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Première Spé Maths / Chapitre 8 : Géométrie repérée

Fiche 1 : droites et vecteurs normaux

Dix exercices pour maîtriser les droites et les vecteurs normaux :

  • lire une équation cartésienne ;
  • droite définie par un point et un vecteur normal ;
  • droite passant par deux points ;
  • parallèle et perpendiculaire ;
  • médiatrice ;
  • vrai/faux ;
  • projeté orthogonal d'un point sur une droite (avec deux méthodes) ;
  • pourquoi (a ; b)(a\,;\,b) est normal à $ax+by+c=0$ ;
  • un script Python.

Toutes les corrections sont rédigées comme on l'attend d'une bonne copie :

  • le vecteur normal ou directeur est écrit avant l'équation ;
  • le coefficient cc est calculé avec un point de la droite ;
  • chaque équation est vérifiée avec un point.

💡 Le modèle de rédaction pour une équation de droite

« AB→(34)\overrightarrow{AB}\begin{pmatrix}3\\4\end{pmatrix} est un vecteur directeur de (AB)(AB), donc n⃗(4−3)\vec n\begin{pmatrix}4\\-3\end{pmatrix} est un vecteur normal. (AB):4x−3y+c=0(AB) : 4x-3y+c=0. AA appartient à la droite : c=…c=\dots »

  • Calcule un vecteur directeur ou un vecteur normal.
  • Écris l'équation avec cc inconnu.
  • Calcule cc avec un point, puis vérifie avec un second point.

⚠️ Les pièges classiques

  • Confondre vecteur normal et vecteur directeur.
  • Se tromper de signe en calculant cc.
  • Oublier de vérifier avec le deuxième point.
  • Écrire que deux droites sont perpendiculaires alors que les vecteurs normaux sont colinéaires.

😄 Une équation de droite sans vérification, c'est un soufflé qu'on sert sans l'avoir regardé : parfois ça passe, souvent ça retombe.


Exercice 1 (★) : lire une équation cartésienne

Dans un repère orthonormé, la droite dd a pour équation 2x−3y+6=02x-3y+6=0.

1. Donner un vecteur normal et un vecteur directeur de dd.

2. Les points A(0 ; 2)A(0\,;\,2), B(3 ; 4)B(3\,;\,4) et C(1 ; 1)C(1\,;\,1) appartiennent-ils à dd ?

3. Donner l'équation réduite de dd.

✏️ Correction de l'exercice 1

Question 1

Pour ax+by+c=0ax+by+c=0, n⃗(ab)\vec n\begin{pmatrix}a\\b\end{pmatrix} est normal et u⃗(−ba)\vec u\begin{pmatrix}-b\\a\end{pmatrix} est directeur.

✅ n⃗(2−3)\vec n\begin{pmatrix}2\\-3\end{pmatrix} est un vecteur normal et u⃗(32)\vec u\begin{pmatrix}3\\2\end{pmatrix} est un vecteur directeur.

Question 2

AA : 2×0−3×2+6=02\times0-3\times2+6=0. Donc A∈dA\in d.

BB : 2×3−3×4+6=6−12+6=02\times3-3\times4+6=6-12+6=0. Donc B∈dB\in d.

CC : 2×1−3×1+6=5≠02\times1-3\times1+6=5\neq0. Donc C∉dC\notin d.

✅ A∈dA\in d, B∈dB\in d et C∉dC\notin d.

Question 3

2x−3y+6=0  ⟺  3y=2x+6  ⟺  y=23x+22x-3y+6=0\iff3y=2x+6\iff y=\dfrac23x+2.

✅ d:y=23x+2d : y=\dfrac23x+2.


Exercice 2 (★) : un point et un vecteur normal

Dans un repère orthonormé, A(1 ; 2)A(1\,;\,2) et n⃗(3−1)\vec n\begin{pmatrix}3\\-1\end{pmatrix}.

1. Déterminer une équation de la droite dd passant par AA de vecteur normal n⃗\vec n.

2. Le point B(2 ; 5)B(2\,;\,5) est-il sur dd ?

3. Donner un vecteur directeur de dd.

✏️ Correction de l'exercice 2

Question 1

M(x ; y)∈d  ⟺  AM→⋅n⃗=0M(x\,;\,y)\in d\iff\overrightarrow{AM}\cdot\vec n=0 avec AM→(x−1y−2)\overrightarrow{AM}\begin{pmatrix}x-1\\y-2\end{pmatrix}.

3(x−1)−(y−2)=0  ⟺  3x−3−y+2=03(x-1)-(y-2)=0\iff3x-3-y+2=0.

✅ d:3x−y−1=0d : 3x-y-1=0.

Question 2

3×2−5−1=03\times2-5-1=0. Donc B∈dB\in d.

✅ Oui, BB appartient à dd.

Question 3

Pour ax+by+c=0ax+by+c=0, u⃗(−ba)\vec u\begin{pmatrix}-b\\a\end{pmatrix} ; ici a=3a=3 et b=−1b=-1.

✅ u⃗(13)\vec u\begin{pmatrix}1\\3\end{pmatrix} est un vecteur directeur de dd. (On vérifie : AB→(13)\overrightarrow{AB}\begin{pmatrix}1\\3\end{pmatrix}.)


Exercice 3 (★★) : une droite par deux points

Dans un repère orthonormé, A(2 ; −1)A(2\,;\,-1) et B(5 ; 3)B(5\,;\,3).

1. Calculer AB→\overrightarrow{AB} et en déduire un vecteur normal à (AB)(AB).

2. Déterminer une équation cartésienne de (AB)(AB).

3. Vérifier avec les coordonnées de BB puis donner l'équation réduite.

✏️ Correction de l'exercice 3

Question 1

AB→(5−23−(−1))=(34)\overrightarrow{AB}\begin{pmatrix}5-2\\3-(-1)\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}3\\4\end{pmatrix}.

✅ n⃗(4−3)\vec n\begin{pmatrix}4\\-3\end{pmatrix} est normal à (AB)(AB), car n⃗⋅AB→=4×3−3×4=0\vec n\cdot\overrightarrow{AB}=4\times3-3\times4=0.

Question 2

M(x ; y)∈(AB)  ⟺  4(x−2)−3(y+1)=0  ⟺  4x−8−3y−3=0M(x\,;\,y)\in(AB)\iff4(x-2)-3(y+1)=0\iff4x-8-3y-3=0.

✅ (AB):4x−3y−11=0(AB) : 4x-3y-11=0.

Question 3

BB : 4×5−3×3−11=20−9−11=04\times5-3\times3-11=20-9-11=0. C'est cohérent.

4x−3y−11=0  ⟺  y=43x−1134x-3y-11=0\iff y=\dfrac43x-\dfrac{11}{3}.

✅ (AB):y=43x−113(AB) : y=\dfrac43x-\dfrac{11}{3}.


Exercice 4 (★★) : parallèle et perpendiculaire

Dans un repère orthonormé, d:3x+2y−6=0d : 3x+2y-6=0 et P(1 ; 1)P(1\,;\,1).

1. Déterminer une équation de la droite Δ\Delta parallèle à dd passant par PP.

2. Déterminer une équation de la droite Δ′\Delta' perpendiculaire à dd passant par PP.

3. Calculer les coordonnées du point d'intersection de dd et Δ′\Delta'.

✏️ Correction de l'exercice 4

Question 1

Δ∥d\Delta\parallel d : même vecteur normal (32)\begin{pmatrix}3\\2\end{pmatrix}, donc Δ:3x+2y+c=0\Delta : 3x+2y+c=0.

P∈ΔP\in\Delta : 3+2+c=0  ⟺  c=−53+2+c=0\iff c=-5.

✅ Δ:3x+2y−5=0\Delta : 3x+2y-5=0.

Question 2

Δ′⊥d\Delta'\perp d : le vecteur normal de dd est un vecteur directeur de Δ′\Delta', donc Δ′\Delta' a pour vecteur normal (2−3)\begin{pmatrix}2\\-3\end{pmatrix} (orthogonal à (32)\begin{pmatrix}3\\2\end{pmatrix}).

Δ′:2x−3y+c=0\Delta' : 2x-3y+c=0 et P∈Δ′P\in\Delta' : 2−3+c=0  ⟺  c=12-3+c=0\iff c=1.

✅ Δ′:2x−3y+1=0\Delta' : 2x-3y+1=0.

Question 3

On résout {3x+2y=62x−3y=−1\begin{cases}3x+2y=6\\2x-3y=-1\end{cases}. En multipliant par 33 et 22 : 9x+6y=189x+6y=18 et 4x−6y=−24x-6y=-2.

On additionne : 13x=1613x=16, donc x=1613x=\dfrac{16}{13}. Puis y=6−3x2=6−48132=1513y=\dfrac{6-3x}{2}=\dfrac{6-\frac{48}{13}}{2}=\dfrac{15}{13}.

✅ Le point d'intersection est (1613 ; 1513)\left(\dfrac{16}{13}\,;\,\dfrac{15}{13}\right).


Exercice 5 (★★) : médiatrice

Dans un repère orthonormé, A(1 ; 2)A(1\,;\,2) et B(5 ; 4)B(5\,;\,4).

1. Calculer le milieu II de [AB][AB] et AB→\overrightarrow{AB}.

2. En déduire une équation de la médiatrice de [AB][AB].

3. Vérifier que le point M(4 ; 1)M(4\,;\,1) est équidistant de AA et BB.

✏️ Correction de l'exercice 5

Question 1

I(1+52 ; 2+42)=(3 ; 3)I\left(\dfrac{1+5}{2}\,;\,\dfrac{2+4}{2}\right)=(3\,;\,3) et AB→(42)\overrightarrow{AB}\begin{pmatrix}4\\2\end{pmatrix}.

✅ I(3 ; 3)I(3\,;\,3) et AB→(42)\overrightarrow{AB}\begin{pmatrix}4\\2\end{pmatrix}.

Question 2

La médiatrice passe par II et a pour vecteur normal AB→\overrightarrow{AB} : 4(x−3)+2(y−3)=0  ⟺  4x+2y−18=04(x-3)+2(y-3)=0\iff4x+2y-18=0.

✅ La médiatrice est la droite 2x+y−9=02x+y-9=0.

Question 3

2×4+1−9=02\times4+1-9=0 donc MM est sur la médiatrice.

MA2=(4−1)2+(1−2)2=9+1=10MA^2=(4-1)^2+(1-2)^2=9+1=10 et MB2=(4−5)2+(1−4)2=1+9=10MB^2=(4-5)^2+(1-4)^2=1+9=10.

✅ MA=MB=10MA=MB=\sqrt{10} : MM est bien équidistant de AA et BB.


Exercice 6 (★★) : vrai ou faux

Justifier chaque réponse :

1. Une droite a une seule équation cartésienne.

2. Les droites 2x+3y+1=02x+3y+1=0 et 4x+6y−5=04x+6y-5=0 sont parallèles.

3. Les droites 2x+3y+1=02x+3y+1=0 et 3x−2y+5=03x-2y+5=0 sont perpendiculaires.

4. Un vecteur normal à la droite y=2x+1y=2x+1 est (2−1)\begin{pmatrix}2\\-1\end{pmatrix}.

✏️ Correction de l'exercice 6

Affirmation 1

On peut multiplier l'équation par un réel non nul : x+y−2=0x+y-2=0 et 2x+2y−4=02x+2y-4=0 décrivent la même droite.

❌ Faux.

Affirmation 2

Vecteurs normaux (23)\begin{pmatrix}2\\3\end{pmatrix} et (46)\begin{pmatrix}4\\6\end{pmatrix} : colinéaires (2×6−3×4=02\times6-3\times4=0).

✅ Vrai.

Affirmation 3

2×3+3×(−2)=02\times3+3\times(-2)=0 : les vecteurs normaux sont orthogonaux.

✅ Vrai.

Affirmation 4

y=2x+1  ⟺  2x−y+1=0y=2x+1\iff2x-y+1=0 : un vecteur normal est (2−1)\begin{pmatrix}2\\-1\end{pmatrix}.

✅ Vrai.


Exercice 7 (★★) : projeté orthogonal

Dans un repère orthonormé, d:3x+4y−20=0d : 3x+4y-20=0 et M(0 ; 0)M(0\,;\,0).

1. Donner un vecteur normal à dd puis écrire les coordonnées de H=M+t n⃗H=M+t\,\vec n.

2. Déterminer tt puis les coordonnées du projeté orthogonal HH de MM sur dd.

3. En déduire la distance de MM à dd.

✏️ Correction de l'exercice 7

Question 1

Un vecteur normal est n⃗(3 ; 4)\vec n(3\,;\,4).

✅ H(3t ; 4t)H(3t\,;\,4t).

Question 2

H∈d  ⟺  3×3t+4×4t−20=0  ⟺  25t=20  ⟺  t=45H\in d\iff3\times3t+4\times4t-20=0\iff25t=20\iff t=\dfrac45.

✅ H(125 ; 165)=(2,4 ; 3,2)H\left(\dfrac{12}5\,;\,\dfrac{16}5\right)=(2{,}4\,;\,3{,}2).

Question 3

MH=2,42+3,22=5,76+10,24=16MH=\sqrt{2{,}4^2+3{,}2^2}=\sqrt{5{,}76+10{,}24}=\sqrt{16}.

✅ La distance de MM à dd vaut 44.


Exercice 8 (★★) : projeté orthogonal, deux méthodes

Dans un repère orthonormé, d:2x+y−3=0d : 2x+y-3=0 et M(−1 ; 4)M(-1\,;\,4).

1. Déterminer une équation de la perpendiculaire Δ\Delta à dd passant par MM.

2. En déduire les coordonnées du projeté orthogonal HH de MM sur dd.

3. Retrouver HH avec la méthode H=M+t n⃗H=M+t\,\vec n, puis calculer la distance MHMH.

4. Déterminer le symétrique M′M' de MM par rapport à dd.

✏️ Correction de l'exercice 8

Question 1

Le vecteur n⃗(21)\vec n\begin{pmatrix}2\\1\end{pmatrix} est normal à dd, donc directeur de Δ\Delta. Un vecteur normal à Δ\Delta est (1−2)\begin{pmatrix}1\\-2\end{pmatrix} (car 2×1+1×(−2)=02\times1+1\times(-2)=0).

Δ:x−2y+c=0\Delta : x-2y+c=0 et M∈ΔM\in\Delta : −1−8+c=0  ⟺  c=9-1-8+c=0\iff c=9.

✅ Δ:x−2y+9=0\Delta : x-2y+9=0.

Question 2

HH est le point d'intersection de dd et Δ\Delta : {2x+y=3x−2y=−9\begin{cases}2x+y=3\\x-2y=-9\end{cases}.

La seconde équation donne x=2y−9x=2y-9. Dans la première : 2(2y−9)+y=3  ⟺  5y=21  ⟺  y=2152(2y-9)+y=3\iff5y=21\iff y=\dfrac{21}5, puis x=425−9=−35x=\dfrac{42}5-9=-\dfrac35.

✅ H(−35 ; 215)H\left(-\dfrac35\,;\,\dfrac{21}5\right). On vérifie : 2×(−35)+215−3=02\times\left(-\dfrac35\right)+\dfrac{21}5-3=0.

Question 3

H(−1+2t ; 4+t)∈d  ⟺  2(−1+2t)+4+t−3=0  ⟺  5t=1  ⟺  t=15H(-1+2t\,;\,4+t)\in d\iff2(-1+2t)+4+t-3=0\iff5t=1\iff t=\dfrac15.

On retrouve H(−1+25 ; 4+15)=(−35 ; 215)H\left(-1+\dfrac25\,;\,4+\dfrac15\right)=\left(-\dfrac35\,;\,\dfrac{21}5\right). Comme MH→=t n⃗\overrightarrow{MH}=t\,\vec n, MH=15∥n⃗∥=55≈0,45MH=\dfrac15\|\vec n\|=\dfrac{\sqrt5}5\approx0{,}45.

✅ MH=55MH=\dfrac{\sqrt5}5.

Question 4

HH est le milieu de [MM′][MM'], donc M′=2H−M=(−65+1 ; 425−4)M'=2H-M=\left(-\dfrac65+1\,;\,\dfrac{42}5-4\right).

✅ M′(−15 ; 225)M'\left(-\dfrac15\,;\,\dfrac{22}5\right). Le milieu de [MM′][MM'] est bien HH.


Exercice 9 (★★★) : pourquoi (a ; b)(a\,;\,b) est normal

Dans un repère orthonormé, d:3x−2y+5=0d : 3x-2y+5=0.

1. Vérifier que A(1 ; 4)A(1\,;\,4) et B(3 ; 7)B(3\,;\,7) sont sur dd, puis que n⃗(3−2)\vec n\begin{pmatrix}3\\-2\end{pmatrix} est orthogonal à AB→\overrightarrow{AB}.

2. Soit d′:ax+by+c=0d' : ax+by+c=0 et A(xA ; yA)A(x_A\,;\,y_A), B(xB ; yB)B(x_B\,;\,y_B) deux points distincts de d′d'. Démontrer que n⃗(a ; b)\vec n(a\,;\,b) est orthogonal à AB→\overrightarrow{AB}.

3. En déduire une équation de la parallèle à dd passant par OO, puis de la perpendiculaire à dd passant par OO.

✏️ Correction de l'exercice 9

Question 1

AA : 3×1−2×4+5=03\times1-2\times4+5=0. BB : 3×3−2×7+5=03\times3-2\times7+5=0. Donc A∈dA\in d et B∈dB\in d.

AB→(23)\overrightarrow{AB}\begin{pmatrix}2\\3\end{pmatrix} et n⃗⋅AB→=3×2+(−2)×3=0\vec n\cdot\overrightarrow{AB}=3\times2+(-2)\times3=0.

✅ n⃗\vec n est orthogonal à AB→\overrightarrow{AB}.

Question 2

Comme A∈d′A\in d' et B∈d′B\in d' : axA+byA+c=0ax_A+by_A+c=0 et axB+byB+c=0ax_B+by_B+c=0.

On soustrait : a(xB−xA)+b(yB−yA)=0a(x_B-x_A)+b(y_B-y_A)=0, c'est-à-dire n⃗⋅AB→=0\vec n\cdot\overrightarrow{AB}=0.

✅ Le vecteur non nul n⃗(a ; b)\vec n(a\,;\,b) est orthogonal à tout vecteur AB→\overrightarrow{AB} de d′d' : c'est un vecteur normal de d′d'.

Question 3

La parallèle a le même vecteur normal (3−2)\begin{pmatrix}3\\-2\end{pmatrix} : 3x−2y+c=03x-2y+c=0, et OO donne c=0c=0.

La perpendiculaire a pour vecteur normal (23)\begin{pmatrix}2\\3\end{pmatrix} (orthogonal à (3−2)\begin{pmatrix}3\\-2\end{pmatrix} car 6−6=06-6=0) : 2x+3y+c=02x+3y+c=0, et OO donne c=0c=0.

✅ Parallèle : 3x−2y=03x-2y=0. Perpendiculaire : 2x+3y=02x+3y=0.


Exercice 10 (★★) : un script pour le projeté orthogonal

On considère le script Python suivant :

def projete(xM, yM, a, b, c):
    # projeté orthogonal de M sur la droite ax + by + c = 0
    t = -(a * xM + b * yM + c) / (a**2 + b**2)
    return round(xM + t * a, 6), round(yM + t * b, 6)

1. Justifier que projete(xM, yM, a, b, c) renvoie le projeté orthogonal de M(xM ; yM)M(x_M\,;\,y_M) sur la droite ax+by+c=0ax+by+c=0.

2. Que renvoie projete(0, 0, 3, 4, -20) ? Comparer avec l'exercice 7.

3. Que renvoie projete(-1, 4, 2, 1, -3) ? Comparer avec l'exercice 8.

✏️ Correction de l'exercice 10

Question 1

Le point H=M+t n⃗H=M+t\,\vec n a pour coordonnées (xM+ta ; yM+tb)(x_M+ta\,;\,y_M+tb). Il est sur la droite si et seulement si a(xM+ta)+b(yM+tb)+c=0a(x_M+ta)+b(y_M+tb)+c=0, c'est-à-dire t (a2+b2)=−(axM+byM+c)t\,(a^2+b^2)=-(ax_M+by_M+c).

Comme (a ; b)≠(0 ; 0)(a\,;\,b)\neq(0\,;\,0), a2+b2≠0a^2+b^2\neq0 et on peut diviser : c'est la ligne t = .... Le vecteur MH→=t n⃗\overrightarrow{MH}=t\,\vec n est colinéaire à n⃗\vec n : HH est le projeté orthogonal.

Question 2

Ici t=−−2025=0,8t=-\dfrac{-20}{25}=0{,}8, donc H(0+0,8×3 ; 0+0,8×4)H(0+0{,}8\times3\,;\,0+0{,}8\times4).

✅ Le script affiche (2.4, 3.2), c'est le résultat de l'exercice 7.

Question 3

Ici t=−2×(−1)+4−35=15t=-\dfrac{2\times(-1)+4-3}{5}=\dfrac15, donc H(−1+25 ; 4+15)H\left(-1+\dfrac25\,;\,4+\dfrac15\right).

✅ Le script affiche (-0.6, 4.2), c'est (−35 ; 215)\left(-\dfrac35\,;\,\dfrac{21}5\right) de l'exercice 8.


🎯 Ce qui peut tomber en contrôle

  • Lire un vecteur normal ou directeur (exercice 1).
  • Écrire l'équation d'une droite (exercices 2 et 3).
  • Parallèle et perpendiculaire à une droite donnée (exercice 4).
  • Médiatrice d'un segment (exercice 5).
  • Projeté orthogonal d'un point sur une droite (exercices 7, 8 et 10).
  • Justifier qu'un vecteur est normal à une droite (exercice 9).

QCM : vérifie tes acquis

6 questions, une seule bonne réponse chacune. Choisis une réponse : la correction s'affiche tout de suite. Ton score est enregistré dans Mon espace.

Question 1 sur 6

Un vecteur normal à la droite 3x−4y+7=03x-4y+7=0 est :

Question 2 sur 6

Un vecteur directeur de x+2y−5=0x+2y-5=0 est :

Question 3 sur 6

La droite passant par A(1 ; 2)A(1\,;\,2) de vecteur normal (21)\begin{pmatrix}2\\1\end{pmatrix} a pour équation :

Question 4 sur 6

2x+y−1=02x+y-1=0 et x−2y+3=0x-2y+3=0 sont :

Question 5 sur 6

Un point MM est sur la médiatrice de [AB][AB] si et seulement si :

Question 6 sur 6

Le projeté orthogonal HH d'un point MM sur une droite dd de vecteur normal n⃗\vec n est le point de dd tel que :

Un doute sur ce chapitre ? On en parle ensemble, sans engagement.

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