Exercice 1 (8 points)
L'espace est rapporté au repère orthonormal .
On considère le plan $\mathcal{P}$ d'équation $2x + y - 2z + 4 = 0$ et les points $A$ de coordonnées $(3 ; 2 ; 6)$, B de coordonnées $(1 ; 2 ; 4)$, et $C$ de coordonnées $(4;-2;5)$.
  1. Vérifier que les points A, B et C définissent un plan.

    Coordonnées d'un vecteur dans l'espace


    L'espace est muni d'un repère quelconque.
    Soit $A(x_A;y_A;z_A)$ et $B(x_B;y_B;z_B)$
    $\overrightarrow{AB}\begin{pmatrix} x_B-x_A\\ y_B-y_A\\ z_B-z_A \end{pmatrix} $

    vecteurs coplanaires


    Trois vecteurs $\overrightarrow{u}$, $\overrightarrow{v}$ et $\overrightarrow{w}$ non nuls sont coplanaires si les points $A$, $B$, $C$ et $D$ définis par $\overrightarrow{AB}=\overrightarrow{u}$, $\overrightarrow{AC}=\overrightarrow{v}$ et $\overrightarrow{AD} =\overrightarrow{w}$ sont dans un même plan.
    Il faut vérifier que les points $A$, $B$ et $C$ ne sont pas alignés donc que les vecteurs $\overrightarrow{AB}$ et $\overrightarrow{AC}$ ne sont pas colinéaires
    $\begin{cases} x_{\overrightarrow{AB}}=x_B-x_A=1-3=-2\\ y_{\overrightarrow{AB}}=y_B-y_A=2-2=0\\ z_{\overrightarrow{AB}}=z_B-z_A=4-6=-2 \end{cases}$
    donc $\overrightarrow{AB}\begin{pmatrix} -2\\ 0\\ -2 \end{pmatrix} $
    $\begin{cases} x_{\overrightarrow{AC}}=x_C-x_A=4-3=1\\ y_{\overrightarrow{AC}}=y_C-y_A=-2-2=-4\\ z_{\overrightarrow{AC}}=z_C-z_A=5-6=-1 \end{cases}$
    donc $\overrightarrow{AC}\begin{pmatrix} 1\\ -4\\ -1 \end{pmatrix} $
    $x_{\overrightarrow{AB}}=x_{\overrightarrow{AC}}$
    mais $y_{\overrightarrow{AB}}\neq y_{\overrightarrow{AC}}$
    donc il n'existe pas de réel $k$ tel que $k\overrightarrow{AB}=\overrightarrow{AC}$
    donc les vecteurs $\overrightarrow{AB}$ et $\overrightarrow{AC}$ ne sont pas colinéaires
    donc les points $A$, $B$ et $C$ ne sont pas alignés
  2. Vérifier que ce plan est le plan $\mathcal{P}$.
    Il faut vérifier que les points $A$, $B$ et $C$ appartiennent à $\mathcal{P}$
    $2x_A + y_A - 2z_A + 4 = 6+2-12+4= 0$ donc $A\in \mathcal{P}$
    $2x_B + y_B - 2z_B + 4 = 2+2-8+4= 0$ donc $B\in \mathcal{P}$
    $2x_C + y_C - 2z_C + 4 =8-2-10+4=0$ donc $C\in \mathcal{P}$
    donc $P$ et $(ABC)$ sont deux plans confondus
  3. Montrer que le triangle $ABC$ est rectangle.

    Produit scalaire dans un repère orthonormé de l'espace


    Dans un repère orthonormé de l'espace, on a les vecteurs $\overrightarrow{u}\begin{pmatrix} x\\ y\\ z \end{pmatrix}$ et $\overrightarrow{v}\begin{pmatrix} x'\\ y'\\ z' \end{pmatrix}$.
    $\overrightarrow{u}.\overrightarrow{v}=xx'+yy'+zz'$

    Orthogonalité et produit scalaire


    Pour tous vecteurs $\overrightarrow{u}$ et $\overrightarrow{v}$, on a:
    $\overrightarrow{u}.\overrightarrow{v}=0 \Longleftrightarrow \overrightarrow{u}=\overrightarrow{0}$ ou $\overrightarrow{v}=\overrightarrow{0}$ ou $\overrightarrow{u}$ et $\overrightarrow{v}$ sont orthogonaux.
    Il faut vérifier si les vecteurs $\overrightarrow{AB}$ et $\overrightarrow{AC}$ sont orthogonaux.
    $\overrightarrow{AB}\begin{pmatrix} -2\\ 0\\ -2 \end{pmatrix} $ et $\overrightarrow{AC}\begin{pmatrix} 1\\ -4\\ -1 \end{pmatrix} $
    donc $\overrightarrow{AB}.\overrightarrow{AC}=-2\times 1+0\times (-4)+(-2)\times (-1)=-2+2=0$
    donc les vecteurs $\overrightarrow{AB}$ et $\overrightarrow{AC}$ sont orthogonaux
  4. Déterminer une représentation paramétrique de paramétriques de la droite $\Delta$ passant par l'origine du repère et perpendiculaire au plan $\mathcal{P}$.

    Vecteur normal à un plan-équation cartésienne d'un plan


    Dans l'espace muni d'un repère othonormé, $P$ est un plan de l'espace, un vecteur $\overrightarrow{n}$ normal à $P$ est un vecteur directeur d'une droite orthogonale à $P$.
    Le vecteur $\overrightarrow{n}$ est un vecteur normal au plan $P$ passant par $A$ et $P$ est l'ensemble des points $M(x;y;z)$ vérifiant $\overrightarrow{AM}.\overrightarrow{n}=0$.
    $ax+by+cz+d=0$ est une équation cartésienne de $P$ de vecteur normal $\overrightarrow{n}\begin{pmatrix} a\\ b\\ c \end{pmatrix}$
    Un vecteur normal au plan $\mathcal{P}$ est un vecteur directeur de $\Delta$
    $\mathcal{P}$ a pour équation $2x + y - 2z + 4 = 0$
    donc $\overrightarrow{n}\begin{pmatrix} 2\\ 1\\ -2 \end{pmatrix} $ est un vecteur directeur de $\Delta$
    Si $M(x;y;z)$ appartient à $\Delta$, on a alors;
    $\begin{cases} x=x_O+tx_{\overrightarrow{n}}=2t\\ y=y_O+ty_{\overrightarrow{n}}=t\\ z=z_O+tz_{\overrightarrow{n}}=-2t\end{cases}$
  5. Calculer les coordonnées du point d'intersection $H$ de $\Delta$ et de $(ABC)$
    Il faut écrire une équation d'inconnue $t$ en remplaçant dans l'équation de $(ABC)$ les expressions de $x$, $y$ et $z$ données avec la représentation paramétrique de $\Delta$.
    Un point $M(x;y;z)$ appartient à $(ABC)$ si ses coordonnées vérifient $2x-y+3z+1=0$
    La représentation paramétrique de $\Delta$ est $\begin{cases} x=2t\\ y=t\\ z=-2t \end{cases}$ et en remplaçant $x$, $y$ et $z$ dans l'équation de $(ABC)$ obtenue, on a:
    $2\times 2t + t-2\times (-2t) + 4 = 0 \Longleftrightarrow 4t+t+4t+4=0$
    $\phantom{2\times 2t + t-2\times (-2t) + 4 = 0} \Longleftrightarrow 9t+4=0$
    $\phantom{2\times 2t + t-2\times (-2t) + 4 = 0} \Longleftrightarrow t=\dfrac{-4}{9}$
    En remplaçant $t=\dfrac{-4}{9}$ dans la représentation paramétrique de $\Delta$, on obtient:
    $\begin{cases} x_H=2t=2\times \dfrac{-4}{9}=\dfrac{-8}{9}\\ y_H=t=\dfrac{-4}{9}\\ z_H=-2t=\dfrac{8}{9} \end{cases}$
  6. En déduire le volume du tétraèdre $OABC$.

    Distance dans l'espace


    Si le repère de l'espace est orthonormé, la distance $AB$ est: $AB=\sqrt{(x_B-x_A)^2+(y_B-y_A)^2+(z_B-z_A)^2}$
    Il faut calculer les distances $AB$, $AC$ et $OH$
    Rappel: $V=\dfrac{\text{Aire de la base}\times \text{hauteur}{3}$
    $H$ est le point d'intersection de la droite $\Delta$ et du plan $(ABC)$ donc $(OK)$ est la hauteur issue de $O$ dans le tétraèdre $OABC$ ($H$ projeté orthogonal de $O$ sur $(ABC)$) donc $OH$ est la hauteur du tétraèdre.
    $AB=\sqrt{x_{\overrightarrow{AB}}^2+y_{\overrightarrow{AB}}^2+z_{\overrightarrow{AB}}^2}=\sqrt{(-2)^2+0^2+(-2)^2}=\sqrt{8}=2\sqrt{2}$
    $AC=\sqrt{x_{\overrightarrow{AC}}^2+y_{\overrightarrow{AC}}^2+z_{\overrightarrow{AC}}^2}=\sqrt{1^2+(-4)^2+(-1)^2}=\sqrt{18}=3\sqrt{2}$
    $\mathcal{A}=\dfrac{2\sqrt{2}\times 3\sqrt{2}}{2}=\dfrac{12}{2}=6$
    $OK=\sqrt{\left(\dfrac{-8}{9}\right)^2+\left(\dfrac{-4}{9}\right)^2+\left(\dfrac{8}{9}\right)^2}$
    $=\sqrt{\dfrac{144}{81}}$
    $=\sqrt{\dfrac{16}{9}}$
    $=\dfrac{4}{3}$
    $\mathcal{V}=\dfrac{6\times \dfrac{4}{3}}{3}=\dfrac{12}{3}=4$
Exercice 2 (12 points)
L'espace est rapporté au repère orthonormal $(O;I;J;K)$ .
On considère les points $A(0 ; 2 ; 0)$, $B(0 ; 0 ; 6)$, $C(4;0;0)$, $D(0;4;0)$ et $E(0;0;4)$.
  1. Vérifier que le vecteur $\overrightarrow{n}\begin{pmatrix} 1\\ 1\\ 1 \end{pmatrix}$ est un vecteur normal au plan $(CDE)$.

    droite et plan orthogonaux


    Une droite $(d)$ est orthogonale à un plan si et seulement si un vecteur directeur de $(d)$ est orthogonal à deux vecteurs directeurs de du plan.

    Produit scalaire dans un repère orthonormé de l'espace


    Dans un repère orthonormé de l'espace, on a les vecteurs $\overrightarrow{u}\begin{pmatrix} x\\ y\\ z \end{pmatrix}$ et $\overrightarrow{v}\begin{pmatrix} x'\\ y'\\ z' \end{pmatrix}$.
    $\overrightarrow{u}.\overrightarrow{v}=xx'+yy'+zz'$
    Il faut vérifier que le vecteur $\overrightarrow{n}$ est orthogonal aux vecteurs $\overrightarrow{CD}$ et $\overrightarrow{CE}$
    $\overrightarrow{CD}\begin{pmatrix} -4\\ 4\\ 0 \end{pmatrix}$ et $\overrightarrow{CE}\begin{pmatrix} -4\\ 0\\ 4 \end{pmatrix}$
    $\overrightarrow{n}.\overrightarrow{CD}=1\times (-4)+1\times 4+1\times 0=4-4=0$
    et $\overrightarrow{n}.\overrightarrow{CE}=1\times (-4)+1\times 0+1\times 4=4-4=0$
    donc le vecteur $\overrightarrow{n}$ est orthogonal à deux vecteurs directeurs $\overrightarrow{CD}$ et $\overrightarrow{CE}$ du plan $(CDE)$
  2. En déduire une équation cartésienne du plan $(CDE)$.

    Vecteur normal à un plan-équation cartésienne d'un plan


    Dans l'espace muni d'un repère othonormé, $P$ est un plan de l'espace, un vecteur $\overrightarrow{n}$ normal à $P$ est un vecteur directeur d'une droite orthogonale à $P$.
    Le vecteur $\overrightarrow{n}$ est un vecteur normal au plan $P$ passant par $A$ et $P$ est l'ensemble des points $M(x;y;z)$ vérifiant $\overrightarrow{AM}.\overrightarrow{n}=0$.
    $ax+by+cz+d=0$ est une équation cartésienne de $P$ de vecteur normal $\overrightarrow{n}\begin{pmatrix} a\\ b\\ c \end{pmatrix}$
    $\overrightarrow{n}\begin{pmatrix} 1\\ 1\\ 1 \end{pmatrix}$ est un vecteur normal au plan $CDE)$ donc une équation de $(CDE)$ est de la forme $x+y+z+d=0$.
    $C\in (CDE) \Longleftrightarrow x_C+y_C+x-z+d_C=0 \Longleftrightarrow 4+d=0 \Longleftrightarrow d=-4$.
  3. Le plan $P$ a pour équation $3y+z-6=0$
    Montrer que la droite d'intersection de $P$ et du plan $(OIJ)$ est une droite $d$ passant par $A$ et parallèle à $(OI)$ et que le point $B$ appartient au plan $P$.
    Représenter les traces (les droites d'intersection) de $P$ sur les plans de bases du repère.
    Si un point $M(x;y;z)$ appartient au plan $(OIJ)$ alors on a $z=0$
    Si Si un point $M(x;y;z)$ appartient au plan $(OIJ)$ alors $z=0$ et $M$ appartient au plan $P$ donc $3y+z-6=0$
    donc $3y-6=0$ soit $y=2$
    donc les points de la droite d'intersection de $P$ et de $(OIJ)$ ont pour coordonnées $(x;2;0)$ et donc cette droite est parallèle à $(OI)$ dans le plan $(O;I;J)$
    $3y_B+z_B-6=3\times 0+6-6=0$ donc $B\in P$ .
  4. Justifier que les plans $P$ et $(CDE)$ sont sécants.
    Il faut vérifier si les vecteurs normaux des plans $(CDE)$ et $P$ sont colinéaires
    $\overrightarrow{n}\begin{pmatrix} 1\\ 1\\ 1 \end{pmatrix}$ est un vecteur normal au plan $(CDE)$ et $\overrightarrow{n'}\begin{pmatrix} 0\\ 3\\ 1 \end{pmatrix}$ est un vecteur normal au plan $P$
    $3y_{\overrightarrow{n}}=3\times 1=3=y_{\overrightarrow{n'}}$
    mais $3x_{\overrightarrow{n}}=3\times 1=3\neq x_{\overrightarrow{n'}}$
    donc les vecteurs normaux des plans $P$ et $(CDE)$ ne sont pas colinéaires
    donc $P$ et $(CDE)$ ne sont pas parallèles
  5. Construire la droite $\Delta$ intersection de $P$ et $(CDE)$ sur le graphique.
    Il faut chercher deux points d'intersectionnde $P$ et $(CDE)$
    Les droites $(AB)$ et $(ED)$ sont coplanaires et contenues dans le plan $(OJK)$ donc sécantes en $X$.
    On peut de même trouver un point $Y$ du plan $(OIJ)$ appartenant à $P$ et $(CDE)$.
    L'intersection $\Delta$ des deux plans sur le graphique est la droite $(XY)$.
  6. Déterminer la représentation paramétrique de $\Delta$.
    Les points d'intersection de $P$ et $(CDE)$ vérifient les équations des deux plans.
    On peut exprimer $x$ et $z$ en fonction de $y$ par exemple
    Les points d'intersection de $P$ et $(CDE)$ vérifient les équations des deux plans donc on a $x+y+z-4=0$ et $3y+z-6=0$
    $\begin{cases} x+y+z-4=0\\ 3y+z-6=0 \end{cases} \Longleftrightarrow \begin{cases} x=-y-z+4\\ z=-3y+6 \end{cases}$
    $\phantom{\begin{cases} x+y+z-4=0\\ 3y+z-6=0 \end{cases}} \Longleftrightarrow \begin{cases} x=-y-(-3y+6)+4\\ z=-3y+6 \end{cases}$
    $\phantom{\begin{cases} x+y+z-4=0\\ 3y+z-6=0 \end{cases}} \Longleftrightarrow \begin{cases} x=2y-2\\ z=-3y+6 \end{cases}$
    donc en prenant $y=t$ on a $\begin{cases} x=2t-2\\ y=t\\ z=-3t+6 \end{cases}$

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