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Terminale · Orthogonalité et distances dans l'espace

Vecteur normal et équation de plan

Vecteur normal à un plan

### Définition

Un vecteur n⃗\vec{n} non nul est normal à un plan P\mathcal{P} s'il est orthogonal à deux vecteurs directeurs non colinéaires de P\mathcal{P}.

On peut montrer que, dans ce cas, n⃗\vec{n} est en fait orthogonal à tous les vecteurs directeurs de P\mathcal{P}, donc à toute droite incluse dans P\mathcal{P}.

### Lien avec l'équation cartésienne d'un plan

> Théorème :
> Le plan P\mathcal{P} passant par un point A(xA ; yA ; zA)A(x_A\,;\,y_A\,;\,z_A) et de vecteur normal n⃗(abc)\vec{n}\begin{pmatrix} a \\ b \\ c \end{pmatrix} (avec (a ; b ; c)≠(0 ; 0 ; 0)(a\,;\,b\,;\,c)\neq(0\,;\,0\,;\,0)) est l'ensemble des points M(x ; y ; z)M(x\,;\,y\,;\,z) tels que AM→⋅n⃗=0\overrightarrow{AM}\cdot\vec{n}=0, ce qui équivaut à une équation de la forme :
>

ax+by+cz+d=0ax+by+cz+d=0

> où d=−(axA+byA+czA)d=-(ax_A+by_A+cz_A).

Réciproquement, tout plan d'équation ax+by+cz+d=0ax+by+cz+d=0 admet le vecteur n⃗(abc)\vec{n}\begin{pmatrix} a \\ b \\ c \end{pmatrix} comme vecteur normal.

Exemple : déterminons l'équation cartésienne du plan P\mathcal{P} passant par A(1 ; 2 ; −1)A(1\,;\,2\,;\,-1) et de vecteur normal n⃗(3−12)\vec{n}\begin{pmatrix} 3 \\ -1 \\ 2 \end{pmatrix}.

Pour M(x ; y ; z)∈PM(x\,;\,y\,;\,z)\in\mathcal{P}, on a AM→⋅n⃗=0\overrightarrow{AM}\cdot\vec{n}=0 :

3(x−1)−1(y−2)+2(z+1)=03(x-1) - 1(y-2) + 2(z+1) = 0

3x−3−y+2+2z+2=03x - 3 - y + 2 + 2z + 2 = 0

3x−y+2z+1=03x - y + 2z + 1 = 0

Le plan P\mathcal{P} a donc pour équation cartésienne 3x−y+2z+1=03x-y+2z+1=0.

### Orthogonalité d'une droite et d'un plan

> Théorème :
> Une droite D\mathcal{D} de vecteur directeur u→\overrightarrow{u} est orthogonale à un plan P\mathcal{P} de vecteur normal n⃗\vec{n} si et seulement si u→\overrightarrow{u} et n⃗\vec{n} sont colinéaires.

Exemple : la droite D\mathcal{D} de vecteur directeur u→(6−24)\overrightarrow{u}\begin{pmatrix} 6 \\ -2 \\ 4 \end{pmatrix} est-elle orthogonale au plan P:3x−y+2z+1=0\mathcal{P}: 3x-y+2z+1=0 ?

Le vecteur normal de P\mathcal{P} est n⃗(3−12)\vec{n}\begin{pmatrix} 3 \\ -1 \\ 2 \end{pmatrix}. On remarque que u→=2n⃗\overrightarrow{u} = 2\vec{n}, donc u→\overrightarrow{u} et n⃗\vec{n} sont colinéaires : la droite D\mathcal{D} est orthogonale au plan P\mathcal{P}.

Exercices de la leçon

Exercice 1

Le plan d'équation 2x+5y−3z+4=02x+5y-3z+4=0 admet comme vecteur normal :

Corrigé

Dans une équation ax+by+cz+d=0ax+by+cz+d=0, le vecteur n⃗(abc)\vec{n}\begin{pmatrix} a \\ b \\ c \end{pmatrix} formé des coefficients de xx, yy, zz est normal au plan. Ici a=2a=2, b=5b=5, c=−3c=-3.

Exercice 2

La droite de vecteur directeur u→(12−1)\overrightarrow{u}\begin{pmatrix} 1 \\ 2 \\ -1 \end{pmatrix} est orthogonale au plan d'équation x+2y−z+5=0x+2y-z+5=0.

Corrigé

Le vecteur normal du plan est n⃗(12−1)\vec{n}\begin{pmatrix} 1 \\ 2 \\ -1 \end{pmatrix}, qui est exactement égal à u→\overrightarrow{u} : les deux vecteurs sont colinéaires, donc la droite est orthogonale au plan.

Exercice 3

Déterminer une équation cartésienne du plan P\mathcal{P} passant par A(2 ; −1 ; 3)A(2\,;\,-1\,;\,3) et de vecteur normal n⃗(14−2)\vec{n}\begin{pmatrix} 1 \\ 4 \\ -2 \end{pmatrix}.

Corrigé

On utilise la condition AM→⋅n⃗=0\overrightarrow{AM}\cdot\vec{n}=0 pour un point M(x ; y ; z)M(x\,;\,y\,;\,z) quelconque du plan.

Exercice 4

On considère le plan P\mathcal{P} défini par le point A(0 ; 1 ; 2)A(0\,;\,1\,;\,2) et les vecteurs directeurs u→(110)\overrightarrow{u}\begin{pmatrix} 1 \\ 1 \\ 0 \end{pmatrix} et v→(011)\overrightarrow{v}\begin{pmatrix} 0 \\ 1 \\ 1 \end{pmatrix}. Lequel des vecteurs suivants est normal à P\mathcal{P} ?

Corrigé

Il faut vérifier que n⃗⋅u→=0\vec{n}\cdot\overrightarrow{u}=0 et n⃗⋅v→=0\vec{n}\cdot\overrightarrow{v}=0. Pour n⃗(1−11)\vec{n}\begin{pmatrix}1\\-1\\1\end{pmatrix} : n⃗⋅u→=1−1+0=0\vec{n}\cdot\overrightarrow{u}=1-1+0=0 et n⃗⋅v→=0−1+1=0\vec{n}\cdot\overrightarrow{v}=0-1+1=0. Les deux produits scalaires sont nuls, donc n⃗\vec{n} est normal à P\mathcal{P}.

Exercice 5

Soit P\mathcal{P} le plan défini par le point A(1 ; 0 ; 1)A(1\,;\,0\,;\,1) et les vecteurs directeurs u→(210)\overrightarrow{u}\begin{pmatrix} 2 \\ 1 \\ 0 \end{pmatrix} et v→(10−1)\overrightarrow{v}\begin{pmatrix} 1 \\ 0 \\ -1 \end{pmatrix}. Déterminer un vecteur normal à P\mathcal{P}, puis une équation cartésienne de P\mathcal{P}.

Corrigé

On cherche n⃗(abc)\vec{n}\begin{pmatrix}a\\b\\c\end{pmatrix} vérifiant n⃗⋅u→=0\vec{n}\cdot\overrightarrow{u}=0 et n⃗⋅v→=0\vec{n}\cdot\overrightarrow{v}=0, en résolvant un système à une inconnue libre, puis on utilise AM→⋅n⃗=0\overrightarrow{AM}\cdot\vec{n}=0.

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