Programme de S1 Version pour les séries S1, S3 et S1A.
En Première, tu as étudié les vecteurs de l'espace, le produit scalaire, les droites, les plans et les sphères. Ce chapitre ajoute deux outils de calcul, le produit vectoriel et le produit mixte, qui donnent rapidement des aires, des vecteurs normaux, des équations de plans, des distances et des volumes. Il présente ensuite les transformations élémentaires de l'espace : translations, homothéties, réflexions, rotations autour d'un axe et demi-tours, et la composée de deux réflexions.
Notations. Un vecteur est noté u ou AB, sa norme ∥u∥, et le produit scalaire de u et v est noté u⋅v. Les coordonnées s'écrivent en ligne, séparées par des points-virgules, par exemple A(1;0;2) ou u(1;2;−1), ou en colonne dans les calculs.
Rappels de Première (base orthonormale (i,j,k)).
Si u(x;y;z) et v(x′;y′;z′), alors u⋅v=xx′+yy′+zz′ et ∥u∥=x2+y2+z2 ; u⊥v si, et seulement si, u⋅v=0.
Si θ∈[0;π] est l'angle géométrique de deux vecteurs non nuls, u⋅v=∥u∥∥v∥cosθ.
Un plan de vecteur normal n(a;b;c) a une équation de la forme ax+by+cz+d=0.
La distance du point A(α;β;γ) au plan (P):ax+by+cz+d=0 est
d(A,(P))=a2+b2+c2∣aα+bβ+cγ+d∣.
La droite passant par A(xA;yA;zA) et de vecteur directeur u(a;b;c) a pour représentation paramétrique x=xA+ta, y=yA+tb, z=zA+tc, t∈R.
Leçon 1 : Orientation de l'espace et produit vectoriel
Dans le plan, on choisit un sens de rotation, le sens inverse des aiguilles d'une montre : c'est le sens direct. Dans l'espace, cela ne suffit plus. Dessine un cercle sur une table en verre et parcours-le dans le sens inverse des aiguilles d'une montre : vu d'en haut, il tourne dans le sens direct ; vu d'en dessous, à travers la vitre, il tourne dans l'autre sens. Le sens de rotation d'un plan dépend du côté d'où on le regarde. Il faut donc orienter l'espace lui-même. C'est aussi ce que font les sciences physiques avec le champ magnétique créé par un courant (règle du bonhomme d'Ampère).
Le programme ne demande aucune théorie de l'orientation : on utilise une règle pratique.
1.2 Bases et repères directs
Règle du bonhomme d'Ampère. Soit (u,v,w) trois vecteurs non coplanaires. Un observateur se tient debout le long de w, les pieds à l'origine du vecteur et la tête vers sa pointe ; il regarde dans la direction de u. Si v part vers sa gauche, la base (u,v,w) est directe ; sinon, elle est indirecte.
Règle de la main droite (équivalente). Avec la main droite, le pouce suit u, l'index suit v : la base est directe si le majeur, plié, montre w.
Définition. Un repère orthonormé (O;i,j,k) est direct si la base (i,j,k) est directe, et indirect sinon.
Sur une figure en perspective cavalière, on dessine en général i vers l'avant (en oblique, vers le bas et la gauche), j vers la droite et k vers le haut : le repère est alors direct.
Propriétés (admises). Si (u,v,w) est une base directe :
les bases (v,w,u) et (w,u,v), obtenues par permutation circulaire, sont directes ;
si on échange deux vecteurs, par exemple (v,u,w), la base devient indirecte ;
si on remplace un vecteur par son opposé, par exemple (u,v,−w), la base devient indirecte.
Convention. Dans toute la suite, l'espace est orienté, et les repères orthonormés sont directs, sauf mention contraire.
Exemple 1 (le cube).ABCDEFGH est un cube d'arête 1 : ABCD est la face du bas, et E, F, G, H sont au-dessus de A, B, C, D. On suppose le repère (A;AB,AD,AE) direct.
(AD,AE,AB) est directe (permutation circulaire) ;
(AD,AB,AE) est indirecte (on a échangé les deux premiers vecteurs) ;
(AB,AD,EA) est indirecte, car EA=−AE.
1.3 Définition du produit vectoriel
Définition. Soit u et v deux vecteurs de l'espace orienté. Le produit vectoriel de u par v est le vecteur noté u∧v (on lit « u vectoriel v ») défini ainsi :
si u et v sont colinéaires, u∧v=0 ;
sinon, w=u∧v est le vecteur tel que :
w est orthogonal à u et à v ;
la base (u,v,w) est directe ;
∥w∥=∥u∥∥v∥sinθ, où θ∈]0;π[ est l'angle géométrique des vecteurs u et v.
Remarque. La formule ∥u∧v∥=∥u∥∥v∥sinθ reste vraie quand u et v sont colinéaires et non nuls (θ=0 ou θ=π, donc sinθ=0). Comme θ∈[0;π], on a toujours sinθ≥0.
Exemple 2 (les vecteurs de base). Dans un repère orthonormé direct (O;i,j,k), calculons i∧j. Ce vecteur est orthogonal à i et à j, donc colinéaire à k ; sa norme vaut 1×1×sin2π=1 ; enfin (i,j,i∧j) doit être directe. Donc i∧j=k. De la même façon, avec les permutations circulaires :
i∧j=k,j∧k=i,k∧i=j.
Dans l'autre ordre, on obtient les opposés : j∧i=−k, k∧j=−i, i∧k=−j. Et i∧i=j∧j=k∧k=0.
∧
i
j
k
i
0
k
−j
j
−k
0
i
k
j
−i
0
Le tableau se lit : ligne, vectoriel, colonne. Par exemple k∧i=j.
Exemple 3 (le cube, suite). Dans le cube de l'exemple 1, AB, AD et AE jouent le rôle de i, j, k. Donc :
AB∧AD=AE ;
AE∧AB=AD ;
AB∧AE=−AD=DA ;
AB∧DC=0, car DC=AB.
Exemple 4. Si ∥u∥=2, ∥v∥=3 et si l'angle géométrique de u et v est 6π, alors ∥u∧v∥=2×3×sin6π=6×21=3.
Remarque. En sciences physiques, le produit vectoriel sert par exemple à écrire la force de Laplace qui s'exerce sur un conducteur parcouru par un courant et placé dans un champ magnétique.
Leçon 2 : Propriétés et expression analytique du produit vectoriel
u∧v=0 si, et seulement si, u et v sont colinéaires.
Antisymétrie
v∧u=−u∧v.
Produit par un réel
(ku)∧v=u∧(kv)=k(u∧v).
Distributivité
u∧(v+w)=u∧v+u∧w et (u+v)∧w=u∧w+v∧w.
Orthogonalité
u∧v est orthogonal à u et à v.
Justifications.
Colinéarité. Si u et v ne sont pas colinéaires, ils sont non nuls et θ∈]0;π[, donc sinθ>0 et ∥u∧v∥>0.
Antisymétrie.u∧v et v∧u ont la même direction (orthogonale à u et v) et la même norme. Mais si (u,v,w) est directe, (v,u,w) est indirecte : les deux vecteurs sont donc opposés.
La propriété du produit par un réel et la distributivité sont admises.
Attention. Le produit vectoriel n'est pas commutatif (l'ordre compte) et n'est pas associatif :
(i∧i)∧j=0∧j=0,maisi∧(i∧j)=i∧k=−j.
Remarque (identité de Lagrange, non exigible). Pour tous vecteurs u et v,
∥u∧v∥2+(u⋅v)2=∥u∥2∥v∥2.
En effet, pour des vecteurs non nuls, le premier membre vaut ∥u∥2∥v∥2(sin2θ+cos2θ).
2.2 Expression analytique dans un repère orthonormé direct
Théorème. Dans un repère orthonormé direct, si u(x;y;z) et v(x′;y′;z′), alors
u∧vyz′−zy′zx′−xz′xy′−yx′.
Démonstration. On développe (xi+yj+zk)∧(x′i+y′j+z′k) avec la distributivité et le produit par un réel. On obtient neuf termes ; les trois termes i∧i, j∧j, k∧k sont nuls, et avec le tableau de la leçon 1 :
u∧v=xy′k−xz′j−yx′k+yz′i+zx′j−zy′i=(yz′−zy′)i+(zx′−xz′)j+(xy′−yx′)k.
Méthode : cacher une ligne. On écrit les coordonnées de u et de v en deux colonnes.
Première coordonnée : on cache la première ligne, et on fait le produit en croix des deux lignes restantes : yz′−zy′.
Deuxième coordonnée : on cache la deuxième ligne, on fait le produit en croix xz′−zx′, et on prend son opposé : zx′−xz′.
Troisième coordonnée : on cache la troisième ligne : xy′−yx′.
Exemple 5.u(1;2;−1) et v(3;0;2).
première coordonnée : 2×2−(−1)×0=4 ;
deuxième coordonnée : −(1×2−(−1)×3)=−5 ;
troisième coordonnée : 1×0−2×3=−6.
Donc u∧v(4;−5;−6). Contrôle :(4;−5;−6)⋅(1;2;−1)=4−10+6=0 et (4;−5;−6)⋅(3;0;2)=12+0−12=0 : le résultat est bien orthogonal à u et à v.
Conseil. Vérifie toujours ton résultat par ces deux produits scalaires : une erreur de calcul se voit tout de suite.
Exemple 6 (le cube). Dans le repère (A;AB,AD,AE), AC(1;1;0) et AE(0;0;1). Alors
AC∧AE=(1×1−0×0;0×0−1×1;1×0−1×0)=(1;−1;0).
Or D(0;1;0) et B(1;0;0), donc DB(1;−1;0) : AC∧AE=DB.
2.3 Colinéarité et alignement
Propriété. Trois points A, B, C sont alignés si, et seulement si, AB∧AC=0.
Exemple 7.A(1;2;3), B(2;4;1), C(4;8;−3) et D(0;1;1). On a AB(1;2;−2), AC(3;6;−6) et AD(−1;−1;−2).
AB∧AC=(2×(−6)−(−2)×6;(−2)×3−1×(−6);1×6−2×3)=(0;0;0) : A, B, C sont alignés (en effet AC=3AB).
AB∧AD=(−6;4;1)=0 : A, B, D ne sont pas alignés.
Exemple 8 (avec un paramètre). Pour quelles valeurs de m les vecteurs u(2;m;3) et v(4;−2;6) sont-ils colinéaires ?
u∧v=(6m+6;3×4−2×6;−4−4m)=(6m+6;0;−4−4m).
Ce vecteur est nul si, et seulement si, m=−1. Alors v=2u.
Leçon 3 : Aires, vecteur normal et équation d'un plan
L'aire du parallélogramme construit sur AB et AC est AB∧AC.
L'aire du triangle ABC est 21AB∧AC.
Démonstration. Prenons [AB] comme base du parallélogramme. Si θ est l'angle BAC, la hauteur correspondante vaut h=ACsinθ. L'aire vaut donc AB×ACsinθ=AB∧AC. Le triangle ABC est la moitié du parallélogramme.
Exemple 9.A(1;0;0), B(0;2;0) et C(0;0;3). On a AB(−1;2;0) et AC(−1;0;3), donc
AB∧AC=(2×3−0×0;0×(−1)−(−1)×3;(−1)×0−2×(−1))=(6;3;2).
Sa norme vaut 36+9+4=49=7. L'aire du triangle ABC est 27.
3.2 Vecteur normal à un plan
Propriété. Si A, B, C ne sont pas alignés, le vecteur n=AB∧AC est non nul et orthogonal à AB et à AC : c'est un vecteur normal au plan (ABC).
Plus généralement, un plan dirigé par deux vecteurs non colinéaires u et v a pour vecteur normal u∧v.
3.3 Équation d'un plan
Méthode. Pour trouver une équation du plan (ABC) :
on calcule n=AB∧AC(a;b;c) ;
un point M(x;y;z) est dans le plan si, et seulement si, AM⋅n=0 ;
on obtient ax+by+cz+d=0, et on vérifie que B et C satisfont l'équation.
Exemple 9 (suite).n(6;3;2) et A(1;0;0) : M∈(ABC)⟺6(x−1)+3y+2z=0, soit
(ABC):6x+3y+2z−6=0.
Contrôle : pour B, 6−6=0 ; pour C, 6−6=0.
Exemple 10. Le plan (P) passe par A(2;−1;0) et il est dirigé par u(1;1;0) et v(0;1;3). Un vecteur normal est u∧v=(3;−3;1). Donc (P):3x−3y+z+d=0, et A∈(P) donne 6+3+d=0, soit d=−9 :
(P):3x−3y+z−9=0.
Application : direction de l'intersection de deux plans. Si deux plans sécants ont pour vecteurs normaux n et n′, leur droite d'intersection est orthogonale à n et à n′ : elle est dirigée par n∧n′.
Exemple 11.(P):x−y+z−2=0 et (Q):x+2y−z−1=0. On a n(1;−1;1), n′(1;2;−1) et n∧n′=(−1;2;3). Le point (0;3;5) est dans les deux plans (0−3+5−2=0 et 0+6−5−1=0). La droite d'intersection a pour représentation paramétrique x=−t, y=3+2t, z=5+3t, t∈R.
Définition. Le produit mixte de trois vecteurs u, v, w (dans cet ordre) est le nombre réel[u,v,w]=(u∧v)⋅w.
On le note aussi det(u,v,w).
4.2 Expression analytique dans une base orthonormale directe
Si u(x;y;z), v(x′;y′;z′) et w(x′′;y′′;z′′), alors
[u,v,w]=(yz′−zy′)x′′+(zx′−xz′)y′′+(xy′−yx′)z′′.
On calcule d'abord u∧v, puis son produit scalaire avec w.
Exemple 12.u(1;2;−1), v(3;0;2) et w(2;1;1). D'après l'exemple 5, u∧v(4;−5;−6), donc
[u,v,w]=4×2+(−5)×1+(−6)×1=8−5−6=−3.
4.3 Propriétés
Propriété
Énoncé
Permutation circulaire
[u,v,w]=[v,w,u]=[w,u,v]
Échange de deux vecteurs
le produit mixte change de signe : [v,u,w]=−[u,v,w]
Autre écriture
[u,v,w]=u⋅(v∧w)
Coplanarité
[u,v,w]=0 si, et seulement si, u, v, w sont coplanaires
Signe
[u,v,w]>0 si, et seulement si, (u,v,w) est une base directe
Les deux premières propriétés se vérifient en développant l'expression analytique ; la troisième en découle : [u,v,w]=[v,w,u]=(v∧w)⋅u. La propriété du signe est admise ; par exemple [i,j,k]=k⋅k=1>0.
Démonstration de la coplanarité.
Si u et v sont colinéaires, u∧v=0 : le produit mixte est nul, et les trois vecteurs sont coplanaires.
Sinon, u∧v est un vecteur normal au plan dirigé par u et v. Alors w est coplanaire avec u et v si, et seulement si, w est orthogonal à ce vecteur normal, c'est-à-dire si (u∧v)⋅w=0.
Exemple 12 (suite).[u,v,w]=−3<0 : les vecteurs ne sont pas coplanaires, et la base (u,v,w) est indirecte. Par permutation circulaire [v,w,u]=−3, et [v,u,w]=3.
Exemple 13 (avec un paramètre). Avec les mêmes u et v, pour quelle valeur de m les vecteurs u, v et wm(m;2;1) sont-ils coplanaires ?
[u,v,wm]=4m−10−6=4m−16.
Ils sont coplanaires si, et seulement si, m=4. On vérifie que w4(4;2;1)=u+v.
4.4 Points coplanaires
Propriété. Quatre points A, B, C, D sont coplanaires si, et seulement si, [AB,AC,AD]=0.
Exemple 14. On reprend A(1;0;0), B(0;2;0), C(0;0;3), avec AB∧AC(6;3;2).
D(1;2;−3) : AD(0;2;−3) et [AB,AC,AD]=0+6−6=0 : D est dans le plan (ABC).
E(1;1;1) : AE(0;1;1) et [AB,AC,AE]=0+3+2=5=0 : A, B, C, E ne sont pas coplanaires.
4.5 Volumes
Propriété.
Le volume du parallélépipède construit sur u, v, w est [u,v,w].
Le volume du tétraèdreABCD est 61[AB,AC,AD].
Démonstration. Le parallélogramme de base, construit sur u et v, a pour aire ∥u∧v∥. La hauteur est la longueur de la projection de w sur la direction normale u∧v : elle vaut ∥u∧v∥∣(u∧v)⋅w∣. Le volume, aire de base fois hauteur, vaut donc ∣(u∧v)⋅w∣. Pour le tétraèdre, V=31×aire(ABC)×h, et l'aire de ABC est la moitié de celle du parallélogramme : on obtient 31×21=61 du volume du parallélépipède.
Exemple 15.O(0;0;0), A(1;0;0), B(0;2;0), C(0;0;3).
[OA,OB,OC]=(OA∧OB)⋅OC=(0;0;2)⋅(0;0;3)=6.
Le tétraèdre OABC a pour volume 66=1. Pour le tétraèdre ABCE de l'exemple 14, le volume vaut 65.
Calculer une hauteur. Si on connaît le volume V d'un tétraèdre et l'aire A d'une face, la hauteur relative à cette face vaut h=A3V. Pour OABC : h=7/23×1=76. On retrouve la distance de O au plan (ABC):6x+3y+2z−6=0, qui vaut 7∣−6∣=76.
Leçon 5 : Distance d'un point à une droite, distance de deux droites
Définition. La distance d'un point M à une droite (D) est la distance MH, où H est le projeté orthogonal de M sur (D). C'est la plus petite des distances MP, pour P point de (D).
Théorème. Si (D) passe par A et a pour vecteur directeur u, alors
d(M,(D))=∥u∥AM∧u.
Démonstration. Le parallélogramme construit sur u (placé en A) et sur AM a pour aire AM∧u. Sa base mesure ∥u∥ et la hauteur correspondante est la distance de M à la droite (D). Donc AM∧u=∥u∥×d(M,(D)).
Exemple 16.(D) passe par A(1;0;2) et a pour vecteur directeur u(1;2;2) ; M(4;3;2).
AM(3;3;0) et AM∧u=(3×2−0×2;0×1−3×2;3×2−3×1)=(6;−6;3), de norme 36+36+9=9. Comme ∥u∥=3 :
d(M,(D))=39=3.Autre méthode (Première). Le projeté H s'écrit A+tu avec HM⋅u=0, soit t=∥u∥2AM⋅u=99=1. Donc H(2;2;4), HM(2;1;−2) et HM=4+1+4=3.
5.2 Distance de deux droites
Définition. La distance de deux droites (D1) et (D2) est la plus petite des distances MN, pour M point de (D1) et N point de (D2).
Cas de deux droites parallèles. Tous les points de (D2) sont à la même distance de (D1) : la distance des deux droites est la distance d'un point quelconque de (D2) à la droite (D1).
Cas de deux droites non parallèles. Soit (D1) passant par A, de vecteur directeur u, et (D2) passant par B, de vecteur directeur v, avec u∧v=0.
(Admis) Il existe un unique point M0 de (D1) et un unique point N0 de (D2) tels que la droite (M0N0) soit orthogonale à (D1) et à (D2) : si M0=N0, c'est la perpendiculaire commune aux deux droites.
Théorème. La distance des deux droites est
d((D1),(D2))=M0N0=∥u∧v∥[AB,u,v].
Démonstration. Posons n=u∧v. On écrit AB=AM0+M0N0+N0B. Les vecteurs AM0 et N0B sont colinéaires à u et à v, donc orthogonaux à n ; d'où AB⋅n=M0N0⋅n. Or M0N0 est orthogonal à u et à v, donc colinéaire à n : ∣M0N0⋅n∣=M0N0×∥n∥. Comme AB⋅n=(u∧v)⋅AB=[u,v,AB]=[AB,u,v], on obtient la formule. Enfin, pour tous M de (D1) et N de (D2), le même calcul donne MN⋅n=M0N0⋅n, donc MN×∥n∥≥∣MN⋅n∣=M0N0×∥n∥ : M0N0 est bien la plus petite des distances MN.
Conséquence. Deux droites non parallèles sont sécantes (donc coplanaires) si, et seulement si, [AB,u,v]=0.
Méthode : trouver la perpendiculaire commune. On écrit M=A+tu et N=B+sv, puis on résout le système MN⋅u=0, MN⋅v=0, d'inconnues t et s.
Exemple 17 (deux arêtes du cube). Dans le cube, les droites (AB) et (EH) ne sont pas coplanaires. A(0;0;0), u=AB(1;0;0) ; E(0;0;1), v=EH(0;1;0). Alors u∧v=(0;0;1) et [AE,u,v]=(0;0;1)⋅(0;0;1)=1 : la distance vaut 11=1. La perpendiculaire commune est l'arête (AE).
Exemple 18 (une grande diagonale et une diagonale de face). Toujours dans le cube, (AG) passe par A(0;0;0) avec u=AG(1;1;1), et (BD) passe par B(1;0;0) avec v=BD(−1;1;0).
u∧v=(1×0−1×1;1×(−1)−1×0;1×1−1×(−1))=(−1;−1;2), de norme 6.
AB(1;0;0), donc [AB,u,v]=(u∧v)⋅AB=−1.
d((AG),(BD))=6∣−1∣=66≈0,41.
Perpendiculaire commune.M(t;t;t) et N(1−s;s;0), donc MN(1−s−t;s−t;−t). Les conditions MN⋅u=1−3t=0 et MN⋅v=2s−1=0 donnent t=31 et s=21 : M0(31;31;31), N0(21;21;0), et M0N0=361+361+91=66.
Définition. Soit u un vecteur. La translation de vecteuru, notée tu, associe à tout point M le point M′ tel que MM′=u.
Propriétés. Si M′=tu(M) et N′=tu(N), alors M′N′=MN. Donc :
une translation conserve les distances ;
l'image d'une droite est une droite parallèle ; l'image d'un plan est un plan parallèle ;
l'image d'une sphère de centre A et de rayon R est la sphère de centre tu(A) et de rayon R.
Expression analytique. Si u(a;b;c), alors M′(x′;y′;z′) a pour coordonnées x′=x+a, y′=y+b, z′=z+c.
Exemple 19.u(1;−2;3) et M(2;0;1) : M′(3;−2;4). L'image du plan (P):x+y+z−1=0 est un plan parallèle. Un point M′ est dans l'image si, et seulement si, M=t−u(M′) est dans (P) : (x′−1)+(y′+2)+(z′−3)−1=0, soit (P′):x+y+z−3=0.
6.2 Homothéties
Définition. Soit Ω un point et k un réel non nul. L'homothétie de centreΩet de rapportk associe à tout point M le point M′ tel que ΩM′=kΩM. Pour k=−1, c'est la symétrie de centre Ω.
Propriétés. Si M′ et N′ sont les images de M et N, alors M′N′=kMN. Donc :
les distances sont multipliées par ∣k∣ : M′N′=∣k∣MN ;
une homothétie conserve l'alignement, le parallélisme et l'orthogonalité ;
l'image d'une droite est une droite parallèle, l'image d'un plan un plan parallèle ;
l'image d'une sphère de centre A et de rayon R est la sphère de centre h(A) et de rayon ∣k∣R.
Expression analytique. Si Ω(a;b;c) : x′=a+k(x−a), y′=b+k(y−b), z′=c+k(z−c).
Exemple 20.h est l'homothétie de centre Ω(1;1;1) et de rapport −2, et M(2;3;0). ΩM(1;2;−1), donc ΩM′=−2ΩM(−2;−4;2), et M′(−1;−3;3).
6.3 Réflexions
Définition. Soit (P) un plan. La réflexion de plan(P) (ou symétrie orthogonale par rapport à (P)), notée sP, associe :
à tout point M de (P), le point M lui-même ;
à tout point M hors de (P), le point M′ tel que (P) soit le plan médiateur de [MM′].
Autrement dit, si H est le projeté orthogonal de M sur (P), alors H est le milieu de [MM′].
Construction. On trace la droite passant par M et orthogonale à (P) (elle est dirigée par un vecteur normal n) ; elle coupe (P) en H ; on reporte HM de l'autre côté : HM′=−HM.
Propriétés.
sP∘sP est l'identité ; les points invariants de sP sont les points de (P).
Une réflexion conserve les distances ; elle conserve l'alignement, le parallélisme et l'orthogonalité.
Remarque : une réflexion transforme une base directe en une base indirecte (penser à un miroir : l'image d'une main droite est une main gauche).
Exemple 21. La réflexion de plan (xOy), d'équation z=0, a pour expression analytique x′=x, y′=y, z′=−z.
Exemple 22.(P):x+2y+2z−1=0, de vecteur normal n(1;2;2), et M(2;2;2). La droite passant par M et dirigée par n a pour représentation paramétrique (2+t;2+2t;2+2t). Elle coupe (P) quand (2+t)+2(2+2t)+2(2+2t)−1=9+9t=0, soit t=−1 : H(1;0;0). Alors M′=sP(M) vérifie HM′=−HM : M′(0;−2;−2).
Contrôle : le milieu de [MM′] est (1;0;0)=H, qui est dans (P), et MM′(−2;−4;−4)=−2n est normal à (P).
Remarque. Si A=B, la réflexion par rapport au plan médiateur de [AB] échange A et B.
Un axeΔ est une droite orientée par un vecteur directeur k. Chaque plan (Q) orthogonal à Δ est alors orienté par Δ : si (e1,e2) est une base orthonormée de (Q) telle que (e1,e2,k) soit directe, le sens direct dans (Q) est celui qui va de e1 vers e2. Vu depuis la pointe de k, c'est le sens inverse des aiguilles d'une montre.
7.2 Définition
Définition. Soit Δ un axe orienté et θ un réel. La rotation d'axeΔet d'angleθ associe :
à tout point M de Δ, le point M lui-même ;
à tout point M hors de Δ, le point M′ construit ainsi : on note (Q) le plan passant par M et orthogonal à Δ, et H le point d'intersection de Δ et de (Q) ; M′ est le point de (Q) tel que
HM′=HMet(HM,HM′)=θ[2π],
l'angle étant orienté dans (Q) par Δ.
Rotation induite. Dans chaque plan (Q) orthogonal à Δ, la rotation d'axe Δ agit comme la rotation plane de centre H=Δ∩(Q) et d'angle θ : c'est la rotation induite dans (Q).
7.3 Propriétés
Si θ≡0[2π], la rotation est l'identité. Sinon, ses points invariants sont les points de l'axe Δ.
Une rotation conserve les distances ; elle conserve l'alignement, le parallélisme et l'orthogonalité.
La réciproque de la rotation d'axe Δ et d'angle θ est la rotation de même axe et d'angle −θ.
Si on change l'orientation de l'axe, l'angle θ devient −θ.
Ensemble de points. Quand θ décrit R, l'image d'un point M hors de Δ décrit le cercle de (Q) de centre H et de rayon HM.
7.4 Rotation d'axe (Oz)
Propriété. Dans un repère orthonormé direct, la rotation d'axe (Oz), orienté par k, et d'angle θ a pour expression analytique
x′=xcosθ−ysinθ,y′=xsinθ+ycosθ,z′=z.
Justification. Le plan (Q) d'équation z=zM est orienté par (i,j), et H(0;0;zM). La rotation induite agit sur (x;y) comme la rotation plane de centre H et d'angle θ : avec les nombres complexes du chapitre 7, x′+iy′=eiθ(x+iy), et z ne change pas.
Exemple 23. Pour θ=2π : x′=−y, y′=x, z′=z. L'image de M(2;0;1) est M′(0;2;1) ; on a bien HM=HM′=2 avec H(0;0;1).
Exemple 24 (le cube). Soit Δ l'axe passant par les centres des faces ABCD et EFGH, orienté par AE, et r la rotation d'axe Δ et d'angle 2π. Dans le plan de la face ABCD, la rotation induite a pour centre le centre de la face, et elle envoie A sur B, B sur C, C sur D, D sur A. De même, E↦F↦G↦H↦E. Le cube est donc globalement invariant par r.
7.5 Demi-tours
Définition. Le demi-tour d'axe(D) est la rotation d'axe (D) et d'angle π ; l'orientation de l'axe n'a pas d'importance, car π≡−π[2π]. On l'appelle aussi symétrie d'axe(D) : si H est le projeté orthogonal de M sur (D), alors H est le milieu de [MM′].
Exemple 25.(D) passe par A(1;0;0) et a pour vecteur directeur u(0;1;1), et M(1;2;0). Le projeté de M sur (D) est H=A+tu avec t=∥u∥2AM⋅u=22=1 : H(1;1;1). Comme H est le milieu de [MM′], on a M′(1;0;2). On vérifie que HM=HM′=2.
Attention à ne pas confondre : la symétrie de centre Ω (un point, homothétie de rapport −1), le demi-tour d'axe (D) (une droite) et la réflexion de plan (P) (un plan).
Théorème. Soit (P) et (P′) deux plans parallèles, H un point de (P) et H′ le point de (P′) tel que (HH′) soit orthogonale aux plans. Alors
sP′∘sP=t2HH′,
la translation de vecteur 2HH′, orthogonal aux deux plans.
Démonstration. On choisit un repère orthonormé dont le vecteur k est orthogonal aux plans : (P):z=a et (P′):z=b. Alors sP envoie (x;y;z) sur (x;y;2a−z), et sP′ envoie ce point sur (x;y;2b−(2a−z))=(x;y;z+2(b−a)). C'est la translation de vecteur 2(b−a)k=2HH′.
Attention à l'ordre :sP∘sP′=t−2HH′ (sP∘sP′ signifie : on applique d'abord sP′, puis sP).
Exemple 26.(P):z=1 et (P′):z=4. Alors sP′∘sP est la translation de vecteur 2×3k=6k. Contrôle avec O : sP(O)=(0;0;2), puis sP′(0;0;2)=(0;0;6).
8.2 Plans sécants
Théorème. Soit (P) et (P′) deux plans sécants suivant une droite Δ, orientée. Un plan (Q) orthogonal à Δ coupe (P) et (P′) suivant deux droites d et d′. Si θ est une mesure de l'angle orienté (d,d′) (orienté dans (Q) par Δ), alors
sP′∘sP est la rotation d’axe Δ et d’angle 2θ.
Justification. Un vecteur normal à (P) est orthogonal à Δ, donc parallèle à (Q) : la réflexion sP envoie chaque point de (Q) dans (Q), et elle y agit comme la symétrie orthogonale d'axe d. De même pour sP′ et d′. En Première, tu as vu que la composée de deux symétries orthogonales du plan d'axes sécants en H est la rotation de centre H et d'angle 2(d,d′). Dans chaque plan (Q) orthogonal à Δ, sP′∘sP induit donc la rotation plane de centre H et d'angle 2θ : c'est la rotation d'axe Δ et d'angle 2θ.
Cas particulier. Si (P) et (P′) sont perpendiculaires, θ=2π et 2θ=π : sP′∘sP est le demi-tour d'axe Δ.
Exemple 27.(P) est le plan (xOz), d'équation y=0, et (P′) le plan d'équation x−y=0. Ils se coupent suivant l'axe (Oz), orienté par k. Dans le plan z=0, d est dirigée par i et d′ par i+j : (d,d′)=4π. Donc sP′∘sP est la rotation d'axe (Oz) et d'angle 2π.
Contrôle analytique : sP envoie (x;y;z) sur (x;−y;z), et sP′ échange les deux premières coordonnées. La composée envoie (x;y;z) sur (−y;x;z) : c'est bien la rotation de l'exemple 23.
Exemple 28. Les plans (yOz):x=0 et (xOz):y=0 sont perpendiculaires suivant (Oz). La composée s(xOz)∘s(yOz) envoie (x;y;z) sur (−x;y;z), puis sur (−x;−y;z) : c'est le demi-tour d'axe (Oz).
8.3 Décompositions
Translation. Soit u un vecteur non nul et (P) un plan orthogonal à u. Si (P′) est l'image de (P) par la translation de vecteur 21u, alors tu=sP′∘sP. Le premier plan peut être choisi librement parmi les plans orthogonaux à u.
Rotation. Soit r la rotation d'axe Δ et d'angle θ, et (P) un plan contenant Δ. Si (P′) est l'image de (P) par la rotation d'axe Δ et d'angle 2θ, alors r=sP′∘sP. Là aussi, le premier plan est libre, pourvu qu'il contienne l'axe.
Exemple 29. La translation de vecteur 2k est la composée sP′∘sP avec (P):z=0 et (P′):z=1. La rotation d'axe (Oz) et d'angle 2π est la composée sP′∘sP avec (P):y=0 et (P′):x−y=0 (exemple 27).
Utilisation : composer deux rotations de même axe. Soit r1 et r2 deux rotations d'axe Δ et d'angles θ1 et θ2. On choisit trois plans (P1), (P2), (P3) contenant Δ, de façon que r1=sP2∘sP1 et r2=sP3∘sP2 (le plan (P2) est commun). Alors
r2∘r1=sP3∘sP2∘sP2∘sP1=sP3∘sP1,
car sP2∘sP2 est l'identité. Les angles s'ajoutent : r2∘r1 est la rotation d'axe Δ et d'angle θ1+θ2.
Ensemble de points invariants. Si (P) et (P′) sont distincts, les points invariants de sP′∘sP forment la droite Δ quand les plans sont sécants ; il n'y en a aucun quand ils sont parallèles.
Ce qu'il faut retenir du chapitre
Notion
À retenir
Base directe
Bonhomme d'Ampère debout sur w, regardant u : v part vers sa gauche. Permutation circulaire : reste directe ; échange de deux vecteurs : devient indirecte
Produit vectoriel
u∧v orthogonal à u et v, (u,v,u∧v) directe, norme ∥u∥∥v∥sinθ ; nul si, et seulement si, u et v sont colinéaires ; v∧u=−u∧v
Coordonnées
u∧v(yz′−zy′;zx′−xz′;xy′−yx′) ; contrôle par deux produits scalaires nuls
Aires
parallélogramme : AB∧AC ; triangle : 21AB∧AC
Plan (ABC)
vecteur normal AB∧AC ; M∈(ABC)⟺AM⋅n=0
Produit mixte
[u,v,w]=(u∧v)⋅w ; nul si, et seulement si, les vecteurs sont coplanaires ; positif si, et seulement si, la base est directe
Volumes
parallélépipède : $\big
Distances
point à droite : ∥u∥∥AM∧u∥ ; deux droites non parallèles : $\dfrac{
Translation, homothétie
MM′=u ; ΩM′=kΩM, distances multipliées par $
Réflexion de plan (P)
(P) est le plan médiateur de [MM′] ; H, projeté de M sur (P), est le milieu de [MM′]
Rotation d'axe Δ
dans chaque plan orthogonal à Δ, rotation plane de centre H et d'angle θ (orienté par l'axe) ; demi-tour : angle π