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--> Géométrie dans l'espace

$2$ Dans tout ce chapitre, on se place dans un repère

$(O,\vec{i},\vec{j},\vec{k})$ orthonormal de l'espace. 1Produit scalaire dans l'espace 1.1Définition du produit scalaire Definition 1
Soient

$\vec{u} \begin{pmatrix}x\y\z\end{pmatrix}$ et

$\vec{v} \begin{pmatrix}x'\y'\z'\end{pmatrix}$ deux vecteurs. Le produit scalaire de

$\vec{u}$ et

$\vec v$ est le nombre réel noté

$\vec{u}.\vec{v}$

tel que :

$\vec{u} . \vec{v}$

$=$

$xx'$

$+$

$yy'$

$+$

$zz'.$

Exemple 1

Soit $\vec u = \begin{pmatrix}1 \ 3 \ -2\end{pmatrix}$ et $\vec v = \begin{pmatrix}5 \ -1 \ 1\end{pmatrix}$ , alors $\vec u . \vec v =$
$1\times 5+3\times (-1)+(-2)\times 1$

$=$

$0$ .

Soit $\vec w = \begin{pmatrix}-4 \ -2 \ 0\end{pmatrix}$ , alors $\vec u . \vec w =$
$1\times (-4) + 3\times(-2)+(-2)\times 0$

$=$

$-10$ .

Remark 1 Le produit scalaire apparaît dans de nombreuses situations et permettra de plus de répondre rapidement à certaines questions. 1.2Norme d'un vecteur Definition 2
Soit

$\vec u \begin{pmatrix}x\y\z\end{pmatrix}$ un vecteur et

$M$ un point tel que

$\vec u =\overrightarrow{OM}$ . La norme du vecteur

$\vec u$ est le réel positif :

$||\vec u||$

$=$

$OM$

$=$

$\sqrt{x^2+y^2+z^2}$

$=$

$\sqrt{\vec u . \vec u}.$

Exemple 2 Avec les vecteurs

$\vec u = \begin{pmatrix}1 \ 3 \ -2\end{pmatrix}$ et

$\vec v = \begin{pmatrix}5 \ -1 \ 1\end{pmatrix}$ de l'exemple précédent :

$||\vec{u}|| =$

$\sqrt{1^2+3^2+(-2)^2}=$

$\sqrt{14}$ ,

$||\vec v|| =$

$\sqrt{5^2+(-1)^2+1^2}=$

$\sqrt{27}$

$=$

$3\sqrt{3}$

. Exemple 3 Étudions la sphère

$\mathscr{S}(A,r)$ de centre

$A(x_A;y_A;z_A)$ et de rayon

$r>0$ .
On considère un point

$M(x;y;z)$ de

$\mathscr{S}(A,r)$ . On a alors :

$M(x;y;z)$

$\in$

$\mathscr{S}(A,r)$

$\Longleftrightarrow$

$AM=r$

$\Longleftrightarrow$

$AM^2=r^2$ .

Or,

$\overrightarrow{AM}$ a pour coordonnées

$\begin{pmatrix}x-x_A\y-y_A\z-z_A\end{pmatrix}$ ,

ainsi :

$AM^2=$

$(x-x_A)^2+(y-y_A)^2+(z-z_A)^2$ .

En conclusion,

$M(x;y;z)\in \mathscr{S}(A,r)$ si et seulement si :

$(x-x_A)^2+(y-y_A)^2+(z-z_A)^2$

$=$

$r^2.$

Exemple 4 L'équation de

$\mathscr{S}(O,1)$ , sphère de centre

$O$ et de rayon

$1$ est :

$x^2+y^2+z^2=1$ .

1.3Orthogonalité Remark 2 Considérons les deux vecteurs

$\vec{u}=\begin{pmatrix}x\y\z\end{pmatrix}$ et

$\vec{v}=\begin{pmatrix}x'\y'\z'\end{pmatrix}$ , ainsi que les points

$A$ ,

$B$ et

$C$ tels que

$\vec u = \overrightarrow{AB}$ et

$\vec v = \overrightarrow{BC}$ .
On a alors que :

$\overrightarrow{AC} = \overrightarrow{AB}+\overrightarrow{BC}$

$=$

$\begin{pmatrix}x+x'\y+y'\z+z'\end{pmatrix}$ .

De plus, d'après l'équivalence de Pythagore :

$\vec{u} \text{ et } \vec{v} \text{ sont orthogonaux }$	$\Longleftrightarrow$	$AC^2=AB^2+BC^2$
	$\Longleftrightarrow$	$\\|\overrightarrow{AC}\\|^2$ $=$ $\\|\overrightarrow{AB}\\|^2 + \\|\overrightarrow{BC}\\|^2$
	$\Longleftrightarrow$	$(x+x')^2+(y+y')^2+(z+z')^2$ $=$ $x^2+y^2+z^2+x'^2+y'^2+z'^2$
	$\Longleftrightarrow$	$x^2+2xx'+x'^2+y^2+2yy'+y'^2+z^2+2zz'+z'^2$ $=$ $x^2+y^2+z^2+x'^2+y'^2+z'^2$
	$\Longleftrightarrow$	$2xx'+2yy'+2zz'$ $=$ $0$
	$\Longleftrightarrow$	$xx'+yy'+zz'=0$
	$\Longleftrightarrow$	$\vec{u}.\vec{v}=0.$

Ainsi, le produit scalaire défini dans ce cours correspond bien à celui rencontré dans le plan, cette dernière remarque amenant à la propriété suivante. Property 1
Soient

$\vec u$ et

$\vec v$ deux vecteurs de l'espace.

$\vec u$ et

$\vec v$ sont orthogonaux si et seulement si

$\vec{u}.\vec{v}=0.$

Exemple 5 Avec les vecteurs

$\vec u = \begin{pmatrix}1 \ 3 \ -2\end{pmatrix}$ ,

$\vec v = \begin{pmatrix}5 \ -1 \ 1\end{pmatrix}$ et

$\vec w = \begin{pmatrix}-4 \ -2 \ 0\end{pmatrix}$ des exemples précédents nous avons donc :
➤

$\vec u$ et

$\vec v$ sont

orthogonaux

car

$\vec{u}.\vec{v}=0$ .

➤

$\vec u$ et

$\vec w$

ne sont pas orthogonaux

car

$\vec{u}.\vec{w}\neq0$ .

Exercice 1 Soient

$A(1;2;3)$ ,

$B(2;2;5)$ et

$C(-1;5;4)$ .

Montrer que $ABC$ est rectangle en $A$ .
Déterminer les coordonnées d'un vecteur $\vec{n}\neq\vec{0}$ orthogonal à $\overrightarrow{AB}$ et $\overrightarrow{AC}$ .

Correction

$\overrightarrow{AB}.\overrightarrow{AC}$

$=$

$\begin{pmatrix}2-1\2-2\5-3\end{pmatrix}.\begin{pmatrix}-1-1\5-2\4-3\end{pmatrix}$

$=$

$\begin{pmatrix}1\0\2\end{pmatrix}.\begin{pmatrix}-2\3\1\end{pmatrix}$

$=$

$-2+2$

$=$

$0$ .

Les vecteurs $\overrightarrow{AB}$ et $\overrightarrow{AC}$ sont donc
orthogonaux
et le triangle $ABC$ est bien
rectangle en $A$ .
Remarquons tout d'abord qu'il existe une infinité de vecteurs othogonaux à $\overrightarrow{AB}$ et $\overrightarrow{AC}$ . En effet dès que nous en avons trouvé un, tout vecteur colinéaire à celui-ci sera également orthogonal à $\overrightarrow{AB}$ et $\overrightarrow{AC}$ .
On cherche donc
$\vec n$

$\begin{pmatrix}x\y\z\end{pmatrix}$ ,

$x$ , $y$ et $z$ $\in\mathbb{R}$
tel que :
$\left\{ \begin{array}{l} \vec{n}.\overrightarrow{AB}=0 \ \vec{n}.\overrightarrow{AC}=0 \end{array}\right.$ .

On a alors :
$\left\{ \begin{array}{rcl} x+y&=&0 \ -2x+3y+z&=&0 \end{array}\right.$ .

À partir de la première égalité,
on choisit

$x=1$

et

$y=-1$ .

La deuxième égalité nous donne alors :
$z=2-(-3)$

$=$

$5$ .

Ainsi le vecteur
$\vec n \begin{pmatrix}1\-1\5\end{pmatrix}$
convient.

1.4Propriétés algébriques Property 2

Pour tous vecteurs $\vec u$ , $\vec v$ :
$\vec u . \vec v$

$=$

$\vec v . \vec u$ .
Pour tous vecteurs $\vec u$ , $\vec u'$ et $\vec v$ :
$(\vec u + \vec u').\vec v$

$=$

$\vec u .\vec v +\vec u' .\vec v$ .
Pour tous vecteurs $\vec u$ , $\vec v$ et tout $k \in \mathbb{R}$ :
$(k\vec u).\vec v$

$=$

$k\times \vec u . \vec v$ .
Pour tout vecteur $\vec u$ :
$\vec{0}.\vec u$

$=$

$\vec u .\vec{0}$

$=$

$0$ .

Preuve
Il suffit d'écrire explicitement les calculs en utilisant la définition du produit scalaire donnée avec les coordonnées des vecteurs. Property 3

Pour tout vecteur $\vec u \begin{pmatrix}x\y\z\end{pmatrix}$ :
$\| \vec u \|^2$

$=$

$\vec u . \vec u$

$=$

$x^2 + y^2 +z^2$ .
Pour tout vecteur $\vec u$ et tout $k \in \mathbb{R}$ :
$\| k\vec u \|$

$=$

$|k|\| \vec u \|$ .
Pour tous vecteurs $\vec u$ , $\vec v$ :
$\| \vec u + \vec v \|^2$

$=$

$\|\vec u \|^2 + 2\vec u . \vec v + \|\vec v \|^2$ .

Preuve
Pour le point 1 nous utilisons la définition du produit scalaire et pour les points 2 et 3 la propriété précédente.

$\| \vec u \|^2$

$=$

$\vec u . \vec u$

$=$

$\begin{pmatrix}x\y\z\end{pmatrix}.\begin{pmatrix}x\y\z\end{pmatrix}$

$=$

$x^2+y^2+z^2$ .

$\| k\vec u \|^2$

$=$

$(k\vec u).(k\vec u)$

$=$

$k(\vec u)(k\vec u)$

$=$

$k^2\vec u.\vec u$

$=$

$k^2\|u\|^2$ .

Ainsi :

$\|ku\|$

$=$

$\sqrt{\| k\vec u \|^2}$

$=$

$\sqrt{k^2\|u\|^2}$

$=$

$\sqrt{k^2}\|u\|$

$=$

$|k|\|u\|$ .

$\| \vec u + \vec v \|^2$

$=$

$(\vec u+\vec v).(\vec u+\vec v)$

$=$

$\vec u.\vec u +\vec u.\vec v+\vec v.\vec u+\vec v.\vec v$

$=$

$\|u\|^2+ \vec u.\vec v+\vec u.\vec v + \|v\|^2$

$=$

$\|\vec u \|^2 + 2\vec u . \vec v + \|\vec v \|^2$ .

Property 4
Soient

$\vec u$ et

$\vec v$ deux vecteurs colinéaires. On a alors :

$\vec u . \vec v = \left\{ \begin{array}{rl} \|\vec u\| \times \|\vec v\| & \text{ si } \vec u \text{ et } \vec v \text{ sont de même sens}\ -\|\vec u\| \times \|\vec v\| & \text{ si } \vec u \text{ et } \vec v \text{ sont de sens opposé} \end{array}\right.$

Preuve
Si

$\vec u=\vec 0$ le résultat est évident car alors

$\vec u.\vec v$

$=$

$0$

$\|\vec u \|$

$=$

$0$ .

On peut alors supposer

$\vec u\neq \vec 0$ et on pose

$\vec v = k\times \vec u$

où

$k\in \mathbb{R}$

($\vec u$ et $\vec v$ étant

colinéaires

On a donc :

$\|\vec v\|=$

$\|k \vec {u}\|=$

$|k| \|\vec u\|$

$\vec u . \vec v =$

$\vec u . (k\vec u)=$

$k\vec u .\vec u=$

$k \|\vec u\|^2=$

$k\|\vec u\| \times \|\vec u\|$ .

$k>0$ ,

alors

$k=$

$|k|$

$\vec u . \vec v =$

$|k| \|\vec u\| \times \|\vec u\|=$

$\|\vec v\| \times \|\vec u\|$ .

$k>0$ ,

alors

$k=$

$-|k|$

$\vec u . \vec v =$

$-|k| \|\vec u\| \times \|\vec u\|=$

$-\|\vec v\| \times \|\vec u\|$ .

1.5Autre expression du produit scalaire Deux vecteurs

$plus un point$ définissent un plan

$si $\vec u$ et $\vec v$ ne sont pas colinéaires$ , ou une droite

$si $\vec u$ et $\vec v$ sont colinéaires$ . Donc pour calculer le produit scalaire

$\vec u . \vec v$ on peut se placer dans un plan contenant

$\vec u$ et

$\vec v$ . On se retrouve alors à faire de la géométrie plane.

On considère trois points distincts,

$A$ ,

$B$ et

$C$ de l'espace. On note

$H$ le projeté orthogonal de

$C$ sur

$(AB)$ .

$\overrightarrow{AB}.\overrightarrow{AC}=$	$\overrightarrow{AB}.$ $(\overrightarrow{AH}$ $+$ $\overrightarrow{HC})$
$=$	$\overrightarrow{AB}.\overrightarrow{AH}$ $+$ $\overrightarrow{AB}.\overrightarrow{HC}$
$=$	$\overrightarrow{AB}.\overrightarrow{AH}$ $+$ $0$	car $\overrightarrow{AB}$ et $\overrightarrow{HC}$ sont orthogonaux.
$=$	$\pm$ $\\| \overrightarrow{AB} \\| \\| \overrightarrow{AH} \\|$	d'aprés la propriété précédente.
$=$	$\pm$ $AB\times AH$	selon le sens de $\overrightarrow{AB}$ et $\overrightarrow{AH}$

$AH$

$=$

$AC\times$

$\cos(\overrightarrow{AB},\overrightarrow{AC})$

(le

cosinus

donnera le signe "+" ou "-" désiré), on obtient donc la propriété suivante : Property 5
Soient

$A$ ,

$B$ et

$C$ trois points de l'espace.

$\overrightarrow{AB}.\overrightarrow{AC}$

$=$

$\cos(\overrightarrow{AB},\overrightarrow{AC})$

$\times$

$AB$

$\times$

$AC$ .

Exercice 2 Toujours avec les points

$A(1;2;3)$ ,

$B(2;2;5)$ et

$C(-1;5;4)$ , déterminer en degré la mesure de

$\widehat{ABC}$ .

Correction

On calcule les coordonnées des vecteurs

$\overrightarrow{BA}$

$\begin{pmatrix} -1\0\-2 \end{pmatrix}$

$\overrightarrow{BC}$

$\begin{pmatrix} -3\3\-1 \end{pmatrix}$

. On a alors :

	$\overrightarrow{BA}.\overrightarrow{BC}$	$=$	$\cos(\overrightarrow{AB},\overrightarrow{AC}) \times AB \times AC$
$\Longleftrightarrow$	$\cos(\overrightarrow{AB},\overrightarrow{AC})$	$=$	$\dfrac{\overrightarrow{BA}.\overrightarrow{BC}}{AB \times AC}$
$\Longleftrightarrow$	$\cos(\overrightarrow{AB},\overrightarrow{AC})$	$=$	$\dfrac{1\times3+0\times3+2\times1}{\sqrt{1+0+4}\times\sqrt{9+9+2} }$
$\Longleftrightarrow$	$\cos(\overrightarrow{AB},\overrightarrow{AC})$	$=$	$\dfrac{5}{\sqrt{5}\sqrt{20}}$
$\Longleftrightarrow$	$\cos(\overrightarrow{AB},\overrightarrow{AC})$	$=$	$\dfrac{\sqrt{5}\sqrt{5}}{\sqrt{5}\times2\sqrt{5}}$
$\Longleftrightarrow$	$\cos(\overrightarrow{AB},\overrightarrow{AC})$	$=$	$\dfrac{1}{2}.$

L'énoncé nous demande la mesure en degré de

$\widehat{ABC}$ , cela veut dire que ce n'est pas une valeur sur un intervalle de longueur

$2\pi$ , mais une mesure algébrique comme au collège. Ici, on peut donc répondre en connaissant seulement le cosinus de l'angle :

$\widehat{ABC}$

$=$

$30°$ .

2Plans et orthogonalité 2.1Vecteur normal à un plan de l'espace Definition 3
Soit

$\vec n$ un vecteur non nul et

$\mathscr{P}$ un plan de l'espace. On dit que

$\vec n$ est

normal

$\mathscr{P}$ ssi toute droite de vecteur directeur

$\vec n$ est

perpendiculaire

$\mathscr{P}$ . Property 6
Soit

$A$ un point d'un plan

$\mathscr P$ et

$\vec n$ un vecteur

normal

$\mathscr P$ . Alors le plan

$\mathscr P$ est l'ensemble des points

$M$ de l'espace tels que

$\overrightarrow{AM} . \vec n$

$=$

$0$ .

Definition 4
Soit

$\mathscr{P}$ un plan de vecteur normal

$\vec n$ et

$A$ un point de l'espace.
Supposons

$A\not\in \mathscr{P}$ et posons

$\mathscr{D}$

$=$

$< A,\vec{n} >$ ,

la droite engendrée par

$A$ et le vecteur

$\vec n$ .

Alors le

projeté orthogonal

$A$ sur

$\mathscr P$ est :

$H = \mathscr D \cap \mathscr P.$

Remark 3 Si

$A\in \mathscr{P}$ , alors le projeté de

$A$ dans

$\mathscr P$ est

lui-même.

Property 7
Une droite

$d$ est orthogonale à toute droite d'un plan

$\mathscr P$ si, et seulement si,

elle est

orthogonale

deux droites

sécantes

$d_1$ et

$d_2$ de ce plan.

Preuve
Un sens de l'équivalence est évident :

$d$ est orthogonale à toute droite du plan

$\mathscr P$

alors

elle est orthogonale à

$d_1$ et

$d_2$ .

Réciproquement, si

$\vec{u}$ ,

$\vec{v_1}$

$\vec{v_2}$

sont

des vecteurs directeurs,

respectivement

des droites

$d$ ,

$d_1$ ,

$d_2$ ,

alors :

$\vec{u}.\vec{v_1}$

$=$

$0$

$\vec{u}.\vec{v_2}$

$=$

$0$

puisque

$d$ est orthogonale à

$d_1$ et à

$d_2$ .

Soit

$\Delta$ une droite du plan

$\mathscr P$

$\vec{w}$ un vecteur directeur de

$\Delta$ .

Les droites

$d_1$ et

$d_2$ étant sécantes,

les vecteurs

$\vec{v_1}$ et

$\vec{v_2}$

ne sont pas colinéaires

constituent donc

des vecteurs dirigeant

$\mathscr P$ ,

et il existe alors deux réels

$x$ et

$y$ tels que

$\vec{w}=x\vec{v_1} + y \vec{v_2}$ .

On a ainsi :

$\vec{u}.\vec{w}=$

$\vec{u}.(x\vec{v_1} +y.\vec{v_2})=$

$x\vec{u}.\vec{v_1} +y\vec{u}.\vec{v_2}=$

$0$ .

On en déduit que les vecteurs

$\vec{u}$ et

$\vec{w}$

sont orthogonaux,

donc

que la droite

$d$ est orthogonale à la droite

$\Delta$ .

Property 8
Soit

$\mathscr P$ un plan dirigé par deux vecteurs non colinéaires

$\vec u$ et

$\vec v$ . Soit

$\vec n$ un vecteur de l'espace.
Si

$\vec n$ est

orthogonal

$\vec u$ et

$\vec v$ alors

$\vec n$ est

normal

$\mathscr P$ . Exemple 6 Pour les points des exercices précédents

$A(1;2;3)$ ,

$B(2;2;5)$ et

$C(-1;5;4)$ , nous avions trouver que le vecteur

$\vec n \begin{pmatrix}1\-1\5\end{pmatrix}$ était orthogonal à

$\overrightarrow{AB}$ et

$\overrightarrow{AC}$ . Puisque

$\overrightarrow{AB}$ et

$\overrightarrow{AC}$ ne sont pas colinéaires, le vecteur

$\vec n \begin{pmatrix}1\-1\5\end{pmatrix}$ est

normal

$\mathscr P$ . 2.2Équation cartésienne d'un plan de l'espace Property 9

Dans un repère orthonormé, un plan $\mathscr P$ de vecteur normal $\vec{n}$
$\begin{pmatrix}a\b\c\end{pmatrix}$
a une équation cartésienne de la forme :
$ax + by +cz + d= 0$

où

$d \in \mathbb{R}$

fixé.
Réciproquement, si $a$ , $b$ , $c$ ne sont pas tous les trois nuls, l'ensemble $(E)$ des points $M(x;y;z)$ tels que
$ax+by+cz+d =0$
est un plan de vecteur
normal

$\vec{n}\begin{pmatrix}a\b\c\end{pmatrix}$ .

Preuve
Soit

$A(x_0;y_0;z_0)$ un point du plan

$\mathscr P$ et

$M(x;y;z)$ un point de l'espace.
On a :

$\overrightarrow{AM}$

$(x-x_0;y-y_0;z-z_0)$

$\overrightarrow{AM}.\vec{n} =$

$a(x-x_0)+b(y-y0)+c(z-z0)$ .

Ainsi :

$M \in \mathscr P$

équivaut à

$\overrightarrow{AM}.\vec{n}=0$ ,

soit à :

$a(x-x_0)+b(y-y0)+c(z-z0)=0$

c'est-à-dire :

$ax+by+cz-ax_0-by_0-cz_0=0$

soit en posant

$d=-ax_0-by_0-cz_0$ ,

à :

$ax+by+cz+d=0$ .

Réciproquement,

puisque

$a,b$ et

$c$ ne sont pas tous nuls,

on peut supposer par exemple

que

$a$ est différent de

$0$ .

On peut vérifier que le point

$A\left(-\frac{d}{a};0;0\right)$

appartient à

l'ensemble

$(E)$

l'équation

$ax+by+cz+d=0$

équivaut à

$a\left(x-\dfrac{d}{a}\right)+by+cz=0$ ,

c'est-à-dire à

$\overrightarrow{AM}.\vec{n}$

$=$

$0$

où

$\vec{n}(a;b;c)$ .

$(E)$ est donc

le plan passant par

$A$

et de vecteur normal

$\vec{n}(a;b;c)$ .

Exercice 3 Avec les points

$A(1;2;3)$ ,

$B(2;2;5)$ et

$C(-1;5;4)$ , déterminer une équation cartésienne du plan

$(ABC)$ .

Correction

Nous avions que vu que

$\vec n \begin{pmatrix}1\-1\5\end{pmatrix}$ est un vecteur normal à

$(ABC)$ . Ainsi il existe un réel

$d$ tel qu'une équation cartésienne du plan soit :

$x-y+5z+d=0.$

Il reste à déterminer la valeur de

$d$ .

Pour cela nous allons utiliser les coordonnées d'un point du plan

$(ABC)$ , par exemple

$A$ .

$x_A-y_A+5z_A+d=0$

$\Longleftrightarrow$

$1-2+15+d=0$

$\Longleftrightarrow$

$d=-14$ .

Le plan

$(ABC)$ possède donc pour équation cartésienne :

$x-y+5z-14=0.$

2.3Plan médiateur d'un segment Definition 5
Soient

$A$ et

$B$ deux points distincts de l'espace et soit

$M$ le

milieu

du segment

$[AB]$ .

Le plan médiateur

$[AB]$ est le plan

perpendiculaire

$(AB)$ passant par

$M$ .

Remark 4 Cette définition rappelle la définition, en géométrie plane, de

la médiatrice

d'un segment. Exercice 4 Déterminer une équation du plan médiateur de

$[AB]$ avec

$A(0;1;1)$ et

$B(4;1;5)$ .

Correction

Nous savons que le vecteur

$\overrightarrow{AB}$

$\begin{pmatrix}4\0\4\end{pmatrix}$

est

normal

au plan médiateur de

$[AB]$ , ainsi une équation cartésienne du plan médiateur est de la forme :

$4x+4z+d=0,$

avec

$d\in\mathbb{R}$ à déterminer.

Le milieu de

$[AB]$ de coordonnées

$(2;1;3)$

appartient à ce plan, ses coordonnées vérifient

l'équation du plan,

et nous obtenons alors :

$4\times2+4\times3+d=0$

$\Longleftrightarrow$

$d=-20$ .

Nous trouvons donc que le plan médiateur de

$[AB]$ a pour équation cartésienne :

$4x+4z-20=0$ ,

que l'on réduit à :

$x+z-5=0.$

Property 10
Soient

$A$ et

$B$ deux points distincts de l'espace. Le plan

médiateur

$[AB]$ est l'ensemble des points

$M$ de l'espace tels que

$AM=BM$ .

2.4Position relative de deux plans Observons quelques figures. Les vecteurs normaux sont colinéaires et les plans sont parallèles Les vecteurs normaux ne sont pas colinéaires et les plans ne sont pas parallèles Les vecteurs normaux sont orthogonaux et les plans sont perpendiculaires Property 11
Soient

$\mathscr{P}_1$ et

$\mathscr{P}_2$ deux plans ayant pour vecteurs normaux respectifs

$\vec n_1$

$\vec n_2$ .

Alors :

$\mathscr{P}_1 // \mathscr{P}_2$

$\Longleftrightarrow$

$\overrightarrow n_1$ et $\overrightarrow n_2$ sont

colinéaires.
$\mathscr{P}_1$ et $\mathscr{P}_2$ ne sont pas parallèles

$\Longleftrightarrow$
$\overrightarrow n_1$ et $\overrightarrow n_2$

ne sont pas colinéaires.

Exercice 5 Soient

$\mathscr{P}_1$ ,

$\mathscr{P}_2$ et

$\mathscr{P}_3$ trois plans d'équations respectives :

$15x+6y+3z=0$ ,
$21x+7y-z=-4$ ,
$-5x-2y-z=21$ .

Déterminer les positions relatives de

$\mathscr{P}_1$ ,

$\mathscr{P}_2$ et

$\mathscr{P}_3$ .

Correction

Soient

$\overrightarrow{n_1}$

$\begin{pmatrix}15\6\3\end{pmatrix}$ ,

$\overrightarrow{n_2}$

$\begin{pmatrix}21\7\-1\end{pmatrix}$

$\overrightarrow{n_3}$

$\begin{pmatrix}-5\-2\-1\end{pmatrix}$

des vecteurs normaux des plans respectifs

$\mathscr{P}_1$ ,

$\mathscr{P}_2$ et

$\mathscr{P}_3$ obtenus à l'aide des

coefficients

des équations cartésiennes.

Nous remarquons que

$\overrightarrow{n_1}$

$=$

$-3\overrightarrow{n_3}$ ,

ainsi

$\overrightarrow{n_1}$ et

$\overrightarrow{n_3}$

sont colinéaires

et les plans

$\mathscr{P}_1$ et

$\mathscr{P}_3$

sont parallèles.

Par ailleurs

$z_{\overrightarrow{n_1}}$

$=$

$-3z_{\overrightarrow{n_2}}$

mais

$x_{\overrightarrow{n_1}}$

$\neq$

$-3x_{\overrightarrow{n_2}}$ .

Les vecteurs

$\overrightarrow{n_1}$ et

$\overrightarrow{n_2}$

ne sont donc pas colinéaires,

et les plans

$\mathscr{P}_1$ et

$\mathscr{P}_2$

ne sont pas parallèles.

Puisque

$\mathscr{P}_1$ et

$\mathscr{P}_3$

sont parallèles,

et que

$\mathscr{P}_1$ et

$\mathscr{P}_2$

ne sont pas parallèles,

alors

$\mathscr{P}_2$ et

$\mathscr{P}_3$

ne sont non plus pas parallèles.

Property 12
Soient

$\mathscr{P}_1$ et

$\mathscr{P}_2$ deux plans de vecteurs normaux respectifs

$\overrightarrow{n_1}$

$\overrightarrow{n_2}$ .

les plans

$\mathscr{P}_1$ et

$\mathscr{P}_2$ sont

perpendiculaires

si et seulement si les vecteurs

$\overrightarrow{n_1}$ et

$\overrightarrow{n_2}$ sont

orthogonaux.

Exercice 6 Avec les mêmes notations qu'à l'exercice précédent, les plans

$\mathscr{P}_1$ et

$\mathscr{P}_2$ sont-ils perpendiculaires ?

Correction

Les plans

$\mathscr{P}_1$ et

$\mathscr{P}_2$ ont pour vecteurs normaux respectifs

$\overrightarrow{n_1}\begin{pmatrix}15\6\3\end{pmatrix}$ et

$\overrightarrow{n_2}\begin{pmatrix}21\7\-1\end{pmatrix}$ .

Calculons leur produit scalaire :

$\overrightarrow{n_1}.\overrightarrow{n_2}$

$=$

$15\times21+6\times7-3\times1$

$=$

$354$ .

On peut alors affirmer que les plans

$\mathscr{P}_1$ et

$\mathscr{P}_2$

ne sont pas perpendiculaires.