Vecteurs de l'espace - Définitions et opérations

Les vecteurs dans l'espace fonctionnent exactement comme ceux du plan, mais avec une dimension supplémentaire ! Un vecteur AB a une direction (celle de la droite AB), un sens (de A vers B) et une norme (la longueur AB).

Deux vecteurs AB et CD sont égaux quand ABDC forme un parallélogramme. C'est super pratique : pour tout point E et tout vecteur u⃗, tu peux toujours trouver un unique point F tel que EF = u⃗.

Les opérations restent identiques au plan. La relation de Chasles $AB + BC = AC$ et la règle du parallélogramme marchent parfaitement en 3D. Tu peux additionner, soustraire et multiplier les vecteurs par un scalaire sans souci.

💡 Astuce : Visualise toujours les vecteurs comme des flèches dans l'espace - ça t'aidera énormément !

Colinéarité et vecteurs coplanaires

Deux vecteurs sont colinéaires quand leurs droites support sont parallèles. En pratique, u⃗ et v⃗ sont colinéaires si et seulement si v⃗ = k·u⃗ (où k est un réel). C'est ton test principal pour vérifier l'alignement !

Trois points A, B, C sont alignés précisément quand AB et AC sont colinéaires. De même, deux droites sont parallèles quand leurs vecteurs directeurs sont colinéaires.

Les vecteurs coplanaires sont dans un même plan. Trois vecteurs u⃗, v⃗, w⃗ sont coplanaires si w⃗ = a·u⃗ + b·v⃗ (avec u⃗ et v⃗ non colinéaires). Cette condition te permet de tester si quatre points appartiennent au même plan.

💡 Méthode : Pour vérifier la coplanarité, exprime toujours un vecteur en fonction des deux autres !

Positions relatives des droites et plans

Dans l'espace, deux droites peuvent être coplanaires (dans le même plan) ou non coplanaires. Si elles sont coplanaires, elles sont soit sécantes, soit parallèles, soit confondues. Sinon, elles n'ont aucun point commun !

Un plan se définit par un point A et deux vecteurs non colinéaires u⃗ et v⃗. Tout point M du plan vérifie AM = x·AB + y·AC. Ces vecteurs u⃗ et v⃗ sont les vecteurs directeurs du plan.

Une droite et un plan sont soit sécants (un point d'intersection), soit parallèles (strictement parallèles ou droite contenue dans le plan). Deux plans sont soit sécants $intersection = droite$, soit parallèles.

💡 Rappel : Deux plans ayant les mêmes vecteurs directeurs sont forcément parallèles !

Propriétés du parallélisme dans l'espace

Le parallélisme suit des règles logiques. Si deux droites sont parallèles, toute parallèle à l'une est parallèle à l'autre. Et tout plan qui coupe l'une coupe automatiquement l'autre.

Pour les plans parallèles, c'est pareil : si deux plans sont parallèles, tout plan parallèle à l'un est parallèle à l'autre. Et si un plan coupe l'un, il coupe l'autre selon des droites parallèles.

Le théorème du toit est génial : si deux plans se coupent selon une droite Δ, et si d et d' sont parallèles (dans chaque plan respectivement), alors Δ est parallèle à d et d'. Imagine littéralement un toit de maison !

💡 Visualisation : Le théorème du toit ressemble vraiment à la faîtière d'un toit parallèle aux deux pans !

Propriétés avancées du parallélisme

Si deux droites sécantes d₁ et d₂ d'un plan π sont parallèles à deux droites sécantes d₁' et d₂' d'un plan π', alors les plans π et π' sont parallèles. C'est une condition super pratique à retenir !

Quand une droite d est parallèle à un plan π, tout plan contenant d et sécant à π coupe π selon une droite parallèle à d. Cette propriété t'aide à construire des parallèles dans l'espace.

Ces propriétés forment un système cohérent où tout s'enchaîne logiquement. Une fois que tu maîtrises les bases du parallélisme, tu peux déduire facilement les positions relatives complexes.

💡 Stratégie : Commence toujours par identifier les éléments parallèles évidents, puis déduis le reste !

Repérage dans l'espace

Un repère de l'espace (O; i⃗, j⃗, k⃗) se compose d'un point O et de trois vecteurs non coplanaires. Tout point M a des coordonnées uniques (x, y, z) telles que OM = x·i⃗ + y·j⃗ + z·k⃗.

Les calculs de coordonnées marchent comme dans le plan, mais avec une troisième composante. Si u⃗(x, y, z) et v⃗(x', y', z'), alors u⃗ + v⃗ a pour coordonnées $x+x', y+y', z+z'$ et λu⃗ a pour coordonnées (λx, λy, λz).

Pour deux points A(xₐ, yₐ, zₐ) et B(xᵦ, yᵦ, zᵦ), le vecteur AB a pour coordonnées $xᵦ-xₐ, yᵦ-yₐ, zᵦ-zₐ$. Le milieu I du segment $AB$ a pour coordonnées $(xₐ+xᵦ)/2, (yₐ+yᵦ)/2, (zₐ+zᵦ)/2$.

Dans un repère orthonormé, la norme d'un vecteur u⃗(x, y, z) est ||u⃗|| = √$x² + y² + z²$ et la distance AB = √$(xᵦ-xₐ)² + (yᵦ-yₐ)² + (zᵦ-zₐ)²$.

💡 Méthode : Les formules du plan s'étendent naturellement à l'espace avec la coordonnée z !

Exercices d'application - Méthodes

Pour vérifier si des points sont alignés, calcule deux vecteurs issus d'un même point et teste s'ils sont colinéaires. Par exemple, pour M, N, P, vérifie si MN = k·MP.

Pour tester la coplanarité de trois vecteurs u⃗, v⃗, w⃗, cherche des réels a et b tels que w⃗ = a·u⃗ + b·v⃗. Si le système a une solution, ils sont coplanaires ; sinon, ils ne le sont pas.

Dans un cube avec repère (A; AB, AD, AE), les calculs deviennent systematiques. Les milieux ont des coordonnées simples $souvent 1/2$, et tu peux facilement déterminer les relations vectorielles.

💡 Technique : Écris toujours clairement le système d'équations - c'est la clé pour éviter les erreurs !

Correction d'exercices types

L'exemple montre la méthode complète : pour l'alignement, on calcule MN et MP, puis on teste la colinéarité. Si les vecteurs ne sont pas colinéaires, les points ne sont pas alignés.

Pour la coplanarité, on résout le système w⃗ = a·u⃗ + b·v⃗ composante par composante. Si on trouve une solution cohérente pour a et b, les vecteurs sont coplanaires.

Les calculs dans le cube utilisent la relation de Chasles et les coordonnées des milieux. La stratégie est toujours la même : exprimer les vecteurs dans la base, puis tester les relations cherchées.

💡 Conseil : Vérifie toujours tes calculs en substituant les valeurs trouvées dans l'équation originale !