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Mathématiques · 2ème Année Bac — Sciences et Technologies Électriques

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

  • Repère $(O, \vec{i}, \vec{j}, \vec{k})$ : Tout point $M(x, y, z)$ est défini par $\vec{OM} = x\vec{i} + y\vec{j} + z\vec{k}$.
  • Produit vectoriel : $\vec{u} \wedge \vec{v}$ est un vecteur orthogonal à $\vec{u}$ et $\vec{v}$. Sa norme est $|\vec{u} \wedge \vec{v}| = |\vec{u}| |\vec{v}| \sin \theta$.
  • Plan : Défini par un point $A$ et un vecteur normal $\vec{n}(a, b, c)$. Équation : $ax + by + cz + d = 0$.
  • Droite : Définie par un point $A$ et un vecteur directeur $\vec{u}(a, b, c)$. Représentation : $x=x_A+at, y=y_A+bt, z=z_A+ct$.
  • Sphère : Ensemble des points $M$ tels que $IM = R$. Équation : $(x-x_I)^2 + (y-y_I)^2 + (z-z_I)^2 = R^2$.

Méthodes à maîtriser

  • Vérifier l'appartenance : Remplacer les coordonnées du point dans l'équation du plan ou de la sphère.
  • Déterminer un plan : Trouver un vecteur normal en faisant le produit vectoriel de deux vecteurs directeurs du plan.
  • Distance point-plan : $d(A, (P)) = \frac{|ax_A + by_A + cz_A + d|}{\sqrt{a^2 + b^2 + c^2}}$.
  • Intersection droite-plan : Injecter la représentation paramétrique de la droite dans l'équation du plan pour trouver $t$.

Exemples corrigés

  • Plan passant par 3 points : Soient $A, B, C$. Le vecteur $\vec{AB} \wedge \vec{AC}$ est normal au plan $(ABC)$.
  • Distance point-plan : Pour $A(1, 0, 2)$ et $(P) : x+y+z-1=0$, $d = \frac{|1+0+2-1|}{\sqrt{1^2+1^2+1^2}} = \frac{2}{\sqrt{3}}$.

Erreurs fréquentes

  • Oublier la racine carrée dans la formule de la distance.
  • Confondre vecteur normal (plan) et vecteur directeur (droite).
  • Se tromper dans le signe du terme constant $d$ dans l'équation cartésienne.

🌉 Jisr : les mots du chapitre FR ⇄ AR

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Défi flash : 4 questions

Sans compte

🎯 Géométrie dans l'espace

1/4

Le vecteur normal au plan $2x - y + 3z - 5 = 0$ est :

❓ Questions fréquentes

Kifach n7seb l-juda2 l-mtaji (produit vectoriel) ?

Pour calculer $\vec{u}(x, y, z) \wedge \vec{v}(x', y', z')$ :

  1. Écris les coordonnées en colonne deux fois.
  2. Utilise le déterminant :
    • $X = yz' - zy'$
    • $Y = zx' - xz'$
    • $Z = xy' - yx'$

💡 À retenir : Le résultat est toujours un vecteur.

Chno hiya l-farq bin l-mostawa w l-mostaqim f l-equation?
  1. Le plan est défini par une équation cartésienne unique : $ax+by+cz+d=0$.
  2. La droite est définie par un système de deux équations (intersection de deux plans) ou une représentation paramétrique.

💡 À retenir : Un plan a un vecteur normal, une droite a un vecteur directeur.

Kifach n3ref wach l-mostaqim kayqte3 l-fala (sphère) ?
  1. Calcule la distance $d$ du centre de la sphère $I$ à la droite $(D)$.
  2. Si $d < R$, la droite coupe la sphère en deux points.
  3. Si $d = R$, la droite est tangente.
  4. Si $d > R$, pas d'intersection.

💡 À retenir : Compare toujours la distance $d(I, (D))$ au rayon $R$.

Comment démontrer que deux plans sont parallèles ?
  1. Identifie les vecteurs normaux $\vec{n_1}$ et $\vec{n_2}$.
  2. Vérifie s'ils sont colinéaires : $\vec{n_1} = k \vec{n_2}$.

💡 À retenir : Des plans parallèles ont des vecteurs normaux colinéaires.

Peut-on utiliser le produit vectoriel pour des droites ?

Non, le produit vectoriel est spécifique à l'espace 3D pour trouver un vecteur orthogonal à deux vecteurs donnés. On l'utilise pour trouver le vecteur normal d'un plan.

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

Quelle est la condition pour que trois points soient alignés ?

Les vecteurs $\vec{AB}$ et $\vec{AC}$ doivent être colinéaires, c'est-à-dire $\vec{AB} \wedge \vec{AC} = \vec{0}$.

💡 À retenir : Si le produit vectoriel est nul, les points sont alignés.

Comment trouver l'équation d'une sphère connaissant son diamètre [AB] ?
  1. Le centre $I$ est le milieu de $[AB]$ : $I = \frac{A+B}{2}$.
  2. Le rayon $R$ est $IA = \frac{AB}{2}$.
  3. Applique $(x-x_I)^2 + (y-y_I)^2 + (z-z_I)^2 = R^2$.

💡 À retenir : Le centre est toujours le milieu du diamètre.

Est-ce que le produit scalaire est nul pour des vecteurs colinéaires ?

Non, le produit scalaire est nul si les vecteurs sont orthogonaux. Pour des vecteurs colinéaires, le produit scalaire est égal au produit des normes (ou l'opposé).

💡 À retenir : Orthogonalité $\iff$ produit scalaire nul.

Comment montrer qu'une droite est perpendiculaire à un plan ?

Il faut montrer que le vecteur directeur de la droite $\vec{u}$ est colinéaire au vecteur normal du plan $\vec{n}$ ($\vec{u} = k\vec{n}$).

💡 À retenir : Vecteur directeur // Vecteur normal.

Comment calculer l'intersection d'une droite et d'un plan ?
  1. Remplace $x, y, z$ de la droite par les expressions en $t$ dans l'équation du plan.
  2. Résous l'équation pour trouver $t$.
  3. Remplace $t$ dans la représentation paramétrique pour trouver les coordonnées du point.

💡 À retenir : L'intersection est un point si l'équation en $t$ a une solution unique.

Est-ce que l'équation x^2+y^2+z^2+ax+by+cz+d=0 est toujours une sphère ?

Il faut compléter les carrés pour obtenir $(x-x_0)^2 + (y-y_0)^2 + (z-z_0)^2 = K$. C'est une sphère si $K > 0$.

💡 À retenir : Si $K < 0$, l'ensemble est vide.

Comment déterminer la position relative de deux droites ?
  1. Vérifie si les vecteurs directeurs sont colinéaires (parallèles).
  2. Sinon, vérifie s'ils sont coplanaires (le produit mixte est nul).
  3. Sinon, elles sont non coplanaires.

💡 À retenir : Utilise le produit mixte pour tester la coplanarité.

✍️ Exercices type examen national

Exercice 1

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

  1. Déterminer le produit vectoriel $\vec{AB} \wedge \vec{AC}$.
  2. En déduire une équation cartésienne du plan $(ABC)$.
Voir la correction détaillée : inscription gratuite

Exercice 2

Soit $(S) : x^2+y^2+z^2-2x+4y-6z+5=0$.

  1. Déterminer le centre $I$ et le rayon $R$ de $(S)$.
  2. Soit $(P) : x+y+z=0$. Calculer $d(I, (P))$.
Voir la correction détaillée : inscription gratuite

Exercice 3

Soit $(D) : \begin{cases} x=t \ y=1+t \ z=2-t \end{cases}$ et $(P) : x+y+z-3=0$. Étudier l'intersection de $(D)$ et $(P)$.

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