Dans toute la fiche, le repère est supposé orthonormé dès qu’il est question de vecteur normal, de norme ou de distance.
1Représentation paramétrique d’une droite
Théorème. La droite passant par et de vecteur directeur , , est l’ensemble des points tels que avec , c’est-à-dire :
C’est une représentation paramétrique de ; est le paramètre.
Remarque. Une droite admet une infinité de représentations paramétriques : on peut changer de point et remplacer par n’importe quel vecteur colinéaire non nul.
Méthode — savoir-faire de base. (a) Pour la droite , prendre . (b) Pour tester si , chercher à partir d’une équation où le coefficient de n’est pas nul, et vérifier qu’il convient pour les deux autres. (c) Pour comparer deux représentations, vérifier que les vecteurs directeurs sont colinéaires et qu’un point de l’une appartient à l’autre.
2Équation cartésienne d’un plan
Théorème. Le plan passant par et de vecteur normal est l’ensemble des points tels que ; il admet une équation cartésienne
Démonstration : , que l’on développe.
Théorème — réciproque. Si , l’ensemble des points vérifiant est un plan de vecteur normal .
Méthode — déterminer une équation de plan. (a) Point et vecteur normal : écrire puis calculer avec les coordonnées du point. (b) Trois points non alignés , , : chercher tel que et (système à deux équations : on fixe une composante), puis revenir au cas (a).
3Positions relatives et intersections
Méthode — droite et plan. Remplacer , , par leur expression paramétrique dans l’équation du plan. L’équation en obtenue a une solution (droite sécante au plan, intersection en un point), aucune solution (droite strictement parallèle) ou une infinité (droite contenue dans le plan). Critère direct : .
Méthode — deux droites. Résoudre le système donné par les deux paramétrages, avec deux paramètres distincts et . Solution unique : droites sécantes ; une infinité de solutions : droites confondues ; aucune solution : droites strictement parallèles (vecteurs directeurs colinéaires) ou non coplanaires (vecteurs directeurs non colinéaires).
Méthode — deux plans. et sont colinéaires (plans confondus si les équations sont proportionnelles). Sinon l’intersection est une droite : on résout le système de deux équations en posant l’une des inconnues égale au paramètre .
Propriété — base de l’espace. Trois vecteurs , , forment une base ils ne sont pas coplanaires le système n’admet que la solution .
4Projeté orthogonal et distance
Méthode — projeté sur un plan. Le projeté orthogonal de sur est le point d’intersection de et de la droite passant par et de vecteur directeur : on écrit la représentation paramétrique de cette droite, on la reporte dans l’équation de , on en tire , puis . Enfin .
Méthode — projeté sur une droite. Le projeté orthogonal de sur (de vecteur directeur ) est le point d’intersection de et du plan passant par et de vecteur normal ; on peut aussi écrire et résoudre . Enfin .
Remarque. Le point étant connu, le symétrique de par rapport à (ou à ) est le point tel que soit le milieu de .
5Savoir-faire du chapitre
- Déterminer une représentation paramétrique d’une droite ; reconnaître qu’un point lui appartient ; comparer deux représentations.
- Déterminer une équation cartésienne d’un plan à partir d’un point et d’un vecteur normal, ou de trois points non alignés ; lire un vecteur normal sur une équation.
- Étudier les positions relatives de deux droites, d’une droite et d’un plan, de deux plans, et déterminer leur intersection.
- Déterminer les coordonnées du projeté orthogonal d’un point sur une droite ou sur un plan, puis la distance correspondante.
- Décider si trois vecteurs forment une base de l’espace et décomposer un vecteur dans cette base.
6Exemples types
Pour et , et : , , . Pour , donne , et alors , : . Pour , donne : .
Plan passant par et de vecteur normal : son équation est , et donne , soit . Donc .
Soit : , , et . En reportant : , d’où et un unique point d’intersection .
Distance de au plan . La droite passant par dirigée par est , , . En reportant : , donc et . Alors et .
- Une représentation paramétrique n’est pas unique : deux systèmes différents peuvent décrire la même droite.
- Pour l’intersection de deux droites, utiliser deux paramètres distincts : avec un seul paramètre on obtient un système faux.
- Un point appartient à une droite seulement si la même valeur de convient pour les trois coordonnées.
- Vecteur directeur pour une droite, normal pour un plan : dans , est normal au plan, il ne le dirige pas.
- Lire un vecteur normal sur une équation de plan, calculer une norme ou une distance : tout cela suppose le repère orthonormé.