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Mathématiques · 2ème Année Bac — SVT

Géométrie dans l'espace

Le cours expliqué simplement, les questions que tous les élèves se posent et des exercices type examen national. Programme marocain, gratuit.

📘 Fiche de cours

L'essentiel du cours

Dans l'espace rapporté à un repère orthonormé direct $(O, \vec{i}, \vec{j}, \vec{k})$ :

  1. Produit vectoriel : Le produit vectoriel de $\vec{u}(x, y, z)$ et $\vec{v}(x', y', z')$ est le vecteur $\vec{w} = \vec{u} \wedge \vec{v}$ de coordonnées : $\vec{w} = \begin{pmatrix} yz' - zy' \ zx' - xz' \ xy' - yx' \end{pmatrix}$. Il est orthogonal à $\vec{u}$ et $\vec{v}$. Sa norme est $|\vec{u} \wedge \vec{v}| = |\vec{u}| |\vec{v}| \sin(\theta)$.
  2. Équation cartésienne d'un plan : Tout plan $(P)$ a une équation de la forme $ax + by + cz + d = 0$ avec $\vec{n}(a, b, c)$ un vecteur normal au plan.
  3. Représentation paramétrique d'une droite : Une droite $(D)$ passant par $A(x_0, y_0, z_0)$ et de vecteur directeur $\vec{u}(a, b, c)$ est l'ensemble des points $M(x, y, z)$ tels que : $\begin{cases} x = x_0 + at \ y = y_0 + bt \ z = z_0 + ct \end{cases} (t \in \mathbb{R})$.
  4. Distance point-plan : $d(A, (P)) = \frac{|ax_A + by_A + cz_A + d|}{\sqrt{a^2 + b^2 + c^2}}$.

Méthodes à maîtriser

  • Vérifier l'alignement/coplanarité : Utiliser le produit vectoriel pour montrer que trois points ne sont pas alignés (vecteurs non colinéaires).
  • Déterminer l'équation d'un plan : Choisir un point $A$ et deux vecteurs directeurs non colinéaires $\vec{u}$ et $\vec{v}$. Le vecteur normal est $\vec{n} = \vec{u} \wedge \vec{v}$.
  • Intersection droite-plan : Remplacer les coordonnées paramétriques de la droite dans l'équation du plan pour trouver $t$.

Exemples corrigés

  • Exemple 1 : Soient $A(1, 0, 1)$, $B(0, 1, 1)$ et $C(1, 1, 0)$. $\vec{AB}(-1, 1, 0)$ et $\vec{AC}(0, 1, -1)$. $\vec{n} = \vec{AB} \wedge \vec{AC} = \begin{vmatrix} 1 & 1 \ 1 & -1 \end{vmatrix} \vec{i} - \begin{vmatrix} -1 & 0 \ 0 & -1 \end{vmatrix} \vec{j} + \begin{vmatrix} -1 & 1 \ 0 & 1 \end{vmatrix} \vec{k} = -1\vec{i} - 1\vec{j} - 1\vec{k}$. Équation : $-1(x-1) - 1(y-0) - 1(z-1) = 0 \iff -x - y - z + 2 = 0$.

Erreurs fréquentes

  • Oublier que le produit vectoriel n'est pas commutatif : $\vec{u} \wedge \vec{v} = -(\vec{v} \wedge \vec{u})$.
  • Confondre vecteur directeur d'une droite et vecteur normal d'un plan.
  • Oublier la valeur absolue dans la formule de la distance point-plan.
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Défi flash : 4 questions

Sans compte

🎯 Géométrie dans l'espace

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Le produit vectoriel $\vec{i} \wedge \vec{j}$ est égal à :

❓ Questions fréquentes

Comment savoir si deux vecteurs sont colinéaires dans l'espace ?

Deux vecteurs $\vec{u}$ et $\vec{v}$ sont colinéaires s'il existe un réel $k$ tel que $\vec{u} = k\vec{v}$, ou plus simplement si leur produit vectoriel est le vecteur nul : $\vec{u} \wedge \vec{v} = \vec{0}$.

💡 À retenir : Le produit vectoriel est l'outil le plus rapide pour tester la colinéarité.

Kifach n7seb l'equation dial plan ila 3touni ghir 3 dyal les points ?
  1. Tu calcules deux vecteurs directeurs, par exemple $\vec{AB}$ et $\vec{AC}$.
  2. Tu calcules leur produit vectoriel $\vec{n} = \vec{AB} \wedge \vec{AC}$ pour obtenir le vecteur normal.
  3. Tu écris l'équation sous la forme $ax + by + cz + d = 0$ et tu remplaces $x, y, z$ par les coordonnées de $A$ pour trouver $d$.

💡 À retenir : Le vecteur normal est toujours orthogonal aux vecteurs du plan.

Est-ce que le produit scalaire est toujours au programme ?

Oui, absolument. Le produit scalaire $\vec{u} \cdot \vec{v} = xx' + yy' + zz'$ est fondamental pour démontrer l'orthogonalité de deux droites ou d'une droite et d'un plan.

💡 À retenir : $\vec{u} \perp \vec{v} \iff \vec{u} \cdot \vec{v} = 0$.

Chno hiya l'utilité dial le produit vectoriel f l'examen ?

Il sert principalement à :

  1. Trouver un vecteur normal à un plan défini par deux vecteurs.
  2. Calculer l'aire d'un triangle $ABC$ avec la formule $\frac{1}{2} |\vec{AB} \wedge \vec{AC}|$.
  3. Vérifier si trois points sont alignés (si $\vec{AB} \wedge \vec{AC} = \vec{0}$).

💡 À retenir : Le produit vectoriel génère un vecteur perpendiculaire au plan formé par les deux autres.

Si j'ai une droite et un plan, comment savoir s'ils sont parallèles ?

Soit $\vec{u}$ le vecteur directeur de la droite et $\vec{n}$ le vecteur normal du plan. La droite est parallèle au plan si et seulement si $\vec{u} \cdot \vec{n} = 0$.

💡 À retenir : Si le vecteur directeur est orthogonal à la normale, la droite est "couchée" parallèlement au plan.

Kifach n3ref wach une droite est incluse f un plan ?
  1. Vérifie d'abord si la droite est parallèle au plan ($\vec{u} \cdot \vec{n} = 0$).
  2. Prends un point $A$ appartenant à la droite et vérifie s'il appartient au plan en remplaçant ses coordonnées dans l'équation du plan.

💡 À retenir : Parallélisme + un point commun = inclusion.

La formule de la distance point-plan, elle est toujours vraie ?

Oui, elle est toujours vraie dans un repère orthonormé $(O, \vec{i}, \vec{j}, \vec{k})$. Assure-toi bien que le dénominateur est la norme du vecteur normal $\sqrt{a^2+b^2+c^2}$.

💡 À retenir : Ne jamais oublier la valeur absolue au numérateur.

Est-ce qu'on peut avoir une équation de plan sans le terme d ?

Oui, si $d=0$, cela signifie que le plan passe par l'origine du repère $O(0, 0, 0)$.

💡 À retenir : $ax + by + cz = 0$ est l'équation d'un plan passant par l'origine.

Comment calculer le volume d'un tétraèdre ?

Le volume $V$ du tétraèdre $ABCD$ est donné par $V = \frac{1}{6} |(\vec{AB} \wedge \vec{AC}) \cdot \vec{AD}|$.

💡 À retenir : C'est le produit mixte des trois vecteurs.

Est-ce que le produit vectoriel est associatif ?

Non, le produit vectoriel n'est pas associatif : $\vec{u} \wedge (\vec{v} \wedge \vec{w}) \neq (\vec{u} \wedge \vec{v}) \wedge \vec{w}$.

💡 À retenir : Il faut toujours respecter les parenthèses.

Wach l'ordre dyal les points f vec{AB} wedge vec{AC} kayhem ?

Oui, si tu changes l'ordre, tu obtiens le vecteur opposé : $\vec{AC} \wedge \vec{AB} = -(\vec{AB} \wedge \vec{AC})$. Cela ne change pas l'équation du plan finale, mais c'est une erreur de signe en cours de calcul.

💡 À retenir : Sois rigoureux dans l'ordre des calculs.

Comment prouver que deux plans sont perpendiculaires ?

Deux plans sont perpendiculaires si leurs vecteurs normaux $\vec{n_1}$ et $\vec{n_2}$ sont orthogonaux, c'est-à-dire $\vec{n_1} \cdot \vec{n_2} = 0$.

💡 À retenir : L'angle entre les plans est l'angle entre leurs normales.

✍️ Exercices type examen national

Exercice 1

Soient $A(1, 1, 0)$, $B(0, 1, 1)$ et $C(1, 0, 1)$.

  1. Déterminer les coordonnées du vecteur $\vec{AB} \wedge \vec{AC}$.
  2. En déduire une équation cartésienne du plan $(ABC)$.
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Exercice 2

Soit la droite $(D)$ de représentation paramétrique : $\begin{cases} x = 1+t \ y = 2-t \ z = 3t \end{cases} (t \in \mathbb{R})$. Soit le plan $(P) : x + y + z - 1 = 0$. Déterminer les coordonnées du point d'intersection $I$ de $(D)$ et $(P)$.

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Exercice 3

Soit le plan $(P) : x - 2y + 2z - 5 = 0$ et le point $A(1, 2, 3)$. Calculer la distance $d(A, (P))$.

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