Exercices types : 11ère partie - Exercice 4

35 min
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Question 1
L'espace est muni d'un repère orthonormé (O;i→;j→;k→)\left(O;\overrightarrow{i} ;\overrightarrow{j} ;\overrightarrow{k} \right).
On considère les points A(−1;2;0)A\left(-1;2;0\right) , B(1;2;4)B\left(1;2;4\right) , C(−1;1;1)C\left(-1;1;1\right).

Démontrer que les points AA, BB et CC ne sont pas alignés.

Correction
On a :
AB→=(204)\overrightarrow{AB} =\left(\begin{array}{c} {2} \\ {0} \\ {4} \end{array}\right) et AC→=(0−11)\overrightarrow{AC} =\left(\begin{array}{c} {0} \\ {-1} \\ {1} \end{array}\right). Les vecteurs AC→\overrightarrow{AC} et AB→\overrightarrow{AB} ne sont pas colinéaires. Donc les trois points AA , BB et CC ne sont pas alignés et définissent donc un plan.
Question 2

Calculer le produit scalaire AB→.AC→\overrightarrow{AB} .\overrightarrow{AC}

Correction
  • Dans un repère orthonormé (0;i→;j→;k→)\left(0;\overrightarrow{i} ;\overrightarrow{j} ;\overrightarrow{k} \right) , le produit scalaire de deux vecteurs u→\overrightarrow{u} et v→\overrightarrow{v} de coordonnées respectives (x;y;z)\left(x;y;z\right) et (x′;y′;z′)\left(x';y';z'\right) est égal à :
    u→.v→=xx′+yy′+zz′\overrightarrow{u} .\overrightarrow{v}=xx'+yy'+zz'
Nous savons que : AB→=(204)\overrightarrow{AB} =\left(\begin{array}{c} {2} \\ {0} \\ {4} \end{array}\right) et AC→=(0−11)\overrightarrow{AC} =\left(\begin{array}{c} {0} \\ {-1} \\ {1} \end{array}\right).
Il en résulte que :
AB→.AC→=2×0+0×(−1)+4×1\overrightarrow{AB} .\overrightarrow{AC}=2\times 0 + 0\times\left(-1\right) + 4\times 1
AB→.AC→=4\overrightarrow{AB} .\overrightarrow{AC} =4

Question 3

En déduire la mesure de l’angle BAC^\widehat{BAC}.

Correction
Pour déterminer la mesure de l'angle BAC^\widehat{BAC}, nous allons utiliser la formule du produit scalaire utilisant le cosinus.
  • Le produit scalaire de deux vecteurs u→\overrightarrow{u} et v→\overrightarrow{v} non nuls est défini par :
    u→.v→=∥u→∥×∥v→∥×cos⁡(u→,v→)\overrightarrow{u} .\overrightarrow{v} =\left\| \overrightarrow{u} \right\| \times \left\| \overrightarrow{v} \right\| \times \cos \left(\overrightarrow{u} ,\overrightarrow{v} \right)
AB→.AC→=AB×AC×cos⁡(BAC^)\overrightarrow{AB} .\overrightarrow{AC} =AB\times AC\times\cos \left(\widehat{BAC}\right)
Or :
AB=(xB−xA)2+(yB−yA)2+(zB−zA)2AB=\sqrt{\left(x_{B} -x_{A} \right)^{2} +\left(y_{B} -y_{A} \right)^{2} +\left(z_{B} -z_{A} \right)^{2} } ce qui donne AB=20AB=\sqrt{20}
AC=(xC−xA)2+(yC−yA)2+(zC−zA)2AC=\sqrt{\left(x_{C} -x_{A} \right)^{2} +\left(y_{C} -y_{A} \right)^{2} +\left(z_{C} -z_{A} \right)^{2} } ce qui donne AC=2AC=\sqrt{2}
cos⁡(BAC^)=AB→.AC→AB×AC\cos \left(\widehat{BAC}\right)=\frac{\overrightarrow{AB} .\overrightarrow{AC} }{AB\times AC}
cos⁡(BAC^)=440\cos \left(\widehat{BAC}\right)=\frac{4}{\sqrt{40}}
Ainsi :
BAC^≈50,8\widehat{BAC}\approx 50,8°

Question 4
Soit n→\overrightarrow{n} le vecteur de coordonnées (2;−1;−1)\left(2;-1;-1\right).

Démontrer que n→\overrightarrow{n} est un vecteur normal du plan (ABC)\left(ABC\right).

Correction
Les vecteurs AB→\overrightarrow{AB} et AC→\overrightarrow{AC} sont deux vecteurs non colinéaires du plan (ABC)\left(ABC\right).
 Calculons d’une part :\red{\text{ Calculons d'une part :}}
n→.AB→=2×2+(−1)×0+(−1)×4=0\overrightarrow{n} .\overrightarrow{AB } =2\times 2+\left(-1\right)\times 0+\left(-1\right)\times 4=0. Donc les vecteurs n→(2;−1;−1)\overrightarrow{n}\left(2;-1;-1\right) et AB→\overrightarrow{AB} sont orthogonaux.
 Calculons d’autre part :\red{\text{ Calculons d'autre part :}}
n→.AC→=2×0+(−1)×(−1)+(−1)×1=0\overrightarrow{n} .\overrightarrow{AC} =2\times 0+\left(-1\right)\times \left(-1\right)+\left(-1\right)\times 1=0. Donc les vecteurs n→(2;−1;−1)\overrightarrow{n}\left(2;-1;-1\right) et AC→\overrightarrow{AC} sont orthogonaux.
n→\overrightarrow{n} est orthogonal à deux vecteurs non colinéaires du plan (ABC)\left(ABC\right) donc n→\overrightarrow{n} est un vecteur normal à ce plan.
Question 5

Donner une équation cartésienne du plan (ABC)\left(ABC\right).

Correction
L'écriture cartésienne d'un plan ayant un vecteur normal n→(a;b;c)\overrightarrow{n} \left(a;b;c\right) s'écrit ax+by+cz+d=0ax+by+cz+d=0 .
Ensuite pour déterminer la valeur de dd, on utilise les coordonnées du point AA.
D'après la question précédente, nous savons que n→(2;−1;−1)\overrightarrow{n}\left(2;-1;-1\right) est un vecteur normal au plan (ABC)\left(ABC\right).
Donc le plan s'écrit 2x−y−z+d=02x-y-z+d=0.
Or : A(−1;2;0)A\left(-1;2;0\right) appartient au plan donc 2xA−yA−zA+d=02x_{A}-y_{A} -z_{A} +d=0
Ainsi : 2×(−1)−2−0+d=02\times \left(-1\right)-2-0+d=0, d'où d=4d=4
On en conclut que l'équation cartésienne du plan (ABC)\left(ABC\right) recherché est : 2x−y−z+4=02x-y-z+4=0
Question 6
Soient P1P_{1} le plan d’équation 3x+y−2z+3=03x+y-2z+3=0 et P2P_{2} le plan passant par OO et parallèle au plan d’équation x−2z+6=0x-2z+6=0.

Démontrer que le plan P2P_{2} a pour équation x=2zx=2z.

Correction
Un vecteur directeur du plan d’équation x−2z+6=0x-2z+6=0 est n3→(1;0;−2)\overrightarrow{n_{3}}\left(1;0;-2\right). Ce vecteur est également un vecteur normal au plan P2P_{2} puisque ces deux plans sont parallèles.
Une équation cartésienne de P2P_{2} est donc x−2z+d=0x-2z+d=0. Or le point O(0;0;0)O\left(0;0;0\right) appartient au plan P2P_{2} ainsi d=0d=0.
Le plan P2P_{2} a pour équation x−2z=0x-2z=0 ce qui s'écrit également : x=2zx=2z.
Question 7

Démontrer que les plans P1P_{1} et P2P_{2} sont sécants.

Correction
    Soient n1→\overrightarrow{n_{1} } et n2→\overrightarrow{n_{2} } des vecteurs normaux respectifs des plans (P1)\left(P_{1} \right) et (P2)\left(P_{2} \right).
  • si n1→\overrightarrow{n_{1} } et n2→\overrightarrow{n_{2} } sont colinéaires alors (P1)\left(P_{1} \right) et (P2)\left(P_{2} \right) sont parallèles.
  • si n1→\overrightarrow{n_{1} } et n2→\overrightarrow{n_{2} } ne sont pas colinéaires alors (P1)\left(P_{1} \right) et (P2)\left(P_{2} \right) ne sont pas parallèles. Cela signifie donc que les plans sont sécants.
Soient n1→(31−2)\overrightarrow{n_{1} } \left(\begin{array}{c} {3} \\ {1} \\ {-2} \end{array}\right) et n2→(10−2)\overrightarrow{n_{2} } \left(\begin{array}{c} {1} \\ {0} \\ {-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 parallèles, ils sont donc sécants.
Question 8
Soit la droite DD dont un système d’équations paramétriques est : {x=2ty=−4t−3z=t\left\{\begin{array}{ccc} {x} & {=} & {2t} \\ {y} & {=} & {-4t-3} \\ {z} & {=} & {t} \end{array}\right. où t∈t\in R\mathbb{R}

Démontrer que DD est l’intersection des plans P1P_{1} et P2P_{2}.

Correction
Vérifions que la droite (D)\left(D \right) est confondue avec le plan P1P_{1} et également confondue avec le plan P2P_{2}.
  •  D’une part :\red{\text{ D'une part :}} vérifions si (D)\left(D \right) est confondue avec le plan P1P_{1}.
  • Pour cela, il suffit de remplacer les xx, yy et zz du plan P1P_{1} par les xx, yy et zz de la droite (D)\left(D \right)
    Cela donne :
    (D∩P1)⇔3(2t)+(−4t−3)−2t+3=0\left(D \cap P_{1}\right)\Leftrightarrow 3\left(2t\right)+\left(-4t-3\right)-2t+3=0
    Il vient alors que :
    6t−4t−3−2t+3=06t-4t-3-2t+3=0 équivaut successivement à
    0=00=0

    Cela signifie que la droite (D)\left(D \right) est confondue avec le plan P1P_{1}.
  •  D’autre part :\red{\text{ D'autre part :}} vérifions si (D)\left(D \right) est confondue avec le plan P2P_{2}.
  • Pour cela, il suffit de remplacer les xx, yy et zz du plan P2P_{2} par les xx, yy et zz de la droite (D)\left(D \right)
    Cela donne :
    (D∩P2)⇔2t−2t=0\left(D \cap P_{2}\right)\Leftrightarrow 2t-2t=0
    Il vient alors que :
    0=00=0

    Cela signifie que la droite (D)\left(D \right) est confondue avec le plan P2P_{2}.
    Ainsi la droite (D)\left(D \right) est confondue avec le plan P1P_{1} et également confondue avec le plan P2P_{2}.
    Donc (D)\left(D \right) est bien la droite d'intersection des plans P1P_{1} et P2P_{2}.
    Question 9

    Démontrer que la droite DD coupe le plan (ABC)\left(ABC\right) en un point II dont on déterminera les coordonnées.

    Correction
    Soit la droite DD dont un système d’équations paramétriques est : {x=2ty=−4t−3z=t\left\{\begin{array}{ccc} {x} & {=} & {2t} \\ {y} & {=} & {-4t-3} \\ {z} & {=} & {t} \end{array}\right. où t∈t\in R\mathbb{R}
    Soit MM un point de DD, alors il existe un réel tt tel que : M(2t;−4t−3;t)M\left(2t;-4t-3;t\right)
    M∈(ABC)⇔2×(2t)−(−4t−3)−t+4=0⇔7t+7=0⇔t=−1M\in \left(ABC\right)\Leftrightarrow 2\times \left(2t\right)-\left(-4t-3\right)-t+4=0\Leftrightarrow 7t+7=0\Leftrightarrow t=-1
    La droite DD et le plan (ABC)\left(ABC\right) n’ont donc qu’un seul point commun, obtenu pour t=−1t=-1.
    Ainsi :
    {x=2×(−1)y=−4×(−1)−3z=−1\left\{\begin{array}{ccc} {x} & {=} & {2\times\left(-1\right)} \\ {y} & {=} & {-4\times\left(-1\right)-3} \\ {z} & {=} & {-1} \end{array}\right.
    {x=−2y=1z=−1\left\{\begin{array}{ccc} {x} & {=} & {-2} \\ {y} & {=} & {1} \\ {z} & {=} & {-1} \end{array}\right.
    Les coordonnées de II sont (−2;1;−1)\left(-2;1;-1\right)

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