Fiche 1 : vecteurs de l'espace, colinéarité et coplanarité
Huit exercices pour maîtriser les vecteurs de l'espace sans coordonnées :
relation de Chasles et règle du parallélépipède ;
décomposition d'un vecteur dans une base ;
alignement de points ;
coplanarité de vecteurs et parallélisme d'une droite et d'un plan ;
parallélogramme dans l'espace ;
base d'un tétraèdre ;
diagonales d'un parallélépipède ;
vrai/faux.
Toutes les corrections sont rédigées comme on l'attend au bac :
chaque égalité vectorielle est justifiée (Chasles, milieu, parallélogramme) ;
la relation de colinéarité ou de coplanarité est écrite ;
la conclusion nomme la propriété utilisée.
💡 Le modèle de rédaction d'un alignement
« On a AJ=31(AB+AC). Comme I est le milieu de [BC], AI=21(AB+AC). Donc AJ=32AI. Les vecteurs AJ et AI sont colinéaires, donc les points A, J, I sont alignés. »
Écris chaque vecteur comme combinaison des vecteurs de base.
Fais apparaître la relationAJ=kAI.
Conclus avec la propriété : « colinéaires, donc alignés ».
⚠️ Les pièges classiques
Se fier à la figure au lieu de justifier par une relation vectorielle.
Écrire AB=CD alors que c'est AB=DC (l'ordre des lettres compte).
Appliquer le théorème de coplanarité avec deux vecteurs colinéaires.
Oublier de dire pourquoi une droite est strictement parallèle (et non incluse).
😄 En géométrie dans l'espace, la figure ressemble toujours à une cage d'escalier. Fie-toi aux vecteurs, pas à tes yeux.
Dans tous les exercices sur le cube :ABCDEFGH est un cube, ABCD est la face inférieure, EFGH la face supérieure, et [AE], [BF], [CG], [DH] sont des arêtes.
Exercice 1 (★) : Chasles et règle du parallélépipède
Dans le cube ABCDEFGH, écrire chaque vecteur sous la forme d'un seul vecteur :
1.AB+BC+CG
2.BF+FG+GC
3.EH+HG+GC
4.AB+AD+AE
5.CG−EA
6.FH−BD
✏️ Correction de l'exercice 1
Méthode
On utilise la relation de Chasles, et le fait que dans un cube les quatre arêtes « parallèles » représentent le même vecteur : AB=DC=EF=HG, AD=BC=FG=EH, AE=BF=CG=DH.
Question 1
D'après la relation de Chasles : AB+BC=AC, puis AC+CG=AG.
✅ AB+BC+CG=AG
Question 2
Les points s'enchaînent : B→F→G→C. D'après Chasles :
✅ BF+FG+GC=BC
Question 3
Les points s'enchaînent : E→H→G→C.
✅ EH+HG+GC=EC
Question 4
Par la règle du parallélépipède, ou par Chasles : AD=BC et AE=CG. Donc AB+AD+AE=AB+BC+CG.
✅ AB+AD+AE=AG
Question 5
EA=−AE et CG=AE. Donc CG−EA=AE+AE.
✅ CG−EA=2AE
Question 6
BDHF est un rectangle, car BF=DH. Donc BD=FH. Or FH est le vecteur du 6.
✅ FH−BD=0
Exercice 2 (★★) : décomposer dans une base
Dans le cube ABCDEFGH, on pose u=AB, v=AD et w=AE.
On note I le milieu de [EF], J le milieu de [BC] et K le milieu de [GH].
Exprimer IJ, JK et IK en fonction de u, v, w.
✏️ Correction de l'exercice 2
Méthode
On insère des points intermédiaires pour passer par des arêtes, et on utilise les milieux.
Question 1 : le vecteur IJ
D'après la relation de Chasles :
IJ=IF+FB+BJ
I est le milieu de [EF] et EF=AB, donc IF=21EF=21u.
FB=−BF=−w.
J est le milieu de [BC] et BC=AD, donc BJ=21v.
✅ IJ=21u+21v−w
Question 2 : le vecteur JK
D'après la relation de Chasles :
JK=JC+CG+GK
JC=21BC=21v.
CG=w.
K est le milieu de [GH] et GH=−AB=−u, donc GK=−21u.
✅ JK=−21u+21v+w
Question 3 : le vecteur IK
D'après la relation de Chasles :
IK=IF+FG+GK=21u+v−21u
✅ IK=v
Contrôle :I et K sont les milieux de [EF] et [GH], deux arêtes de la face supérieure. Le segment [IK] traverse cette face parallèlement à [AD] : c'est cohérent avec IK=AD.
Exercice 3 (★★) : alignement de points
ABCD est un tétraèdre. On note I le milieu de [BC]. Le point J est défini par :
AJ=31(AB+AC)
1. Montrer que les points A, J, I sont alignés.
2. Le point E est défini par AE=AB+AC. Montrer que A, I, E sont alignés et que I est le milieu de [AE].
✏️ Correction de l'exercice 3
Question 1
I est le milieu de [BC]. Donc :
AI=21(AB+AC)
D'où AB+AC=2AI. On reporte dans la définition de J :
AJ=31×2AI=32AI
Les vecteurs AJ et AI sont colinéaires.
✅ Les points A, J, I sont alignés.
(Le point J est le centre de gravité du triangle ABC : il est aux deux tiers de la médiane [AI].)
Question 2
On a AE=AB+AC=2AI. Les vecteurs AE et AI sont colinéaires.
✅ Les points A, I, E sont alignés.
De plus AI=21AE.
✅ I est le milieu de [AE] (et ABEC est un parallélogramme).
Exercice 4 (★★) : coplanarité et droite parallèle à un plan
Dans le cube ABCDEFGH :
1. Montrer que les vecteurs AF, AH et BD sont coplanaires.
2. Montrer que la droite (BD) est parallèle au plan (AFH).
3. Montrer que B n'appartient pas au plan (AFH). Que peut-on en déduire ?
✏️ Correction de l'exercice 4
Question 1
Les vecteurs AF et AH ne sont pas colinéaires (les points A, F, H ne sont pas alignés). D'après Chasles :
FH=FA+AH=AH−AF
Comme BDHF est un rectangle, BD=FH. Donc :
BD=AH−AF
BD est une combinaison linéaire de AF et AH.
✅ Les vecteurs AF, AH, BD sont coplanaires.
Question 2
Le plan (AFH) est dirigé par la base (AF,AH). La droite (BD) est dirigée par BD. D'après la question 1, BD s'écrit comme combinaison linéaire de AF et AH.
✅ La droite (BD) est parallèle au plan (AFH).
Question 3
Raisonnons par l'absurde. Si B∈(AFH), il existerait a, b réels tels que AB=aAF+bAH.
Dans le repère (A;AB,AD,AE), on a AF(1;0;1), AH(0;1;1), AB(1;0;0). L'égalité donne :
1=a, 0=b, 0=a+b
Les deux premières équations donnent a+b=1=0 : contradiction.
✅ B∈/(AFH).
La droite (BD) est parallèle au plan (AFH) et passe par B∈/(AFH).
✅ (BD) est strictement parallèle à (AFH) (sans point commun avec ce plan).
Exercice 5 (★★) : un parallélogramme dans l'espace
ABCD est un tétraèdre. On note I, J, K, L les milieux respectifs de [AB], [BC], [CD], [DA].
Montrer que IJKL est un parallélogramme. Que peut-on en déduire pour les points I, J, K, L ?
✏️ Correction de l'exercice 5
Méthode
On calcule IJ et LK avec les milieux, et on compare.
D'après Chasles, IJ=IB+BJ. Or I est le milieu de [AB] et J celui de [BC] :
IJ=21AB+21BC=21AC
D'après Chasles, LK=LD+DK. Or L est le milieu de [DA] et K celui de [CD] :
LK=21AD+21DC=21AC
Donc IJ=LK.
✅ IJKL est un parallélogramme.
Un parallélogramme est plan : les points I, J, K, L sont coplanaires, même si ABCD est un tétraèdre (non plan).
Exercice 6 (★★) : décomposer dans la base d'un tétraèdre
ABCD est un tétraèdre. On note I le milieu de [BC] et J le milieu de [AD].
1. Justifier que (AB,AC,AD) est une base de l'espace.
2. Exprimer IJ dans cette base.
3. Le point K est défini par AK=AB+AC−21AD. Montrer que K est le symétrique de J par rapport à I.
✏️ Correction de l'exercice 6
Question 1
Les points A, B, C, D sont les sommets d'un tétraèdre : ils ne sont pas coplanaires. Donc les vecteurs AB, AC, AD ne sont pas coplanaires.
✅ (AB,AC,AD) est une base de l'espace.
Question 2
D'après Chasles : IJ=IA+AJ.
I est le milieu de [BC] : AI=21AB+21AC, donc IA=−21AB−21AC.
J est le milieu de [AD] : AJ=21AD.
✅ IJ=−21AB−21AC+21AD
Question 3
K est le symétrique de J par rapport à I si et seulement si I est le milieu de [JK], c'est-à-dire si IK=−IJ.
Calculons IK avec la relation de Chasles :
IK=AK−AI
AK=AB+AC−21AD et AI=21AB+21AC.
IK=21AB+21AC−21AD
D'après la question 2, IJ=−21AB−21AC+21AD. Donc IK=−IJ.
✅ I est le milieu de [JK] : K est le symétrique de J par rapport à I.
Exercice 7 (★★★) : les diagonales d'un parallélépipède
ABCDEFGH est un parallélépipède (les faces sont des parallélogrammes). Ses diagonales sont [AG], [BH], [CE] et [DF].
On pose u=AB, v=AD, w=AE.
1. Exprimer AG et BH en fonction de u, v, w.
2. On note M le milieu de [AG] et N celui de [BH]. Montrer que M=N.
3. Que peut-on en déduire pour les quatre diagonales ?
✏️ Correction de l'exercice 7
Question 1
D'après la règle du parallélépipède :
✅ AG=u+v+w
D'après Chasles, BH=BA+AD+DH. Or DH=AE=w.
✅ BH=−u+v+w
Question 2
M est le milieu de [AG] :
AM=21AG=21u+21v+21w
N est le milieu de [BH] :
AN=AB+BN=u+21BH=u+21(−u+v+w)=21u+21v+21w
Donc AM=AN.
✅ M=N.
Question 3
Le raisonnement est le même pour [CE] et [DF] (en choisissant C ou D comme origine).
✅ Les quatre diagonales du parallélépipède se coupent en leur milieu, le centre du parallélépipède.
Exercice 8 (★★) : vrai ou faux
Justifier chaque réponse :
1. Trois vecteurs coplanaires sont toujours colinéaires deux à deux.
2. Si w=2u−3v, alors u, v, w sont coplanaires.
3. Dans un tétraèdre ABCD, les vecteurs AB, AC, AD sont coplanaires.
4. Deux droites qui n'ont aucun point commun sont parallèles.
5. Quatre points de l'espace sont toujours coplanaires.
6. Si AC=−3AB, alors les points A, B, C sont alignés.
✏️ Correction de l'exercice 8
Affirmation 1
Contre-exemple : i, j et i+j sont coplanaires, mais i et j ne sont pas colinéaires.
❌ Faux.
Affirmation 2
w est une combinaison linéaire de u et v (avec a=2 et b=−3).
Si u et v ne sont pas colinéaires, c'est le théorème de coplanarité.
S'ils sont colinéaires, w l'est aussi : les trois vecteurs sont colinéaires, donc coplanaires.
✅ Vrai.
Affirmation 3
Les sommets d'un tétraèdre ne sont pas coplanaires : AB, AC, AD ne sont donc pas coplanaires (ils forment une base de l'espace).
❌ Faux.
Affirmation 4
Contre-exemple : deux droites non coplanaires, comme (AB) et (CG) dans un cube : elles n'ont aucun point commun et ne sont pas parallèles.
❌ Faux.
Affirmation 5
Contre-exemple : les sommets d'un tétraèdre ne sont pas coplanaires.
❌ Faux.
Affirmation 6
AC=−3AB : les vecteurs AB et AC sont colinéaires, donc les points sont alignés.
✅ Vrai.
🎯 Ce qui peut tomber au bac
Une décomposition de vecteur avec Chasles dans un cube ou un tétraèdre (exercices 1, 2, 6).
Un alignement de points par une relation vectorielle (exercices 3 et 7).
Une coplanarité et un parallélisme droite-plan (exercice 4).
Un parallélogramme dans l'espace (exercice 5).
QCM : vérifie tes acquis
10 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 10
Les vecteurs u(1;2;3) et v(2;4;6) sont :
v=2u : les coordonnées sont proportionnelles.
Question 2 sur 10
Les vecteurs u(1;2;3) et v(2;4;7) sont :
Les rapports 2, 2 et 37 ne sont pas égaux : les coordonnées ne sont pas proportionnelles.
Question 3 sur 10
Trois points A, B, C non alignés et un point D sont coplanaires si :
D est dans le plan (ABC) si et seulement si AD est combinaison linéaire de AB et AC.
Question 4 sur 10
Si I est le milieu de [AB], alors :
Le milieu partage [AB] en deux segments égaux et de même sens.
Question 5 sur 10
Trois vecteurs u, v, w, avec u et v non colinéaires, sont coplanaires si :
Coplanarité : w s'exprime comme combinaison linéaire de u et v.
Question 6 sur 10
Dans l'exercice 1, à quel vecteur est égal AB+BC+CG dans le cube ABCDEFGH ?
C'est la relation de Chasles appliquée trois fois de suite : le chemin A→B→C→G équivaut au vecteur direct AG.
Question 7 sur 10
Dans l'exercice 3, comment est défini le point J tel que A, J, I soient alignés (avec I milieu de [BC]) ?
J est le centre de gravité du triangle ABC, qui est bien aligné avec A et le milieu I de [BC].
Question 8 sur 10
Dans l'exercice 4, la droite (BD) et le plan (AFH) sont :
Le vecteur directeur de (BD) est combinaison linéaire de deux vecteurs du plan (AFH), et B n'appartient pas à ce plan.
Question 9 sur 10
Dans l'exercice 5, avec I, J, K, L les milieux des côtés d'un tétraèdre ABCD, quelle est la nature du quadrilatère IJKL ?
IJ=21AC=LK : les côtés opposés sont deux à deux égaux.
Question 10 sur 10
Dans l'exercice 7, dans un parallélépipède ABCDEFGH, où se coupent les quatre diagonales [AG], [BH], [CE], [DF] ?
Chaque diagonale a le même milieu 21(u+v+w) dans le repère (A;u,v,w) : c'est le centre de symétrie du solide.
Un doute sur ce chapitre ? On en parle ensemble, sans engagement.