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Leçon 2

Droites de l'espace

Vidéo 2 : Droites de l'espace, vecteurs colinéaires · 3 min 33 s · sous-titres en français

Le cours écrit

2.1 Vecteurs colinéaires

Définition. Deux vecteurs u⃗\vec{u} et v⃗\vec{v} sont colinéaires s'il existe un réel kk tel que v⃗=ku⃗\vec{v} = k\vec{u} ou u⃗=kv⃗\vec{u} = k\vec{v}.

  • Deux vecteurs non nuls colinéaires ont la même direction : de même sens si k>0k > 0, de sens contraires si k<0k < 0.
  • Le vecteur nul est colinéaire à tout vecteur (0⃗=0×u⃗\vec{0} = 0 \times \vec{u}).

Exemple 6. u⃗\vec{u} et −3u⃗-3\vec{u} sont colinéaires, de sens contraires. Dans le cube, AB→\overrightarrow{AB} et GH→\overrightarrow{GH} sont colinéaires : GH→=−AB→\overrightarrow{GH} = -\overrightarrow{AB}.

2.2 Vecteur directeur d'une droite

Définition. Un vecteur directeur d'une droite dd est un vecteur non nul qui a la direction de dd. Si AA et BB sont deux points distincts de dd, le vecteur AB→\overrightarrow{AB} est un vecteur directeur de dd, et tout vecteur non nul colinéaire à AB→\overrightarrow{AB} en est un autre.

Une droite a donc une infinité de vecteurs directeurs, tous colinéaires entre eux.

2.3 Une droite est définie par un point et un vecteur directeur

Propriété. Soit AA un point et u⃗\vec{u} un vecteur non nul. La droite dd passant par AA et de vecteur directeur u⃗\vec{u} est l'ensemble des points MM tels que AM→\overrightarrow{AM} et u⃗\vec{u} sont colinéaires : M∈d  ⟺  il existe un reˊel t tel que AM→=t u⃗.M \in d \iff \text{il existe un réel } t \text{ tel que } \overrightarrow{AM} = t\,\vec{u}.

Quand tt parcourt R\mathbb{R}, le point MM parcourt toute la droite : t=0t = 0 donne AA, t=1t = 1 le point A′A' tel que AA′→=u⃗\overrightarrow{AA'} = \vec{u}, t<0t < 0 les points situés « de l'autre côté » de AA. On dit qu'un vecteur non nul définit une direction de droites : toutes les droites de vecteur directeur u⃗\vec{u} sont parallèles entre elles.

Exemple 7. Dans le cube, soit dd la droite passant par EE et de vecteur directeur AC→\overrightarrow{AC}. Comme EG→=AC→\overrightarrow{EG} = \overrightarrow{AC} (t=1t = 1), le point GG est sur dd. Et le centre NN de la face EFGHEFGH vérifie EN→=12EG→=12AC→\overrightarrow{EN} = \frac12\overrightarrow{EG} = \frac12\overrightarrow{AC} (t=12t = \frac12) : il est aussi sur dd. En fait, dd est la droite (EG)(EG).

2.4 Alignement et parallélisme

Propriétés.

  • Trois points AA, BB, CC sont alignés si, et seulement si, les vecteurs AB→\overrightarrow{AB} et AC→\overrightarrow{AC} sont colinéaires.
  • Deux droites sont parallèles si, et seulement si, leurs vecteurs directeurs sont colinéaires. Elles ont alors la même direction ; elles peuvent être confondues.

Exemple 8. Quatre points vérifient AD→=3AB→−2AC→\overrightarrow{AD} = 3\overrightarrow{AB} - 2\overrightarrow{AC}. Les points BB, CC, DD sont-ils alignés ?

On exprime BD→\overrightarrow{BD} avec la relation de Chasles : BD→=BA→+AD→=−AB→+3AB→−2AC→=2(AB→−AC→).\overrightarrow{BD} = \overrightarrow{BA} + \overrightarrow{AD} = -\overrightarrow{AB} + 3\overrightarrow{AB} - 2\overrightarrow{AC} = 2\left(\overrightarrow{AB} - \overrightarrow{AC}\right). Or AB→−AC→=AB→+CA→=CA→+AB→=CB→\overrightarrow{AB} - \overrightarrow{AC} = \overrightarrow{AB} + \overrightarrow{CA} = \overrightarrow{CA} + \overrightarrow{AB} = \overrightarrow{CB}. Donc BD→=2 CB→\overrightarrow{BD} = 2\,\overrightarrow{CB} : ces vecteurs sont colinéaires, et BB, CC, DD sont alignés.

Exemple 9. Dans le cube, II est le milieu de [AE][AE] et JJ celui de [CG][CG]. Montrer que (IJ)(IJ) et (AC)(AC) sont parallèles.

IJ→=IA→+AC→+CJ→=−12AE→+AC→+12CG→.\overrightarrow{IJ} = \overrightarrow{IA} + \overrightarrow{AC} + \overrightarrow{CJ} = -\frac12\overrightarrow{AE} + \overrightarrow{AC} + \frac12\overrightarrow{CG}. Comme CG→=AE→\overrightarrow{CG} = \overrightarrow{AE}, les deux termes extrêmes s'annulent : IJ→=AC→\overrightarrow{IJ} = \overrightarrow{AC}. Les droites (IJ)(IJ) et (AC)(AC) sont parallèles, et ACJIACJI est un parallélogramme.

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Exercices 3 et 4

  • Exercice 3 : droites parallèles dans un cube
  • Exercice 4 : alignements par le calcul vectoriel

Exercices du chapitre (PDF, 168 Ko)

Corrigés

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Corrigés du chapitre (PDF, 155 Ko)

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