Applications (produit scalaire)

#2bacsef

📐 Distance d’un point à un plan

Soit (P)(P) un plan et AA un point de l’espace, HH le projeté orthogonal de AA sur (P)(P).

La distance AHAH est appelée la distance du point AA au plan (P)(P), et se note: d(A,(P))=AHd(A,(P))=AH

(P)nAH

Prenons : A(xA;yA;zA)A(x_A;y_A;z_A) et n(a;b;c)\vec{n}(a;b;c)

Le plan (P)(P) a pour équation :

ax+by+cz+d=0ax+by+cz+d=0

on a :

HA(xAxHyAyHzAzH)\overrightarrow{HA}\begin{pmatrix}x_A-x_H \\ y_A-y_H \\ z_A-z_H\end{pmatrix}

Donc

HAn=a(xAxH)+b(yAyH)+c(zAzH)=axA+byA+czA(axH+byH+czH)\begin{align*} \overrightarrow{HA}\cdot\vec{n}&=a(x_A-x_H)+b(y_A-y_H)+c(z_A-z_H)\\ &=ax_A+by_A+cz_A-(ax_H+by_H+cz_H) \end{align*}

Puisque : H(P)H\in\left(P\right) Alors : axH+byH+czH=dax_H+by_H+cz_H=-d

Ainsi : HAn=axA+byA+czA+d    (1)\left|\overrightarrow{HA}\cdot\vec{n}\right|=\left|ax_A+by_A+cz_A+d\right| ~~~~ (1)

et on a : HAn=HA.n.cos(HA;n)=HA.n|\overrightarrow{HA}\cdot\vec{n}|= HA.\|\vec{n}\|.\left|cos\left(\overline{\overrightarrow{HA};\vec{n}}\right)\right|=HA.\|\vec{n}\|

car : cos(HA;n)=±1=1\left|cos\left(\overline{\overrightarrow{HA};\vec{n}}\right)\right|=|\pm1|=1

, Alors : HAn=HA.n    (2)|\overrightarrow{HA}\cdot\vec{n}|=HA.\|\vec{n}\| ~~~~ (2)

De (1)(1) et (2)(2) on déduit que :

AH=axA+byA+czA+dn=axA+byA+czA+da2+b2+c2AH=\dfrac{\left|ax_A+by_A+cz_A+d\right|}{\|\vec{n}\|} =\dfrac{\left|ax_A+by_A+cz_A+d\right|}{\sqrt{a^2+b^2+c^2}}

Propriété

Si : (P):ax+by+cz+d=0\left(P\right):ax+by+cz+d=0 et : A(xA;yA;zA)A\left(x_A;y_A;z_A\right) un point de l’espace Alors :

d(A;(P))=axA+byA+czA+da2+b2+c2d\left(A;\left(P\right)\right)=\dfrac{\left|ax_A+by_A+cz_A+d\right|}{\sqrt{a^2+b^2+c^2}}

🚦Intersection plan sphère

Soient (P)(P) un plan et (S)(S) une sphère de centre Ω\Omega et de rayon RR posons d=d(Ω,(P))d=d(\Omega,(P))

  • Si d(Ω,(P))=Rd(\Omega,(P))=R alors (P)(P) coupe (S)(S) en un point HH, on dit que (P)(P) est tangente à (S)(S)

    HΩ

  • Si d(Ω,(P))>Rd(\Omega,(P))>R alors (P)(P) ne coupe pas (S)(S)
Ω

  • Si d(Ω,(P))<Rd(\Omega,(P))<R alors (P)(P) coupe (S)(S) selon un cercle (C)(C) de rayon r=R2d2r=\sqrt{R^2-d^2} et de centre HH l’intersection du plan (P)(P) et la droite qui passe par Ω\Omega et perpendiculaire au plan (P)(P)
Ω H

🔢 Application

Étudier : l’intersection de (P)(P) et S(Ω,R)S(\Omega,R) :

(P):2x2y+z+3=0   ;;   S(Ω;R):x2+y2+z22x+6y+2z=5\left(P\right):2x-2y+z+3=0 ~~~;;~~~ S\left(\Omega;R\right):x^2+y^2+z^2-2x+6y+2z=5
  • Cherchons Ω\Omega et RR
    M(x;y;z)S(Ω,R)M(x;y;z)\in S(\Omega,R) equivaut à :

    x2+y2+z22x+6y+2z=5x^2+y^2+z^2-2x+6y+2z=5

    On a : a=2a=-2, b=6b=6, c=2c=2 ; d=5d=-5
    Donc Δ=a2+b2+c24d=64\Delta = a^2 + b^2 + c^2 - 4d = 64
    Donc (S)(S) est une sphère de centre Ω(a2,b2,c2)\Omega\left(-\dfrac{a}{2}, -\dfrac{b}{2}, -\dfrac{c}{2}\right)
    c’est-à-dire Ω(1;3;1)\Omega(1; -3; -1) et de rayon R=Δ2=4R = \dfrac{\sqrt{\Delta}}{2} = 4

    Autre méthode :

    M(x;y;z)S(Ω,R)x2+y2+z22x+6y+2z=5x22x+1+y2+6y+9+z2+2z+1=5+1+9+1(x1)2+(y+3)2+(z+1)2=42\begin{aligned} M(x;y;z)\in S(\Omega,R) &\Longleftrightarrow x^2 + y^2 + z^2 - 2x + 6y + 2z = 5 \\ &\Longleftrightarrow x^2 - 2x + 1 + y^2 + 6y + 9 + z^2 + 2z + 1 = 5 + 1 + 9 + 1 \\ &\Longleftrightarrow (x - 1)^2 + (y + 3)^2 + (z + 1)^2 = 4^2 \end{aligned}

    Donc Ω(1;3;1)\Omega(1;-3;-1) et R=4R=4

  • Calculons d(Ω,(P))d(\Omega,(P))

    d(Ω,(P))=axΩ+byΩ+czΩ+da2+b2+c2=212(3)+1(1)+322+(2)2+12=103\begin{aligned} d(\Omega,(P)) &= \dfrac{|a x_\Omega + b y_\Omega + c z_\Omega + d|}{\sqrt{a^2 + b^2 + c^2}}\\ &= \dfrac{|2 \cdot 1 - 2 \cdot (-3) + 1 \cdot (-1) + 3|}{\sqrt{2^2 + (-2)^2 + 1^2}}\\ &= \dfrac{10}{3} \end{aligned}

    Or d(Ω,(P))<Rd(\Omega,(P)) < R donc le plan (P)(P) coupe (S)(S) selon un cercle (C)(C) de centre HH et de rayon :

    r=R2d2=42(103)2=443r = \sqrt{R^2 - d^2} = \sqrt{4^2 - \left(\dfrac{10}{3}\right)^2} = \dfrac{\sqrt{44}}{3}
  • Cherchons les coordonnées du point HH, le centre de (C)(C)
    Soit (Δ)(\Delta) la droite passant par HH et Ω\Omega
    On a n(2;2;1)\vec{n}(2; -2; 1), vecteur normal à (P)(P).
    Comme (Δ)(P)(\Delta) \perp (P), alors n\vec{n} est un vecteur directeur de (Δ)(\Delta).

    Une représentation paramétrique de (Δ)(\Delta) est donc :

    {x=1+2ty=32tz=1+t(tR)\left\{ \begin{array}{l} x = 1 + 2t \\ y = -3 - 2t \\ z = -1 + t \quad (t \in \mathbb{R}) \end{array} \right.

    HH est l’intersection de (P)(P) et (Δ)(\Delta), donc les coordonnées de HH vérifient le système :

    {x=1+2ty=32tz=1+t2x2y+z+3=0\left\{ \begin{array}{l} x = 1 + 2t \\ y = -3 - 2t \\ z = -1 + t \\ 2x - 2y + z + 3 = 0 \end{array} \right.

    Remplaçons dans l’équation du plan :

    2(1+2t)2(32t)+(1+t)+3=02+4t+6+4t1+t+3=09t=10t=1092(1 + 2t) - 2(-3 - 2t) + (-1 + t) + 3 = 0 \\ \Rightarrow 2 + 4t + 6 + 4t - 1 + t + 3 = 0 \\ \Rightarrow 9t = -10 \Rightarrow t = -\dfrac{10}{9}

    D’où :

    {x=1+2(109)=119y=32(109)=79z=1+(109)=199\left\{ \begin{array}{l} x = 1 + 2 \cdot \left(-\dfrac{10}{9}\right) = -\dfrac{11}{9} \\ y = -3 - 2 \cdot \left(-\dfrac{10}{9}\right) = -\dfrac{7}{9} \\ z = -1 + \left(-\dfrac{10}{9}\right) = -\dfrac{19}{9} \end{array} \right.

    Alors H(119;79;199)H\left(-\dfrac{11}{9}; -\dfrac{7}{9}; -\dfrac{19}{9}\right)