I – Vecteurs de l'espace

1. Lien avec la géométrie plane

Définition

Un vecteur de l'espace est un vecteur possédant trois coordonnées. De même, un point de l'espace est un point possédant trois coordonnées.

Comme dans le plan, un vecteur de l'espace est caractérisé par une norme (sa longueur), un sens, et une direction.

Opérations sur les vecteurs

Soient et deux vecteurs de l'espace et un réel quelconque.

  • On peut additionner deux vecteurs : .
  • On peut multiplier un vecteur par un réel : .

La relation de Chasles est également disponible dans l'espace.

Relation de Chasles

Soient , et trois points de l'espace. Alors .

2. Coplanarité

Soient et deux vecteurs non colinéaires de l'espace et un autre vecteur de l'espace. Ces vecteurs sont dits coplanaires s'il existe des représentants de ces trois vecteurs dans un même plan. De manière plus formelle :

Définition

, et sont coplanaires s'il existe deux réels et tels que .

3. Repérage dans l'espace

Repère de l'espace

Soient , et trois vecteurs non coplanaires de l'espace et un point de l'espace.

Tout point peut alors être identifié dans ce repère par un unique triplet de réels tel que :

.

On dit alors est un repère de l'espace et les coordonnées de dans ce repère sont alors . Par abus de langage, on notera cela .

Dans toute la suite du chapitre, on se placera dans le repère précédent .

Types de repères

  • Le repère est dit orthogonal si , et sont orthogonaux les uns par rapport aux autres.
  • Le repère est dit normé si , et sont de norme .
  • Le repère est dit orthonormé si les deux conditions précédentes sont réunies.

II – Produit scalaire dans l'espace

1. Caractérisation

Soient et deux vecteurs de l'espace et , et trois points de l'espace. Il existe un plan qui contient les points , et tels que et . Le produit scalaire est alors égal au produit scalaire dans ce plan.

Toutes les propriétés du produit scalaire du plan sont par conséquent également applicables dans l'espace. Il vous est donc conseillé de relire le cours de Première sur le produit scalaire.

2. Calcul du produit scalaire

Calcul avec les coordonnées

Soient et deux vecteurs de l'espace.

On a .

Calcul avec un angle

Soient et deux vecteurs du plan et l'angle orienté entre les deux. On a :

Calcul un projeté orthogonal

Soient , et trois points distincts de l'espace. On se place dans le plan défini par ces points. On pose le projeté orthogonal de sur . Alors :

  • Si alors
  • Si alors

Si on ne possède que les normes de nos vecteurs, il est possible d'utiliser la formule de polarisation.

Formule de polarisation

Soient et deux vecteurs de l'espace :

.

III – Droites de l'espace

1. Définition

Une droite passant par deux points de l'espace différents et peut être définie par ces points. Ainsi la droite de l'espace contenant les points et peut se nommer la droite .

2. Caractérisation

Vecteur directeur d'une droite

Le vecteur directeur d'une droite de l'espace est le vecteur qui porte (ou qui suit) cette droite.

Plusieurs manières existent pour caractériser une droite de l'espace.

Caractérisation d'une droite de l'espace

Soit une droite de l'espace passant par un point de vecteur directeur .

Soit . On peut caractériser de deux manières :

  • Caractérisation vectorielle :
    .
  • Caractérisation par système d'équations paramétriques :
    .

3. Intersection de deux droites

Intersection de deux droites

Soient et deux droites. On a les relations suivantes :

  • Si et ne sont pas coplanaires, leur intersection est vide.
  • Si et sont coplanaires et parallèles mais pas confondues, leur intersection est vide.
  • Si et sont coplanaires et confondues, leur intersection est la droite .
  • Si et sont coplanaires et non parallèles, leur intersection est un point.

4. Orthogonalité de deux droites

Définition

Deux droites et sont orthogonales s'il existe une parallèle à qui est perpendiculaire à .

IV – Plans de l'espace

1. Définition

Soient trois points , et non alignés (i.e. tels que les vecteurs et ne sont pas colinéaires). Alors ces points forment un plan de l'espace qui peut se nommer .

2. Caractérisation

Vecteur normal à un plan

On dit qu'un vecteur est normal à un plan s'il est orthogonal à tous les vecteurs de ce plan.

Plusieurs manières existent pour caractériser un plan de l'espace.

Caractérisation d'un plan de l'espace

Soit un plan de l'espace contenant un point et soient et deux vecteurs de l'espace non-colinéaires mais qui appartiennent à .

On se donne un vecteur de l'espace orthogonal à et (qui est donc normal à ).

Soit . On peut caractériser de deux manières :

  • Caractérisation vectorielle :
    .
  • Caractérisation par une équation cartésienne :
    Il existe tel que .

3. Intersections

Intersection d'un plan et d'une droite

Soient un plan de l'espace et une droite de l'espace :

  • Si contient , leur intersection est la droite .
  • Si ne contient pas et que et sont parallèles, leur intersection est vide.
  • Si ne contient pas et que et ne sont pas parallèles, leur intersection est un point.

Intersection de deux plans

Soient et deux plans de l'espace :

  • Si et sont confondus, leur intersection est le plan .
  • Si et sont parallèles mais pas confondus, leur intersection est vide.
  • Si et ne sont ni parallèles ni confondus, leur intersection est une droite.

4. Orthogonalités

Définition

Soient un plan de l'espace et une droite de l'espace. On dit que est orthogonale à si est orthogonale à toutes les droites de ce plan.

5. Plan médiateur

Définition

Soient un plan de l'espace, et deux points de l'espace.

est un plan médiateur si est orthogonal au segment et passe par le milieu de ce segment.