La géométrie dans l'espace et produit scalaire

Exercice 1 DEJA UTILISE EN MATHS SPECIALITE - Exercice 1

1 min
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Pour chacune des propositions suivantes, dire si elle est vraie ou fausse en justifiant la réponse.
On se place dans l'espace muni d'un repère orthonormé (0;i;j;k)\left(0;\vec{i} ;\vec{j} ;\vec{k} \right).
Question 1

On considère le plan (P)\left(P\right) d'équation x2y+3=0x-2y+3=0 et la droite (D)\left(D\right) dont une représentation paramétrique est {x=2ty=34tz=2+6t\left\{\begin{array}{ccc} {x} & {=} & {2t} \\ {y} & {=} & {3-4t} \\ {z} & {=} & {-2+6t} \end{array}\right. tRt \in \mathbb{R} .
Proposition : « La droite (D)\left(D\right) et le plan (P)\left(P\right) sont orthogonaux ».

Correction
la proposition est fausse{\color{blue}\text{la proposition est fausse}}
    Soient n1\vec{n_{1} } un vecteur normal du plan (P1)\left(P_{1} \right) et u1\vec{u_{1} } un vecteur directeur de (d1)\left(d_{1} \right).
  • Si n1\vec{n_{1} } et u1\vec{u_{1} } sont colinéaires alors (P1)\left(P_{1} \right) et (d1)\left(d_{1} \right) sont orthogonaux.
  • Si n1\vec{n_{1} } et u1\vec{u_{1} } sont ne sont pas colinéaires alors (P1)\left(P_{1} \right) et (d1)\left(d_{1} \right) ne sont pas orthogonaux.
Soient n(120)\vec{n} \left(\begin{array}{c} {1} \\ {-2} \\ {0} \end{array}\right)un vecteur normal du plan (P)\left(P\right) et u(246)\vec{u} \left(\begin{array}{c} {2} \\ {-4} \\ {6} \end{array}\right) un vecteur directeur de (D)\left(D\right).
On vérifie facilement que les deux vecteurs ne sont pas colinéaires , alors (P)\left(P\right) et (D)\left(D\right) ne sont pas orthogonaux.
Question 2

On donne les points B(2;4;0)B\left(2;4;0\right) et C(3;5;2)C\left(3;5;2\right).
Proposition : « Une représentation paramétrique de la droite (BC)\left(BC\right) est {x=1+ty=3+tz=2+2t\left\{\begin{array}{ccc} {x} & {=} & {1+t} \\ {y} & {=} & {3+t} \\ {z} & {=} & {-2+2t} \end{array}\right. tRt\in \mathbb{R} ».

Correction
la proposition est vraie{\color{blue}\text{la proposition est vraie}}
Si la représentation paramétrique de la droite est donnée et qu'elle correspond bien à la droite (BC)\left(BC\right) alors les cordonnées des points B(2;4;0)B\left(2;4;0\right) et C(3;5;2)C\left(3;5;2\right) doivent vérifier la représentation paramétrique.
Vérifions si le point B(2,4,0)B\left(2,4,0\right) appartient à la droite , il vient :
{xB=1+tyB=3+tzB=2+2t\left\{\begin{array}{ccc} {x_{B} } & {=} & {1+t} \\ {y_{B} } & {=} & {3+t} \\ {z_{B} } & {=} & {-2+2t} \end{array}\right. équivaut successivement à :
{2=1+t4=3+t0=2+2t\left\{\begin{array}{ccc} {2} & {=} & {1+t} \\ {4} & {=} & {3+t} \\ {0} & {=} & {-2+2t} \end{array}\right.
{2=1+t4=3+t0=2+2t\left\{\begin{array}{ccc} {2} & {=} & {1+t} \\ {4} & {=} & {3+t} \\ {0} & {=} & {-2+2t} \end{array}\right.
On résout chacune des équations :
{1=t1=t1=t\left\{\begin{array}{ccc} {1} & {=} & {t} \\ {1} & {=} & {t} \\ {1} & {=} & {t} \end{array}\right.
Pour chaque ligne on obtient la même valeur de tt. Le point B(2,4,0)B\left(2,4,0\right) appartient donc à la droite.
Vérifions maintenant si le point C(3,5,2)C\left(3,5,2\right) appartient à la droite. Il vient alors que :
{xC=1+tyC=3+tzC=2+2t\left\{\begin{array}{ccc} {x_{C} } & {=} & {1+t} \\ {y_{C} } & {=} & {3+t} \\ {z_{C} } & {=} & {-2+2t} \end{array}\right. équivaut successivement à :
{3=1+t5=3+t2=2+2t\left\{\begin{array}{ccc} {3} & {=} & {1+t} \\ {5} & {=} & {3+t} \\ {2} & {=} & {-2+2t} \end{array}\right.
{2=t2=t2=t\left\{\begin{array}{ccc} {2} & {=} & {t} \\ {2} & {=} & {t} \\ {2} & {=} & {t} \end{array}\right.
Les trois valeurs de tt sont égales ce qui signifie que le le point CC appartient à la droite.
Il en résulte que la représentation paramétrique donnée est bien celle de la droite (BC)\left(BC\right).
Question 3

Soient les points A(2;1;1)A\left(2;1;-1\right), B(1;2;4)B\left(-1;2;4\right) , C(0;2;3)C\left(0;-2;3\right) et D(1;1;2)D\left(1;1;-2\right).
Proposition : « Ces 44 points sont coplanaires ».

Correction
la proposition est fausse{\color{blue}\text{la proposition est fausse}}
les points A,B,CA,B,C et DD sont coplanaires s'il existe deux réels aa et bb tels que : AB=aAC+bAD\vec{AB} =a\vec{AC} +b\vec{AD}
Calculons maintenant les vecteurs AB,AC\vec{AB} ,\vec{AC} et AD\vec{AD} .
AB(315)\vec{AB} \left(\begin{array}{c} {-3} \\ {1} \\ {5} \end{array}\right) , AC(234)\vec{AC} \left(\begin{array}{c} {-2} \\ {-3} \\ {4} \end{array}\right) et AD(101)\vec{AD} \left(\begin{array}{c} {-1} \\ {0} \\ {-1} \end{array}\right)
AB=aAC+bAD(315)=a(234)+b(101)\vec{AB} =a\vec{AC} +b\vec{AD} \Leftrightarrow \left(\begin{array}{c} {-3} \\ {1} \\ {5} \end{array}\right)=a\left(\begin{array}{c} {-2} \\ {-3} \\ {4} \end{array}\right)+b\left(\begin{array}{c} {-1} \\ {0} \\ {-1} \end{array}\right)
AB=aAC+bAD(2ab=33a=14ab=5\vec{AB} =a\vec{AC} +b\vec{AD} \Leftrightarrow \left(\begin{array}{ccccc} {-2a} & {-} & {b} & {=} & {-3} \\ {-3a} & {} & {} & {=} & {1} \\ {4a} & {-} & {b} & {=} & {5} \end{array}\right.
Comme a=13a=-\frac{1}{3} , on substitue aa dans la première ligne et la troisième ligne et l'on doit obtenir les deux mêmes valeurs pour bb . Cela donne :
(2×(13)b=3a=134×(13)b=5\left(\begin{array}{ccccc} {-2\times \left(-\frac{1}{3} \right)} & {-} & {b} & {=} & {-3} \\ {a} & {} & {} & {=} & {-\frac{1}{3} } \\ {4\times \left(-\frac{1}{3} \right)} & {-} & {b} & {=} & {5} \end{array}\right. équivaut successivement à :
(b=113a=13b=193\left(\begin{array}{ccc} {b} & {=} & {\frac{11}{3} } \\ {a} & {=} & {-\frac{1}{3} } \\ {b} & {=} & {-\frac{19}{3} } \end{array}\right.
Nous avons deux valeurs différentes pour bb.
Les points A,B,CA,B,C et DD ne sont donc pas coplanaires.
Question 4

Soient les points B(1;2;4)B\left(-1;2;4\right) et D(1;1;2)D\left(1;1;-2\right).
Proposition : « La droite (BD)\left(BD\right) est incluse dans le plan paramétrique PP d'équation {x=3+t+sy=1+2tsz=1+t+4s\left\{\begin{array}{ccccccc} {x} & {=} & {-3} & {+} & {t} & {+} & {s} \\ {y} & {=} & {1} & {+} & {2t} & {-} & {s} \\ {z} & {=} & {-1} & {+} & {t} & {+} & {4s} \end{array}\right. avec (t,s)R2\left(t,s\right)\in \mathbb{R}^{2} ».

Correction
la proposition est fausse{\color{blue}\text{la proposition est fausse}}
Si la droite (BD)\left(BD\right) est incluse dans le plan paramétrique PP alors les points B(1;2;4)B\left(-1;2;4\right) et D(1;1;2)D\left(1;1;-2\right) doivent vérifier le système paramétrique.
D'une part, vérifions si B(1;2;4)B\left(-1;2;4\right) appartient à PP. Il vient :
{xB=3+t+syB=1+2tszB=1+t+4s\left\{\begin{array}{ccccccc} {x_{B} } & {=} & {-3} & {+} & {t} & {+} & {s} \\ {y_{B} } & {=} & {1} & {+} & {2t} & {-} & {s} \\ {z_{B} } & {=} & {-1} & {+} & {t} & {+} & {4s} \end{array}\right. équivaut successivement à :
{1=3+t+s2=1+2ts4=1+t+4s\left\{\begin{array}{ccccccc} {-1} & {=} & {-3} & {+} & {t} & {+} & {s} \\ {2} & {=} & {1} & {+} & {2t} & {-} & {s} \\ {4} & {=} & {-1} & {+} & {t} & {+} & {4s} \end{array}\right.
{t+s=22ts=1t+4s=5\left\{\begin{array}{ccccc} {t} & {+} & {s} & {=} & {2} \\ {2t} & {-} & {s} & {=} & {1} \\ {t} & {+} & {4s} & {=} & {5} \end{array}\right.
Nous avons un système de 33 équations à 22 inconnues. On va le résoudre par substitution.
Avec la 11ère ligne on exprime tt en fonction de ss.
Et on substitue cette valeur tt dans les deux dernières lignes.
{t=2s2×(2s)s=12s+4s=5\left\{\begin{array}{ccc} {t} & {=} & {2-s} \\ {2\times \left(2-s\right)-s} & {=} & {1} \\ {2-s+4s} & {=} & {5} \end{array}\right.
{t=2s42ss=12+3s=5\left\{\begin{array}{ccc} {t} & {=} & {2-s} \\ {4-2s-s} & {=} & {1} \\ {2+3s} & {=} & {5} \end{array}\right. Ainsi {t=2ss=1s=1\left\{\begin{array}{ccc} {t} & {=} & {2-s} \\ {s} & {=} & {1} \\ {s} & {=} & {1} \end{array}\right.
Les deux valeurs de ss sont égales .
Le point B(1;2;4)B\left(-1;2;4\right) appartient donc à PP.

D'autre part, vérifions si D(1;1;2)D\left(1;1;-2\right) appartient à PP. Il vient :
{xD=3+t+syD=1+2tszD=1+t+4s\left\{\begin{array}{ccccccc} {x_{D} } & {=} & {-3} & {+} & {t} & {+} & {s} \\ {y_{D} } & {=} & {1} & {+} & {2t} & {-} & {s} \\ {z_{D} } & {=} & {-1} & {+} & {t} & {+} & {4s} \end{array}\right. équivaut successivement à :
{1=3+t+s1=1+2ts2=1+t+4s\left\{\begin{array}{ccccccc} {1} & {=} & {-3} & {+} & {t} & {+} & {s} \\ {1} & {=} & {1} & {+} & {2t} & {-} & {s} \\ {-2} & {=} & {-1} & {+} & {t} & {+} & {4s} \end{array}\right.
{t+s=42ts=0t+4s=1\left\{\begin{array}{ccccc} {t} & {+} & {s} & {=} & {4} \\ {2t} & {-} & {s} & {=} & {0} \\ {t} & {+} & {4s} & {=} & {-1} \end{array}\right.
Nous avons un système de 33 équations à 22 inconnues. On va le résoudre par substitution.
Avec la 11ère ligne on exprime tt en fonction de ss. Et on substitue cette valeur tt dans les deux dernières lignes.
{t=4s2×(4s)s=04s+4s=1\left\{\begin{array}{ccc} {t} & {=} & {4-s} \\ {2\times \left(4-s\right)-s} & {=} & {0} \\ {4-s+4s} & {=} & {-1} \end{array}\right.
{t=4s82ss=02+3s=1\left\{\begin{array}{ccc} {t} & {=} & {4-s} \\ {8-2s-s} & {=} & {0} \\ {2+3s} & {=} & {-1} \end{array}\right.
Ainsi {t=2ss=83s=1\left\{\begin{array}{ccc} {t} & {=} & {2-s} \\ {s} & {=} & {\frac{8}{3} } \\ {s} & {=} & {-1} \end{array}\right.
Les deux valeurs de ss ne sont pas égales .
Le point D(1;1;2)D\left(1;1;-2\right) n'appartient pas donc à PP.
La droite (BD)\left(BD\right) n'est pas incluse dans le plan paramétrique PP.
Question 5

Soient les points B(1,2,4)B\left(-1,2,4\right) et D(1,1,2)D\left(1,1,-2\right).
Proposition « La droite (BD)\left(BD\right) est-elle orthogonale au plan PP paramétrique d'équation {x=3+t+4sy=14t4sz=1+t+2s\left\{\begin{array}{ccccccc} {x} & {=} & {-3} & {+} & {t} & {+} & {4s} \\ {y} & {=} & {1} & {-} & {4t} & {-} & {4s} \\ {z} & {=} & {-1} & {+} & {t} & {+} & {2s} \end{array}\right. avec (t,s)R2\left(t,s\right)\in \mathbb{R}^{2} ».

Correction
la proposition est vraie{\color{blue}\text{la proposition est vraie}}
Commençons par calculer le vecteur BD\vec{BD} , ainsi BD(216)\vec{BD} \left(\begin{array}{c} {2} \\ {-1} \\ {-6} \end{array}\right)
Ensuite d'après le plan paramétrique PP, on peut exprimer deux vecteurs directeurs du plan PP (ce sont les coefficients devant les variables ss et tt).
On les note u1(141)\vec{u_{1} } \left(\begin{array}{c} {1} \\ {-4} \\ {1} \end{array}\right) et u2(442)\vec{u_{2} } \left(\begin{array}{c} {4} \\ {-4} \\ {2} \end{array}\right).
SI la droite (BD)\left(BD\right) est orthogonale au plan PP, il faut que BD\vec{BD} soit orthogonale à u1\vec{u_{1} } et à u2\vec{u_{2} } .
Ainsi :
BD.u1=2×1+(1)×(4)+(6)×1=0\vec{BD} .\vec{u_{1} } =2\times 1+\left(-1\right)\times \left(-4\right)+\left(-6\right)\times 1=0
BD.u2=2×4+(1)×(4)+(6)×2=0\vec{BD} .\vec{u_{2} } =2\times 4+\left(-1\right)\times \left(-4\right)+\left(-6\right)\times 2=0
Il vient alors que la droite (BD)\left(BD\right) est orthogonale au plan PP.
Question 6

Soient les points B(5,1,2)B\left(5,-1,2\right), C(3,0,1)C\left(3,0,-1\right) et D(1,1,0)D\left(1,1,0\right).
Proposition : « Les points BB, CC et DD forment un plan ».

Correction
la proposition est vraie{\color{blue}\text{la proposition est vraie}}
  • Calculons les vecteurs BC\vec{BC} et BD\vec{BD} , ensuite si les vecteurs ne sont pas colinéaires alors les points B,CB,C et DD forment un plan.

On a :
BC(213)\vec{BC} \left(\begin{array}{c} {-2} \\ {1} \\ {-3} \end{array}\right) et BD(422)\vec{BD} \left(\begin{array}{c} {-4} \\ {2} \\ {-2} \end{array}\right)
Existe-t-il un réel kk tel que BC=kBD\vec{BC} =k\vec{BD} ?
On obtient le système suivant {2=4k1=2k3=2k\left\{\begin{array}{ccc} {-2} & {=} & {-4k} \\ {1} & {=} & {2k} \\ {-3} & {=} & {-2k} \end{array}\right.
Ainsi : {k=12k=12k=32\left\{\begin{array}{ccc} {k} & {=} & {\frac{1}{2} } \\ {k} & {=} & {\frac{1}{2} } \\ {k} & {=} & {\frac{3}{2} } \end{array}\right. .
Dans ce cas, AB\vec{AB} et AC\vec{AC} ne sont pas colinéaires, donc les points A,BA,B et CC ne sont pas alignés.
Les points A,BA,B et CC forment donc un plan.
Question 7

Soient les points B(1,3,2)B\left(1,3,2\right), C(5,7,1)C\left(5,7,-1\right) et D(1,1,9)D\left(-1,1,9\right).
On admet que les points BB, CC et DD forment un plan.
Proposition : « Une équation cartésienne du plan (BCD)\left(BCD\right) est xy+2=0x-y+2=0 » .

Correction
la proposition est vraie{\color{blue}\text{la proposition est vraie}}

Il faut que les coordonnées des trois points vérifient l'équation cartésienne du plan xy+2=0x-y+2=0.

Vérifions si le point B(1,3,2)B\left(1,3,2\right) appartient au plan.
xByB+2=13+2=0x_{B} -y_{B} +2=1-3+2=0 donc le point B(1,3,2)B\left(1,3,2\right) appartient au plan.

Vérifions si le point C(5,7,1)C\left(5,7,-1\right) appartient au plan.
xcyc+2=57+2=0x_{c} -y_{c} +2=5-7+2=0 donc le point C(5,7,1)C\left(5,7,-1\right) appartient au plan.

Vérifions si le point D(1,1,9)D\left(-1,1,9\right) appartient au plan.
xDyD+2=11+2=0x_{D} -y_{D} +2=-1-1+2=0 donc le point D(1,1,9)D\left(-1,1,9\right) appartient au plan.

Donc l'équation cartésienne du plan (BCD)\left(BCD\right) est bien xy+2=0x-y+2=0.
Question 8

On donne les droites (d1)\left(d_{1} \right) et (d2)\left(d_{2} \right) de représentations paramétriques suivantes :
(d1):{x=2t+3y=t1z=t+2\left(d_{1} \right):\left\{\begin{array}{ccc} {x} & {=} & {2t+3} \\ {y} & {=} & {t-1} \\ {z} & {=} & {-t+2} \end{array}\right. tRt\in \mathbb{R} et (d2):{x=s+2y=2s+6z=s+4\left(d_{2} \right):\left\{\begin{array}{ccc} {x} & {=} & {s+2} \\ {y} & {=} & {-2s+6} \\ {z} & {=} & {-s+4} \end{array}\right. sRs\in \mathbb{R}
Proposition : « Les droites (d1)\left(d_{1} \right) et (d2)\left(d_{2} \right) sont coplanaires ».

Correction
la proposition est vraie{\color{blue}\text{la proposition est vraie}}
Deux droites sont coplanaires si elles soient parallèles ou soient sécantes.
Etape 1
On note u1(211)\vec{u_{1} } \left(\begin{array}{c} {2} \\ {1} \\ {-1} \end{array}\right) et u2(121)\vec{u_{2} } \left(\begin{array}{c} {1} \\ {-2} \\ {-1} \end{array}\right) respectivement les vecteurs directeurs des droites (d1)\left(d_{1} \right) et (d2)\left(d_{2} \right).
On vérifie facilement que les deux vecteurs directeurs ne sont pas colinéaires, donc les droites (d1)\left(d_{1} \right) et (d2)\left(d_{2} \right) sont parallèles.
Etape 2
Il faut résoudre le système constitué des deux écritures paramétriques des droites (d1)\left(d_{1} \right) et (d2)\left(d_{2} \right), et déterminons les valeurs de tt et ss.
(d1)(d2){2t+3=s+2t1=2s+6t+2=s+4\left(d_{1} \right)\cap \left(d_{2} \right)\Leftrightarrow \left\{\begin{array}{ccc} {2t+3} & {=} & {s+2} \\ {t-1} & {=} & {-2s+6} \\ {-t+2} & {=} & {-s+4} \end{array}\right. avec la première ligne on exprime ssen fonction de tt, puis on remplace ensuite ss dans la 2ème équation et dans la 3ème pour déterminer la valeur de tt.
(d1)(d2){2t+32=st1=2s+6t+2=s+4\left(d_{1} \right)\cap \left(d_{2} \right)\Leftrightarrow \left\{\begin{array}{ccc} {2t+3-2} & {=} & {s} \\ {t-1} & {=} & {-2s+6} \\ {-t+2} & {=} & {-s+4} \end{array}\right. ensuite (d1)(d2){2t+1=st1=2×(2t+1)+6t+2=(2t+1)+4\left(d_{1} \right)\cap \left(d_{2} \right)\Leftrightarrow \left\{\begin{array}{ccc} {2t+1} & {=} & {s} \\ {t-1} & {=} & {-2\times \left(2t+1\right)+6} \\ {-t+2} & {=} & {-\left(2t+1\right)+4} \end{array}\right.
(d1)(d2){2t+1=st1=4t2+6t+2=2t1+4\left(d_{1} \right)\cap \left(d_{2} \right)\Leftrightarrow \left\{\begin{array}{ccc} {2t+1} & {=} & {s} \\ {t-1} & {=} & {-4t-2+6} \\ {-t+2} & {=} & {-2t-1+4} \end{array}\right.
(d1)(d2){2t+1=st1=4t+4t+2=2t+3\left(d_{1} \right)\cap \left(d_{2} \right)\Leftrightarrow \left\{\begin{array}{ccc} {2t+1} & {=} & {s} \\ {t-1} & {=} & {-4t+4} \\ {-t+2} & {=} & {-2t+3} \end{array}\right.
(d1)(d2){2t+1=st+4t=4+1t+2t=2+3\left(d_{1} \right)\cap \left(d_{2} \right)\Leftrightarrow \left\{\begin{array}{ccc} {2t+1} & {=} & {s} \\ {t+4t} & {=} & {4+1} \\ {-t+2t} & {=} & {-2+3} \end{array}\right.
(d1)(d2){2t+1=s5t=5t=1\left(d_{1} \right)\cap \left(d_{2} \right)\Leftrightarrow \left\{\begin{array}{ccc} {2t+1} & {=} & {s} \\ {5t} & {=} & {5} \\ {t} & {=} & {1} \end{array}\right.
(d1)(d2){2t+1=st=1t=1\left(d_{1} \right)\cap \left(d_{2} \right)\Leftrightarrow \left\{\begin{array}{ccc} {2t+1} & {=} & {s} \\ {t} & {=} & {1} \\ {t} & {=} & {1} \end{array}\right.
Ici, les valeurs de tt sont égales, on peut ainsi définir ss.
(d1)(d2){s=3t=1t=1\left(d_{1} \right)\cap \left(d_{2} \right)\Leftrightarrow \left\{\begin{array}{ccc} {s} & {=} & {3} \\ {t} & {=} & {1} \\ {t} & {=} & {1} \end{array}\right.
On remplace maintenant les valeurs de tt et ss respectivement dans les droites (d1)\left(d_{1} \right) et (d2)\left(d_{2} \right).
(d1):{x=2×1+3=5y=11=0z=1+2=1\left(d_{1} \right):\left\{\begin{array}{ccccc} {x} & {=} & {2\times 1+3} & {=} & {5} \\ {y} & {=} & {1-1} & {=} & {0} \\ {z} & {=} & {-1+2} & {=} & {1} \end{array}\right. et (d2):{x=3+2=5y=2×3+6=0z=3+4=1\left(d_{2} \right):\left\{\begin{array}{ccccc} {x} & {=} & {3+2} & {=} & {5} \\ {y} & {=} & {-2\times 3+6} & {=} & {0} \\ {z} & {=} & {-3+4} & {=} & {1} \end{array}\right.
Notons I(5;0;1)I\left(5;0;1\right) le point d'intersection entre les droites (d1)\left(d_{1} \right) et (d2)\left(d_{2} \right).
Il en résulte que les droites (d1)\left(d_{1} \right) et (d2)\left(d_{2} \right) sont coplanaires.
Question 9

Soient (P1)\left(P_{1} \right) le plan d'équation x+2yz=1x+2y-z=1 et (P2)\left(P_{2} \right) le plan d'équation 2x+3y2z3=0-2x+3y-2z-3=0.
Proposition : « (P1)\left(P_{1} \right) et (P2)\left(P_{2} \right) sont parallèles ».

Correction
la proposition est fausse{\color{blue}\text{la proposition est fausse}}
    Soient n1\vec{n_{1} } et n2\vec{n_{2} } des vecteurs normaux respectifs des plans (P1)\left(P_{1} \right) et (P2)\left(P_{2} \right).
  • si n1\vec{n_{1} } et n2\vec{n_{2} } sont colinéaires alors (P1)\left(P_{1} \right) et (P2)\left(P_{2} \right) sont parallèles.
  • si n1\vec{n_{1} } et n2\vec{n_{2} } ne sont pas colinéaires alors (P1)\left(P_{1} \right) et (P2)\left(P_{2} \right) ne sont pas parallèles.
Soient n1(121)\vec{n_{1} } \left(\begin{array}{c} {1} \\ {2} \\ {-1} \end{array}\right)et n2(232)\vec{n_{2} } \left(\begin{array}{c} {-2} \\ {3} \\ {-2} \end{array}\right) des vecteurs normaux respectifs des plans (P1)\left(P_{1} \right) et (P2)\left(P_{2} \right).
On vérifie facilement que les deux vecteurs normaux ne sont pas colinéaires, alors les plans (P1)\left(P_{1} \right) et (P2)\left(P_{2} \right) ne sont pas parallèles.
Question 10

Soient (P1)\left(P_{1} \right) le plan d'équation : x+2yz=1x+2y-z=1 et (P2)\left(P_{2} \right) le plan d'équation 2x+3y2z3=0-2x+3y-2z-3=0.
Proposition : « (P1)\left(P_{1} \right) et (P2)\left(P_{2} \right) sont orthogonaux » .

Correction
la proposition est fausse{\color{blue}\text{la proposition est fausse}}
    Soient n1\vec{n_{1} } et n2\vec{n_{2} } des vecteurs normaux respectifs des plans (P1)\left(P_{1} \right) et (P2)\left(P_{2} \right).
  • si n1.n2=0\vec{n_{1} } .\vec{n_{2} } =0 alors (P1)\left(P_{1} \right) et (P2)\left(P_{2} \right) sont orthogonaux.
  • si n1.n20\vec{n_{1} } .\vec{n_{2} } \ne 0 alors (P1)\left(P_{1} \right) et (P2)\left(P_{2} \right) ne sont pas orthogonaux.
Soient n1(121)\vec{n_{1} } \left(\begin{array}{c} {1} \\ {2} \\ {-1} \end{array}\right)et n2(232)\vec{n_{2} } \left(\begin{array}{c} {-2} \\ {3} \\ {-2} \end{array}\right) des vecteurs normaux respectifs des plans (P1)\left(P_{1} \right) et (P2)\left(P_{2} \right).
n1.n2=1×(2)+2×3+(1)×(2)=60\vec{n_{1} } .\vec{n_{2} } =1\times \left(-2\right)+2\times 3+\left(-1\right)\times \left(-2\right)=6\ne 0.
Il en résulte que les plans (P1)\left(P_{1} \right) et (P2)\left(P_{2} \right) ne sont pas orthogonaux.
Question 11

Soient (P1)\left(P_{1} \right) le plan sous forme paramétrique {x=1+t+2ty=2+2t4tz=32t+2t\left\{\begin{array}{ccccccc} {x} & {=} & {1} & {+} & {t} & {+} & {2t'} \\ {y} & {=} & {2} & {+} & {2t} & {-} & {4t'} \\ {z} & {=} & {3} & {-} & {2t} & {+} & {2t'} \end{array}\right. avec (t,t)R2\left(t,t'\right)\in R^{2} et (P2)\left(P_{2} \right) le plan d'équation 2x+3y2z3=0-2x+3y-2z-3=0.
Proposition : « (P1)\left(P_{1} \right) et (P2)\left(P_{2} \right) sont parallèles ».

Correction
la proposition est fausse{\color{blue}\text{la proposition est fausse}}
Notons n2\vec{n_{2} } un vecteur normal de(P2)\left(P_{2} \right) , ainsi n2(232)\vec{n_{2} } \left(\begin{array}{c} {-2} \\ {3} \\ {-2} \end{array}\right).
Ensuite d'après le plan paramétrique (P1)\left(P_{1} \right), on peut exprimer deux vecteurs directeurs du plan (P1)\left(P_{1} \right) (ce sont les coefficients devant les variables tt et tt').
On les note u1(122)\vec{u_{1} } \left(\begin{array}{c} {1} \\ {2} \\ {-2} \end{array}\right) et u2(242)\vec{u_{2} } \left(\begin{array}{c} {2} \\ {-4} \\ {2} \end{array}\right). On vérifie facilement que les vecteurs u1\vec{u_{1} } et u2\vec{u_{2} } ne sont pas colinéaires.
SI (P1)\left(P_{1} \right) et (P2)\left(P_{2} \right) sont parallèles, il faut que n2\vec{n_{2} } soit orthogonale à u1\vec{u_{1} } et à u2\vec{u_{2} } .
Ainsi :
n2.u1=(2)×1+3×2+(2)×(2)=80\vec{n_{2} } .\vec{u_{1} } =\left(-2\right)\times 1+3\times 2+\left(-2\right)\times \left(-2\right)=8\ne 0
n2.u2=(2)×2+3×(4)+(2)×2=200\vec{n_{2} } .\vec{u_{2} } =\left(-2\right)\times 2+3\times \left(-4\right)+\left(-2\right)\times 2=-20\ne 0
Il vient alors que (P1)\left(P_{1} \right) et (P2)\left(P_{2} \right) ne sont pas parallèles.
Question 12

Soit la droite (d1)\left(d_{1} \right) dont une représentation paramétrique est : {x=2t1y=t+1z=t+2\left\{\begin{array}{ccc} {x} & {=} & {2t-1} \\ {y} & {=} & {t+1} \\ {z} & {=} & {t+2} \end{array}\right. tRt\in R
et on considère le plan PP d'équation : x+3y4z+8=0x+3y-4z+8=0.
Proposition : « La droite (d1)\left(d_{1} \right) coupe le plan PP au point MM de coordonnées (5;1;0)\left(-5;-1;0\right) ».

Correction
la proposition est vraie{\color{blue}\text{la proposition est vraie}}
Etape 1
Commencer par vérifier si le plan et la droite ne sont pas parallèles, par conséquent le plan et la droite sont sécants.
Etape 2
Il faut résoudre le système constitué de l'écriture paramétrique de la droite (d1)\left(d_{1} \right) et du plan (P)\left(P \right) pour déterminer la valeur de tt.
Ensuite, on substitue la valeur tt dans la droite (d1)\left(d_{1} \right) pour obtenir les coordonnées du point d'intersection entre le plan et la droite.
Soient n1(134)\vec{n_{1} } \left(\begin{array}{c} {1} \\ {3} \\ {-4} \end{array}\right)un vecteur normal du plan PP et u1(211)\vec{u_{1} } \left(\begin{array}{c} {2} \\ {1} \\ {1} \end{array}\right) un vecteur directeur de (d1)\left(d_{1} \right).
n1.u1=1×2+3×1+(4)×10\vec{n_{1} } .\vec{u_{1} } =1\times 2+3\times 1+\left(-4\right)\times 1\ne 0 . PP et (d1)\left(d_{1} \right) ne sont pas parallèles, par conséquent ils sont sécants.
(Pd1){x+3y4z+8=0x=2t1y=t+1z=t+2\left(P\cap d_{1} \right)\Leftrightarrow \left\{\begin{array}{c} {x+3y-4z+8=0} \\ {x=2t-1} \\ {y=t+1} \\ {z=t+2} \end{array}\right. tRt\in \mathbb{R} .
On remplace la valeur de x,yx,y et zz dans le plan PP
(Pd1){2t1+3×(t+1)4×(t+2)+8=0x=2t1y=t+1z=t+2\left(P\cap d_{1} \right)\Leftrightarrow \left\{\begin{array}{c} {2t-1+3\times \left(t+1\right)-4\times \left(t+2\right)+8=0} \\ {x=2t-1} \\ {y=t+1} \\ {z=t+2} \end{array}\right.
(Pd1){2t1+3t+34t8+8=0x=2t1y=t+1z=t+2\left(P\cap d_{1} \right)\Leftrightarrow \left\{\begin{array}{c} {2t-1+3t+3-4t-8+8=0} \\ {x=2t-1} \\ {y=t+1} \\ {z=t+2} \end{array}\right. donc (Pd1){t+2=0x=2t1y=t+1z=t+2\left(P\cap d_{1} \right)\Leftrightarrow \left\{\begin{array}{c} {t+2=0} \\ {x=2t-1} \\ {y=t+1} \\ {z=t+2} \end{array}\right.
Ainsi : (Pd1){t=2x=2t1y=t+1z=t+2\left(P\cap d_{1} \right)\Leftrightarrow \left\{\begin{array}{c} {t=-2} \\ {x=2t-1} \\ {y=t+1} \\ {z=t+2} \end{array}\right. .
Maintenant que nous avons la valeur de tt, on peut obtenir les valeurs de x,yx,yet zz.
(Pd1){t=2x=2×(2)1y=2+1z=2+2\left(P\cap d_{1} \right)\Leftrightarrow \left\{\begin{array}{c} {t=-2} \\ {x=2\times \left(-2\right)-1} \\ {y=-2+1} \\ {z=-2+2} \end{array}\right. .
Il en résulte que (Pd1){t=2x=5y=1z=0\left(P\cap d_{1} \right)\Leftrightarrow \left\{\begin{array}{c} {t=-2} \\ {x=-5} \\ {y=-1} \\ {z=0} \end{array}\right.
Les coordonnées du point d'intersection entre la droite et le plan est le point (5;1;0)\left(-5;-1;0\right)
Question 13

On donne les points A(2;1,1)A\left(2;1,1\right) , B(2;0;1)B\left(2;0;1\right) et C(1;1;1)C\left(1;1;1\right) . On considère le plan PP d'équation 2x4z+8=02x-4z+8=0.
Proposition : « Les plans PP et (ABC)\left(ABC\right) sont parallèles » .

Correction
la proposition est fausse{\color{blue}\text{la proposition est fausse}}
On ne connaît pas l'écriture cartésienne du plan (ABC)\left(ABC\right) mais ce n'est pas grave.
  • En effet, si deux vecteurs non colinéaires du plan (ABC)\left(ABC\right) sont orthogonaux à un vecteur normal de PP alors les plans PP et (ABC)\left(ABC\right) sont parallèles.

Il vient alors que :
AB(010)\vec{AB} \left(\begin{array}{c} {0} \\ {-1} \\ {0} \end{array}\right) et AC(100)\vec{AC} \left(\begin{array}{c} {-1} \\ {0} \\ {0} \end{array}\right).
Les vecteurs AB\vec{AB} et AC\vec{AC} ne sont pas colinéaires donc les points AA , BB et CC forment bien le plan (ABC)\left(ABC\right).
D'autre part, un vecteur normal de PP est n(2;0;4)\vec{n} \left(2;0;-4\right)
Commençons par calculer :
n.AB=2×0+(1)×0+(4)×0=0\vec{n} .\vec{AB} =2\times 0+\left(-1\right)\times 0+\left(-4\right)\times 0=0
n.AC=2×(1)+0×0+(4)×0=20\vec{n} .\vec{AC} =2\times \left(-1\right)+0\times 0+\left(-4\right)\times 0=-2\ne 0
Nous avons deux vecteurs non colinéaires du plan (ABC)\left(ABC\right) qui ne sont pas tous les deux orthogonaux à un vecteur normal de PP alors les plans PP et (ABC)\left(ABC\right) ne sont pas parallèles.
Question 14
On considère le plan (P)\left(P\right) d'équation 2x+5y+z5=02x +5y +z - 5 = 0.

Proposition : Tous les points dont les coordonnées (x;y;z)\left(x ; y ; z\right) sont données par la représentation paramétrique {x=1+t2ty=12t+tz=14t+2t\left\{\begin{array}{ccc} {x} & {=} & {1+t-2t'} \\ {y} & {=} & {1-2t+t'} \\ {z} & {=} & {1-4t+2t'} \end{array}\right. tRt \in \mathbb{R} et tRt' \in \mathbb{R} appartiennent au plan (P)\left(P\right).

Correction
la proposition est fausse{\color{blue}\text{la proposition est fausse}}
L'ensemble {x=1+t2ty=12t+tz=14t+2t\left\{\begin{array}{ccc} {x} & {=} & {1+t-2t'} \\ {y} & {=} & {1-2t+t'} \\ {z} & {=} & {1-4t+2t'} \end{array}\right. correspond à une représentation paramétrique d'un plan. Les points appartenant à ce plan ont comme coordonnées M(1+t2t;12t+t;14t+2t)M\left(1+t-2t' ; 1-2t+t' ; 1-4t+2t'\right). Nous allons vérifier si ces coordonnées appartiennent également au plan cartésien (P)\left(P\right).
Il vient alors que :
2xM+5yM+zM5=2(1+t2t)+5(12t+t)+14t+2t52x_{M} +5y_{M} +z_{M} -5=2\left(1+t-2t'\right)+5\left(1-2t+t'\right)+1-4t+2t'-5
2xM+5yM+zM5=2+2t4t+510t+5t+14t+2t52x_{M} +5y_{M} +z_{M} -5=2+2t-4t'+5-10t+5t'+1-4t+2t'-5
2xM+5yM+zM5=312t+t2x_{M} +5y_{M} +z_{M} -5=3-12t+t'
Or : 2xM+5yM+zM52x_{M} +5y_{M} +z_{M} -5 n’est pas égal à 00 pour tout tt et tt'.
Question 15

Soient AA, BB et CC trois points du plan.
Proposition : AB.AC=CA.BA\overrightarrow{AB} .\overrightarrow{AC}=\overrightarrow{CA} .\overrightarrow{BA}

Correction
la proposition est vraie{\color{blue}\text{la proposition est vraie}}
  • Le produit scalaire de deux vecteurs u\vec{u} et v\vec{v} non nuls est défini par :
    u.v=u×v×cos(u,v)\vec{u} .\vec{v} =\left\| \vec{u} \right\| \times \left\| \vec{v} \right\| \times \cos \left(\vec{u} ,\vec{v} \right)
D'après la définition, on a :
  • d'une part : AB.AC=AB×AC×cos(AB,AC)\overrightarrow{AB} .\overrightarrow{AC} =\left\| \overrightarrow{AB} \right\| \times \left\| \overrightarrow{AC} \right\| \times \cos \left(\overrightarrow{AB} ,\overrightarrow{AC} \right) d'où : AB.AC=AB×AC×cos(AB,AC)\overrightarrow{AB} .\overrightarrow{AC} =AB\times AC \times \cos \left(\overrightarrow{AB} ,\overrightarrow{AC} \right)
  • d'autre part : CA.BA=CA×BA×cos(CA,BA)\overrightarrow{CA} .\overrightarrow{BA} =\left\| \overrightarrow{CA} \right\| \times \left\| \overrightarrow{BA} \right\| \times \cos \left(\overrightarrow{CA} ,\overrightarrow{BA} \right) d'où : CA.BA=CA×BA×cos(CA,BA)\overrightarrow{CA} .\overrightarrow{BA} =CA\times BA \times \cos \left(\overrightarrow{CA} ,\overrightarrow{BA} \right)

  • Nous allons utiliser les notions d'angles orientés pour permettre de répondre à cette question .
    Soient les vecteurs u\vec{u} et v\vec{v} on a alors :
  • (u;v)=(u;v)\left(-\vec{u} ;-\vec{v} \right)=\left(\vec{u} ;\vec{v} \right)
  • (v;u)=(u;v)\left(\vec{v} ;\vec{u} \right)=-\left(\vec{u} ;\vec{v} \right)
  • (CA,BA)=(AC,AB)=(AC,AB)=(AB,AC)\left(\overrightarrow{CA} ,\overrightarrow{BA} \right)=\left(-\overrightarrow{AC} ,-\overrightarrow{AB} \right)=\left(\overrightarrow{AC} ,\overrightarrow{AB} \right)=-\left(\overrightarrow{AB} ,\overrightarrow{AC} \right)
    Il en résulte donc que : cos(CA,BA)=cos((AB,AC))=cos(AB,AC)\cos \left(\overrightarrow{CA} ,\overrightarrow{BA} \right)=\cos \left(-\left(\overrightarrow{AB} ,\overrightarrow{AC} \right) \right)=\cos \left(\overrightarrow{AB} ,\overrightarrow{AC} \right) car cos(x)=cos(x){\color{red}\cos \left(-x\right)=\cos \left(x\right)}
    Ainsi :
    CA.BA=CA×BA×cos(CA,BA)\overrightarrow{CA} .\overrightarrow{BA} =CA\times BA \times \cos \left(\overrightarrow{CA} ,\overrightarrow{BA} \right) peut s'écrire CA.BA=CA×BA×cos(AB,AC)\overrightarrow{CA} .\overrightarrow{BA} =CA\times BA \times \cos \left(\overrightarrow{AB} ,\overrightarrow{AC} \right)
    Il en résulte donc que :
    AB.AC=AB×AC×cos(AB,AC)\overrightarrow{AB} .\overrightarrow{AC} =AB\times AC \times \cos \left(\overrightarrow{AB} ,\overrightarrow{AC} \right) et CA.BA=CA×BA×cos(AB,AC)\overrightarrow{CA} .\overrightarrow{BA} =CA\times BA \times \cos \left(\overrightarrow{AB} ,\overrightarrow{AC} \right)
    De ce fait :
    AB.AC=CA.BA\overrightarrow{AB} .\overrightarrow{AC}=\overrightarrow{CA} .\overrightarrow{BA}