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Droites et plans de l'espace

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  1. 1

    Démontre la formule donnant la distance d'un point à un plan.

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    Soit M0M_0 un point, PP le plan d'équation ax+by+cz+d=0ax + by + cz + d = 0 et n⃗(a;b;c)\vec{n}(a ; b ; c) un vecteur normal. Notons HH le projeté orthogonal de M0M_0 sur PP : la distance cherchée est M0HM_0H.
    Le vecteur HM0→\overrightarrow{HM_0} est colinéaire à n⃗\vec{n}, donc ∣HM0→⋅n⃗∣=M0H×∥n⃗∥|\overrightarrow{HM_0} \cdot \vec{n}| = M_0H \times \|\vec{n}\|. Or HM0→⋅n⃗=OM0→⋅n⃗−OH→⋅n⃗\overrightarrow{HM_0} \cdot \vec{n} = \overrightarrow{OM_0} \cdot \vec{n} - \overrightarrow{OH} \cdot \vec{n}, et comme HH appartient au plan, axH+byH+czH=−dax_H + by_H + cz_H = -d.
    Il reste ∣ax0+by0+cz0+d∣=M0H×a2+b2+c2|ax_0 + by_0 + cz_0 + d| = M_0H \times \sqrt{a^2 + b^2 + c^2}, d'où la formule M0H=∣ax0+by0+cz0+d∣a2+b2+c2M_0H = \dfrac{|ax_0 + by_0 + cz_0 + d|}{\sqrt{a^2 + b^2 + c^2}}.

  2. 2

    Dans un cube ABCDEFGHABCDEFGH d'arête 1, avec A(0;0;0)A(0 ; 0 ; 0), B(1;0;0)B(1 ; 0 ; 0), D(0;1;0)D(0 ; 1 ; 0) et E(0;0;1)E(0 ; 0 ; 1), calcule l'angle entre les deux grandes diagonales (AG)(AG) et (BH)(BH).

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    Le sommet GG a pour coordonnées (1;1;1)(1 ; 1 ; 1) et HH pour coordonnées (0;1;1)(0 ; 1 ; 1), donc AG→(1;1;1)\overrightarrow{AG}(1 ; 1 ; 1) et BH→(−1;1;1)\overrightarrow{BH}(-1 ; 1 ; 1).
    Le produit scalaire vaut −1+1+1=1-1 + 1 + 1 = 1, et chaque norme vaut 3\sqrt{3} : donc cos⁡(θ)=13\cos(\theta) = \dfrac{1}{3}.
    L'angle mesure donc environ 70,53°. Les grandes diagonales d'un cube ne sont donc pas perpendiculaires, contrairement à ce que l'intuition suggère souvent.

  3. 3

    Détermine l'intersection des trois plans d'équations x+y+z=6x + y + z = 6, x−y=0x - y = 0 et z=2z = 2.

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  4. 4

    Détermine l'ensemble des points de l'espace équidistants de A(0;0;0)A(0 ; 0 ; 0) et B(2;4;6)B(2 ; 4 ; 6).

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  5. 5

    Calcule le volume du tétraèdre de sommets O(0;0;0)O(0 ; 0 ; 0), A(3;0;0)A(3 ; 0 ; 0), B(0;4;0)B(0 ; 4 ; 0) et C(0;0;5)C(0 ; 0 ; 5).

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  6. 6

    Démontre qu'une droite orthogonale à deux droites sécantes d'un plan est orthogonale à ce plan.

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  7. 7

    Détermine une équation de la sphère de centre Ω(1;−2;3)\Omega(1 ; -2 ; 3) et de rayon 4.

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  8. 8

    Dans le cube précédent, calcule l'angle entre les diagonales AC→\overrightarrow{AC} et AF→\overrightarrow{AF} de deux faces adjacentes.

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  9. 9

    Explique pourquoi deux droites de l'espace peuvent n'être ni sécantes ni parallèles, alors que c'est impossible dans le plan.

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  10. 10

    Démontre que les quatre points A(1;0;0)A(1 ; 0 ; 0), B(0;1;0)B(0 ; 1 ; 0), C(0;0;1)C(0 ; 0 ; 1) et D(1;1;1)D(1 ; 1 ; 1) ne sont pas coplanaires.

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Droites et plans de l'espace : exercices niveau expert