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En géométrie euclidienne, c'est-à-dire dans le plan et l'espace muni d'une distance et d'un produit scalaire, les droites et les plans possèdent des propriétés métriques permettant de les caractériser grâce à un point et un vecteur, dit normal. On peut aussi calculer la distance qui les sépare d'un point donné ou bien calculer celle qui sépare deux droites ou deux plans. On peut aussi calculer l'angle formé par deux droites ou deux plans.
Dans cet article, on a muni le plan ou l'espace d'un repère orthonormal dans lequel sont exprimées toutes les coordonnées. Toute droite du plan y possède une équation du type ux + vy + h = 0 où (u, v) est différent de (0 , 0) et tout plan de l'espace possède une équation de la forme ux + vy + wz + h = 0 où (u, v, w) est différent de (0, 0, 0).
La droite dans le plan euclidien
Droite, pente et vecteur directeur
Si la droite (D) d'équation ux + vy + h = 0 n'est pas parallèle à l'axe des ordonnées y, donc si v n'est pas nul, alors elle possède une équation sous la forme
avec
La pente (ou coefficient directeur) d'une droite est le réel a.
Si l'on appelle α l'angle entre l'axe des abscisses x et la droite (D), α peut se déduire par :
Le vecteur est un vecteur directeur de (D), Le vecteur est un autre vecteur directeur.
Vecteur normal à une droite
Soit un point de la droite (D) dont une équation dans un repère orthonormal est donnée par :
et un point spécifique de (D), on a :
En retranchant (2) à (1) on obtient :
En notant , le vecteur de coordonnées (u, v), on exprime (1) comme suit :
La droite d'équation ux + vy + h = 0 est donc orthogonale au vecteur . Le vecteur est appelé un vecteur normal à la droite (D).
Si la droite (D) n'est pas parallèle à l'axe y, elle peut être donnée par une équation de type :
Le vecteur est un vecteur normal à (D).
Droite passant par un point et orthogonale à un vecteur non nul donné
Soit un point et un vecteur non nul. Le point M appartient à la droite (D), passant par et orthogonale à , si et seulement si :
La droite D, passant par et orthogonale à , a donc pour équation :
Soit H le point projeté de sur D, qui est donc tel que est orthogonal à (D).
La droite perpendiculaire à D et passant par M étant orientée suivant la direction du vecteur , on montre que la distance algébrique entre M et (D) est donnée par :
En valeur absolue :
Équation normale d'une droite
Dans le repère , notons un vecteur unitaire normal à la droite (D), orienté de O vers (D), la valeur φ représente alors l'angle. On note d'autre part la distance entre l'origine O du repère et la droite D.
Cas où la droite est définie par l'intersection de deux plans
Dans l'espace, on étudie la droite définie par l'intersection de deux plans d'équations :
Le plan (Q) perpendiculaire à (P1) appartient au faisceau de plans .
(Q) sera perpendiculaire à (P1) pour
Soient H1, HQ et H les projections orthogonales du point M respectivement sur (P1), (Q) et (D), on en déduit .
On calculera MH1 et MHQ comme détaillé plus bas.
Cas où la droite est définie par un point et un vecteur directeur non nul
La distance MH est donnée par
Droites orthogonales à un plan
Le plan étant défini par l'équation ux + vy + wz + h = 0, les droites perpendiculaires au plan sont toutes les droites ayant comme vecteur directeur . Une droite D passant par le point et perpendiculaire à a pour équations :
dans le cas où aucun des réels, u, v, w, n'est nul.
Si un seul des réels est nul, par exemple u= 0, le système devient :
Si deux réels sont nuls, par exemple u=v=0, le système devient :
Distance entre deux droites quelconques de l'espace
Soient la droite (D0) passant par et de direction le vecteur et (D1) la droite passant par et de direction
Si les vecteurs et sont indépendants, le volume du solide construit sur est égal à |k|. Ce réel se calcule grâce au produit mixte :
L'aire de la base du solide est donnée par
tel que
La distance entre les deux droites est alors égale à
Si les vecteurs sont colinéaires alors les deux droites sont parallèles et la distance qui les sépare correspond à la distance qui sépare le point M1 de la droite D0.
Le plan dans l'espace euclidien
Vecteur normal à un plan
Soit un point du plan (P) dont l'équation dans un repère orthonormé est donnée par :
Pour un point spécifique de P on obtient :
En retranchant (2bis) à (1bis) on obtient :
En notant , le vecteur de coordonnées (u, v, w), on exprime (1bis) comme suit :
Le plan P d'équation ux + vy + wz + h = 0 est donc orthogonal au vecteur et ce vecteur est appelé un vecteur normal au plan P.
Si le coefficient w n'est pas nul, alors le plan ne contient pas de droite parallèle à l'axe z et l'équation du plan peut s'écrire :
avec a = -u/w, b = -v/w et c = -h/w. Le vecteur de composantes (-a, -b, 1) est un vecteur normal au plan.
Plan passant par un point et orthogonal à un vecteur non nul donné
Soit un point et un vecteur non nul. Le point M appartient au plan P, passant par et orthogonal à , si et seulement si :
Le plan P, passant par et orthogonal à , a donc pour équation :
Soit H le projeté de sur (P) avec orthogonal à (P).
La droite perpendiculaire à (P) et passant par M étant orientée suivant la direction du vecteur , on montre que la distance algébrique entre M et (P) est donnée par :
En valeur absolue :
Angles de deux plans
Soient (P) et (P') deux plans d'équations
L'angle géométrique (P, P') est déterminé à l'aide de l'angle des vecteurs normaux
Articles détaillés : Produit scalaire et Produit vectoriel.
Du point de vue de l'application numérique, la forme avec le cosinus est plus précise lorsque l'angle est proche de π/2 + kπ, et la forme avec le sinus est plus précise lorsque l'angle est proche de 0 + kπ.
Cas particulier : angle de plus grande pente
L'angle de plus grande pente est l'angle le plus grand formé entre un plan quelconque et le plan horizontal. De façon imagée on peut définir l'angle de plus grande pente comme l'angle formé entre la trajectoire (rectiligne) d'une bille circulant librement sur ce plan quelconque et le plan horizontal.
Étant donné l'équation d'un plan horizontal :
L'angle de plus grande pente est donné par :
Plans perpendiculaires
Les plans (P) et (P') sont perpendiculaires si les vecteurs normaux et sont orthogonaux, ce qui implique
Intersection de deux plans
Soit les plans (P1) et (P2) d'équations cartésiennes respectives :
Alors :
si : les plans sont confondus ;
si : les plans sont strictement parallèles ;
En dehors des cas précédents, les deux plans sont sécants. Leur droite commune a pour équation les équations des deux plans.
Faisceau de plans
Le faisceau de plans défini par les plans P1 et P2 est l'ensemble des plans solution de l'équation :
En posant ;
(avec la condition P2 = 0 alors λ correspond à l'infini).
si (P1) et (P2) se coupent en une droite (D, le faisceau est l'ensemble des plans passant par (D).
si (P1) et (P2) sont strictement parallèles, le faisceau est l'ensemble des plans strictement parallèles à (P1).
Condition pour que trois plans aient une droite commune ou soient parallèles
Soit les plans d'équation :
S'il existe α, β, γ non tous nuls tels que :
pour tous x, y et z
Cette relation exprime que (P1) et (P2) sont les plans de base du faisceau contenant (P3).
Équation de plan et déterminant
Plan défini par un point et deux vecteurs non colinéaires
Soient un point et deux vecteurs et non colinéaires. Un point M(x, y, z) appartient au plan (P) passant par et de directions et si et seulement s'il existe deux réels λ et μ tels que . Cette égalité exprime que sont coplanaires.
Ce qui donne, en représentant le produit mixte de ces trois vecteurs sous la forme d'un déterminant :
Son équation est :
que l'on peut écrire sous la forme
Plan défini par deux points et un vecteur
Soient deux points et un vecteur non colinéaire à .
Le point M appartient au plan passant par et de direction si et seulement si les trois vecteurs : sont coplanaires, donc :
Son équation est :
Plan défini par trois points non alignés
Soient , trois points non alignés.
Par analogie avec ce qui précède, l'équation du plan passant par ces trois points est :
Voir aussi
: document utilisé comme source pour la rédaction de cet article.
Bibliographie
P.C. Aïtcin, P. Louquet et A. Vogt, Géométrie : applications de l'algèbre linéaire et de l'analyse à la géométrie, Armand Colin, coll. « Du cours aux applications »