionnelles.

النسخة العربية

متجهات الفضاء — العمليات

تعريف

مفاهيم المتجهة والتساوي والمجموع وضرب متجهة في عدد حقيقي التي رأيناها في المستوى تمتد إلى الفضاء.

$\overrightarrow{AB}=\overrightarrow{CD}\iff ABDC$ متوازي أضلاع (ربما منبسط).

خاصية قواعد الحساب

  • علاقة شال : $\overrightarrow{AB}+\overrightarrow{BC}=\overrightarrow{AC}$ ؛
  • قاعدة متوازي الأضلاع : $\overrightarrow{AB}+\overrightarrow{AC}=\overrightarrow{AD}\iff ABDC$ متوازي أضلاع ؛
  • $I$ منتصف $[AB]\iff\overrightarrow{AI}=\dfrac{1}{2}\overrightarrow{AB}\iff\overrightarrow{IA}+\overrightarrow{IB}=\vec{0}$.

مثال في مكعب

$ABCDEFGH$ مكعب. بسّط $\vec{u}=\overrightarrow{AB}+\overrightarrow{CG}+\overrightarrow{GH}$.

الأوجه مربعات : $\overrightarrow{CG}=\overrightarrow{BF}$ و $\overrightarrow{GH}=\overrightarrow{FE}$.

$\vec{u}=\overrightarrow{AB}+\overrightarrow{BF}+\overrightarrow{FE}$

$\vec{u}=\overrightarrow{AE}$ (علاقة شال)

مثال

بسّط $\vec{v}=\overrightarrow{AB}+\overrightarrow{AD}+\overrightarrow{AE}$.

$ABCD$ مربع : $\overrightarrow{AB}+\overrightarrow{AD}=\overrightarrow{AC}$ (قاعدة متوازي الأضلاع).

$\overrightarrow{AE}=\overrightarrow{CG}$، إذن $\vec{v}=\overrightarrow{AC}+\overrightarrow{CG}$.

$\vec{v}=\overrightarrow{AG}$

المتجهات المستقيمية — مستقيمات الفضاء

تعريف

نقول إن المتجهتين $\vec{u}$ و $\vec{v}$ مستقيميتان إذا كان $\vec{u}=\vec{0}$ أو وجد عدد حقيقي $k$ بحيث $\vec{v}=k\vec{u}$.

خاصية

  • لتكن $A$ نقطة و $\vec{u}\neq\vec{0}$. المستقيم $D(A,\vec{u})$ المار من $A$ والموجه بـ $\vec{u}$ هو مجموعة النقط $M$ بحيث :

$\overrightarrow{AM}=t\,\vec{u}$ مع $t\in\mathbb{R}$

  • $A$ و $B$ و $C$ مستقيمية $\iff\overrightarrow{AB}$ و $\overrightarrow{AC}$ مستقيميتان.
  • يكون مستقيمان متوازيين $\iff$ متجهتاهما الموجهتان مستقيميتان.

مثال مستقيم المنتصفين

$ABCD$ رباعي أوجه، $I$ منتصف $[AB]$ و $J$ منتصف $[AC]$. بيّن أن $(IJ)\parallel(BC)$.

$\overrightarrow{IJ}=\overrightarrow{IA}+\overrightarrow{AJ}$

$=\dfrac{1}{2}\overrightarrow{BA}+\dfrac{1}{2}\overrightarrow{AC}$

$=\dfrac{1}{2}(\overrightarrow{BA}+\overrightarrow{AC})=\dfrac{1}{2}\overrightarrow{BC}$

$\overrightarrow{IJ}$ و $\overrightarrow{BC}$ مستقيميتان : $(IJ)\parallel(BC)$

المتجهات المستوائية — مستويات الفضاء

خاصية مستوى من الفضاء

لتكن $A$ نقطة و $\vec{u}$ و $\vec{v}$ متجهتين غير مستقيميتين. المستوى $P(A,\vec{u},\vec{v})$ هو مجموعة النقط $M$ بحيث :

$\overrightarrow{AM}=x\vec{u}+y\vec{v}$ مع $(x;y)\in\mathbb{R}^2$

$(\vec{u},\vec{v})$ زوج متجهتين موجهتين للمستوى.

تعريف المتجهات المستوائية

تكون المتجهات $\vec{u}$ و $\vec{v}$ و $\vec{w}$ مستوائية إذا كانت النقط $O$ و $A$ و $B$ و $C$، المعرفة بـ $\overrightarrow{OA}=\vec{u}$ و $\overrightarrow{OB}=\vec{v}$ و $\overrightarrow{OC}=\vec{w}$، تنتمي إلى نفس المستوى.

خاصية

  • إذا كانت $\vec{u}$ و $\vec{v}$ غير مستقيميتين : $\vec{u}$ و $\vec{v}$ و $\vec{w}$ مستوائية $\iff$ يوجد عددان حقيقيان $\alpha$ و $\beta$ بحيث $\vec{w}=\alpha\vec{u}+\beta\vec{v}$.
  • أربع نقط $A$ و $B$ و $C$ و $D$ مستوائية $\iff\overrightarrow{AB}$ و $\overrightarrow{AC}$ و $\overrightarrow{AD}$ مستوائية.
  • يكون مستقيم موجه بـ $\vec{w}$ موازياً للمستوى $P(A,\vec{u},\vec{v})$ $\iff\vec{u}$ و $\vec{v}$ و $\vec{w}$ مستوائية.

مثال مستوائية

في المكعب : $\overrightarrow{AC}=\overrightarrow{AB}+\overrightarrow{AD}$.

$\overrightarrow{AB}$ و $\overrightarrow{AD}$ و $\overrightarrow{AC}$ مستوائية (توجد في المستوى $(ABC)$)

مثال غير مستوائية (استدلال بالخلف)

هل $\overrightarrow{AB}$ و $\overrightarrow{AD}$ و $\overrightarrow{AG}$ مستوائية ؟ نعلم أن $\overrightarrow{AG}=\overrightarrow{AB}+\overrightarrow{AD}+\overrightarrow{AE}$.

نفترض أن $\overrightarrow{AG}=x\overrightarrow{AB}+y\overrightarrow{AD}$. إذن :

$\overrightarrow{AE}=(x-1)\overrightarrow{AB}+(y-1)\overrightarrow{AD}$

إذن $E$ ستكون في المستوى $(ABD)$ : وهذا مستحيل (الوجه $ABFE$ عمودي على $ABCD$).

$\overrightarrow{AB}$ و $\overrightarrow{AD}$ و $\overrightarrow{AG}$ غير مستوائية

أساس ومعلم الفضاء — الإحداثيات

تعريف

ثلاث متجهات $\vec{i}$ و $\vec{j}$ و $\vec{k}$ غير مستوائية تكوّن أساساً للفضاء : كل متجهة $\vec{u}$ تكتب بكيفية وحيدة $\vec{u}=x\vec{i}+y\vec{j}+z\vec{k}$.

$(x;y;z)$ هي إحداثيات $\vec{u}$. مع نقطة $O$، يكون $(O;\vec{i},\vec{j},\vec{k})$ معلماً ؛ وإحداثيات $M$ هي إحداثيات $\overrightarrow{OM}$.

خاصية الحساب بالإحداثيات

إذا كانت $A(x_A;y_A;z_A)$ و $B(x_B;y_B;z_B)$ و $\vec{u}(x;y;z)$ و $\vec{v}(x';y';z')$ :

  • $\overrightarrow{AB}(x_B-x_A;y_B-y_A;z_B-z_A)$
  • منتصف $[AB]$ : $I\left(\dfrac{x_A+x_B}{2};\dfrac{y_A+y_B}{2};\dfrac{z_A+z_B}{2}\right)$
  • $\vec{u}+\vec{v}(x+x';y+y';z+z')$ و $k\vec{u}(kx;ky;kz)$
  • $\vec{u}$ و $\vec{v}$ مستقيميتان $\iff$ إحداثياتهما متناسبة.

مثال نقط مستقيمية

$A(1;0;2)$ و $B(3;1;0)$ و $C(-1;-1;4)$. بيّن أن $A$ و $B$ و $C$ مستقيمية.

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

$\overrightarrow{AC}=-\overrightarrow{AB}$

$\overrightarrow{AB}$ و $\overrightarrow{AC}$ مستقيميتان : $A$ و $B$ و $C$ مستقيمية ($A$ منتصف $[BC]$)

مثال متجهات مستوائية

$\vec{u}(1;0;1)$ و $\vec{v}(0;1;1)$ و $\vec{w}(2;3;5)$. نبحث عن $\alpha$ و $\beta$ بحيث $\vec{w}=\alpha\vec{u}+\beta\vec{v}$ :

$\begin{cases}\alpha=2\\\beta=3\\\alpha+\beta=5\end{cases}$

المعادلتان الأوليان تعطيان $\alpha=2$ و $\beta=3$ ؛ والثالثة محققة : $2+3=5$ ✔.

$\vec{w}=2\vec{u}+3\vec{v}$ : $\vec{u}$ و $\vec{v}$ و $\vec{w}$ مستوائية

خطأ شائع

  • في الفضاء، مستقيمان غير متوازيين لا يتقاطعان بالضرورة : يمكن أن يكونا غير مستوائيين.
  • بالنسبة للمستوائية بالإحداثيات، يجب التحقق من كل معادلات النظمة (هنا الثالثة).

تطبيق تركيبي

تطبيق

$ABCD$ رباعي أوجه، $I$ منتصف $[AB]$ و $J$ منتصف $[CD]$ و $G$ النقطة بحيث $\overrightarrow{GA}+\overrightarrow{GB}+\overrightarrow{GC}+\overrightarrow{GD}=\vec{0}$. بيّن أن $G$ منتصف $[IJ]$.

جواب

>> ندخل المنتصفين بعلاقة شال : $\overrightarrow{GA}+\overrightarrow{GB}=2\overrightarrow{GI}$ لأن $\overrightarrow{IA}+\overrightarrow{IB}=\vec{0}$.

وبالمثل $\overrightarrow{GC}+\overrightarrow{GD}=2\overrightarrow{GJ}$.

$\overrightarrow{GA}+\overrightarrow{GB}+\overrightarrow{GC}+\overrightarrow{GD}=\vec{0}\iff2\overrightarrow{GI}+2\overrightarrow{GJ}=\vec{0}$

$\iff\overrightarrow{GI}+\overrightarrow{GJ}=\vec{0}$

$G$ منتصف $[IJ]$

للحفظ

  • قواعد المستوى (شال، متوازي الأضلاع، المنتصف) تبقى صحيحة في الفضاء.
  • الاستقامية / التوازي : متجهات مستقيمية ($\vec{v}=k\vec{u}$).
  • المستوائية : $\vec{w}=\alpha\vec{u}+\beta\vec{v}$ مع $\vec{u}$ و $\vec{v}$ غير مستقيميتين.
  • الأساس : ثلاث متجهات غير مستوائية ؛ بالإحداثيات : مستقيميتان $\iff$ إحداثيات متناسبة.

فنفس الدرس

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