Terminale Spé Maths / Chapitre 10 : Vecteurs, droites et plans de l'espace
Fiche 3 : droites, plans et positions relatives
Huit exercices pour maîtriser les droites et les plans de l'espace :
- représentation paramétrique d'une droite ;
- appartenance d'un point à une droite ;
- positions relatives de deux droites (confondues, parallèles, sécantes, non coplanaires) ;
- position relative d'une droite et d'un plan, point d'intersection ;
- intersection d'une droite et du plan ;
- recherche d'un paramètre pour que deux droites soient sécantes ;
- plans parallèles ;
- vrai/faux.
Toutes les corrections sont rédigées comme on l'attend au bac :
- vecteurs directeurs comparés (colinéaires ou non) ;
- système écrit, résolu, puis vérifié dans la troisième équation ;
- point d'intersection donné avec ses trois coordonnées ;
- conclusion nommant la position relative.
💡 Le modèle de rédaction de deux droites sécantes
« Les vecteurs directeurs et ne sont pas colinéaires : les droites ne sont pas parallèles. Cherchons un point commun : on résout
, ,
La deuxième équation donne .
La première donne .
La troisième est vérifiée ().
Le système admet une unique solution : les droites sont sécantes au point de paramètre , c'est-à-dire . »
- Compare d'abord les vecteurs directeurs.
- Utilise deux paramètres différents ( et ) pour les deux droites.
- Résous avec deux équations, vérifie la troisième, puis donne le point.
⚠️ Les pièges classiques
- Utiliser le même paramètre pour les deux droites : on cherche et .
- Conclure « sécantes » sans avoir vérifié la troisième équation.
- Conclure « non coplanaires » sans avoir montré que les vecteurs directeurs ne sont pas colinéaires.
- Dire « parallèle au plan » sans distinguer incluse et strictement parallèle.
😄 Deux droites non coplanaires, c'est deux avions qui passent au-dessus de la même ville à des altitudes différentes : leurs trajectoires ont l'air de se croiser sur la carte, mais elles ne se rencontrent jamais.
Exercice 1 (★) : représentation paramétrique
On considère la droite passant par et de vecteur directeur .
1. Donner une représentation paramétrique de .
2. Donner les coordonnées des points de obtenus pour , et .
3. Les points et appartiennent-ils à ?
✏️ Correction de l'exercice 1
Question 1
Le point est sur si et seulement si avec .
✅
Question 2
Pour : , c'est le point .
Pour : .
Pour : .
Question 3
Le point . On cherche avec la première coordonnée : , donc . On vérifie les deux autres : ✓ et ✓.
✅ (pour ).
Le point . La première coordonnée donne , donc . Pour cette valeur, .
❌ .
Exercice 2 (★) : la droite
On donne , et .
1. Donner une représentation paramétrique de la droite .
2. Le point appartient-il à ?
3. Déterminer le point d'intersection de avec le plan d'équation .
✏️ Correction de l'exercice 2
Question 1
. Le vecteur dirige aussi la droite.
✅
Question 2
La première coordonnée donne , donc . On vérifie : ✓ et ✓.
✅ (pour ) : les points , , sont alignés.
Question 3
Un point de est dans le plan si , donc . On reporte : et .
✅ Le point d'intersection est .
Exercice 3 (★★) : positions relatives de deux droites
La droite est donnée par , .
Étudier la position relative de avec chacune des droites :
:
:
:
:
✏️ Correction de l'exercice 3
Les vecteurs directeurs
: . : . : . : . : .
Avec
: les vecteurs directeurs sont colinéaires, les droites sont parallèles. Le point de est-il sur ? donne , puis ✓ et ✓.
✅ et sont confondues.
Avec
: les droites sont parallèles. Le point de est-il sur ? donne , puis ✓ mais .
✅ et sont strictement parallèles.
Avec
et ne sont pas colinéaires. On résout :
, ,
La deuxième équation donne . La première donne . La troisième est vérifiée ().
✅ et sont sécantes au point (obtenu pour et ).
Avec
et ne sont pas colinéaires. On résout :
, ,
La deuxième équation donne . La troisième donne : contradiction. Le système n'a pas de solution.
✅ et sont non coplanaires (ni parallèles, ni sécantes).
Exercice 4 (★★) : une droite et un plan
Le plan passe par et est dirigé par et . Un point appartient à si et seulement si ().
Étudier la position relative de et de chacune des droites :
passant par , de vecteur directeur
passant par , de vecteur directeur
passant par , de vecteur directeur
✏️ Correction de l'exercice 4
Méthode
On regarde si le vecteur directeur est une combinaison linéaire de et . Un point de vérifie , , .
La droite
Cherchons : , , donc . Ce n'est pas possible.
Donc , , ne sont pas coplanaires : et sont sécantes.
Cherchons le point d'intersection.
Un point de est .
Il est dans s'il existe , tels que :
, ,
La première donne , la troisième . La deuxième devient , donc et .
Alors et . Le point est .
✅ coupe au point .
La droite
: c'est une combinaison linéaire, est parallèle à . Le point est-il dans ? donne , , et ✓.
✅ est incluse dans .
La droite
( ✓) : est parallèle à . Le point est-il dans ? donne , , mais .
✅ est strictement parallèle à .
Exercice 5 (★★★) : intersection d'une droite et du plan
On donne , , et la droite passant par , de vecteur directeur .
1. Montrer que , , ne sont pas alignés.
2. Déterminer le point d'intersection de et du plan .
✏️ Correction de l'exercice 5
Question 1
et . Leurs coordonnées ne sont pas proportionnelles ().
✅ , , ne sont pas alignés.
Question 2
Un point de s'écrit . Il est dans s'il existe , tels que :
En retranchant la première équation à la deuxième : , donc .
Alors . La troisième équation devient , donc et .
D'où .
Vérification de la première équation : et ✓
✅ coupe le plan au point .
Exercice 6 (★★★) : trouver un paramètre
On considère les droites et :
: ,
: , , où est un réel.
1. Montrer que et ne sont pas parallèles.
2. Déterminer pour que et soient sécantes, et donner alors leur point d'intersection.
3. Que se passe-t-il si cette valeur ?
✏️ Correction de l'exercice 6
Question 1
a pour vecteur directeur , a pour vecteur directeur . Ces vecteurs ne sont pas colinéaires : mais .
✅ et ne sont pas parallèles.
Question 2
On cherche et tels que :
, ,
La première donne . La deuxième devient , donc , et .
La troisième s'écrit alors , soit .
✅ et sont sécantes si et seulement si .
Le point d'intersection est obtenu pour : . On le retrouve avec : ✓
✅ Le point d'intersection est .
Question 3
Si , le système n'a pas de solution (les deux premières équations imposent et , et la troisième est fausse).
✅ Les droites et sont alors non coplanaires.
Exercice 7 (★★) : deux plans parallèles
Le plan passe par et est dirigé par et .
Le plan passe par et est dirigé par et .
1. Montrer que et sont parallèles.
2. Sont-ils confondus ?
✏️ Correction de l'exercice 7
Question 1
Les vecteurs et ne sont pas colinéaires : et ne sont pas proportionnels.
Le vecteur . On cherche : , , ✓. Donc .
Le vecteur . On cherche : , , ✓. Donc .
Les vecteurs et sont des combinaisons linéaires de et .
✅ Les plans et sont parallèles.
Question 2
Ils sont confondus si et seulement si . On a . On cherche , tels que : , , et .
Donc .
✅ Les plans et sont strictement parallèles (non confondus).
Exercice 8 (★★) : vrai ou faux
Justifier chaque réponse :
1. Deux droites non parallèles de l'espace sont sécantes.
2. Une droite admet une infinité de représentations paramétriques.
3. Si une droite est parallèle à un plan et possède un point dans ce plan, elle est incluse dans ce plan.
4. Deux plans non parallèles se coupent suivant une droite.
5. Une droite et un plan sans point commun sont parallèles.
6. Deux droites parallèles à un même plan sont parallèles entre elles.
✏️ Correction de l'exercice 8
Affirmation 1
Contre-exemple : et de l'exercice 3 ne sont pas parallèles et ne se coupent pas (droites non coplanaires).
❌ Faux.
Affirmation 2
On peut changer le point de départ (n'importe quel point de la droite) et le vecteur directeur (n'importe quel multiple non nul).
✅ Vrai.
Affirmation 3
Si est parallèle à , son vecteur directeur est combinaison linéaire d'une base de . Si possède un point , alors tout point est aussi dans .
✅ Vrai.
Affirmation 4
Deux plans non parallèles (et donc non confondus) ne peuvent pas être disjoints. Leur intersection est une droite.
✅ Vrai.
Affirmation 5
Si la droite n'était pas parallèle au plan, elle le couperait en un point (vecteur directeur non coplanaire avec la base du plan). Sans point commun, elle est donc strictement parallèle au plan.
✅ Vrai.
Affirmation 6
Contre-exemple : dans un cube, les droites et sont parallèles au plan , mais elles sont sécantes en .
❌ Faux.
🎯 Ce qui peut tomber au bac
- Une représentation paramétrique et l'appartenance d'un point (exercices 1 et 2).
- La position relative de deux droites avec le système en et (exercices 3 et 6).
- Une droite et un plan : parallèle, incluse ou sécante, avec le point d'intersection (exercices 4 et 5).
- Des plans parallèles (exercice 7).
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
Quelle est une représentation paramétrique de la droite passant par de vecteur directeur ?
: on ajoute fois chaque coordonnée du vecteur directeur.
Question 2 sur 10
Deux droites de vecteurs directeurs non colinéaires sont :
Dans l'espace, deux droites non parallèles peuvent être sécantes ou non coplanaires.
Question 3 sur 10
Deux droites dont les vecteurs directeurs sont colinéaires sont :
La colinéarité des vecteurs directeurs caractérise le parallélisme.
Question 4 sur 10
Deux plans non parallèles se coupent :
Leur intersection est une droite.
Question 5 sur 10
Si le vecteur directeur d'une droite est combinaison linéaire de deux vecteurs non colinéaires d'un plan, la droite est :
La droite a une direction contenue dans le plan.
Question 6 sur 10
Dans l'exercice 2, le point appartient-il à la droite avec et ?
En résolvant , , : les trois équations donnent , donc .
Question 7 sur 10
Dans l'exercice 3, comment sont les droites et , dont les vecteurs directeurs et sont colinéaires et qui partagent un point commun ?
Vecteurs directeurs colinéaires (parallèles) et un point commun : les droites sont confondues.
Question 8 sur 10
Dans l'exercice 4, la droite est-elle incluse dans le plan ?
Le vecteur directeur de est combinaison linéaire de et , et un point de vérifie l'équation du plan : la droite est incluse dans .
Question 9 sur 10
Dans l'exercice 5, en quel point la droite (passant par , de vecteur directeur ) coupe-t-elle le plan ?
On substitue dans l'équation du plan et on résout en : on trouve .
Question 10 sur 10
Dans l'exercice 6, pour quelle valeur de les droites et sont-elles sécantes ?
En résolvant le système des deux représentations paramétriques, on trouve une solution seulement pour , au point .
Un doute sur ce chapitre ? On en parle ensemble, sans engagement.
Réserver un appel découverte