\documentclass[a4paper,11pt]{article}
\usepackage[]{persopc}
\geometry{hmargin=1.5cm, vmargin=1.5cm}
\begin{document}
\titre{Vecteurs et repérage cartésien de l'espace}{1 \up{ere}S}
\fcours{géométrie}
\section{Vecteurs de l'espace.}
La notion de vecteur (sens, direction, longueur) vue en géométrie plane se
généralise sans difficultés à l'espace. Les notions suivantes aussi~:
\begin{enumerate}
\item Pour tout point $O$ de l'espace et tout vecteur $\vect{u}$, il
existe un point $A$ et un seul tel que $\Vect{OA}=\vect{u}$.
\item Égalité de deux vecteurs à l'aide de la définition (sens,
direction, longueur) ou caractérisation à l'aide d'un parallélogramme.
\item Les règles de calculs (Relation de Chasles, règle du
parallèlogramme, multiplication d'un vecteur par un réel)
\item La colinéarité de deux vecteurs et son application au parallélisme
ou bien à l'alignement de trois points. En particulier, comme dans
le plan on dispose du théorème suivant~:\\
\noindent \parbox[]{10cm}{
\begin{theoreme}
$A$ est un point de l'espace et $\vect{u}$ un vecteur non nul.\\
La droite passant par $A$ et de vecteur directeur $\vect{u}$ est
l'ensemble des points $M$ tels que $\Vect{AM}$ et $\vect{u}$ sont
colinéaires, c'est-à-dire l'ensemble des points $M$ tels que
$\Vect{AM}=k\vect{u}$, où $k$ est un nombre réel.
\end{theoreme}
}
\parbox[]{6cm}{
\begin{center}
\includegraphics[scale=1]{fig1sc_geoespvec.11}
\end{center}
}\\
\noindent {\bf Remarque}~: \\
Cette droite est notée $\mathcal{D}(A;\vect{u})$,
on dit qu'elle est dirigée par le vecteur $\vect{u}$. Souvent, dans
ce cadre,
$\vect{u}=\Vect{AB}$ où $A$ et $B$ sont deux points distincts ; alors
$\mathcal{D}(A;\vect{u})$=(AB).\\
\end{enumerate}
\section{Vecteurs coplanaires}
\subsection{Caractérisation vectorielle d'un plan. Plan $(A,\vec{u}, \vec{v})$}
\noindent \parbox[]{10cm}{
\begin{theoreme} \label{theo}
$A,B$ et $C$ sont trois points non alignés.\\
Le plan $(ABC)$ est l'ensemble des points $M$ définis par
$\Vect{AM}~=~x\vect{AB}~+~y\Vect{AC}$, $x$ et $y$ étant des réels
quelconques. Autrement dit, dire qu'un point $M$ est dans le plan
$(ABC)$ équivaut à dire qu'il existe un couple de réels $(x;y)$ tels
que $\Vect{AM}~=~x\vect{AB}~+~y\Vect{AC}$.
\end{theoreme}
}
\parbox[]{6cm}{
\begin{center}
\includegraphics[scale=1]{fig1sc_geoespvec.1}
\end{center}
}
\begin{preuve}
\noindent
$-$ $A,B,C$ étant non alignés, les vecteurs $\Vect{AB}$ et
$\Vect{AC}$ ne sont pas colinéaires, donc $(A;\Vect{AB},\Vect{AC})$
est un repère du plan $(ABC)$. Donc si $M$ appartient à ce plan il
existe un couple de réels $(x;y)$ tels que
$\Vect{AM}=x\Vect{AB}+y\Vect{AC}$.\\
$-$ Réciproquement, considérons $M$ un point de l'espace défini
par $\Vect{AM}=x\Vect{AB}+y\Vect{AC}$ avec $x$ et $y$ réels.
Puisque $(A;\Vect{AB},\Vect{AC})$ est un repère du plan $(ABC)$, il
existe dans ce plan un point $N$ de coordonnées $(x;y)$ tel que
$\Vect{AN}=x\Vect{AB}+y\Vect{AC}$ alors $\Vect{AM}=\Vect{AN}$ et
$M=N$ donc $M$ est bien dans le plan $(ABC)$.
\end{preuve}
\noindent \parbox[]{10cm}{
\begin{theoreme}
Un point $A$ et deux vecteurs $\vect{u}$ et $\vect{v}$ non
colinéaires déterminent un plan et un seul, que l'on note $(A;\vect{u},
\vect{v})$, qui est l'ensemble des points $M$ tels que
$\Vect{AM}=x\vect{u}+y\vect{v}$, avec $x$ et $y$ des nombres réels
quelconques.
\end{theoreme}
}
\parbox[]{6cm}{
\begin{center}
\includegraphics[scale=1]{fig1sc_geoespvec.2}
\end{center}
}\\
\noindent {\bf Remarques}~:
\begin{itemize}
\item On dit que $(\vect{u},\vect{v})$ est un couple de vecteurs directeurs du plan
$(A;\vect{u},\vect{v})$ ou bien que ce plan est dirigé par les vecteurs
$\vect{u}$ et $\vect{v}$.
\item Il existe une infinité de couple de vecteurs directeurs pour
un plan.
\end{itemize}
\begin{preuve}
L'existence de ce plan est clairement établie par le théorème
précédent. Il nous reste à prouver l'unicité~:\\
Soient $P$ et $Q$ deux plans contenant $A$ et dirigés par le
couple $(\vect{u},\vect{v})$.\\
Si $M \in P$ alors il existe un couple de réels $(x;y)$ tels que
$\Vect{AM}=x\vect{u}+y\vect{v}$ donc $M$ appartient aussi à $Q$. Il en
résulte que $P$ est inclus dans $Q$. On démontre de même que $Q$ est
inclus dans $P$ et donc que $P=Q$.
\end{preuve}
\subsection{Vecteurs coplanaires.}
\noindent \parbox[]{10cm}{
\begin{definition}
On dit que les trois vecteurs $\vect{u}, \vect{v}, \vect{w}$ sont
coplanaires lorsque, ayant choisi un point $O$ quelconque, ce
point $O$ et
les points $A,B,C$ définis par $\Vect{OA}=\vect{u}$, $\Vect{OB}=\vect{v}$,
$\Vect{OC}=\vect{w}$ sont coplanaires (\it{ie} dans un même plan.)
\end{definition}
}
\parbox[]{6cm}{
\begin{center}
\includegraphics[scale=1]{fig1sc_geoespvec.3}
\end{center}
}\\
\noindent Remarque~:\\ On définit de manière analogue la coplanarité
de $n$ vecteurs ($n \geq 3$).\\
Si deux vecteurs parmi les trois sont colinéaires alors les vecteurs
$\vect{u}, \vect{v}, \vect{w}$ sont nécessairement coplanaires. En
effet, supposons que $\vect{u}$ et $\vect{v}$ sont colinéaires~: Si
l'un ou l'autre est nul alors $A=O$ ou $B=O$ il y a donc sur les
quatre points au maximum trois points distincts qui sont donc
coplanaires. Sinon il existe un réel $k$ tel que $\vect{v}=k\vect{u}$
donc $O,A,B$ sont alignés, alors les quatre points sont dans $(OAC)$.\\
En général il n'est pas "aisé" de démontrer que quatre points
distincts sont coplanaires. Le théorème suivant illustre pour un tel problème
toute l'efficacité du calcul vectoriel.
\begin{theoreme}
$\vect{u}, \vect{v}, \vect{w}$ sont trois vecteurs de l'espace tels
que $\vect{u}$ et $\vect{v}$ ne sont pas colinéaires. Alors dire
que les vecteurs $\vect{u}, \vect{v}, \vect{w}$ sont coplanaires
équivaut à dire qu'il existe des nombres réels $a$ et $b$ tels que
$\vect{w}=a\vect{u}+b\vect{v}$.
\end{theoreme}
\begin{preuve}
Choisissons un point $O$ et considérons les points $A,B,C$ tels
que $\Vect{OA}=\vect{u}$, $\Vect{OB}=\vect{v}$, $\Vect{OC}=\vect{w}$.
Puisque $\vect{u}$ et $\vect{v}$ ne sont pas colinéaires, ce sont des
vecteurs directeurs du plan $(OAB)$. Par définition, "$\vect{u},
\vect{v}, \vect{w}$ sont coplanaires" équivaut à "$C$ appartient au
plan $(ABC)$". Or d'après le théorème $\ref{theo}$, cette appartenance équivaut
à "il existe des réels $a$ et $b$ tels que
$\Vect{OC}=a\Vect{OA}+b\Vect{OB}$" soit $\vect{w}=a\vect{u}+b\vect{v}$.
\end{preuve}
\subsection{Caractérisation vectorielle du parallélisme.}
\subsubsection{Parallélisme d'une droite et d'un plan.}
\begin{tabular}{|p{0.3\linewidth}|p{0.65\linewidth}|}
\hline
\hfil Point de vue ponctuel \hfil & \hfil Point de vue vectoriel
\hfil \\
\hline
Pour démontrer qu'une droite $d$ est parallèle au plan $P$, on peut
démontrer que $d$ est parallèle à une droite $d'$ de $P$.
\begin{center}
\includegraphics[scale=1]{fig2c_espace.12}
\end{center}
& Pour démontrer qu'une droite $d$, dirigée par $\vect{u}$ est parallèle au plan $P$~:
\begin{multicols}{2}
\begin{enumerate}
\item on peut démontrer que le plan $P$ contient deux points $A$
et $B$ tels que
$\Vect{AB}$ et $\vect{u}$ sont colinéaires.
\begin{center}
\includegraphics[scale=1]{fig1sc_geoespvec.4}
\end{center}
\item \label{2} on peut démontrer, si le plan est dirigé par $\vect{v}$ et
$\vect{w}$, que $\vect{u}, \vect{v},
\vect{w}$ sont coplanaires.
\begin{center}
\includegraphics[scale=1]{fig1sc_geoespvec.5}
\end{center}
\end{enumerate}
\end{multicols}
\\
\hline
\end{tabular}
\begin{preuve}
Démontrons le \ref{2}\\
Soit $A \in d$, $B \in P$ et $d'$ la droite parallèle à $d$ passant
par $B$. Soient $E,F,G,H$ tels que $\Vect{AH}=\vect{u}$,
$\Vect{BE}=\vect{v}$, $\Vect{BF}=\vect{w}$ et $\Vect{BG}=\vect{u}$.\\
\begin{itemize}
\item Si $d$ est parallèle à $P$ alors comme $d'$ est parallèle à
$d$ elle parallèle à $P$. Comme $B$ est commun à $d'$ et $P$ alors
$d'$ est incluse dans $P$ donc $G$ est dans $P$. Ainsi $B,E,F,G$ sont
dans $P$ donc coplanaires. Il en résulte que les vecteurs
$\vect{u}$, $\vect{v}$, $\vect{w}$ sont coplanaires.
\item Réciproquement, si ces vecteurs sont coplanaires alors les
points $B,E,F,G$ sont coplanaires dans $P$. Comme $d'=(BG)$ alors
$d'$ est incluse dans $P$ donc parallèle à $P$. Comme $d'$ est
parallèle à $d$ alors $d$ est parallèle à $P$.
\end{itemize}
\end{preuve}
\subsubsection{Parallélisme de deux plans}
\begin{tabular}{|p{0.3\linewidth}|p{0.66\linewidth}|}
\hline
\hfil Point de vue ponctuel \hfil & \hfil Point de vue vectoriel
\hfil \\
\hline
Pour démontrer que deux plans sont parallèles, on peut démontrer que
deux droites sécantes de l'un, sont parallèles à deux droites
sécantes de l'autre
\begin{center}
\includegraphics[scale=1]{fig2c_espace.11}
\end{center}
& Pour démontrer que deux plans $P$, dirigé par le couple
$(\vect{u},\vect{v})$, et $Q$, dirigé par le couple
$(\vect{u}',\vect{v}')$, sont parallèles, on peut démontrer
que les vecteurs $\vect{u}$, $\vect{v}$, $\vect{u}'$ d'une part, et
les vecteurs $\vect{u}$, $\vect{v}$, $\vect{v}'$ d'autre part, sont coplanaires.
\begin{center}
\includegraphics[scale=1]{fig1sc_geoespvec.6}
\end{center}
\\
\hline
\end{tabular}
\begin{preuve}
Soit $A \in P$ et $B \in Q$.
\begin{itemize}
\item Si $Q$ est parallèle à $P$ alors $D(B,\vect{v}')$ est parallèle
à $P$ car elle est incluse dans $Q$. Alors d'après le théorème
précédent $\vect{u}$, $\vect{v}$, $\vect{v}'$ sont coplanaires.\\
De la même façon on démontre que $\vect{u}$, $\vect{v}$, $\vect{u}'$
sont coplanaires.
\item Réciproquement, si $\vect{u}$, $\vect{v}$, $\vect{v}'$ sont
coplanaires alors $D(B,\vect{v}')$ est parallèle à $P$ et il en est de même
pour $D(B,\vect{u}')$. Ainsi $Q$ contient deux droites sécantes
parallèles à $P$ il est donc parallèle à $P$.
\end{itemize}
\end{preuve}
\section{Repérage cartésien dans l'espace.}
\subsection{Repère de l'espace}
\parbox[]{10cm}{
Choisir un repère cartésien de l'espace, c'est se donner un point $O$ appelé
origine du repère, et un triplet $(\vect{i}, \vect{j}, \vect{k})$ de
vecteurs non coplanaires (ce qui signifie, si on note
$\vect{i}=\Vect{OI}$, $\vect{j}=\Vect{OJ}$, $\vect{k}=\Vect{OK}$, que
les points $O,I,J,K$ ne sont pas coplanaires). On note $(O ; \vect{i}, \vect{j}, \vect{k})$
ce repère. Le triplet de vecteurs est appelé base des vecteurs de
l'espace.
}
\parbox[]{6cm}{
\begin{center}
\includegraphics[scale=1]{fig1sc_geoespvec.7}
\end{center}
}
\subsection{Coordonnées}
\subsubsection{Coordonnées d'un point}
\begin{theoreme}
$(O ; \vect{i}, \vect{j}, \vect{k})$ est un repère de l'espace.\\
Pour tout point $M$ de l'espace, il existe un unique triplet
$(x;y;z)$ de nombres réels tels que
$\Vect{OM}=x\vect{i}+y\vect{j}+z\vect{k}$.
\end{theoreme}
\parbox[]{10cm}{
\begin{preuve}
Nous admettrons l'unicité d'une telle écriture, démontrons
l'existence.\\
$\vect{i}, \vect{j}, \vect{k}$ ne sont pas coplanaires donc le
plan $(O; \vect{i}, \vect{j})$ et la droite $(M; \vect{k})$ ne sont
pas parallèles. Notons $M'$ leur point d'intersection, $M'$ est dans
le plan $(O; \vect{i}, \vect{j})$ donc il existe deux réels $x$ et
$y$ tels que $\Vect{OM}=x\vect{i}+y\vect{j}$.\\
Les vecteurs $\Vect{M'M}$ et $\vect{k}$ sont colinéaires, donc il
existe un réel $z$ tel que $\Vect{M'M}=z\vect{k}$. \\
Alors, d'après la relation de Chasles,
$\Vect{OM}=\Vect{OM'}+\Vect{M'M}=x\vect{i}+y\vect{j}+z\vect{k}$.
\end{preuve}
}
\parbox[]{6cm}{
\begin{center}
\includegraphics[scale=1]{fig1sc_geoespvec.8}
\end{center}
}\\
\noindent Remarque~:\\ $(x;y;z)$ sont les coordonnées du point $M$ dans
le repère $(O ; \vect{i}, \vect{j}, \vect{k})$. $x$ est l'abscisse,
$y$ l'ordonnée, $z$ la cote du point $M$ dans ce repère.
\subsubsection{Coordonnées d'un vecteur.}
\begin{definition}
$(O ; \vect{i}, \vect{j}, \vect{k})$ est un repère de l'espace.
$\vect{u}$ est un vecteur et $M$ le point tel que
$\vect{OM}=\vect{u}$.\\
Par définition, les coordonnées $(x;y;z)$ de $M$ dans le repère $(O ; \vect{i}, \vect{j}, \vect{k})$
sont les coordonnées de $\vect{u}$ dans la base $(\vect{i}, \vect{j},
\vect{k})$.
\end{definition}
\noindent Remarque~: \\ Par abus de langage on dit aussi les coordonnées de
$\vect{u}$ dans le repère.
\subsection{Calculs sur les coordonnées.}
Tous les résultats de la géométrie plane concernant les coordonnées
s'étendent à l'espace par l'adjonction d'une troisième coordonnée.
(cf votre manuel page $304$)
\section{Repère orthonormal. Distance dans l'espace}
\begin{definition} Comme dans le plan$\ldots$\\
Dire que les deux vecteurs non nuls $\vect{u}$ et $\vect{v}$ sont
orthogonaux, signifie que leurs directions sont orthogonales.\\
Par convention, le vecteur nul est orthogonal à tout autre vecteur.
\end{definition}
\nopagebreak
\parbox[]{10cm}{
\begin{definition}
Dire que le repère $(O ; \vect{i}, \vect{j}, \vect{k})$ est un
repère orthonormal signifie que $ \vect{i}, \vect{j}, \vect{k}$ sont
deux à deux orthogonaux et de norme $1$.
\end{definition}
}
\parbox[]{6cm}{
\begin{center}
\includegraphics[scale=1]{fig1sc_geoespvec.9}
\end{center}
}\\
\noindent \parbox[]{10cm}{
\begin{theoreme}
Dans un repère orthonormal
\begin{enumerate}
\item si $\vect{u}$ a pour coordonnées $(a;b;c)$ alors $\Vert
\vect{u} \Vert^{2}=a^{2}+b^{2}+c^{2}$
\item si $M$ et $P$ ont pour coordonnées $(x;y;z)$ et $(x';y';z')$
alors $MP^{2}=(x'-x)^{2}+(y'-y)^{2}+(z'-z)^{2}$.
\end{enumerate}
\end{theoreme}
}
\parbox[]{6cm}{
\begin{center}
\includegraphics[scale=1]{fig1sc_geoespvec.10}
\end{center}
}
\begin{preuve}
\begin{enumerate}
\item $M$ est le point tel que $\vect{u}=\Vect{OM}$ alors $\Vert
\vect{u} \Vert^{2}=OM^{2}$. Comme le repère est orthonormal $OMm$
est rectangle en $m$. Donc $OM^{2}=Om^{2}+mM^{2}$. Mais, en
utilisant le plan $(xOy)$ muni du repère orthonormal \rep on
obtient, $Om^{2}=a^{2}+b^{2}$, comme $mM^{2}=c^{2}$ alors
$OM^{2}=a^{2}+b^{2}+c^{2}$.
\item On applique ce qui précéde au vecteur $\Vect{MP}$.
\end{enumerate}
\end{preuve}
\section{Barycentre dans l'espace.}
La définition du barycentre de points pondérés du plan s'étend
immédiatement à des points de l'espace. Les définitions,démonstrations,
vues dans le chapitre "barycentre dans le plan" sont toujours valables.
Les définitions et résultats qui suivent sont valables tant en géométrie
plane qu'en géométrie de l'espace. Aussi dans cette section nous ne précisons
pas si les points considérés sont dans un même plan ou non ; cette précision
n'est nécessaire qu'au moment de l'emploi des coordonnées.
\subsection{Existence et définition.}
\begin{theoreme}
$A_{1},A_{2},\ldots,A_{n}$ sont $n$ points (distincts ou non) et
$a_{1},a_{2},\ldots,a_{n}$ $n$ réels tels que
$a_{1}+a_{2}+\ldots a_{n}\not= 0$ alors il existe un et un seul
point $G$ tel que~:
$$
a_{1}\Vect{GA_{1}}+a_{2}\Vect{GA_{2}}+\ldots+a_{n}\Vect{GA_{n}}=\vect{0}.
$$
\end{theoreme}
\begin{definition}
Le point $G$ est appelé le barycentre des $n$ points pondérés
$(A_{1},a_{1}), (A_{2},a_{2}),\ldots(A_{n},a_{n})$.
\end{definition}
\noindent Remarque~: \\ Dans le cas où $a_{1}=a_{2}=\ldots=a_{n}\not=0$, $G$
est appelé l'isobarycentre des $n$ points $A_{1},A_{2},\ldots,A_{n}$.\\
En particulier si les points $A,B,C$ ne sont pas alignés,
l'isobarycentre de $A,B,C$ est le centre de gravité de $ABC$ et celui
de $A$ et $B$ est le milieu de $[AB]$.
\begin{theoreme}
Si $A,B,C$ sont dans un plan $P$, alors leur barycentre
est situé dans ce plan ie dans le plan $(ABC)$.
\end{theoreme}
\begin{preuve}
D'après le chapitre "barycentre dans le plan", $G$ le barycentre
de $(A,a),(B,b),(C,c)$ est tel que
$\Vect{AG}=\frac{1}{a+b+c}(b\Vect{AB}+c\Vect{AC})$ donc d'après le
théorème \ref{theo} il est dans le plan $(ABC)$.
\end{preuve}
\subsection{Réduction vectorielle}
Le but est de réduire l'écriture de
$a_{1}\overrightarrow{\strut MA_{1}}+a_{2}\overrightarrow{\strut
MA_{2}}+\ldots +a_{n}\overrightarrow{\strut MA_{n}}$.
dans le cas où $a_{1}+a_{2}+\ldots+a_{n}\not=0$
\begin{theoreme}
$(A_{1},a_{1}), (A_{2},a_{2}),\ldots(A_{n},a_{n})$ sont $n$ points
pondérés.\\
Lorsque $a_{1}+a_{2}+\ldots+a_{n}\not=0$, pour tout point $M$,
$$
a_{1}\Vect{MA_{1}}+a_{2}\Vect{MA_{2}}+\ldots +a_{n}\Vect{MA_{n}}=
(a_{1}+a_{2}+\ldots+a_{n})\Vect{MG}
$$
\end{theoreme}
\begin{propriete} \hfill \\
Dans l'espace muni d'un repère $(O ; \vect{i}, \vect{j}, \vect{k})$,
en utilisant $M=O$ et
en posant $\alpha=a_{1}+a_{2}+\ldots+a_{n}$ on obtient
$a_{1}\Vect{OA_{1}}+a_{2}\Vect{OA_{2}}+\ldots +a_{n}\Vect{OA_{n}}=
\alpha \Vect{OG}$, ainsi par passage aux coordonnées,
$$
x_{G}=\frac{1}{\alpha}(a_{1}x_{1}+a_{2}x_{2}+\ldots+a_{n}x_{n}) ;
y_{G}=\frac{1}{\alpha}(a_{1}y_{1}+a_{2}y_{2}+\ldots+a_{n}y_{n}) ;
z_{G}=\frac{1}{\alpha}(a_{1}z_{1}+a_{2}z_{2}+\ldots+a_{n}z_{n})
$$
\end{propriete}
\subsection{Propriétés.}
\begin{propriete} Invariance du barycentre\\
Pour tout réel $k$, non nul, les points pondérés
$(A_{1},a_{1}), (A_{2},a_{2}),\ldots(A_{n},a_{n})$, et les points
$(A_{1},ka_{1}), (A_{2},ka_{2}),\ldots(A_{n},ka_{n})$ ont le même
barycentre. Autrement dit, on ne change pas le barycentre en changeant
les poids par des poids proportionnels.
\end{propriete}
\begin{propriete}Associativité du barycentre\\
$G$ est la barycentre de $n$ points pondérés
$(A_{1},a_{1}), (A_{2},a_{2}),\ldots(A_{n},a_{n})$, $n \geq 3$.\\
Si $a_{1}+a_{2}+\ldots+a_{p}\not=0$, avec $2 \leq p \leq n-1$, alors
$G$ est aussi le barycentre de $(H,a_{1}+\ldots+a_{p}),
(A_{p+1},a_{p+1}), \ldots, (A_{n},a_{n})$ où $H$ est le barycentre
des $p$ points pondérés $(A_{1},a_{1}), (A_{2},a_{2}),\ldots(A_{p},a_{p})$
\end{propriete}
Cette propriété est quelques fois appelée règle d'associativité, elle
dit que dans la recherche du barycentre de $n$ points, on peut
remplacer certains d'entre eux par leur barycentre $H$, affecté de la
somme non nulle de leurs coefficients.
\end{document}