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Leçon 5

Projeté orthogonal et distance

Vidéo 5 : Coordonnées du projeté orthogonal, distance · 3 min 48 s · sous-titres en français

Le cours écrit

Au chapitre 9 : le projeté orthogonal HH d'un point MM sur un plan (ou sur une droite) est le point de ce plan (ou de cette droite) le plus proche de MM, et la distance de MM au plan (ou à la droite) est MHMH. Au chapitre 9, le projeté sur un plan était deviné sur une figure, puis vérifié, et le projeté sur une droite était donné par la formule t=AM→⋅u⃗∥u⃗∥2t = \dfrac{\overrightarrow{AM} \cdot \vec{u}}{\lVert\vec{u}\rVert^2}. Ici, on calcule les coordonnées de HH dans tous les cas, avec une représentation paramétrique et une équation cartésienne.

5.1 Sur un plan donné par une équation cartésienne

Méthode. Soit P:ax+by+cz+d=0\mathcal{P} : ax + by + cz + d = 0, de vecteur normal n⃗ (a ;b ;c)\vec{n}\,(a\,;b\,;c), et MM un point.

  1. La droite Δ\Delta passant par MM et orthogonale à P\mathcal{P} est dirigée par n⃗\vec{n} : on écrit sa représentation paramétrique.
  2. Le projeté HH est le point d'intersection de Δ\Delta et de P\mathcal{P} (leçon 4) : on remplace dans l'équation du plan et l'on trouve tt.
  3. On en déduit les coordonnées de HH, puis la distance MHMH.

Exemple 19. P:2x−y+2z−3=0\mathcal{P} : 2x - y + 2z - 3 = 0 et M(5 ;−3 ;4)M(5\,;-3\,;4).

  1. n⃗ (2 ;−1 ;2)\vec{n}\,(2\,;-1\,;2) ; Δ\Delta : x=5+2tx = 5 + 2t, y=−3−ty = -3 - t, z=4+2tz = 4 + 2t.
  2. 2(5+2t)−(−3−t)+2(4+2t)−3=18+9t2(5 + 2t) - (-3 - t) + 2(4 + 2t) - 3 = 18 + 9t, et 18+9t=018 + 9t = 0 donne t=−2t = -2.
  3. H(1 ;−1 ;0)H(1\,;-1\,;0). Contrôle : 2+1+0−3=02 + 1 + 0 - 3 = 0. Alors MH→ (−4 ;2 ;−4)\overrightarrow{MH}\,(-4\,;2\,;-4) et MH=16+4+16=6.MH = \sqrt{16 + 4 + 16} = 6. La distance du point MM au plan P\mathcal{P} vaut 66. On a aussi MH→=−2n⃗\overrightarrow{MH} = -2\vec{n} et ∥n⃗∥=3\lVert\vec{n}\rVert = 3.

Exemple 20 (dans le cube). Le projeté de AA sur le plan (BDE):x+y+z−1=0(BDE) : x + y + z - 1 = 0. La droite passant par AA dirigée par le vecteur normal (1 ;1 ;1)(1\,;1\,;1) est (AG)(AG), et l'exemple 15 donne H=K(13 ;13 ;13)H = K\left(\frac13\,;\frac13\,;\frac13\right). La distance de AA au plan (BDE)(BDE) vaut AK=19+19+19=33AK = \sqrt{\frac19 + \frac19 + \frac19} = \frac{\sqrt3}{3} : c'est le résultat du chapitre 9, obtenu ici par le calcul.

5.2 Sur une droite donnée par un point et un vecteur directeur

Méthode. Soit dd la droite passant par AA et dirigée par u⃗\vec{u}, et MM un point.

  1. On écrit les coordonnées d'un point quelconque H(t)H(t) de dd avec la représentation paramétrique.
  2. H(t)H(t) est le projeté de MM si et seulement si MH(t)→⋅u⃗=0\overrightarrow{MH(t)} \cdot \vec{u} = 0 : c'est une équation du premier degré en tt.
  3. On en déduit HH, puis la distance MHMH.

Exemple 21. dd passe par A(1 ;2 ;−1)A(1\,;2\,;-1) et elle est dirigée par u⃗ (1 ;2 ;2)\vec{u}\,(1\,;2\,;2) : x=1+tx = 1 + t, y=2+2ty = 2 + 2t, z=−1+2tz = -1 + 2t. Soit M(4 ;5 ;−1)M(4\,;5\,;-1).

  1. H(1+t ; 2+2t ; −1+2t)H(1 + t\,;\ 2 + 2t\,;\ -1 + 2t), donc MH→ (−3+t ; −3+2t ; 2t)\overrightarrow{MH}\,(-3 + t\,;\ -3 + 2t\,;\ 2t).
  2. MH→⋅u⃗=(−3+t)+2(−3+2t)+2×2t=9t−9\overrightarrow{MH} \cdot \vec{u} = (-3 + t) + 2(-3 + 2t) + 2 \times 2t = 9t - 9, nul pour t=1t = 1.
  3. H(2 ;4 ;1)H(2\,;4\,;1) et MH→ (−2 ;−1 ;2)\overrightarrow{MH}\,(-2\,;-1\,;2) : la distance de MM à dd vaut MH=4+1+4=3MH = \sqrt{4 + 1 + 4} = 3.

On retrouve la formule du chapitre 9, t=AM→⋅u⃗∥u⃗∥2t = \dfrac{\overrightarrow{AM} \cdot \vec{u}}{\lVert\vec{u}\rVert^2} : ici AM→ (3 ;3 ;0)\overrightarrow{AM}\,(3\,;3\,;0), AM→⋅u⃗=9\overrightarrow{AM} \cdot \vec{u} = 9 et ∥u⃗∥2=9\lVert\vec{u}\rVert^2 = 9.

Exemple 22 (dans le cube). Le projeté de B(1 ;0 ;0)B(1\,;0\,;0) sur (AG)(AG) : H(t ;t ;t)H(t\,;t\,;t), BH→ (t−1 ;t ;t)\overrightarrow{BH}\,(t - 1\,;t\,;t) et BH→⋅AG→=3t−1\overrightarrow{BH} \cdot \overrightarrow{AG} = 3t - 1, nul pour t=13t = \frac13. Le projeté est encore le point KK, et la distance de BB à (AG)(AG) vaut BK=49+19+19=63BK = \sqrt{\frac49 + \frac19 + \frac19} = \frac{\sqrt6}{3}, comme au chapitre 9.

Lire le cours complet du chapitre

Exercices 9 et 10

  • Exercice 9 : projetés sur un plan, sur une droite
  • Exercice 10 : la lampe et la table à dessin

Exercices du chapitre (PDF, 135 Ko)

Corrigés

Cherche d'abord les exercices sur ta feuille, puis compare avec le corrigé détaillé.

Corrigés du chapitre (PDF, 151 Ko)

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