# Repérage dans l'espace

Théorème

Si OO est un point de l'espace et i→\overrightarrow{i}, j→\overrightarrow{j} et k→\overrightarrow{k} trois vecteurs non coplanaires, alors pour tout point MM de l'espace, il existe un unique triplet de réels (x;y;z)(x\,;y\,;z) tels que :

OM→=xi→+yj→+zk→.\overrightarrow{OM}=x\overrightarrow{i}+y\overrightarrow{j}+z\overrightarrow{k}.

Preuve

  • Existence Soit ℘\wp le plan passant par OO et dirigé par les vecteurs i→\overrightarrow{i} et j→\overrightarrow{j} (qui ne sont pas colinéaires car i→\overrightarrow{i}, j→\overrightarrow{j} et k→\overrightarrow{k} sont non coplanaires). Soit M′M' le point d'intersection de ℘\wp et de la droite parallèle à (Ok→)(O\overrightarrow{k}) passant par MM. i→\overrightarrow{i}, j→\overrightarrow{j} et OM′→\overrightarrow{OM'} sont coplanaires avec i→\overrightarrow{i} et j→\overrightarrow{j} non colinéaires, donc il existe deux réels xx et yy tels que OM′→=xi→+yj→\overrightarrow{OM'}=x\overrightarrow{i}+y\overrightarrow{j}. D'autre part, MM′→\overrightarrow{MM'} et k→\overrightarrow{k} sont colinéaires, donc il existe un réel zz tel que MM′→=zk→\overrightarrow{MM'}=z\overrightarrow{k}. D'où OM→=OM→+MM′→=xi→+yj→+zk→\overrightarrow{OM}=\overrightarrow{OM}+\overrightarrow{MM'}=x\overrightarrow{i}+y\overrightarrow{j}+z\overrightarrow{k}
  • Unicité

Supposons qu'il existe deux triplets de réels (x;y;z)(x\,;y\,;z) et (x′;y′;z′)(x';y';z') tels que

OM→=xi→+yj→+zk→=x′i→+y′j→+z′k→\overrightarrow{OM}=x\overrightarrow{i}+y\overrightarrow{j}+z\overrightarrow{k}=x'\overrightarrow{i}+y'\overrightarrow{j}+z'\overrightarrow{k}.

On a alors (z′−z)k→=(x−x′)i→+(y−y′)j→(z'-z)\overrightarrow{k}=(x-x')\overrightarrow{i}+(y-y')\overrightarrow{j}.

Comme i→\overrightarrow{i}, j→\overrightarrow{j} et k→\overrightarrow{k} ne sont pas coplanaires, il n'existe pas de couple de réels (α;β)(\alpha;\beta) tels que k→=αi→+βj→\overrightarrow{k}=\alpha\overrightarrow{i}+\beta\overrightarrow{j}, on en déduit que z−z′=0z-z'=0, et par suite, que x=x′x=x', y=y′y=y' et z=z′z=z'.

Définition

(x;y;z)(x\,;y\,;z) est le triplet de coordonnées du point MM dans le repère (O;i⃗,j⃗,k⃗)(O\,;\vec{i},\vec{j},\vec{k}).

xx est l'abscisse de MM, yy est l'ordonnée de MM et zz est la cote de MM.

(x;y;z)(x;y;z) sont aussi les coordonnées du vecteur OM→\overrightarrow{OM} dans le repère (O;i⃗,j⃗,k⃗)(O\,;\vec{i},\vec{j},\vec{k}).

Propriétés

Dans un repère (O;i⃗,j⃗,k⃗)(O\ ;\vec{i},\vec{j},\vec{k}) de l'espace, soit A(xA;yA;zA)A(x_A;y_A;z_A) et B(xB;yB;zB)B(x_B;y_B;z_B). Alors :

AB→(xB−xAyB−yAzB−zA)\overrightarrow{AB}\begin{pmatrix}x_B-x_A\\y_B-y_A\\z_B-z_A \end{pmatrix}

et le milieu KK de [AB][AB] a pour coordonnées : KK (xA+xB2;yA+yB2;zA+zB2)(\dfrac{x_A+x_B}{2};\dfrac{y_A+y_B}{2} ;\dfrac{z_A+z_B}{2}).

Si de plus (O;i⃗,j⃗,k⃗)(O\ ;\ \vec{i},\vec{j},\vec{k}) est orthonormé, AB=(xB−xA)2+(yB−yA)2+(zB−zA)2AB=\sqrt{(x_B-x_A)^2+(y_B-y_A)^2+(z_B-z_A)^2}.

Propriétés

Dans un repère(O;i⃗,j⃗,k⃗)(O\ ;\ \vec{i},\vec{j},\vec{k}) de l'espace, soit u⃗(xyz)\vec{u}\begin {pmatrix} x\\y\\z \end{pmatrix}, v⃗(x′y′z′)\vec{v}\begin {pmatrix} x'\\y'\\z' \end{pmatrix} deux vecteurs et kk un nombre réel. Alors :

u⃗+v⃗(x+x′y+y′z+z′)\vec{u}+\vec{v} \begin {pmatrix} x+x'\\y+y'\\z+z' \end{pmatrix} et ku⃗(kxkykz)k \vec{u} \begin {pmatrix} kx\\ky\\kz \end{pmatrix}.

Si de plus (O;i⃗,j⃗,k⃗)(O\,;\vec{i},\vec{j},\vec{k}) est orthonormé, ∣∣u⃗∣∣=x2+y2+z2||\vec{u}||=\sqrt{x^2+y^2+z^2}.

Méthode [La coplanarité de points en utilisant leurs coordonnées]

Il s'agit de démontrer que trois vecteurs sont coplanaires en écrivant l'un des vecteurs en fonction des deux autres.

Exercice:

Dans un repère (O;i⃗,j⃗,k⃗)(O\,;\vec{i},\vec{j},\vec{k}) de l'espace, Démontrer que les points A(1;2;0)A(1\,;2\,;0), B(−1;1;1)B(-1\,;1\,;1), C(1;4;1)C(1\,;4\,;1) et D(3;−1;−3)D(3\,;-1\,;-3) sont coplanaires.

Correction

AB→(−2−1−1)\overrightarrow{AB} \begin{pmatrix} -2\\ -1\\ \hphantom{-}1 \end{pmatrix} ; AC→(021)\overrightarrow{AC} \begin{pmatrix} 0\\2\\1 \end{pmatrix} et AD→(−2−3−3)\overrightarrow{AD} \begin{pmatrix} \hphantom{-}2\\-3\\-3 \end{pmatrix}.

AB→\overrightarrow{AB} et AC→\overrightarrow{AC} ne sont pas colinéaires, car leurs coordonnées ne sont pas proportionnelles.

AD→=αAB→+βAC→⇔\overrightarrow{AD}=\alpha\overrightarrow{AB}+\beta\overrightarrow{AC}\Leftrightarrow

\hphantom{-}2=-2\alpha\\ -3=-\alpha+2\beta\\ -3=\alpha+\beta \end{matrix} \Leftrightarrow \begin{matrix} \alpha=-1\\ \beta=-2 \end{matrix}

Le système ayant un unique couple solution, les vecteurs AB→\overrightarrow{AB}, AC→\overrightarrow{AC} et AD→\overrightarrow{AD} sont coplanaires, donc les points AA, BB, CC et DD sont coplanaires.