Terminale Spé Maths / Chapitre 10 : Vecteurs, droites et plans de l'espace
Vecteurs, droites et plans de l'espace : le cours
La géométrie dans l'espace, c'est la géométrie plane… avec une dimension en plus, et la difficulté de faire un dessin lisible. Heureusement, les vecteurs et les coordonnées remplacent le dessin : un calcul ne se trompe pas de perspective.
Ce chapitre répond à des questions très classiques du bac :
- ces trois points sont-ils alignés ?
- ces quatre points sont-ils dans un même plan ?
- ces deux droites se coupent-elles ?
- cette droite est-elle parallèle à ce plan ?
Dans tout le cours, tu verras des astuces 💡, des pièges ⚠️ et un peu d'humour 😄.
🎯 Comment utiliser ce cours
- Lis une partie, puis fais tout de suite la fiche correspondante.
- Retiens le fil rouge du chapitre : tout se ramène à une combinaison linéaire de vecteurs. Colinéaires : . Coplanaires : .
- Ne te fie jamais à la figure : elle sert à comprendre, pas à démontrer.
1. Les vecteurs de l'espace
Les vecteurs de l'espace se manipulent exactement comme dans le plan.
- Le vecteur est associé à la translation qui transforme en .
- Relation de Chasles : .
- si et seulement si est un parallélogramme (éventuellement aplati).
- est le milieu de si et seulement si .
- On peut additionner deux vecteurs, multiplier un vecteur par un réel, et les règles de calcul sont les mêmes qu'en seconde.
Dans un parallélépipède (dont le cube), on a :
💡 Astuce Chasles. Pour décomposer un vecteur, insère un point : . Choisis les points intermédiaires pour retomber sur des vecteurs connus (les arêtes du solide).
2. Colinéarité, droites de l'espace
Deux vecteurs et sont colinéaires si l'un est un multiple de l'autre. Si :
Le vecteur nul est colinéaire à tout vecteur.
- Points alignés : , , sont alignés et sont colinéaires.
- Droite : la droite passant par et de vecteur directeur est l'ensemble des points tels que , avec .
- Droites parallèles : deux droites sont parallèles si et seulement si leurs vecteurs directeurs sont colinéaires.
3. Plans de l'espace
Soit un point, et , deux vecteurs non colinéaires. L'ensemble des points tels que :
est un plan, noté . On dit que est une base de ce plan.
- Trois points non alignés , , définissent un plan .
- Plans parallèles : deux plans sont parallèles si et seulement si leurs bases engendrent les mêmes vecteurs, c'est-à-dire si les vecteurs de l'un s'écrivent comme combinaisons linéaires de ceux de l'autre.
4. Coplanarité et base de l'espace
Trois vecteurs , , sont coplanaires si, en les représentant avec la même origine par , , , les points , , , sont dans un même plan.
Théorème (coplanarité). Soient et deux vecteurs non colinéaires. Le vecteur est coplanaire avec et si et seulement s'il existe deux réels et tels que :
Conséquence. Quatre points , , , (avec , , non alignés) sont coplanaires si et seulement si .
Base de l'espace. Trois vecteurs non coplanaires forment une base de l'espace. Tout vecteur s'écrit alors de manière unique :
Les réels sont les coordonnées de dans cette base. Dans un tétraèdre (quatre points non coplanaires), est une base de l'espace.
⚠️ Pièges :
- Trois vecteurs coplanaires n'ont pas besoin d'être colinéaires : , et sont coplanaires sans être colinéaires.
- Le théorème de coplanarité exige que et soient non colinéaires.
- Pour montrer que des vecteurs ne sont pas coplanaires, il faut prouver qu'aucune combinaison linéaire ne convient : un système sans solution.
😄 Trois vecteurs coplanaires, c'est comme trois personnes qui se sont assises sur la même nappe de pique-nique : elles peuvent être loin les unes des autres, mais elles sont toutes dessus.
5. Repère et coordonnées
Un repère de l'espace est où est une base. Le point a pour coordonnées si .
Pour et :
- Vecteur : .
- Milieu de : .
- Combinaison linéaire : a pour coordonnées .
- Colinéarité : et () sont colinéaires leurs coordonnées sont proportionnelles : il existe avec , , .
Méthode : trois vecteurs sont-ils coplanaires ?
Soient , , avec , non colinéaires.
- Écris : cela donne trois équations en et .
- Résous le système avec deux équations.
- Vérifie la troisième avec les valeurs trouvées.
- Si elle est vérifiée : coplanaires, avec . Sinon : non coplanaires.
💡 Astuce. Pour prouver que quatre points sont coplanaires, ramène-toi à une seule relation . Écris-la explicitement dans la copie : c'est la preuve.
6. Représentation paramétrique d'une droite
La droite passant par et de vecteur directeur est l'ensemble des points tels que , c'est-à-dire :
C'est une représentation paramétrique de . À chaque valeur de correspond un point de .
- Un point est-il sur la droite ? On cherche à partir d'une coordonnée, puis on vérifie les deux autres.
- Droite : on prend comme point et (ou un multiple simplifié) comme vecteur directeur.
- Une droite a une infinité de représentations paramétriques : on peut changer de point et de vecteur directeur.
7. Positions relatives
Deux droites
passe par avec , et passe par avec .
- Si et sont colinéaires : les droites sont parallèles. Elles sont confondues si , sinon strictement parallèles.
- Sinon : on résout le système obtenu en égalant les coordonnées (paramètres et ).
- une solution unique : sécantes en un point ;
- aucune solution : non coplanaires.
⚠️ Dans l'espace, deux droites qui ne sont pas parallèles ne sont pas forcément sécantes.
Il existe des droites non coplanaires : elles ne se coupent jamais et ne sont pas parallèles.
Ne conclus donc « sécantes » qu'après avoir trouvé le point d'intersection.
Une droite et un plan
passe par avec ; .
- , , non coplanaires : et sont sécants en un unique point.
- , , coplanaires : est parallèle à . Elle est incluse dans si , sinon strictement parallèle.
Pour trouver le point d'intersection : on écrit avec , ce qui donne un système de trois équations à trois inconnues .
Deux plans
et .
- et sont des combinaisons linéaires de et : les plans sont parallèles. Confondus si , sinon strictement parallèles.
- Sinon : les plans sont sécants suivant une droite.
8. Les propriétés de parallélisme
Ces résultats servent à justifier une intersection sans calcul.
- Plans parallèles : si deux plans sont parallèles, tout plan qui coupe l'un coupe l'autre suivant deux droites parallèles.
- Droite parallèle à un plan : si une droite est parallèle à une droite de , alors est parallèle à (ou incluse dans ).
- Théorème du toit : soient deux plans et sécants suivant une droite . Si une droite de est parallèle à une droite de , alors est parallèle à et à .
Pourquoi le toit ? Soit le vecteur directeur commun à et .
Il est dans la direction de et de .
Si n'était pas dirigée par , les deux plans auraient la même direction, donc seraient parallèles : contradiction avec « sécants ».
9. Python
def vecteur(A, B):
return (B[0] - A[0], B[1] - A[1], B[2] - A[2])
def colineaires(u, v):
return (u[1]*v[2] - u[2]*v[1] == 0
and u[2]*v[0] - u[0]*v[2] == 0
and u[0]*v[1] - u[1]*v[0] == 0)
def alignes(A, B, C):
return colineaires(vecteur(A, B), vecteur(A, C))
def point(A, u, t):
return (A[0] + t*u[0], A[1] + t*u[1], A[2] + t*u[2])
💡 Ici, colineaires teste que les « produits en croix » sont tous nuls. Avec des nombres décimaux, préfère des fractions (Fraction du module fractions) pour éviter les erreurs d'arrondi.
10. Les 10 pépites du chapitre
- Colinéaire : . Coplanaire : . Écris la relation.
- Chasles : insère un point pour retomber sur les arêtes.
- Ne te fie jamais à la figure : justifie par un calcul.
- Coplanarité par coordonnées : deux équations pour trouver et , la troisième pour vérifier.
- Le théorème de coplanarité demande , non colinéaires.
- Représentation paramétrique : point vecteur directeur, avec .
- Pour un point sur une droite : trouve avec une coordonnée, vérifie les deux autres.
- Deux droites non parallèles : résous le système. Aucune solution non coplanaires.
- Droite et plan : vecteur directeur coplanaire avec la base parallèle. Reste à voir si elle est incluse.
- Théorème du toit pour trouver une intersection de plans sans calcul.
11. Ce qui peut tomber au bac
- Des vecteurs exprimés avec Chasles, avec alignement et coplanarité (fiche 1).
- Des coordonnées : alignement, coplanarité, décomposition dans une base (fiche 2).
- Des représentations paramétriques, positions relatives de droites et de plans (fiche 3).
- Des problèmes de solides : tétraèdre, cube, pyramide, avec Python (fiche 4 et exercices type bac).
Tu as maintenant le cours. Passe aux quatre fiches, aux exercices type bac, puis au Guide de rédaction du chapitre.
Un doute sur ce chapitre ? On en parle ensemble, sans engagement.
Réserver un appel découverte