Aller au contenu

Leçon 3

Plans de l'espace

Vidéo 3 : Plans de l'espace, vecteurs coplanaires · 3 min 13 s · sous-titres en français

Le cours écrit

3.1 Un plan est défini par un point et deux vecteurs non colinéaires

Propriété. Soit AA un point, et u⃗\vec{u}, v⃗\vec{v} deux vecteurs non colinéaires. L'ensemble des points MM tels que AM→=xu⃗+yv⃗,avec x et y reˊels,\overrightarrow{AM} = x\vec{u} + y\vec{v}, \quad \text{avec } x \text{ et } y \text{ réels}, est un plan P\mathcal{P}. On dit que P\mathcal{P} est le plan passant par AA et dirigé par u⃗\vec{u} et v⃗\vec{v} (ou par le couple (u⃗,v⃗)(\vec{u}, \vec{v})).

Les deux réels xx et yy repèrent chaque point du plan, comme des coordonnées : avec x=2x = 2 et y=1y = 1, on part de AA, on avance de 2u⃗2\vec{u}, puis de v⃗\vec{v}. On dit que (u⃗,v⃗)(\vec{u}, \vec{v}) est une base de ce plan : deux vecteurs d'un plan forment une base de ce plan dès qu'ils ne sont pas colinéaires, et tout vecteur du plan s'écrit alors de façon unique xu⃗+yv⃗x\vec{u} + y\vec{v}.

Cas de trois points. Si AA, BB, CC sont trois points non alignés, ils définissent un unique plan, noté (ABC)(ABC), passant par AA et dirigé par AB→\overrightarrow{AB} et AC→\overrightarrow{AC} : M∈(ABC)  ⟺  AM→=xAB→+yAC→,x,y∈R.M \in (ABC) \iff \overrightarrow{AM} = x\overrightarrow{AB} + y\overrightarrow{AC}, \quad x, y \in \mathbb{R}.

3.2 Direction d'un plan

Définition. La direction du plan P\mathcal{P} dirigé par u⃗\vec{u} et v⃗\vec{v} est l'ensemble des vecteurs xu⃗+yv⃗x\vec{u} + y\vec{v}, xx et yy réels. Ce sont les vecteurs MN→\overrightarrow{MN} avec MM et NN dans P\mathcal{P}.

Ainsi, deux vecteurs non colinéaires définissent une direction de plan. Tout couple de vecteurs non colinéaires de cette direction dirige le même plan : par exemple, (ABC)(ABC) est aussi dirigé par AB→\overrightarrow{AB} et BC→\overrightarrow{BC}.

Définition. Deux plans sont parallèles s'ils ont la même direction. Ils sont alors confondus, ou sans point commun (strictement parallèles).

Exemple 10. Dans le cube, les faces ABCDABCD et EFGHEFGH sont dans des plans parallèles : (ABC)(ABC) est dirigé par AB→\overrightarrow{AB} et AD→\overrightarrow{AD}, et (EFG)(EFG) par EF→=AB→\overrightarrow{EF} = \overrightarrow{AB} et EH→=AD→\overrightarrow{EH} = \overrightarrow{AD}.

3.3 Vecteurs coplanaires, points coplanaires

Définition. Trois vecteurs u⃗\vec{u}, v⃗\vec{v}, w⃗\vec{w} sont coplanaires si, en les dessinant à partir d'un même point OO (OA→=u⃗\overrightarrow{OA} = \vec{u}, OB→=v⃗\overrightarrow{OB} = \vec{v}, OC→=w⃗\overrightarrow{OC} = \vec{w}), les quatre points OO, AA, BB, CC sont dans un même plan.

Propriété. Si u⃗\vec{u} et v⃗\vec{v} ne sont pas colinéaires : u⃗,v⃗,w⃗ coplanaires  ⟺  il existe deux reˊels a et b tels que w⃗=au⃗+bv⃗.\vec{u}, \vec{v}, \vec{w} \text{ coplanaires} \iff \text{il existe deux réels } a \text{ et } b \text{ tels que } \vec{w} = a\vec{u} + b\vec{v}. Autrement dit, w⃗\vec{w} est dans la direction du plan dirigé par u⃗\vec{u} et v⃗\vec{v}.

Points coplanaires. Quatre points AA, BB, CC, DD sont coplanaires si, et seulement si, les vecteurs AB→\overrightarrow{AB}, AC→\overrightarrow{AC}, AD→\overrightarrow{AD} sont coplanaires. Trois points sont toujours coplanaires.

Remarque. Si deux des trois vecteurs sont colinéaires, les trois sont coplanaires. Par exemple, BF→=DH→\overrightarrow{BF} = \overrightarrow{DH}, donc AC→\overrightarrow{AC}, BF→\overrightarrow{BF}, DH→\overrightarrow{DH} sont coplanaires.

Exemple 11. Les points AA, BB, GG, HH du cube sont-ils coplanaires ?

D'une part AH→=AD→+DH→=AD→+AE→\overrightarrow{AH} = \overrightarrow{AD} + \overrightarrow{DH} = \overrightarrow{AD} + \overrightarrow{AE}. D'autre part, d'après l'exemple 3, AG→=AB→+AD→+AE→=AB→+AH→.\overrightarrow{AG} = \overrightarrow{AB} + \overrightarrow{AD} + \overrightarrow{AE} = \overrightarrow{AB} + \overrightarrow{AH}. Comme AB→\overrightarrow{AB} et AH→\overrightarrow{AH} ne sont pas colinéaires, les vecteurs AB→\overrightarrow{AB}, AH→\overrightarrow{AH}, AG→\overrightarrow{AG} sont coplanaires : AA, BB, GG, HH sont coplanaires. Ce plan coupe le cube selon le rectangle ABGHABGH.

Exemple 12. Les vecteurs AB→\overrightarrow{AB}, AD→\overrightarrow{AD}, AE→\overrightarrow{AE} ne sont pas coplanaires : AA, BB, DD sont dans le plan de la face du bas, et EE n'y est pas.

En revanche, EG→=EF→+FG→=AB→+AD→\overrightarrow{EG} = \overrightarrow{EF} + \overrightarrow{FG} = \overrightarrow{AB} + \overrightarrow{AD} : le vecteur EG→\overrightarrow{EG} est dans la direction du plan (ABC)(ABC), bien que le segment [EG][EG] ne soit pas dans ce plan.

Lire le cours complet du chapitre

Exercices 5 et 6

  • Exercice 5 : vecteurs et points coplanaires dans un cube
  • Exercice 6 : des vecteurs coplanaires, des droites qui ne le sont pas

Exercices du chapitre (PDF, 168 Ko)

Corrigés

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

Corrigés du chapitre (PDF, 155 Ko)

Tu es hors connexion. Les chapitres téléchargés restent disponibles dans Hors connexion.