درس La droite dans le plan — الجذع المشترك العلمي (خيار فرنسية)

درس «La droite dans le plan» لتلاميذ الجذع المشترك العلمي (خيار فرنسية) بالفرنسية والعربية: Repère - Coordonnées - Déterminant et colinéarité - Représentation paramétrique - Équation cartésienne et réduite - Positions relatives - Signe de ax+by+c. Cours La droite dans le plan — Tronc commun…

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Repère du plan

Définition

Un repère $(O;I;J)$ du plan est formé de trois points non alignés : $O$ est l’origine, $(OI)$ l’axe des abscisses, $(OJ)$ l’axe des ordonnées.

On pose $\vec{i}=\overrightarrow{OI}$ et $\vec{j}=\overrightarrow{OJ}$ ; le repère se note aussi $(O;\vec{i};\vec{j})$ et $(\vec{i};\vec{j})$ est sa base.

Remarque Trois types de repères

  • orthonormé : axes perpendiculaires et $OI=OJ=1$ (maille carrée) ;
  • orthogonal : axes perpendiculaires (maille rectangulaire) ;
  • quelconque : maille en parallélogramme.

Exemple

Dans un repère orthonormé, on place $A(2;3)$, $B(3;-1)$, $C(-2;-1)$, $D(3;0)$, $E(-2;3)$ et $F(0;-1)$ :

Calculs dans un repère

Théorème Coordonnées d’un point et d’un vecteur

Pour tout point $M$, il existe un unique couple $(x;y)$ tel que $\overrightarrow{OM}=x\vec{i}+y\vec{j}$ : on note $M(x;y)$ ($x$ abscisse, $y$ ordonnée).

De même $\vec{u}(x;y)$ signifie $\vec{u}=x\vec{i}+y\vec{j}$.

Formules

Pour $A(x_A;y_A)$, $B(x_B;y_B)$, $\vec{u}(a;b)$, $\vec{v}(a';b')$ et $k\in\mathbb{R}$ :

$\overrightarrow{AB}\left(x_B-x_A;y_B-y_A\right)$ ; milieu $I\left(\dfrac{x_A+x_B}{2};\dfrac{y_A+y_B}{2}\right)$

Dans un repère orthonormé : $AB=\sqrt{\left(x_B-x_A\right)^2+\left(y_B-y_A\right)^2}$

$\vec{u}+\vec{v}\left(a+a';b+b'\right)$ ; $k\vec{u}\left(ka;kb\right)$

Propriété Égalité et colinéarité

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

  • $\vec{u}=\vec{v}\iff x=x'$ et $y=y'$ ;
  • $\vec{u}$ et $\vec{v}$ sont colinéaires $\iff xy'-yx'=0$.

Le réel $\det\left(\vec{u};\vec{v}\right)=\begin{vmatrix}x&x'\\y&y'\end{vmatrix}=xy'-yx'$ est le déterminant de $\vec{u}$ et $\vec{v}$.

Remarque

Si $\det\left(\vec{u};\vec{v}\right)\neq0$, $\vec{u}$ et $\vec{v}$ ne sont pas colinéaires : ils forment une base du plan.

Exemple

$\vec{u}(2;-3)$, $\vec{v}(-6;9)$, $\vec{w}(5;-7)$ : $2\times9-(-3)\times(-6)=0$ donc $\vec{u}$ et $\vec{v}$ sont colinéaires ; $2\times(-7)-(-3)\times5=1\neq0$ donc $\vec{u}$ et $\vec{w}$ ne le sont pas.

Application Application

$A(-3;-2)$, $B(1;-1)$, $C(4;4)$, $D(0;3)$. Montrer que $ABCD$ est un parallélogramme et préciser la nature de $ABD$.

$\overrightarrow{AB}(4;1)$ et $\overrightarrow{DC}(4;1)$ : $\overrightarrow{AB}=\overrightarrow{DC}$, donc $ABCD$ est un parallélogramme.

$AB=\sqrt{17}$ ; $DB=\sqrt{1+16}=\sqrt{17}$ ; $AD=\sqrt{9+25}=\sqrt{34}=\sqrt{AB^2+DB^2}$

$ABD$ est rectangle isocèle en $B$

Droite dans le plan

Définition Vecteur directeur

Si $A$ et $B$ sont deux points distincts d’une droite $\mathcal{D}$, tout vecteur $\vec{u}$ non nul colinéaire à $\overrightarrow{AB}$ est un vecteur directeur de $\mathcal{D}$ ; on note $\mathcal{D}(A;\vec{u})$.

$M\in\mathcal{D}(A;\vec{u})\iff\overrightarrow{AM}$ et $\vec{u}$ sont colinéaires

Définition Représentation paramétrique

Si $A(x_A;y_A)\in\mathcal{D}$ et $\vec{u}(\alpha;\beta)$ est un vecteur directeur de $\mathcal{D}$, le système suivant est une représentation paramétrique de $\mathcal{D}$ :

$\begin{cases}x=x_A+\alpha t\\y=y_A+\beta t\end{cases}$ $(t\in\mathbb{R})$

Exemple : $\begin{cases}x=1-2t\\y=-1+3t\end{cases}$ représente la droite passant par $A(1;-1)$ de vecteur directeur $\vec{u}(-2;3)$.

Propriété Équation cartésienne

Toute droite a une équation de la forme $ax+by+c=0$ avec $(a;b)\neq(0;0)$ ; réciproquement, une telle équation définit une droite de vecteur directeur $\vec{u}(-b;a)$.

Cas particuliers : droite parallèle à l’axe des ordonnées : $x=a$ ; parallèle à l’axe des abscisses : $y=b$.

Méthode Obtenir une équation cartésienne

Pour $\mathcal{D}(A;\vec{u})$ avec $\vec{u}(\alpha;\beta)$, on écrit que $\overrightarrow{AM}$ et $\vec{u}$ sont colinéaires :

$\begin{vmatrix}x-x_A&\alpha\\y-y_A&\beta\end{vmatrix}=0$

Exemple

Droite passant par $A(1;-1)$ de vecteur directeur $\vec{u}(-2;3)$ : $3(x-1)-(-2)(y+1)=0$.

$3x+2y-1=0$

Théorème Équation réduite

Toute droite a une équation soit de la forme $x=c$, soit de la forme $y=mx+p$ (équation réduite) où :

$m$ est le coefficient directeur, $p$ l’ordonnée à l’origine, et $\vec{u}(1;m)$ est un vecteur directeur.

Si $A$ et $B$ (avec $x_A\neq x_B$) sont sur la droite : $m=\dfrac{y_B-y_A}{x_B-x_A}$.

Propriété Positions relatives de deux droites

  • $y=mx+p$ et $y=m'x+p'$ sont parallèles si $m=m'$ et sécantes si $m\neq m'$.
  • $ax+by+c=0$ et $a'x+b'y+c'=0$ sont sécantes si $ab'-a'b\neq0$ et parallèles si $ab'-a'b=0$.

Signe de ax+by+c

Théorème

Soit $\mathcal{D}:ax+by+c=0$. Le réel $ax+by+c$ associé au point $M(x;y)$ est :

  • nul si $M\in\mathcal{D}$ ;
  • strictement positif dans l’un des demi-plans ouverts de frontière $\mathcal{D}$ ;
  • strictement négatif dans l’autre.

Exemple

Ensemble $\mathcal{E}$ des points tels que $2x+3y-12>0$ : on trace $\mathcal{D}:2x+3y-12=0$ ; pour $O(0;0)$ on obtient $-12<0$, donc $O\notin\mathcal{E}$.

$\mathcal{E}$ est le demi-plan ouvert de frontière $\mathcal{D}$ ne contenant pas $O$

À retenir

  • $\overrightarrow{AB}\left(x_B-x_A;y_B-y_A\right)$, milieu, distance ; colinéarité $\iff xy'-yx'=0$.
  • $ax+by+c=0$ dirigée par $\vec{u}(-b;a)$ ; $y=mx+p$ dirigée par $\vec{u}(1;m)$ ; parallèles $\iff m=m'$.
  • Signe de $ax+by+c$ : on teste un point (souvent $O$) pour choisir le demi-plan.

النسخة العربية

معلم المستوى

تعريف

المعلم $(O;I;J)$ للمستوى يتكون من ثلاث نقط غير مستقيمية : $O$ هي الأصل، و $(OI)$ محور الأفاصيل، و $(OJ)$ محور الأراتيب.

نضع $\vec{i}=\overrightarrow{OI}$ و $\vec{j}=\overrightarrow{OJ}$ ؛ ويُكتب المعلم أيضاً $(O;\vec{i};\vec{j})$ و $(\vec{i};\vec{j})$ هي أساسه.

ملاحظة ثلاثة أنواع من المعالم

  • متعامد ممنظم : محوران متعامدان و $OI=OJ=1$ (شبكة مربعات) ؛
  • متعامد : محوران متعامدان (شبكة مستطيلات) ؛
  • كيفي : شبكة متوازيات أضلاع.

مثال

في معلم متعامد ممنظم، نمثل $A(2;3)$ و $B(3;-1)$ و $C(-2;-1)$ و $D(3;0)$ و $E(-2;3)$ و $F(0;-1)$ :

الحساب في معلم

مبرهنة إحداثيتا نقطة وإحداثيتا متجهة

لكل نقطة $M$ يوجد زوج وحيد $(x;y)$ بحيث $\overrightarrow{OM}=x\vec{i}+y\vec{j}$ : نكتب $M(x;y)$ ($x$ الأفصول و $y$ الأرتوب).

وبالمثل $\vec{u}(x;y)$ تعني $\vec{u}=x\vec{i}+y\vec{j}$.

صيغ

من أجل $A(x_A;y_A)$ و $B(x_B;y_B)$ و $\vec{u}(a;b)$ و $\vec{v}(a';b')$ و $k\in\mathbb{R}$ :

$\overrightarrow{AB}\left(x_B-x_A;y_B-y_A\right)$ ؛ المنتصف $I\left(\dfrac{x_A+x_B}{2};\dfrac{y_A+y_B}{2}\right)$

في معلم متعامد ممنظم : $AB=\sqrt{\left(x_B-x_A\right)^2+\left(y_B-y_A\right)^2}$

$\vec{u}+\vec{v}\left(a+a';b+b'\right)$ ; $k\vec{u}\left(ka;kb\right)$

خاصية التساوي والاستقامية

لتكن $\vec{u}(x;y)$ و $\vec{v}(x';y')$ :

  • $\vec{u}=\vec{v}\iff x=x'$ و $y=y'$ ؛
  • $\vec{u}$ و $\vec{v}$ مستقيميتان $\iff xy'-yx'=0$.

العدد $\det\left(\vec{u};\vec{v}\right)=\begin{vmatrix}x&x'\\y&y'\end{vmatrix}=xy'-yx'$ هو محدد المتجهتين $\vec{u}$ و $\vec{v}$.

ملاحظة

إذا كان $\det\left(\vec{u};\vec{v}\right)\neq0$ فإن $\vec{u}$ و $\vec{v}$ غير مستقيميتين : وتكونان أساساً للمستوى.

مثال

$\vec{u}(2;-3)$ و $\vec{v}(-6;9)$ و $\vec{w}(5;-7)$ : $2\times9-(-3)\times(-6)=0$ إذن $\vec{u}$ و $\vec{v}$ مستقيميتان ؛ $2\times(-7)-(-3)\times5=1\neq0$ إذن $\vec{u}$ و $\vec{w}$ غير مستقيميتين.

تطبيق تطبيق

$A(-3;-2)$ و $B(1;-1)$ و $C(4;4)$ و $D(0;3)$. بيّن أن $ABCD$ متوازي أضلاع وحدد طبيعة المثلث $ABD$.

$\overrightarrow{AB}(4;1)$ و $\overrightarrow{DC}(4;1)$ : $\overrightarrow{AB}=\overrightarrow{DC}$، إذن $ABCD$ متوازي أضلاع.

$AB=\sqrt{17}$ ; $DB=\sqrt{1+16}=\sqrt{17}$ ; $AD=\sqrt{9+25}=\sqrt{34}=\sqrt{AB^2+DB^2}$

$ABD$ قائم الزاوية ومتساوي الساقين في $B$

المستقيم في المستوى

تعريف متجهة موجهة

إذا كانت $A$ و $B$ نقطتين مختلفتين من مستقيم $\mathcal{D}$ فإن كل متجهة $\vec{u}$ غير منعدمة ومستقيمية مع $\overrightarrow{AB}$ هي متجهة موجهة للمستقيم $\mathcal{D}$ ؛ ونكتب $\mathcal{D}(A;\vec{u})$.

$M\in\mathcal{D}(A;\vec{u})\iff\overrightarrow{AM}$ و $\vec{u}$ مستقيميتان

تعريف تمثيل بارامتري

إذا كانت $A(x_A;y_A)\in\mathcal{D}$ و $\vec{u}(\alpha;\beta)$ متجهة موجهة للمستقيم $\mathcal{D}$ فإن النظمة التالية تمثيل بارامتري للمستقيم $\mathcal{D}$ :

$\begin{cases}x=x_A+\alpha t\\y=y_A+\beta t\end{cases}$ $(t\in\mathbb{R})$

مثال : $\begin{cases}x=1-2t\\y=-1+3t\end{cases}$ يمثل المستقيم المار من $A(1;-1)$ والموجه بـ $\vec{u}(-2;3)$.

خاصية المعادلة الديكارتية

كل مستقيم له معادلة على الشكل $ax+by+c=0$ مع $(a;b)\neq(0;0)$ ؛ وعكسياً، هذه المعادلة تحدد مستقيماً موجهاً بالمتجهة $\vec{u}(-b;a)$.

حالتان خاصتان : مستقيم موازٍ لمحور الأراتيب : $x=a$ ؛ موازٍ لمحور الأفاصيل : $y=b$.

طريقة إيجاد معادلة ديكارتية

من أجل $\mathcal{D}(A;\vec{u})$ مع $\vec{u}(\alpha;\beta)$، نكتب أن $\overrightarrow{AM}$ و $\vec{u}$ مستقيميتان :

$\begin{vmatrix}x-x_A&\alpha\\y-y_A&\beta\end{vmatrix}=0$

مثال

المستقيم المار من $A(1;-1)$ والموجه بـ $\vec{u}(-2;3)$ : $3(x-1)-(-2)(y+1)=0$.

$3x+2y-1=0$

مبرهنة المعادلة المختصرة

كل مستقيم له معادلة إما على الشكل $x=c$ وإما على الشكل $y=mx+p$ (المعادلة المختصرة) حيث :

$m$ هو المعامل الموجه، و $p$ هو الأرتوب عند الأصل، و $\vec{u}(1;m)$ متجهة موجهة.

إذا كانت $A$ و $B$ (مع $x_A\neq x_B$) على المستقيم : $m=\dfrac{y_B-y_A}{x_B-x_A}$.

خاصية الأوضاع النسبية لمستقيمين

  • $y=mx+p$ و $y=m'x+p'$ متوازيان إذا كان $m=m'$ ومتقاطعان إذا كان $m\neq m'$.
  • $ax+by+c=0$ و $a'x+b'y+c'=0$ متقاطعان إذا كان $ab'-a'b\neq0$ ومتوازيان إذا كان $ab'-a'b=0$.

إشارة ax+by+c

مبرهنة

ليكن $\mathcal{D}:ax+by+c=0$. العدد $ax+by+c$ المرتبط بالنقطة $M(x;y)$ يكون :

  • منعدماً إذا كانت $M\in\mathcal{D}$ ؛
  • موجباً قطعاً في أحد نصفي المستوى المفتوحين اللذين حدهما $\mathcal{D}$ ؛
  • سالباً قطعاً في النصف الآخر.

مثال

المجموعة $\mathcal{E}$ للنقط بحيث $2x+3y-12>0$ : نرسم $\mathcal{D}:2x+3y-12=0$ ؛ من أجل $O(0;0)$ نحصل على $-12<0$، إذن $O\notin\mathcal{E}$.

$\mathcal{E}$ هو نصف المستوى المفتوح الذي حده $\mathcal{D}$ ولا يحتوي على $O$

للحفظ

  • $\overrightarrow{AB}\left(x_B-x_A;y_B-y_A\right)$، المنتصف، المسافة ؛ الاستقامية $\iff xy'-yx'=0$.
  • $ax+by+c=0$ موجه بـ $\vec{u}(-b;a)$ ؛ $y=mx+p$ موجه بـ $\vec{u}(1;m)$ ؛ متوازيان $\iff m=m'$.
  • إشارة $ax+by+c$ : نختبر نقطة (غالباً $O$) لاختيار نصف المستوى.

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