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En géométrie euclidienne, c'est-à-dire dans le plan et l'espace muni d'une distance et d'un produit scalaire, les droites et les plans possèdent des propriétés métriques permettant de les caractériser grâce à un point et un vecteur, dit normal. On peut aussi calculer la distance qui les sépare d'un point donné ou bien calculer celle qui sépare deux droites ou deux plans. On peut aussi calculer l'angle formé par deux droites ou deux plans.
Dans cet article, on a muni le plan ou l'espace d'un repère orthonormal dans lequel sont exprimées toutes les coordonnées. Toute droite du plan y possède une équation du type ux + vy + h = 0 où (u, v) est différent de (0 , 0) et tout plan de l'espace possède une équation de la forme ux + vy + wz + h = 0 où (u, v, w) est différent de (0, 0, 0).
Si la droite (D) d'équation ux + vy + h = 0 n'est pas parallèle à l'axe des ordonnées y, donc si v n'est pas nul, alors elle possède une équation sous la forme
avec
La pente (ou coefficient directeur) d'une droite est le réel a.
Si l'on appelle α l'angle entre l'axe des abscisses x et la droite (D), α peut se déduire par :
Le vecteur est un vecteur directeur de (D), Le vecteur est un autre vecteur directeur.
Soit un point de la droite (D) dont une équation dans un repère orthonormal est donnée par :
et un point spécifique de (D), on a :
En retranchant (2) à (1) on obtient :
En notant , le vecteur de coordonnées (u, v), on exprime (1) comme suit :
La droite d'équation ux + vy + h = 0 est donc orthogonale au vecteur . Le vecteur est appelé un vecteur normal à la droite (D).
Si la droite (D) n'est pas parallèle à l'axe y, elle peut être donnée par une équation de type :
Le vecteur est un vecteur normal à (D).
Soit un point et un vecteur non nul. Le point M appartient à la droite (D), passant par et orthogonale à , si et seulement si :
La droite D, passant par et orthogonale à , a donc pour équation :
Soit H le point projeté de sur D, qui est donc tel que est orthogonal à (D).
La droite perpendiculaire à D et passant par M étant orientée suivant la direction du vecteur , on montre que la distance algébrique entre M et (D) est donnée par :
En valeur absolue :
Dans le repère , notons un vecteur unitaire normal à la droite (D), orienté de O vers (D), la valeur φ représente alors l'angle. On note d'autre part la distance entre l'origine O du repère et la droite D.
L'équation (1) s'écrit :
Soit D et D' deux droites d'équations
L'angle formé par les deux droites est connu par sa tangente :
Soit les droites (D1) et (D2) d'équations cartésiennes respectives :
alors :
Le faisceau est l'ensemble des droites d'équation :
En posant ;
On a alors trois cas :
Les droites d'équations :
sont concourantes ou parallèles si :
Dans l'espace, on étudie la droite définie par l'intersection de deux plans d'équations :
Le plan (Q) perpendiculaire à (P1) appartient au faisceau de plans .
(Q) sera perpendiculaire à (P1) pour
Soient H1, HQ et H les projections orthogonales du point M respectivement sur (P1), (Q) et (D), on en déduit .
On calculera MH1 et MHQ comme détaillé plus bas.
La distance MH est donnée par
Le plan étant défini par l'équation ux + vy + wz + h = 0, les droites perpendiculaires au plan sont toutes les droites ayant comme vecteur directeur . Une droite D passant par le point et perpendiculaire à a pour équations :
dans le cas où aucun des réels, u, v, w, n'est nul.
Si un seul des réels est nul, par exemple u= 0, le système devient :
Si deux réels sont nuls, par exemple u=v=0, le système devient :
Soient la droite (D0) passant par et de direction le vecteur et (D1) la droite passant par et de direction
Si les vecteurs et sont indépendants, le volume du solide construit sur est égal à |k|. Ce réel se calcule grâce au produit mixte :
L'aire de la base du solide est donnée par
La distance entre les deux droites est alors égale à
Si les vecteurs sont colinéaires alors les deux droites sont parallèles et la distance qui les sépare correspond à la distance qui sépare le point M1 de la droite D0.
Soit un point du plan (P) dont l'équation dans un repère orthonormé est donnée par :
Pour un point spécifique de P on obtient :
En retranchant (2bis) à (1bis) on obtient :
En notant , le vecteur de coordonnées (u, v, w), on exprime (1bis) comme suit :
Le plan P d'équation ux + vy + wz + h = 0 est donc orthogonal au vecteur et ce vecteur est appelé un vecteur normal au plan P.
Si le coefficient w n'est pas nul, alors le plan ne contient pas de droite parallèle à l'axe z et l'équation du plan peut s'écrire :
avec a = -u/w, b = -v/w et c = -h/w. Le vecteur de composantes (-a, -b, 1) est un vecteur normal au plan.
Soit un point et un vecteur non nul. Le point M appartient au plan P, passant par et orthogonal à , si et seulement si :
Le plan P, passant par et orthogonal à , a donc pour équation :
Soit H le projeté de sur (P) avec orthogonal à (P).
La droite perpendiculaire à (P) et passant par M étant orientée suivant la direction du vecteur , on montre que la distance algébrique entre M et (P) est donnée par :
En valeur absolue :
Soient (P) et (P') deux plans d'équations
L'angle géométrique (P, P') est déterminé à l'aide de l'angle des vecteurs normaux
Du point de vue de l'application numérique, la forme avec le cosinus est plus précise lorsque l'angle est proche de π/2 + kπ, et la forme avec le sinus est plus précise lorsque l'angle est proche de 0 + kπ.
L'angle de plus grande pente est l'angle le plus grand formé entre un plan quelconque et le plan horizontal. De façon imagée on peut définir l'angle de plus grande pente comme l'angle formé entre la trajectoire (rectiligne) d'une bille circulant librement sur ce plan quelconque et le plan horizontal.
Étant donné l'équation d'un plan horizontal :
L'angle de plus grande pente est donné par :
Les plans (P) et (P') sont perpendiculaires si les vecteurs normaux et sont orthogonaux, ce qui implique
Soit les plans (P1) et (P2) d'équations cartésiennes respectives :
Alors :
En dehors des cas précédents, les deux plans sont sécants. Leur droite commune a pour équation les équations des deux plans.
Le faisceau de plans défini par les plans P1 et P2 est l'ensemble des plans solution de l'équation :
En posant ;
Soit les plans d'équation :
S'il existe α, β, γ non tous nuls tels que :
Cette relation exprime que (P1) et (P2) sont les plans de base du faisceau contenant (P3).
Soient un point et deux vecteurs et non colinéaires. Un point M(x, y, z) appartient au plan (P) passant par et de directions et si et seulement s'il existe deux réels λ et μ tels que . Cette égalité exprime que sont coplanaires.
Ce qui donne, en représentant le produit mixte de ces trois vecteurs sous la forme d'un déterminant :
Son équation est :
que l'on peut écrire sous la forme
Soient deux points et un vecteur non colinéaire à .
Le point M appartient au plan passant par et de direction si et seulement si les trois vecteurs : sont coplanaires, donc :
Son équation est :
Soient , trois points non alignés.
Par analogie avec ce qui précède, l'équation du plan passant par ces trois points est :
: document utilisé comme source pour la rédaction de cet article.
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