Chapitre VIII : GEOMETRIE DANS L’ESPACE

Produit scalaire dans l’espace

EXERCICE 8.1 Les points A, B, C et D ont pour coordonnées A ( 4 , 1 , -2 ) ; B ( -1 , 2 , 4 ) ; C ( 0 , 2 , -5 )

et D ( 1 , - 2 , - 27 ). M est le milieu du segment [ AB ] .

Calculer . , . , . et . . →AB

→AC

→AB

→CD

→DB

→AC

→MB

→CD

EXERCICE 8.2 Soit ABC un triangle. Soient a, b et c les longueurs respectives des longueurs [BC], [AC] et [AB] . A’ désigne le milieu de [BC]. G est l’isobarycentre de ABC. On rappelle que si G est

l’isobarycentre du triangle ABC, on a : GA2 + GB2 + GC2 = 3

cba 222 ++ .

1) Montrer que pour tout point M de l’espace :

2 . + . = 3 MG →

MA→

'MA→

MB→

MC 2 - 6

cba 222 ++ .

2) En déduire que les points d’intersection des cercles de diamètres [AA’] et [BC], s’ils existent, appartiennent aussi à un cercle de centre G dont on précisera le rayon.

EXERCICE 8.3 Dans l’espace rapporté à un repère orthonormé, on considère les points A ( 13 , -11 , 10 ) ; B ( 13 , 9 , 25 ) ; C ( -7 , 18 , 13 ) et D ( -7 , -2 , -2 ) . Quelle est la nature de la figure ABCD ?

EXERCICE 8.4 (CORRIGE) On considère un tétraèdre régulier ABCD. L’objet de cet exercice est de montrer que quelque soit le point M du segment [BC] et quel que soit le point N du segment [BD], la mesure de l’angle

MAN est inférieure ou égale à π3

.

On pose x = BM et y = BN, on désigne par a l’arête du tétraèdre. 1) Montrer que MA² = a² + x² - ax , que NA² = a² + y² - ay et que :

→AM . =

→AN

a a x a y² ( )( )+ − −2

.

2) En déduire les inégalités suivantes : AM ≤ a ; AN ≤ a et . →

AM→AN ≥

a²2

.

3) Conclure.

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Orthogonalité

EXERCICE 8.5

On considère les points A et B de coordonnées : A ( 1 , 1 , 2 ) et B ( 2 , - 2 , 0 ) . Le point C est le symétrique de A par rapport à l’origine O du repère. Prouvez que le triangle ABC est isocèle et rectangle.

EXERCICE 8.6 Le triangle BCD a pour orthocentre H, et A est un point distinct de H appartenant à la perpendiculaire en H au plan (BCD). Montrer que les arêtes AB et CD du tétraèdre ABCD sont orthogonales. Même question pour les arêtes AC et BD, puis pour les arêtes BC et AD.

EXERCICE 8.7 (CORRIGE) ABCDE est une pyramide de base ABCD. ABCD est un carré de centre O et EA = EB = EC = ED = 2a avec OA = a.

1) Montrer que la droite (EO) est orthogonale au plan (ABCD). 2) Déterminer suivant les valeurs de k l’ensemble des points M tels que :

MA2 + MB2 + MC2 + MD2 = k a2 Equation cartésienne d’un plan

EXERCICE 8.8

Soit un repère orthonormé ( O,→

i ,→

j ,→

k ) .

1) Donner l’équation du plan P normal au vecteur et passant par le point A : →

n

a) A ( 1 ; -2 ; 3 ) et ( 0 ; 1 ; -1 ) . →

n

b) A ( 2 ; 3 ; -4 ) et ( -2 ; 5 ; 6 ) . →

n2) Donner l’équation du plan Q parallèle au plan P et passant par A :

a) A ( 1 ; 0 ; -1 ) et P : 07z2y3x2 =++− . b) A ( -1 ; 2 ; -3 ) et P : 08z5y4x =−++− .

EXERCICE 8.9 Dans chacun des cas trouver la distance du plan P au point A :

1) A ( 1 ; 0 ; -1 ) et P : 07z2y3x2 =++− . 2) A ( -1 ; 2 ; -3 ) et P : 08z5y4x =−++− . 3) A ( -2 ; -2 ; -3 ) et P : 04z3y2x =−++ .

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EXERCICE 8.10 1) Déterminer une équation du plan (P) passant par A ( -1 , 3 , 5 ) et de vecteur normal →

n ( 2 , -1 , -1 ) . 2) Déterminer une équation du plan (P) passant par A ( 2 , 3 , 1 ) et admettant pour vecteurs

directeurs ( 2 , 1 , -3 ) et ( 1 , 1 , 1 ) . →

u→

v

EXERCICE 8.11 Soit P le plan d’équation x + y + z = 1 et soit P’ le plan d’équation x - z = 0.

1) Calculer la distance d’un point M0 (x0, y0, z0) aux plans P et P’. 2) En déduire que l’ensemble des points M de l’espace équidistants de P et de P’ est la réunion

de deux plans perpendiculaires. Barycentres :

EXERCICE 8.12 Soit ABCD un rectangle. Déterminer l'ensemble des points M du plan tels que :

→−

→=

→+

→MDMC6MB2MA3 .

EXERCICE 8.13 Soit AIJ un triangle non aplati. Soit B le barycentre de (A,-1) et (I,2) et soit C le barycentre de (A,-1), (I,2) et (J,-2).

1) Préciser la position relative des points A, I et B. 2) Montrer que C est barycentre des points B et J avec des coefficients à préciser. 3) Que représente la droite (IJ) dans le triangle ABC ?

EXERCICE 8.14 (CORRIGE)

Soit un tétraèdre ABCD et le point E défini par : = + . →CE

→CB

→CD

1) Montrer que le barycentre I des points B, C et D affectés respectivement des coefficients 2, -1 et 1 est le milieu du segment [BE]. 2) Déterminer l’ensemble E1 des barycentres des points A, B, C et D affectés respectivement

des coefficients k, 2, k – 1 et 1 – 2k lorsque k décrit ℝ . 3) Déterminer les ensemble E2 , E3 , E4 des points M tels que :

E2 : ( + -2 ).(2 - + ) = 0 . →

MA→

MC→

MD→

MB→

MC→

MD

E3 : →

MA + -2→

MC→

MD = 2 - +→

MB→

MC→

MD .

E4 : 2 +2 -2→

MB→

MD→

ME = 2 - +→

MB→

MC→

MD .

EXERCICE 8.15

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Soit ABC un triangle non aplati et soit M un point intérieur à ABC. La droite (AM) coupe le segment [BC] en P. Notons H la distance de A à la droite (BC) et h la distance de M à (BC).

1) Montrer que l’aire a1 du triangle MAC vérifie : a1 =12

(H - h) × PC .

2) Montrer que l’aire a2 du triangle MAB vérifie : a2 =12

(H - h) × PB .

3) En déduire que P est le barycentre de (B,a1) et (C,a2). Représentations paramétriques

EXERCICE 8.16

Donnez une représentation paramétrique de la droite d passant par A de vecteur directeur : →

u

1) A ( 1 ; -2 ; 3 ) et ( 0 ; 1 ; -1 ) . →

u

2) A ( 2 ; 3 ; -4 ) et ( -2 ; 5 ; 6 ) . →

u

EXERCICE 8.17 Soient les points A ( 1 , 2 , 3 ) ; B ( 2 , -1 , 0 ) ; C ( 0 , 5 , 7 ) et D ( 1 , 2 , 6 ).

1) Donnez une représentation paramétrique des droites (AB) et (CD). 2) Prouvez que ces droites sont sécantes et calculer les coordonnées de l’intersection.

EXERCICE 8.18

Soit la droite D de représentation paramétrique ⎪⎩

⎪⎨

⎧

−=

−=−=

12tz

)réelt(1t2y2t1x

1) Donner une représentation paramétrique de la droite parallèle à D et passant par le point P ( -1 , 0 , - 2 ) . 2) Cette droite passe-t-elle par le point J )22,2,12( −−− ?

Intersections

EXERCICE 8.19

Soit (D) la droite passant par A ( 6 , 3 , -1 ) et de vecteur directeur ( -1 , 2 , 5 ) . →

uSoit (P) le plan d'équation x + 2y + 3z = 0. Déterminer l'intersection de (D) et (P).

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EXERCICE 8.20 1) Montrer que les plans P : x – y + 2z –1 = 0 et Q : 2 x + y – z + 1 = 0 sont sécants selon une

droite D. 2) Soit R un plan distinct de P. Montrer que R contient D si et seulement s’il existe un réel a tel

que a ( x – y + 2z – 1) + 2x + y – z + 1 = 0 soit une équation de R. 3) Ecrire une équation cartésienne du plan contenant D et perpendiculaire à P.

EXERCICE 8.21 Résoudre les systèmes composés de trois équations de plans et dire si ces trois plans ont un point commun, une droite commune ou aucun point commun :

⎪⎩

⎪⎨

⎧

=+−=++=+−

⎪⎩

⎪⎨

⎧

=−−=−−=−−

3z5y4x31zy2x

2z3yx2)2

8z5y3x37z4yx23z3y2x

)1

⎪⎩

⎪⎨

⎧

=−+−=+−=−+

⎪⎩

⎪⎨

⎧

=+−=−+=+−

3zyx2zyx2zyx

)4

3z13y5x33z4y2x3

2z3yx2)3

⎪⎩

⎪⎨

⎧

=+−−=−+

=+−

⎪⎩

⎪⎨

⎧

=−−=−+=+−

8z5y6x70z2y5x8

1z3yx)6

11z3y2x616zyx5

8z2y3x4)5

EXERCICE 8.22 1) Déterminer les points d’intersection A, B, C du plan P d’équation 3x + 2y + 3z –6 = 0 avec

les axes (Ox), (Oy) et (Oz). 2) On désigne par E1 le demi-espace fermé défini par 3x + 2y + 3z –6 ≤ 0. Vérifier que

l’origine O appartient à E1 . 3) Représenter graphiquement l’intersection de E1 avec l’ensemble des points à coordonnées

positives ou nulles. Quel est le solide obtenu ?

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