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Mathématiques · Tronc Commun — Sciences Expérimentales

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 de l'espace : Un repère $(O, \vec{i}, \vec{j}, \vec{k})$ permet de repérer tout point $M(x, y, z)$.
  • Positions relatives :
    • Deux droites : sécantes, parallèles, ou non coplanaires.
    • Droite et plan : sécants, parallèles, ou la droite est incluse dans le plan.
    • Deux plans : sécants (selon une droite) ou parallèles.
  • Représentation paramétrique d'une droite : Passant par $A(x_0, y_0, z_0)$ et de vecteur directeur $\vec{u}(a, b, c)$ : $$\begin{cases} x = x_0 + at \ y = y_0 + bt \ z = z_0 + ct \end{cases} (t \in \mathbb{R})$$
  • Équation cartésienne d'un plan : De la forme $ax + by + cz + d = 0$ avec $(a, b, c) \neq (0, 0, 0)$. Le vecteur normal est $\vec{n}(a, b, c)$.

Méthodes à maîtriser

  1. Démontrer qu'une droite est parallèle à un plan : Montrer que le vecteur directeur de la droite est orthogonal au vecteur normal du plan ($\vec{u} \cdot \vec{n} = 0$).
  2. Déterminer l'intersection d'une droite et d'un plan : Remplacer $x, y, z$ de la droite dans l'équation du plan pour trouver $t$.
  3. Vérifier l'appartenance : Un point appartient à un plan si ses coordonnées vérifient l'équation cartésienne.

Exemples corrigés

  • Exemple 1 : Soit le plan $(P) : x + y - z + 2 = 0$. Le point $A(1, -1, 2)$ appartient-il à $(P)$ ? $1 + (-1) - 2 + 2 = 0$. Oui, $A \in (P)$.
  • Exemple 2 : Droite $(D)$ passant par $A(1, 0, 0)$ de vecteur $\vec{u}(0, 1, 1)$. Représentation : $x=1, y=t, z=t$.

Erreurs fréquentes

  • Confondre vecteur directeur d'une droite et vecteur normal d'un plan.
  • Oublier la condition $(a, b, c) \neq (0, 0, 0)$ pour une équation de plan.
  • Penser que deux droites non parallèles sont forcément sécantes (elles peuvent être non coplanaires).

🌉 Jisr : les mots du chapitre FR ⇄ AR

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Défi flash : 4 questions

Sans compte

🎯 Géométrie dans l'espace

1/4

Quel est le vecteur normal du plan $2x - y + 3z = 0$ ?

❓ Questions fréquentes

Kifach n3ref wach wahed l-point kayn f-wahed l-plan?
  1. Khoud l-ahdatyat dyal l-point $(x_A, y_A, z_A)$.
  2. 3awdhoum f-l-mou3adala dyal l-plan $ax + by + cz + d = 0$.
  3. Ila lqiti l-natija hiya 0, l-point kayn f-l-plan. Ila lqiti chi haja khra, l-point makaynach.

💡 À retenir : L-point katnmi l-plan ila kanet l-ahdatyat dyalha katchouf l-mou3adala dyal l-plan.

Chno hiya l-farq bin l-moustaqim w-l-plan?
  1. L-moustaqim (droite) 3ndou vecteur directeur wahed, houwa bhal chi khet.
  2. L-plan 3ndou vecteur normal (3amoudi 3lih), houwa bhal chi waraqa kbira.
  3. L-moustaqim kaytkteb b-système (représentation paramétrique), l-plan kaytkteb b-mou3adala wahed (x, y, z).

💡 À retenir : L-moustaqim 3ndou 1 dimension, l-plan 3ndou 2 dimensions.

Kifach n7seb l-intersection dyal moustaqim w-plan?
  1. Kteb l-ahdatyat dyal l-moustaqim b-dallalat $t$.
  2. 3awd had l-ahdatyat f-l-mou3adala dyal l-plan.
  3. Helli l-mou3adala bach telqa l-qima dyal $t$.
  4. Rje3 l-système dyal l-moustaqim w-3awd $t$ b-l-qima li lqiti bach telqa $x, y, z$.

💡 À retenir : L-intersection hiya l-point li 3ndha nafs l-ahdatyat f-l-moustaqim w-f-l-plan.

Est-ce qu'on peut avoir une équation de droite avec deux équations de plans ?

Oui, une droite peut être définie comme l'intersection de deux plans non parallèles. C'est ce qu'on appelle un système de deux équations cartésiennes.

💡 À retenir : L'intersection de deux plans sécants est toujours une droite.

Comment savoir si deux plans sont parallèles ?

Deux plans sont parallèles si leurs vecteurs normaux sont colinéaires. Si $(P_1) : a_1x + b_1y + c_1z + d_1 = 0$ et $(P_2) : a_2x + b_2y + c_2z + d_2 = 0$, alors ils sont parallèles si $\frac{a_1}{a_2} = \frac{b_1}{b_2} = \frac{c_1}{c_2}$.

💡 À retenir : Plans parallèles = vecteurs normaux colinéaires.

Qu'est-ce qu'une droite non coplanaire ?

Ce sont deux droites qui ne sont ni parallèles ni sécantes. Elles ne se trouvent pas dans le même plan.

💡 À retenir : Dans l'espace, deux droites peuvent ne jamais se rencontrer sans être parallèles.

Comment déterminer le vecteur normal d'un plan ?

Si tu as l'équation cartésienne $ax + by + cz + d = 0$, le vecteur normal est tout simplement $\vec{n}(a, b, c)$.

💡 À retenir : Les coefficients de $x, y, z$ donnent directement les coordonnées du vecteur normal.

Est-ce que le vecteur directeur d'une droite est unique ?

Non, n'importe quel vecteur colinéaire au vecteur directeur initial est aussi un vecteur directeur. Si $\vec{u}$ est directeur, alors $k\vec{u}$ (pour $k \neq 0$) l'est aussi.

💡 À retenir : Une droite a une infinité de vecteurs directeurs.

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 $\vec{n}$.

💡 À retenir : Droite perpendiculaire au plan $\iff \vec{u}$ et $\vec{n}$ colinéaires.

Si j'ai deux points, comment trouver une droite ?
  1. Le vecteur directeur est $\vec{AB}(x_B-x_A, y_B-y_A, z_B-z_A)$.
  2. Utilise le point $A$ comme point de passage.
  3. Écris la représentation paramétrique.

💡 À retenir : Deux points définissent une droite unique.

Est-ce que le produit scalaire existe dans l'espace ?

Oui, pour $\vec{u}(x, y, z)$ et $\vec{v}(x', y', z')$, le produit scalaire est $\vec{u} \cdot \vec{v} = xx' + yy' + zz'$.

💡 À retenir : Le calcul est identique à celui du plan, avec une coordonnée en plus.

Peut-on avoir une équation de plan sans z ?

Oui, par exemple $x + y + 2 = 0$. Cela signifie que le vecteur normal est $\vec{n}(1, 1, 0)$. Le plan est parallèle à l'axe $(Oz)$.

💡 À retenir : L'absence d'une variable signifie que le plan est parallèle à l'axe correspondant.

✍️ Exercices type examen national

Exercice 1

Soit le plan $(P) : x - 2y + z - 3 = 0$.

  1. Donner un vecteur normal à $(P)$.
  2. Soit la droite $(D)$ passant par $C(0, 1, 0)$ et de vecteur directeur $\vec{v}(1, 1, 1)$. Étudier l'intersection de $(D)$ et $(P)$.
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Exercice 2

Déterminer l'équation cartésienne du plan $(P)$ passant par $A(1, 0, 2)$ et dont le vecteur normal est $\vec{n}(1, 1, -1)$.

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Exercice 3

Dans l'espace muni d'un repère orthonormé, on considère le point $A(1, 2, -1)$ et le vecteur $\vec{u}(2, -1, 3)$.

  1. Donner une représentation paramétrique de la droite $(D)$ passant par $A$ et de vecteur directeur $\vec{u}$.
  2. Le point $B(3, 1, 2)$ appartient-il à $(D)$ ?
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