# Vecteurs de l'espace

Remarque

On étend à l'espace la définition et les propriétés des vecteurs étudiées dans le plan.

Propriétés [Vecteurs colinéaires]

Deux vecteurs non nuls u\vec{u} et v\vec{v} sont colinéaires si et seulement si il existe un réel kk tel que v=ku\vec{v}=k \vec{u}. Par convention, le vecteur nul est colinéaire à tout vecteur de l'espace.

Propriété [Caractéristique]

AA et BB étant deux points distincts de l'espace, la droite (AB)(AB) est l'ensemble des points MM de l'espace tels que AB\overrightarrow{AB} et AM\overrightarrow{AM} soient colinéaires.

On dit que AB\overrightarrow{AB} est un vecteur directeur de la droite (AB)(AB).

Définition [Vecteurs coplanaires]

Trois vecteurs non nuls u\vec{u}, v\vec{v} et w\vec{w} sont coplanaires si et seulement leurs représentants de même origine AA ont des extrémités B,CB,C et DD telles que A,B,CA, B, C et DD appartiennent à un même plan.

Propriété [Caractéristique]

AA, BB et CC étant trois points non alignés de l'espace, le plan (ABC)(ABC) est l'ensemble des points MM de l'espace tels que :

AM=αAB+βAC\overrightarrow{AM}=\alpha\overrightarrow{AB}+\beta\overrightarrow{AC}, avec α\alpha et β\beta deux nombres réels.

On dit que AB\overrightarrow{AB} et AC\overrightarrow{AC} dirigent le plan (ABC)(ABC).

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Preuve

AA, BB et CC ne sont pas alignés. Les vecteurs AB\overrightarrow{AB} et $ \overrightarrow{AC}$ n'étant pas colinéaires, (A;AB,AC)(A\,;\overrightarrow{AB},\overrightarrow{AC}) est donc un repère du plan (ABC)(ABC).

  • Si MM appartient à (ABC)(ABC), alors MM, AA, BB et CC étant coplanaires, il existe α\alpha et β\beta deux nombres réels tels que AM=αAB+βAC\overrightarrow{AM}=\alpha\overrightarrow{AB}+\beta\overrightarrow{AC}.

  • Réciproquement, si MM est un point de l'espace tel que \ AM=αAB+βAC\overrightarrow{AM}=\alpha\overrightarrow{AB}+\beta\overrightarrow{AC}, avec α\alpha et β\beta deux nombres réels, alors il existe un point NN de la droite (AB)(AB) tel que AN=αAB\overrightarrow{AN}=\alpha\overrightarrow{AB}.\ AM=αAB+βACNM=βAC\overrightarrow{AM}=\alpha\overrightarrow{AB}+\beta\overrightarrow{AC}\Leftrightarrow \overrightarrow{NM}=\beta\overrightarrow{AC}. MM est donc un point de la droite parallèle à (AC)(AC) passant par NN. Donc, comme N(ABC)N\in(ABC), M(ABC)M\in(ABC).

Propriété

Soit trois vecteurs non nuls u\vec{u}, v\vec{v} et w\vec{w} tels que u\vec{u} et v\vec{v} ne sont pas colinéaires.

u\vec{u}, v\vec{v} et w\vec{w} sont coplanaires si et seulement si il existe deux réels α\alpha et β\beta tels que\ w=αu+βv\vec{w}=\alpha\vec{u}+\beta\vec{v}.

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Preuve

Soit AA, BB, CC et MM les points de l'espace tels que w=AM\vec{w}=\overrightarrow{AM}, u=AB\vec{u}=\overrightarrow{AB} et w=AC\vec{w}=\overrightarrow{AC}.

u\vec{u}, v\vec{v} et w\vec{w} sont coplanaires si et seulement si AA, BB, CC et MM sont coplanaires, c'est-à-dire si et seulement si il existe deux réels α\alpha et β\beta tels que AM=αAB+βACw=αu+βv\vec{AM}=\alpha\vec{AB}+\beta\vec{AC}\Leftrightarrow \vec{w}=\alpha\vec{u}+\beta\vec{v}.

Méthode [Démontrer que quatre points sont coplanaires]

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

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Exercice:

Soit ABCDABCD un tétraèdre, II le milieu de [AB][AB] ; EE et FF les points définis par AE=23AC\overrightarrow{AE}=\dfrac{2}{3}\overrightarrow{AC} et AF=23AD\overrightarrow{AF}=\dfrac{2}{3}\overrightarrow{AD} et G le point tel que BCGDBCGD soit un parallélogramme.

  1. Exprimer les vecteurs IE\overrightarrow{IE}, IF\overrightarrow{IF} et IG\overrightarrow{IG} en fonction de AB\overrightarrow{AB}, AC\overrightarrow{AC} et AD\overrightarrow{AD}.

  2. En déduire qu'il existe deux réels α\alpha et β\beta tels que IG=αIE+βIF\overrightarrow{IG}=\alpha\overrightarrow{IE}+\beta\overrightarrow{IF}.

  3. En déduire que les points I,E,GI, E, G et FF sont coplanaires.

Correction

\overrightarrow{IE} &= \overrightarrow{IA}+\overrightarrow{AE}=-\dfrac{1}{2}\overrightarrow{AB}+\dfrac{2}{3}\overrightarrow{AC}.\\ \overrightarrow{IF} &=\overrightarrow{IA}+\overrightarrow{AF}=-\dfrac{1}{2}\overrightarrow{AB}+\dfrac{2}{3}\overrightarrow{AD}.\\ \overrightarrow {IG}&=\overrightarrow{IA}+\overrightarrow{AD}+\overrightarrow{DG}\\ &=-\dfrac{1}{2}\overrightarrow{AB}+\overrightarrow{AD}+\overrightarrow{BC}\\ &=-\dfrac{1}{2}\overrightarrow{AB}+\overrightarrow{AD}+\overrightarrow{BA}+\overrightarrow{AC}\\ &=-\dfrac{3}{2}\overrightarrow{AB}+\overrightarrow{AD}+\overrightarrow{AC}. \end{aligned}

  1. Il existe deux réels α\alpha et β\beta tels que IG=αIE+βIF\overrightarrow{IG}=\alpha\overrightarrow{IE}+\beta\overrightarrow{IF}

soit

32AB+AD+AC=α2AB+2α3ACβ2AB+2β3AD-\dfrac{3}{2}\overrightarrow{AB}+\overrightarrow{AD}+\overrightarrow{AC}=-\dfrac{\alpha}{2}\overrightarrow{AB}+\dfrac{2\alpha}{3}\overrightarrow{AC}-\dfrac{\beta}{2}\overrightarrow{AB}+\dfrac{2\beta}{3}\overrightarrow{AD}

Pour obtenir cette égalité, il suffit de prendre α\alpha et β\beta tels que :

32=α2β2-\dfrac{3}{2}=-\dfrac{\alpha}{2}-\dfrac{\beta}{2} et 23α=1\dfrac{2}{3} \alpha=1 et 23β=1\dfrac{2}{3} \beta=1 , soit, α=32\alpha=\dfrac{3}{2} et β=32\beta=\dfrac{3}{2}.

D'où IG=32IE+32IF\overrightarrow{IG}=\dfrac{3}{2}\overrightarrow{IE}+\dfrac{3}{2}\overrightarrow{IF}

  1. On en déduit que les vecteurs IE\overrightarrow{IE}, IF \overrightarrow{IF} et IG\overrightarrow{IG} sont coplanaires, donc les points I,E,GI, E, G et FF sont coplanaires.