درس Géométrie dans l'espace : produit scalaire — الثانية باك علوم فيزيائية

درس «Géométrie dans l'espace : produit scalaire» لتلاميذ الثانية باك علوم فيزيائية بالفرنسية والعربية: Produit scalaire - Expression analytique - Vecteur normal et équation d’un plan - Distance d’un point à un plan - Positions relatives. Cours Géométrie dans l'espace : produit scalaire — 2ème année…

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Produit scalaire dans l’espace

Définition

Soient $\vec{u}=\overrightarrow{AB}$ et $\vec{v}=\overrightarrow{AC}$. Les points $A$, $B$, $C$ sont dans un même plan $(P)$ ; le produit scalaire $\vec{u}\cdot\vec{v}$ est celui calculé dans $(P)$ :

$\vec{u}\cdot\vec{v}=\|\vec{u}\|\times\|\vec{v}\|\times\cos\left(\widehat{BAC}\right)$ ; $\vec{u}\cdot\vec{u}=\|\vec{u}\|^2$

Propriété

  • Il est symétrique et bilinéaire : $\vec{u}\cdot\vec{v}=\vec{v}\cdot\vec{u}$ ; $\vec{u}\cdot\left(\vec{v}+\lambda\vec{w}\right)=\vec{u}\cdot\vec{v}+\lambda\,\vec{u}\cdot\vec{w}$.
  • $\vec{u}\perp\vec{v}\iff\vec{u}\cdot\vec{v}=0$ (orthogonalité).

Expression analytique

Propriété Dans un repère orthonormé $(O;\vec{i};\vec{j};\vec{k})$

Pour $\vec{u}(x;y;z)$ et $\vec{v}(x';y';z')$ :

$\vec{u}\cdot\vec{v}=xx'+yy'+zz'$ ; $\|\vec{u}\|=\sqrt{x^2+y^2+z^2}$

  • Distance : $AB=\sqrt{(x_B-x_A)^2+(y_B-y_A)^2+(z_B-z_A)^2}$.

Exemple

$\vec{u}(1;2;-1)$ et $\vec{v}(3;-1;1)$ : $\vec{u}\cdot\vec{v}=3-2-1=0$.

$\vec{u}$ et $\vec{v}$ sont orthogonaux

$\|\vec{u}\|=\sqrt{1+4+1}=\sqrt{6}$.

Vecteur normal — Équation cartésienne d’un plan

Définition

Un vecteur $\vec{n}\neq\vec{0}$ est normal au plan $(P)$ s’il est orthogonal à tous les vecteurs de $(P)$ (il suffit : à deux vecteurs non colinéaires de $(P)$).

Le plan passant par $A$ et de vecteur normal $\vec{n}$ est l’ensemble des points $M$ tels que $\overrightarrow{AM}\cdot\vec{n}=0$.

Propriété

  • Tout plan de vecteur normal $\vec{n}(a;b;c)$ a une équation de la forme :

$ax+by+cz+d=0$

  • Réciproquement, si $(a;b;c)\neq(0;0;0)$, cette équation définit un plan de vecteur normal $\vec{n}(a;b;c)$.

Exemple

Plan $(P)$ passant par $A(1;0;2)$ et de vecteur normal $\vec{n}(2;-1;3)$ : $M(x;y;z)\in(P)\iff\overrightarrow{AM}\cdot\vec{n}=0$.

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

$(P)$ : $2x-y+3z-8=0$

Distance d’un point à un plan

Propriété

La distance du point $A(x_A;y_A;z_A)$ au plan $(P)$ : $ax+by+cz+d=0$ est :

$d\left(A;(P)\right)=\dfrac{|ax_A+by_A+cz_A+d|}{\sqrt{a^2+b^2+c^2}}$

>> C’est la distance $AH$, où $H$ est le projeté orthogonal de $A$ sur $(P)$.

Exemple

$B(1;1;1)$ et $(P)$ : $2x-y+3z-8=0$ : $d\left(B;(P)\right)=\dfrac{|2-1+3-8|}{\sqrt{4+1+9}}$.

$d\left(B;(P)\right)=\dfrac{4}{\sqrt{14}}$

Positions relatives

Propriété Deux plans $(P)$ et $(Q)$ de vecteurs normaux $\vec{n}$ et $\vec{n'}$

  • $(P)\parallel(Q)\iff\vec{n}$ et $\vec{n'}$ sont colinéaires ;
  • $(P)\perp(Q)\iff\vec{n}\cdot\vec{n'}=0$.

Propriété Une droite $(D)$ de vecteur directeur $\vec{u}$ et un plan $(P)$ de vecteur normal $\vec{n}$

  • $(D)\perp(P)\iff\vec{u}$ et $\vec{n}$ sont colinéaires ;
  • $(D)\parallel(P)\iff\vec{u}\cdot\vec{n}=0$ ; sinon $(D)$ coupe $(P)$ en un point.

Méthode Intersection d’une droite et d’un plan

1. On écrit une représentation paramétrique de $(D)$ ;

2. on remplace $x$, $y$, $z$ dans l’équation de $(P)$ et on résout en $t$ ;

3. on reporte la valeur de $t$ dans la représentation paramétrique.

Exemple Projeté orthogonal

Projeté orthogonal $H$ de $A(1;1;1)$ sur $(P)$ : $x+y+z-6=0$. La droite passant par $A$ et dirigée par $\vec{n}(1;1;1)$ :

$x=1+t$ ; $y=1+t$ ; $z=1+t$ ($t\in\mathbb{R}$)

$(1+t)+(1+t)+(1+t)-6=0\iff3t-3=0\iff t=1$.

$H(2;2;2)$

Vérification : $AH=\sqrt{1+1+1}=\sqrt{3}$ et $d\left(A;(P)\right)=\dfrac{|1+1+1-6|}{\sqrt{3}}=\sqrt{3}$.

Erreur fréquente

  • Lire le vecteur normal dans $2x-y+3z-8=0$ comme $(2;-1;-8)$ : c’est $(2;-1;3)$ (on ne prend pas $d$).
  • Oublier la valeur absolue dans la formule de la distance.
  • Confondre : $(D)\parallel(P)$ si $\vec{u}\cdot\vec{n}=0$, mais $(D)\perp(P)$ si $\vec{u}$ et $\vec{n}$ sont colinéaires.

À retenir

  • $\vec{u}\cdot\vec{v}=xx'+yy'+zz'$ ; $\vec{u}\perp\vec{v}\iff\vec{u}\cdot\vec{v}=0$ ; $\vec{n}(a;b;c)$ normal $\iff(P)$ : $ax+by+cz+d=0$.
  • $d\left(A;(P)\right)=\dfrac{|ax_A+by_A+cz_A+d|}{\sqrt{a^2+b^2+c^2}}$ ; $(P)\perp(Q)\iff\vec{n}\cdot\vec{n'}=0$.

النسخة العربية

الجداء السلمي في الفضاء

تعريف

لتكن $\vec{u}=\overrightarrow{AB}$ و $\vec{v}=\overrightarrow{AC}$. النقط $A$ و $B$ و $C$ تنتمي إلى نفس المستوى $(P)$ ؛ والجداء السلمي $\vec{u}\cdot\vec{v}$ هو الجداء المحسوب في $(P)$ :

$\vec{u}\cdot\vec{v}=\|\vec{u}\|\times\|\vec{v}\|\times\cos\left(\widehat{BAC}\right)$ ; $\vec{u}\cdot\vec{u}=\|\vec{u}\|^2$

خاصية

  • إنه تماثلي وثنائي الخطية : $\vec{u}\cdot\vec{v}=\vec{v}\cdot\vec{u}$ ؛ $\vec{u}\cdot\left(\vec{v}+\lambda\vec{w}\right)=\vec{u}\cdot\vec{v}+\lambda\,\vec{u}\cdot\vec{w}$.
  • $\vec{u}\perp\vec{v}\iff\vec{u}\cdot\vec{v}=0$ (التعامد).

الصيغة التحليلية

خاصية في معلم متعامد ممنظم $(O;\vec{i};\vec{j};\vec{k})$

من أجل $\vec{u}(x;y;z)$ و $\vec{v}(x';y';z')$ :

$\vec{u}\cdot\vec{v}=xx'+yy'+zz'$ ; $\|\vec{u}\|=\sqrt{x^2+y^2+z^2}$

  • المسافة : $AB=\sqrt{(x_B-x_A)^2+(y_B-y_A)^2+(z_B-z_A)^2}$.

مثال

$\vec{u}(1;2;-1)$ و $\vec{v}(3;-1;1)$ : $\vec{u}\cdot\vec{v}=3-2-1=0$.

$\vec{u}$ و $\vec{v}$ متعامدتان

$\|\vec{u}\|=\sqrt{1+4+1}=\sqrt{6}$.

المتجهة المنظمية — المعادلة الديكارتية لمستوى

تعريف

نقول إن متجهة $\vec{n}\neq\vec{0}$ منظمية على المستوى $(P)$ إذا كانت عمودية على جميع متجهات $(P)$ (يكفي : على متجهتين غير مستقيميتين من $(P)$).

المستوى المار من $A$ و $\vec{n}$ منظمية عليه هو مجموعة النقط $M$ بحيث $\overrightarrow{AM}\cdot\vec{n}=0$.

خاصية

  • كل مستوى $\vec{n}(a;b;c)$ منظمية عليه له معادلة على الشكل :

$ax+by+cz+d=0$

  • وعكسياً، إذا كان $(a;b;c)\neq(0;0;0)$، فإن هذه المعادلة تحدد مستوى $\vec{n}(a;b;c)$ منظمية عليه.

مثال

المستوى $(P)$ المار من $A(1;0;2)$ و $\vec{n}(2;-1;3)$ منظمية عليه : $M(x;y;z)\in(P)\iff\overrightarrow{AM}\cdot\vec{n}=0$.

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

$(P)$ : $2x-y+3z-8=0$

مسافة نقطة عن مستوى

خاصية

مسافة النقطة $A(x_A;y_A;z_A)$ عن المستوى $(P)$ : $ax+by+cz+d=0$ هي :

$d\left(A;(P)\right)=\dfrac{|ax_A+by_A+cz_A+d|}{\sqrt{a^2+b^2+c^2}}$

>> إنها المسافة $AH$، حيث $H$ المسقط العمودي للنقطة $A$ على $(P)$.

مثال

$B(1;1;1)$ و $(P)$ : $2x-y+3z-8=0$ : $d\left(B;(P)\right)=\dfrac{|2-1+3-8|}{\sqrt{4+1+9}}$.

$d\left(B;(P)\right)=\dfrac{4}{\sqrt{14}}$

الأوضاع النسبية

خاصية مستويان $(P)$ و $(Q)$ منظميتاهما $\vec{n}$ و $\vec{n'}$

  • $(P)\parallel(Q)\iff\vec{n}$ و $\vec{n'}$ مستقيميتان ؛
  • $(P)\perp(Q)\iff\vec{n}\cdot\vec{n'}=0$.

خاصية مستقيم $(D)$ موجه بـ $\vec{u}$ ومستوى $(P)$ منظميته $\vec{n}$

  • $(D)\perp(P)\iff\vec{u}$ و $\vec{n}$ مستقيميتان ؛
  • $(D)\parallel(P)\iff\vec{u}\cdot\vec{n}=0$ ؛ وإلا فإن $(D)$ يقطع $(P)$ في نقطة.

طريقة تقاطع مستقيم ومستوى

1. نكتب تمثيلاً بارامترياً لـ $(D)$ ؛

2. نعوض $x$ و $y$ و $z$ في معادلة $(P)$ ونحل المعادلة ذات المجهول $t$ ؛

3. نعوض قيمة $t$ في التمثيل البارامتري.

مثال المسقط العمودي

المسقط العمودي $H$ للنقطة $A(1;1;1)$ على $(P)$ : $x+y+z-6=0$. المستقيم المار من $A$ والموجه بـ $\vec{n}(1;1;1)$ :

$x=1+t$ ; $y=1+t$ ; $z=1+t$ ($t\in\mathbb{R}$)

$(1+t)+(1+t)+(1+t)-6=0\iff3t-3=0\iff t=1$.

$H(2;2;2)$

تحقق : $AH=\sqrt{1+1+1}=\sqrt{3}$ و $d\left(A;(P)\right)=\dfrac{|1+1+1-6|}{\sqrt{3}}=\sqrt{3}$.

خطأ شائع

  • قراءة المتجهة المنظمية في $2x-y+3z-8=0$ على أنها $(2;-1;-8)$ : إنها $(2;-1;3)$ (لا نأخذ $d$).
  • نسيان القيمة المطلقة في صيغة المسافة.
  • الخلط : $(D)\parallel(P)$ إذا كان $\vec{u}\cdot\vec{n}=0$، لكن $(D)\perp(P)$ إذا كانت $\vec{u}$ و $\vec{n}$ مستقيميتين.

للحفظ

  • $\vec{u}\cdot\vec{v}=xx'+yy'+zz'$ ؛ $\vec{u}\perp\vec{v}\iff\vec{u}\cdot\vec{v}=0$ ؛ $\vec{n}(a;b;c)$ منظمية $\iff(P)$ : $ax+by+cz+d=0$.
  • $d\left(A;(P)\right)=\dfrac{|ax_A+by_A+cz_A+d|}{\sqrt{a^2+b^2+c^2}}$ ؛ $(P)\perp(Q)\iff\vec{n}\cdot\vec{n'}=0$.

فنفس الدرس

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