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Terminale · Vecteurs, droites et plans dans l'espace

Plans de l'espace

Vecteurs coplanaires

> Définition : trois vecteurs u\overrightarrow{u}, v\overrightarrow{v} et w\overrightarrow{w} sont coplanaires s'il existe des réels aa' et bb' tels que w=au+bv\overrightarrow{w} = a'\,\overrightarrow{u} + b'\,\overrightarrow{v}, lorsque u\overrightarrow{u} et v\overrightarrow{v} ne sont pas colinéaires.

Autrement dit, w\overrightarrow{w} est combinaison linéaire de u\overrightarrow{u} et v\overrightarrow{v} : les trois vecteurs, ramenés à une même origine, restent dans un même plan.

Exemple : u(101)\overrightarrow{u}\begin{pmatrix} 1 \\ 0 \\ 1 \end{pmatrix}, v(011)\overrightarrow{v}\begin{pmatrix} 0 \\ 1 \\ 1 \end{pmatrix} et w(235)\overrightarrow{w}\begin{pmatrix} 2 \\ 3 \\ 5 \end{pmatrix} sont coplanaires car w=2u+3v\overrightarrow{w} = 2\,\overrightarrow{u} + 3\,\overrightarrow{v}.

## Représentation paramétrique d'un plan

Soit A(xA;yA;zA)A(x_A\,;\,y_A\,;\,z_A) un point et u(abc)\overrightarrow{u}\begin{pmatrix} a \\ b \\ c \end{pmatrix}, v(abc)\overrightarrow{v}\begin{pmatrix} a' \\ b' \\ c' \end{pmatrix} deux vecteurs non colinéaires. Un point M(x;y;z)M(x\,;\,y\,;\,z) appartient au plan P\mathcal{P} passant par AA et dirigé par u\overrightarrow{u} et v\overrightarrow{v} si et seulement s'il existe deux réels tt et ss tels que AM=tu+sv\overrightarrow{AM} = t\,\overrightarrow{u} + s\,\overrightarrow{v}.

> Représentation paramétrique :
>

P:{x=xA+at+asy=yA+bt+bsz=zA+ct+cst,sR\mathcal{P} : \begin{cases} x = x_A + at + a's \\ y = y_A + bt + b's \\ z = z_A + ct + c's \end{cases} \quad t,s \in \mathbb{R}

Exemple : le plan passant par A(1;0;2)A(1\,;\,0\,;\,2) dirigé par u(110)\overrightarrow{u}\begin{pmatrix} 1 \\ 1 \\ 0 \end{pmatrix} et v(011)\overrightarrow{v}\begin{pmatrix} 0 \\ 1 \\ -1 \end{pmatrix} a pour représentation paramétrique :

{x=1+ty=t+sz=2st,sR\begin{cases} x = 1+t \\ y = t+s \\ z = 2-s \end{cases} \quad t,s \in \mathbb{R}

## Appartenance d'un point à un plan

Pour savoir si M(xM;yM;zM)M(x_M\,;\,y_M\,;\,z_M) appartient à P\mathcal{P}, on résout le système des trois équations en cherchant un même couple (t;s)(t\,;\,s) vérifiant les trois équations simultanément.

MP    (t;s)R2, AM=tu+sv\boxed{M \in \mathcal{P} \iff \exists\,(t\,;\,s) \in \mathbb{R}^2,\ \overrightarrow{AM} = t\,\overrightarrow{u} + s\,\overrightarrow{v}}

Exercices de la leçon

Exercice 1

Le plan P\mathcal{P} passe par A(0;1;2)A(0\,;\,1\,;\,2) et est dirigé par u(101)\overrightarrow{u}\begin{pmatrix} 1 \\ 0 \\ 1 \end{pmatrix} et v(210)\overrightarrow{v}\begin{pmatrix} 2 \\ 1 \\ 0 \end{pmatrix}. Quelle est sa représentation paramétrique ?

Corrigé

On applique x=xA+at+asx=x_A+at+a's, y=yA+bt+bsy=y_A+bt+b's, z=zA+ct+csz=z_A+ct+c's avec A(0,1,2)A(0,1,2), u(1,0,1)\overrightarrow{u}(1,0,1) et v(2,1,0)\overrightarrow{v}(2,1,0), ce qui donne {x=t+2sy=1+sz=2+t\begin{cases} x=t+2s \\ y=1+s \\ z=2+t \end{cases}.

Exercice 2

Pour définir la représentation paramétrique d'un plan, les deux vecteurs directeurs utilisés doivent être colinéaires.

Corrigé

C'est l'inverse : les deux vecteurs directeurs d'un plan doivent être non colinéaires pour engendrer effectivement un plan (et non une simple droite).

Exercice 3

On considère le plan P:{x=1+tsy=2tz=3+s\mathcal{P} : \begin{cases} x = 1+t-s \\ y = 2t \\ z = 3+s \end{cases}, t,sRt,s \in \mathbb{R}. Le point M(2;2;4)M(2\,;\,2\,;\,4) appartient à P\mathcal{P}.

Corrigé

De y=2t=2y=2t=2, on tire t=1t=1. De z=3+s=4z=3+s=4, on tire s=1s=1. On vérifie avec la première équation : 1+ts=1+11=11+t-s = 1+1-1 = 1, ce qui ne correspond pas à x=2x=2. Le couple (t,s)=(1;1)(t,s)=(1\,;\,1) ne vérifie pas simultanément les trois équations, donc MPM \notin \mathcal{P} : l'affirmation est fausse.

Exercice 4

Soit P\mathcal{P} le plan passant par A(1;1;0)A(1\,;\,1\,;\,0) dirigé par u(112)\overrightarrow{u}\begin{pmatrix} 1 \\ -1 \\ 2 \end{pmatrix} et v(021)\overrightarrow{v}\begin{pmatrix} 0 \\ 2 \\ 1 \end{pmatrix}. Déterminer si le point N(2;1;3)N(2\,;\,1\,;\,3) appartient à P\mathcal{P}.

Corrigé

On écrit la représentation paramétrique du plan, puis on cherche un couple (t,s)(t,s) commun aux trois équations en utilisant les coordonnées de NN.

Exercice 5

On donne A(1;0;0)A(1\,;\,0\,;\,0), B(0;1;0)B(0\,;\,1\,;\,0) et C(0;0;1)C(0\,;\,0\,;\,1). Démontrer que les vecteurs AB\overrightarrow{AB} et AC\overrightarrow{AC} ne sont pas colinéaires, écrire une représentation paramétrique du plan (ABC)(ABC), puis déterminer si D(2;1;0)D(2\,;\,-1\,;\,0) appartient à ce plan.

Corrigé

On calcule d'abord les vecteurs AB\overrightarrow{AB} et AC\overrightarrow{AC}, on vérifie qu'ils ne sont pas colinéaires, on en déduit la représentation paramétrique, puis on teste les coordonnées de DD.

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