Caractérisation vectorielle d'une droite dans l'espace.
Définition.
Soit $A$, $B$ deux points distincts de l'espace, la droite $(AB)$ est l'ensemble des points $M$ tels que $\overrightarrow{AM}=t\overrightarrow{AB}$.
Soit $A$ un points de l'espace et $\overrightarrow{u}$ un vecteur, la droite passant par $A$ de vecteur directeur
$\overrightarrow{u}$ est l'ensemble des points $M$ tels que $\overrightarrow{AM}=t\overrightarrow{u}$.
Le segment $[AB]$ est l'ensemble des points $M$ tels que $\overrightarrow{AM}=t\overrightarrow{AB}$ avec $t\in[0;1]$.
la demi-droite $[AB)$ est l'ensemble des points $M$ tels que $\overrightarrow{AM}=t\overrightarrow{AB}$ avec $t\in[0;+\infty[$.
Représentations paramétriques d'une droite.
Théorème.
La droite $(d)$ passant par le point $A(x_0;y_0;z_0)$ et de vecteur directeur $\overrightarrow{u}(a;b;c)$ est l'ensemble des points $M(x;y;z)$ tels que:
$\Bigg\{
\begin{array}[pos]{c}
x=at+x_0\\
y=bt+y_0\\
z=ct+z_0\\
\end{array}$
avec $t\in\mathbb{R}.$
$M(x;y;z)\in(d)$ $\Leftrightarrow$ $\overrightarrow{AM}$ et $\overrightarrow{u}$ sont colinéaire $\Leftrightarrow$
Il existe $t\in\mathbb{R}$ tel que $\overrightarrow{AM}=t\overrightarrow{u}$ $\Leftrightarrow$ $\overrightarrow{AM}\begin{pmatrix}
x-x_A\\
y-y_A\\
z-z_A\\
\end{pmatrix}$ $=t\times\begin{pmatrix}a\\b\\c\\ \end{pmatrix}$ $=\begin{pmatrix}ta\\tb\\tc\\ \end{pmatrix}$.
Donc nous avons donc la relation: $\Bigg\{
\begin{array}[pos]{c}
x=at+x_0\\
y=bt+y_0\\
z=ct+z_0\\
\end{array}$
avec $t\in\mathbb{R}$.
Exercices:
Soit $(d)$ la droite passant par $A(2;-3;-1)$ et de vecteur directeur
$\overrightarrow{u}\begin{pmatrix}-2\\1\\3\\ \end{pmatrix}$, donner une équation paramétrique de $(d)$.
Le point $C(-2;-1;5)$ appartiennent-il à la droite $(d)$?
Le point $D(-6;-4;9)$ appartiennent-il à la droite $(d)$?
$(d):\Bigg\{
\begin{array}[pos]{c}
x=-2t+2\\
y=t-3\\
z=3t-1\\
\end{array}$
avec $t\in\mathbb{R}$.
Recherchons un réel $t$ pour que $\Bigg\{
\begin{array}[pos]{c}
-2t+2=-2\\
t-3=-1\\
3t-1=5\\
\end{array}$.
Pour résoudre ce systéme il suffit de résoudre une des trois équations puis de vérifier les deux autres.
Prenons $-2t+2=-2$ $\Leftrightarrow$ $t=2$.
Avec $t=2$ les deux autres équations sont bien vérifiées. Donc $C\in(d)$.
$\Bigg\{
\begin{array}[pos]{c}
-2t+2=-6\\
t-3=-4\\
3t-1=9\\
\end{array}$.
Pour résoudre ce systéme il suffit de résoudre une des trois équations puis de vérifier les deux autres.
Prenons $-2t+2=-6$ $\Leftrightarrow$ $t=4$.
Avec $t=2$ il est clair que $t-3\not=-4$ par exemple, donc le point $D\not\in(d)$.
Caractérisation vectorielle d'un plan dans l'espace.
Définition.
Soit $A$, $B$, $C$ trois points distincts de l'espace, le plan $(ABC)$ est l'ensemble des points
$M$ tels que $\overrightarrow{AM}=x\overrightarrow{AB}+y\overrightarrow{AC}$ où $x\in\mathbb{R}$ et $y\in\mathbb{R}$.
Soit $A$ un point de l'espace, et soit $\overrightarrow{u}$ et $\overrightarrow{v}$ deux vecteurs non colinéaires de
l'espace le plan $\mathcal{P}$ passant par $A$ et dirigé par les vecteurs $\overrightarrow{u}$ et $\overrightarrow{v}$ est
l'ensemble des points $M$ tels que $\overrightarrow{AM}=x\overrightarrow{u}+y\overrightarrow{v}$ où $x\in\mathbb{R}$ et $y\in\mathbb{R}$.
Vecteurs coplanaires.
Des vecteurs sont coplanaires si et seulement si leurs représentants de même origine, un point $A$, ont leurs extrémités dans un même plan passant par A.
Propriétés.
Trois vecteurs $\overrightarrow{u}$, $\overrightarrow{v}$,et $\overrightarrow{w}$ sont coplanaires si, et seulement si, il existe trois réels $a$, $b$ et $c$
non tous nuls tels que:
$a\overrightarrow{u}+b\overrightarrow{v}+c\overrightarrow{w}=\overrightarrow{0}$.
Trois vecteurs $\overrightarrow{u}$, $\overrightarrow{v}$,et $\overrightarrow{w}$ ne sont pas coplanaires si, et seulement si, l'assertion suivante est vérifiée: $a\overrightarrow{u}+b\overrightarrow{v}+c\overrightarrow{w}=\overrightarrow{0}$ implique $a=b=c=0$.
Si la proposition 1 est vraie alors la deuxiéme est la négation de 2
Rappel de logique
$A\Leftrightarrow B$ veut aussi dire $non(A)\Leftrightarrow non(B)$.
Démontrons la proposition 1:
Démontrons que si il existe trois réels $a$, $b$ et $c$ non tous nuls tels que $a\overrightarrow{u}+b\overrightarrow{v}+c\overrightarrow{w}=\overrightarrow{0}$
$\leftrightarrow$ $\overrightarrow{u}$, $\overrightarrow{v}$,et $\overrightarrow{w}$ sont coplanaires.
supposons que $a\not=0$ alors $\overrightarrow{u}=\dfrac{-b}{a}\overrightarrow{v}-\dfrac{c}{b}\overrightarrow{w}$, donc
$\leftrightarrow$ $\overrightarrow{u}$, $\overrightarrow{v}$,et $\overrightarrow{w}$ sont coplanaires.
Démontrons la réciproque.
Supposons que $\overrightarrow{v}$, $\overrightarrow{v}$ et $\overrightarrow{w}$ soient coplanaires.
Premier cas
Exercice.
Soit $\overrightarrow{u}\begin{pmatrix}1\\-3\\5\\ \end{pmatrix}$, $\overrightarrow{v}\begin{pmatrix}4\\1\\1\\ \end{pmatrix}$ et
$\overrightarrow{w}\begin{pmatrix}0\\1\\1\\ \end{pmatrix}$. Montrer que $\overrightarrow{u}$, $\overrightarrow{v}$ et $\overrightarrow{w}$
ne sont pas coplanaires.
Considérons les points $A(1;0;1)$, $B(2;2;4)$, $C(3;0;5)$ et $D(5;-4;7)$. Démontrer que les points $A$, $B$, $C$ et $D$ sont coplanaires.
Soit trois réls $a$, $b$ et $c$ tels que $a\overrightarrow{u}+b\overrightarrow{v}+c\overrightarrow{w}=\overrightarrow{0}$.
Nous avons $a\overrightarrow{u}+b\overrightarrow{v}+c\overrightarrow{w}=\overrightarrow{0}$ $\Leftrightarrow$
$\Bigg\{\begin{array}[pos]{c}a+4b=0\\-3a+b+c=0\\5a+b+c=0\\ \end{array}$ $\Leftrightarrow$
$\Bigg\{\begin{array}[pos]{c}a=-4b\\13b+c=0\\-19b+c=0\\ \end{array}$ $\Leftrightarrow$
$\Bigg\{\begin{array}[pos]{c}a=-4b\\c=-13b\\-32b=0\\ \end{array}$ $\Leftrightarrow$
$a=b=c=0$. Donc les vecteurs $\overrightarrow{u}$, $\overrightarrow{v}$ et $\overrightarrow{w}$ ne sont pas coplanaires.
$\overrightarrow{AB}\begin{pmatrix}1\\2\\3\\ \end{pmatrix}$, $\overrightarrow{AC}\begin{pmatrix}2\\0\\4\\ \end{pmatrix}$ et
$\overrightarrow{AD}\begin{pmatrix}4\\-4\\6\\ \end{pmatrix}$. Comme les vecteurs $\overrightarrow{AB}$ et $\overrightarrow{AC}$
ne sont pas colinéaires, démontrer que $A(1;0;1)$, $B(2;2;4)$, $C(3;0;5)$ et $D(5;-4;7)$ sont coplanaires revient à montrer qu'il existe deux réels $\alpha$ et $\beta$
tels que $\overrightarrow{AD}=\alpha\times\overrightarrow{AB}+\beta\times\overrightarrow{AC}$.
Donc on a: $\Bigg\{\begin{array}[pos]{c}\alpha+2\beta=4\\2\alpha=-4\\3\alpha+4\beta=6\\ \end{array}$ $\Leftrightarrow$
$\Bigg\{\begin{array}[pos]{c}-2+2\beta=4\\\alpha=-2\\3\alpha+4\beta=6\\ \end{array}$ $\Leftrightarrow$
$\alpha=-2$ et $\beta=3$.
Donc $\overrightarrow{AD}=-2\times\overrightarrow{AB}+3\times\overrightarrow{AC}$, les vecteurs $\overrightarrow{AB}$, $\overrightarrow{AC}$ et $\overrightarrow{AD}$
sont coplanaires et donc il en est de même pour les points $A(1;0;1)$, $B(2;2;4)$, $C(3;0;5)$ et $D(5;-4;7)$.
Propriété.
Une droite $\mathcal{D}$ est parallèle à un plan $\mathcal{P}$ si, et seulement si,
un vecteur directeur de $\mathcal{D}$ est coplanaire avec deux vecteurs non colinéaires de $\mathcal{P}$.
Deux plans $\mathcal{P}$ et $\mathcal{P}'$ sont parallèles si, et seulement si,
deux vecteurs non colinéaires du plan $\mathcal{P}$ sont respectivement égaux à deux vecteurs du plan $\mathcal{P}'$.
Représentations paramétriques d'un plan.
Théorème.
Soit $A(x_0,y_0,z_0)$ un point de l'espace, et soit $\overrightarrow{u}(a,b,c)$ et $\overrightarrow{v}(a',b',c')$ deux vecteurs non colinéaires de l'espace,
et le plan $\mathcal{P}$ passant par $A$, dirigé par les vecteurs $\overrightarrow{u}$ et $\overrightarrow{v}$.
Un point $M(x,y,z)$ appartient à $\mathcal{P}$ si et seulement si il existe deux reéls $t$ et $t'$ tels que:
$\Bigg\{
\begin{array}[pos]{c}
x=at+a't'+x_0\\
y=bt+b't'+y_0\\
z=ct+c't'+z_0\\
\end{array}
$.
$M(x,y)$ appartient à $\mathcal{P}$ si et seulement si il existe deux reéls $t$ et $t'$
tels que $\overrightarrow{AM}=t\overrightarrow{u}+t^{'}\overrightarrow{v}$ $\Leftrightarrow$
$\overrightarrow{AM}\begin{pmatrix}
x-x_A\\
y-y_A\\
z-z_A\\
\end{pmatrix}$ $=t\times\begin{pmatrix}a\\b\\c\\ \end{pmatrix}+t^{'}\times\begin{pmatrix}a'\\b'\\c'\\ \end{pmatrix}$
$=\begin{pmatrix}ta+t'a'\\tb+t'b'\\tc+t'c'\\ \end{pmatrix}$.
Donc nous avons donc la relation: $\Bigg\{
\begin{array}[pos]{c}
x=at+a't'+x_0\\
y=bt+b't'+y_0\\
z=ct+c't'+z_0\\
\end{array}
$.
$(\mathcal{P}):\Bigg\{
\begin{array}[pos]{c}
x=-2t+t'+2\\
y=t-3\\
z=3t-t'-1\\
\end{array}$
avec $t\in\mathbb{R}$ et $t\in\mathbb{R}$ .
Recherchons un réel $t$ et $t'$pour que $\Bigg\{
\begin{array}[pos]{c}
-2t+t'+2=-2\\
t-3=-1\\
3t-t'-1=5\\
\end{array}$.
$\Bigg\{
\begin{array}[pos]{c}
-2t+t'+2=-2\\
t-3=-1\\
3t-t'-1=5\\
\end{array}$ $\Leftrightarrow$ $\Bigg\{
\begin{array}[pos]{c}
-2t+t'+2=-2\\
t=2\\
6-t'-1=5\\
\end{array}$ $\Leftrightarrow$ $\Bigg\{
\begin{array}[pos]{c}
-2t+t'+2=-2\\
t=2\\
t'=0\\
\end{array}$.
Il reste à vérifier la premiére équation du systéme: on a bien $-2\times 2+0+2=-2$. Donc le point $C\in\mathcal{P}$.
Le point $C$ est le point du plan de paramétres $t=2$ et $t'=0$.
Recherchons un réel $t$ et $t'$pour que $\Bigg\{
\begin{array}[pos]{c}
-2t+t'+2=-6\\
t-3=-4\\
3t-t'-1=9\\
\end{array}$.
$\Bigg\{
\begin{array}[pos]{c}
-2t+t'+2=-6\\
t-3=-4\\
3t-t'-1=9\\
\end{array}$ $\Leftrightarrow$ $\Bigg\{
\begin{array}[pos]{c}
-2t+t'+2=-2\\
t=-1\\
-3-t'-1=5\\
\end{array}$ $\Leftrightarrow$ $\Bigg\{
\begin{array}[pos]{c}
-2t+t'+2=-2\\
t=-1\\
t'=-9\\
\end{array}$.
Il reste à vérifier la premiére équation du systéme: $-2t+t'+2=2+(-9)+2=-5\not=-2$ donc $D\not\in\mathcal{P}$
Exercices.
Soit $(\mathcal{P})$ le plan passant par $A(2;-3;-1)$ et de vecteurs directeurs
$\overrightarrow{u}\begin{pmatrix}-2\\1\\3\\ \end{pmatrix}$ et
$\overrightarrow{u}\begin{pmatrix}1\\0\\-1\\ \end{pmatrix}$
, donner une équation paramétrique de $(\mathcal{P})$.
Le point $C(-2;-1;5)$ appartiennent-il au plan $(\mathcal{P})$?
Le point $D(-6;-4;9)$ appartiennent-il au plan $(\mathcal{P})$?
Intersection d'une droite et d'un plan.
Configuration entre une droite $\Delta$ et un plan $\mathcal{P}$.
$\Delta$ et $\mathcal{P}$ sont sécants en un point $I$.
Exercice:
Soit $\mathcal{P}$ le plan et $\mathcal{D}$ la droite de représentation paramétriques respectives:
$(\mathcal{P}):\Bigg\{
\begin{array}[pos]{c}
x=1+t\\
y=3+t'\\
z=4+t+2t'\\
\end{array}$ avec $(t;t')\in\mathbb{R}^2$
$(\mathcal{D}):\Bigg\{\begin{array}[pos]{c}x=6-k \\y=-4+2k\\z=1+k \\ \end{array}$ avec $k\in\mathbb{R}$.
Le point A de paramétre 0 de $\mathcal{D}$ appartient-il au plan $\mathcal{P}$?
Démontrer que la droite $\mathcal{D}$ est sécante au plan $\mathcal{P}$.
$\Delta$ est contenue dans $\mathcal{P}$.
Exercice:
Soit $\mathcal{P}$ le plan et $\mathcal{D}$ la droite de représentation paramétriques respectives:
$(\mathcal{P}):\Bigg\{
\begin{array}[pos]{c}
x=1+t\\
y=3+t'\\
z=4+t+2t'\\
\end{array}$ avec $(t;t')\in\mathbb{R}^2$
$(\mathcal{D}):\Bigg\{\begin{array}[pos]{c}x=1-k \\y=3\\z=4-k \\ \end{array}$ avec $k\in\mathbb{R}$.
Démontrer que la droite $\mathcal{D}$ est contenue dans le plan $\mathcal{P}$.
$\delta$ et $\mathcal{P}$ sont disjoints.
Exercice:
Soit $\mathcal{P}$ le plan et $\mathcal{D}$ la droite de représentation paramétriques respectives:
$(\mathcal{P}):\Bigg\{
\begin{array}[pos]{c}
x=1+t\\
y=3+t'\\
z=4+t+2t'\\
\end{array}$ avec $(t;t')\in\mathbb{R}^2$
$(\mathcal{D}):\Bigg\{\begin{array}[pos]{c}x=1-2k \\y=3\\z=6-2k \\ \end{array}$ avec $k\in\mathbb{R}$.
Démontrer que la droite $\mathcal{D}$ est contenue dans le plan $\mathcal{P}$.
En remplaçant k par 0 dans le systéme d'équations paramétriques de $\mathcal{D}$ on obtient $A(6;-4;1)$. Recherchons si le point $A$
appartient au plan $\mathcal{P}$. Recherchons donc si il existe deux réels $t$ et $t'$ tels que:
$\Bigg\{
\begin{array}[pos]{c}
1+t=6\\
3+t'=-4\\
4+t+2t'=1\\
\end{array}$ on a $t=5$ et $t'=-7$, vérifions la derniére équation $4+5+2\times (-7)=9-14=-5\not=1$, donc le point $A\not\in\mathcal{P}$.
Méthode 1:Les vecteurs $\overrightarrow{u}\begin{pmatrix} 1\\ 0\\ 1\\ \end{pmatrix}$ et $\overrightarrow{v}\begin{pmatrix} 0\\ 1\\ 2\\ \end{pmatrix}$
sont des vecteurs directeurs du plan $\mathcal{P}$.
$\overrightarrow{w}\begin{pmatrix} -1\\ 2\\ 1\\ \end{pmatrix}$ est un
vecteur directeur de la droite $\mathcal{D}$. Montrons que les vecteurs $\overrightarrow{u}$, $\overrightarrow{v}$ et $\overrightarrow{w}$
ne sont pas coplanaires.
Soit $a$, $b$ et $c$ trois réels tels que $a\overrightarrow{u}+b\overrightarrow{v}+c\overrightarrow{w}=\overrightarrow{0}$. nous avons donc le systéme suivant:
$\Bigg\{\begin{array}[pos]{c} a-c=0\\ b+2c=0\\ a+2b+c=0\\ \end{array}$ $\Leftrightarrow$
$\Bigg\{\begin{array}[pos]{c} a=c\\ b=-2c\\ c+2(-2c)+c=0\\ \end{array}$ $\Leftrightarrow$
$\Bigg\{\begin{array}[pos]{c} a=c\\ b=-2c\\ -2c=0\\ \end{array}$ $\Leftrightarrow$
donc $c=0$ donc $a=0$ et puis $b=0$. Donc les vecteurs $\overrightarrow{u}$, $\overrightarrow{v}$ et $\overrightarrow{w}$
ne sont pas coplanaires. La droite et le plan sont sécants.
Remarque:
Avec cette méthode on répond strictement à la question,
mais on ne détermine pas les coordonnées du point d'intersection du plan $\mathcal{P}$ et de la droite $\mathcal{D}$.
Méthode 2:
Caculons si elle existe les coordonnées du point d'intersection du plan $\mathcal{P}$ et de la droite $\mathcal{D}$.
$\Bigg\{\begin{array}[pos]{c} 1+t=6-k\\ 3+t'=-4+2k\\ 4+t+2t'=1+k\\ \end{array}$ $\Leftrightarrow$
$\Bigg\{\begin{array}[pos]{c} t=5-k\\ t'=-7+2k\\ 4+(5-k)+2(-7+2k)=1+k\\ \end{array}$ $\Leftrightarrow$
$\Bigg\{\begin{array}[pos]{c} t=5-k\\ t'=-7+2k\\ 4+(5-k)+2(-7+2k)=1+k\\ \end{array}$ $\Leftrightarrow$
$\Bigg\{\begin{array}[pos]{c} t=5-k\\ t'=-7+2k\\ k=3\\ \end{array}$ $\Leftrightarrow$
$\Bigg\{\begin{array}[pos]{c} t=2\\ t'=-1\\ k=3\\ \end{array}$.
Le point d'intersection est le point $I$ de la droite $\mathcal{D}$ de paramétre $k=3$, c'est aussi le point du plan
$\mathcal{P}$ de paramétres $(t=2;t'=-1)$. Calculons les coordonnées de $I$.
$I:\Bigg\{\begin{array}[pos]{c}x=6-3=3 \\y=-4+2\times3=2\\z=1+3=4\\ \end{array}$, donc $A(3;2;4)\in\mathcal{D}\cap\mathcal{P}$.
Méthode 1:
Les vecteurs $\overrightarrow{u}\begin{pmatrix} 1\\ 0\\ 1\\ \end{pmatrix}$ et $\overrightarrow{v}\begin{pmatrix} 0\\ 1\\ 2\\ \end{pmatrix}$
sont des vecteurs directeurs du plan $\mathcal{P}$.
$(\mathcal{D}):\Bigg\{\begin{array}[pos]{c}x=1-k \\y=3\\z=4-k \\ \end{array}$ avec $k\in\mathbb{R}$.
$\overrightarrow{w}\begin{pmatrix} -1\\ 0\\ -1\\ \end{pmatrix}$ est un
vecteur directeur de la droite $\mathcal{D}$. On remarque que $\overrightarrow{w}=-\overrightarrow{u}$.
La droite $\mathcal{D}$ est parallèle au plan $\mathcal{P}$. si $k=0$ le point $A(1;3;4)\in\mathcal{D}$ et
si $t=t'=0$ on retruve le point $A$, donc $A\in\mathcal{D}\cap\mathcal{P}$ et $\mathcal{D}//\mathcal{P}$, donc
la droite $\mathcal{D}$ est incluse dans le plan $\mathcal{P}$.
Méthode 1: Résolvons le systéme suivant:
$\Bigg\{\begin{array}[pos]{c} 1+t=1-k\\ 3+t'=3\\ 4+t+2t'=4-k\\ \end{array}$ $\Leftrightarrow$
$\Bigg\{\begin{array}[pos]{c} t=-k\\ t'=0\\ 4-k=4-k\\ \end{array}$.
Remarque:
On remarque la troisiéme ligne du systéme est toujours vérifiée.
Le systéme admet une infinité de solution, donc la droite $\mathcal{D}$ est incluse dans le plan $\mathcal{P}$.
Les vecteurs $\overrightarrow{u}\begin{pmatrix} 1\\ 0\\ 1\\ \end{pmatrix}$ et $\overrightarrow{v}\begin{pmatrix} 0\\ 1\\ 2\\ \end{pmatrix}$
sont des vecteurs directeurs du plan $\mathcal{P}$.
$(\mathcal{D}):\Bigg\{\begin{array}[pos]{c}x=1-2k \\y=3\\z=6-2k \\ \end{array}$ avec $k\in\mathbb{R}$.
$\overrightarrow{w}\begin{pmatrix} -2\\ 0\\ -2\\ \end{pmatrix}$ est un
vecteur directeur de la droite $\mathcal{D}$. On remarque que $\overrightarrow{w}=-2\times\overrightarrow{u}$.
La droite $\mathcal{D}$ est parallèle au plan $\mathcal{P}$
Prenons $t=t'=0$,donc le point $A(1;3;4)\in\mathcal{P}$, regardons si $A$ appartient aussi à $\mathcal{D}$.
$\Bigg\{\begin{array}[pos]{c}1-2k=1 \\3=3\\6-2k=4 \\ \end{array}$ $\Leftrightarrow$
$\Bigg\{\begin{array}[pos]{c}-2k=0 \\3=3\\-2k=-2 \\ \end{array}$ $\Leftrightarrow$
$\Bigg\{\begin{array}[pos]{c} k=0 \\3=3\\ k=-1 \\ \end{array}$ IMPOSSIBLE!.
Intersection de deux plans.
Configuration entre une droite $\Delta$ et un plan $\mathcal{P}$.
$\mathcal{P}_1$ et $\mathcal{P}_2$ sont confondus.
Exercice:
Soit $\mathcal{P}$ et $\mathcal{P'}$ deux plans de représentation paramétriques respectives:
$(\mathcal{P}):\Bigg\{
\begin{array}[pos]{c}
x=1+t\\
y=3+t'\\
z=4+t+2t'\\
\end{array}$ avec $(t;t')\in\mathbb{R}^2$
et $(\mathcal{P'}):\Bigg\{\begin{array}[pos]{c}x=1+2s \\y=3-2s'\\z=4+2s-4s' \\ \end{array}$ avec $(s;s')\in\mathbb{R}^2$.
Démontrer que les plans $\mathcal{P}$ et $\mathcal{P'}$ sont confondus.
$\mathcal{P}_1$ et $\mathcal{P}_2$ sont disjoints.
Exercice:
Soit $\mathcal{P}$ et $\mathcal{P'}$ deux plans de représentation paramétriques respectives:
$(\mathcal{P}):\Bigg\{
\begin{array}[pos]{c}
x=-1+t\\
y=-3+t'\\
z=4+t+2t'\\
\end{array}$ avec $(t;t')\in\mathbb{R}^2$
et $(\mathcal{P'}):\Bigg\{\begin{array}[pos]{c}x=1+2s \\y=3-2s'\\z=4+2s-4s' \\ \end{array}$ avec $(s;s')\in\mathbb{R}^2$.
Démontrer que les plans $\mathcal{P}$ et $\mathcal{P'}$ sont stictements paralléles.
$\mathcal{P}_1$ et $\mathcal{P}_2$ sont sécants.
Exercice:
Soit $\mathcal{P}$ et $\mathcal{P'}$ deux plans de représentation paramétriques respectives:
$(\mathcal{P}):\Bigg\{
\begin{array}[pos]{c}
x=1+2t\\
y=3-t'\\
z=4+t+2t'\\
\end{array}$ avec $(t;t')\in\mathbb{R}^2$
et $(\mathcal{P'}):\Bigg\{\begin{array}[pos]{c}x=1+s \\y=3-2s'\\z=4+2s-3s' \\ \end{array}$ avec $(s;s')\in\mathbb{R}^2$.
Démontrer que les plans $\mathcal{P}$ et $\mathcal{P'}$ sont sécants.
Les vecteurs $\overrightarrow{u}\begin{pmatrix} 1\\ 0\\ 1\\ \end{pmatrix}$ et $\overrightarrow{v}\begin{pmatrix} 0\\ 1\\ 2\\ \end{pmatrix}$
sont des vecteurs directeurs du plan $\mathcal{P}$ et Les vecteurs $\overrightarrow{u'}\begin{pmatrix} 2\\ 0\\ 2\\ \end{pmatrix}$ et $\overrightarrow{v'}\begin{pmatrix} 0\\ -2\\ -4\\ \end{pmatrix}$
sont des vecteurs directeurs du plan $\mathcal{P'}$.
On remarque que $\overrightarrow{u'}=2\overrightarrow{u}$ et $\overrightarrow{u'}=-2\overrightarrow{u}$. Donc les plans $\mathcal{P}$ et $\mathcal{P'}$ sont paralléles.
Montrons que ces deux plans ont un point commun et cela montrera qu'ils sont confondus.
Si $t=t'=0$ le point $A(1,3,4)$ appartient à $\mathcal{P}$ si $s=s'=0$ on remarque que le point $A$ appartient aussi au plan $\mathcal{P'}$.
Conclusion les plans $\mathcal{P}$ et $\mathcal{P'}$ sont confondus.($\mathcal{P}=\mathcal{P'}$)
Les vecteurs $\overrightarrow{u}\begin{pmatrix} 1\\ 0\\ 1\\ \end{pmatrix}$ et $\overrightarrow{v}\begin{pmatrix} 0\\ 1\\ 2\\ \end{pmatrix}$
sont des vecteurs directeurs du plan $\mathcal{P}$ et Les vecteurs $\overrightarrow{u'}\begin{pmatrix} 2\\ 0\\ 2\\ \end{pmatrix}$ et $\overrightarrow{v'}\begin{pmatrix} 0\\ -2\\ -4\\ \end{pmatrix}$
sont des vecteurs directeurs du plan $\mathcal{P'}$.
On remarque que $\overrightarrow{u'}=2\overrightarrow{u}$ et $\overrightarrow{u'}=-2\overrightarrow{u}$. Donc les plans $\mathcal{P}$ et $\mathcal{P'}$ sont paralléles.
Montrons qu'un des deux plans contient un point $A$ mais pas l'autre.
Par exemple Si $s=s'=0$ le point $A(1,3,4)$ appartient à $\mathcal{P'}$. Montrons que $A\not\in\mathcal{P}$.
$\Bigg\{\begin{array}[pos]{c} -1+t=1\\ -3+t'=3\\ 4+t+2t'=4\\ \end{array}$ $\Leftrightarrow$
$\Bigg\{\begin{array}[pos]{c} t=2\\ t'=6\\ 4+t+2t'=4\\ \end{array}$.
Vérifions la derniére ligne du systéme: $4+2+2\times 6=18\not=4$. donc $A\not\in\mathcal{P}$. $\mathcal{P}$ et $\mathcal{P'}$ sont donc strictements paralléles.
Les vecteurs $\overrightarrow{u}\begin{pmatrix} 2\\ 0\\ 1\\ \end{pmatrix}$ et $\overrightarrow{v}\begin{pmatrix} 0\\ -1\\ 2\\ \end{pmatrix}$
sont des vecteurs directeurs du plan $\mathcal{P}$ et Les vecteurs $\overrightarrow{u'}\begin{pmatrix} 1\\ 0\\ 2\\ \end{pmatrix}$ et $\overrightarrow{v'}\begin{pmatrix} 0\\ -2\\ -3\\ \end{pmatrix}$
sont des vecteurs directeurs du plan $\mathcal{P'}$.
Montrons que trois de ces vacteurs directeurs ne sont pas coplanaires.
Montrons par exemple que $\overrightarrow{u}$, $\overrightarrow{v}$ et $\overrightarrow{u'}$ nes sont pas coplanaires.
Soit $a$, $b$ et $c$ trois réels tels que $a\overrightarrow{u}+b\overrightarrow{v}+c\overrightarrow{w}=\overrightarrow{0}$.
$a\overrightarrow{u}+b\overrightarrow{v}+c\overrightarrow{w}=\overrightarrow{0}$ $\Leftrightarrow$
$\Bigg\{\begin{array}[pos]{c}2a+c=0\\-b=0\\a+2b+2c=0\\ \end{array}$ $\Leftrightarrow$
$\Bigg\{\begin{array}[pos]{c}2a+c=0\\b=0\\a+2c=0\\ \end{array}$ $\Leftrightarrow$
$\Bigg\{\begin{array}[pos]{c}c=-2a\\b=0\\-3a=0\\ \end{array}$ $\Leftrightarrow$
$\Bigg\{\begin{array}[pos]{c}c=0\\b=0\\a=0\\ \end{array}$. Donc $a=b=c=0$.
Les vecteurs $\overrightarrow{u}$, $\overrightarrow{v}$ et $\overrightarrow{u'}$ nes sont pas coplanaires.
Donc les plans $\mathcal{P}$ et $\mathcal{P'}$ ne sont pas paralléles, ils sont sécants.