تمارين - 2BACSEF

التانية باكالوريا العلوم التجريبية – خيار فرنسي


درس : Géométrie dans l'espace

Exercice 1

L’espace est rapporté à un repère orthonormé direct (O,i,j,k)(O,\vec{i},\vec{j},\vec{k})

Soit (S)(S) la sphère d’équation : x2+y2+z22x2y2z1=0x^2+y^2+z^2-2x-2y-2z-1=0

et (P)(P) le plan d’équation : yz=0y-z=0

  1. a) montrer que le centre de la sphère (S) est le point Ω(1;1;1)\Omega(1;1;1) et que son centre est 2

    b) Calculer la distance d(Ω,(P))d(\Omega,(P)) , en déduire que le plan (P) coupe la sphère (S) suivant un cercle (C)(C).

    c) déterminer le centre et le rayon du cercle (C)(C).

  2. Soit (Δ\Delta) la droite passant par le point A(1;2;2)A(1;-2;2) et orthogonale à (P)

    a) montrer que u(0,1,1)\vec{u}(0,1,-1) est un vecteur directeur de (Δ\Delta)

    b) Montrer que ΩAu=2u||\overrightarrow{\Omega A}\land\vec{u}||=\sqrt2||\vec{u}|| , en déduire que la droite (Δ\Delta) coupe la sphère (S) en deux points.

    c) Déterminer les coordonnées des points d’intersection de (Δ\Delta) et (S)

(S):x2+y2+z22x2y2z1=0(P):yz=0\begin{align*} (S) &: x^2+y^2+z^2-2x-2y-2z-1=0 \\ (P) &: y-z=0 \end{align*}

1/a/ Ω(1;1;1)\quad\Omega(1;1;1) ;; R=2R=2 ?

M(x,y,z)(S)    x2+y2+z22x2y2z1=0    (x1)2+(y1)2+(z1)21=12+12+12    (x1)2+(y1)2+(z1)2=22\begin{align*} M(x,y,z)\in(S) &\iff x^2+y^2+z^2-2x-2y-2z-1=0 \\ &\iff (x-1)^2+(y-1)^2+(z-1)^2-1=1^2+1^2+1^2 \\ &\iff (x-1)^2+(y-1)^2+(z-1)^2=2^2 \end{align*}

b/ $\quad d(\Omega,(P))=?

On a : (P)(P) : yz=0y-z=0 et Ω(1;1;1)\Omega(1;1;1) et R=2R=2

donc :

d(Ω,(P))=axΩ+byΩ+czΩ+da2+b2+c2=1102+12+(1)2=0\begin{align*} d(\Omega,(P))&=\dfrac{|ax_\Omega+by_\Omega+cz_\Omega+d|}{\sqrt{a^2+b^2+c^2}}\\ &=\dfrac{|1-1|}{\sqrt{0^2+1^2+(-1)^2}}=0 \end{align*}

On a d(Ω,(P))<Rd(\Omega,(P))<R, donc le plan (P) coupe la sphère (S) suivant un cercle (C)(C).

c/ Le centre et le rayon de (C)(C) ?

Puisque d(Ω,(P))=0d(\Omega,(P))=0 alors le plan (P)(P) coupe la sphère (C)(C) selon un grand cercle (C)(C) de centre Ω(1,1,1)\Omega(1,1,1) et de rayon R=2R=2

2/

(Δ\Delta) la droite passant par A(1;2;2)A(1;-2;2) et \perp à (P)

a/ u(0,1,1)\quad\vec{u}(0,1,-1) est un vecteur directeur de (Δ\Delta) ?

On a : (P) : yz=0(P)~:~y-z=0, alors u(0,1,1)\vec{u}(0,1,-1) est un vecteur normal à (P)(P) et comme (Δ)(P)(\Delta) \perp (P), alors u(0,1,1)\vec{u}(0,1,-1) est un vecteur directeur de (Δ\Delta)

b/ ΩAu=2u\quad||\overrightarrow{\Omega A}\land\vec{u}||=\sqrt2||\vec{u}|| ?

On a : u(0,1,1)\vec{u}(0,1,-1) ;; Ω(1;1;1)\Omega(1;1;1) et A(1;2;2)A(1;-2;2)

ΩA(031)  ;  u(011)\overrightarrow{\Omega A}\begin{pmatrix}0 \\-3 \\ 1\end{pmatrix} ~~;~~ \vec{u}\begin{pmatrix}0 \\1 \\ -1 \end{pmatrix}

Donc

AΩu=3111i0011j+0031k=2i\begin{align*} \overrightarrow{A\Omega}\land \vec{u} &=\begin{vmatrix} -3 & 1 \\ 1 & -1 \end{vmatrix}\vec{i} -\begin{vmatrix} 0 & 0 \\ 1 & -1 \end{vmatrix}\vec{j} +\begin{vmatrix} 0 & 0 \\ -3 & 1 \end{vmatrix}\vec{k} \\ &=2\vec{i} \end{align*}

Donc :

  • ΩAu=22+02+02=2||\overrightarrow{\Omega A}\land\vec{u}||=\sqrt{2^2+0^2+0^2}=2
  • u=(0)2+12+(1)2=2||\vec{u}||=\sqrt{(0)^2+1^2+(-1)^2}=\sqrt{2}

Donc : 2u=2×2=2\sqrt2||\vec{u}||=\sqrt{2}\times\sqrt{2}=2

Alors : ΩAu=2u||\overrightarrow{\Omega A}\land\vec{u}||=\sqrt2||\vec{u}||

la droite (Δ\Delta) coupe la sphère (S) en deux points ?

On a

d(Ω,(Δ))=ΩAuu=2uu=2\begin{align*} d(\Omega,(\Delta))&=\dfrac{||\overrightarrow{\Omega A}\land\vec{u}||}{||\vec{u}||} \\&=\dfrac{\sqrt2||\vec{u}||}{||\vec{u}||}\\ &=\sqrt2 \end{align*}

et on a R=2R=2, donc d(Ω,(Δ))<Rd(\Omega,(\Delta))<R

Alors la droite (Δ\Delta) coupe la sphère (S) en deux points

c/\quad Les coordonnées d’intersection de (Δ\Delta) et (S) ?

On a : u(0,1,1)\vec{u}(0,1,-1) est un vecteur directeur de (Δ\Delta) et A(1;2;2)(Δ)A(1;-2;2)\in(\Delta) Alors :

(Δ) : {x=xA+aty=yA+bttRz=zA+ct(\Delta)~: ~ \left\{ \begin{array}{ll} x=x_A+at\\ _y=y_A+bt & t\in\R \\ z=z_A+ct \end{array} \right.
(Δ) : {x=1y=2+ttRz=2t(\Delta)~: ~ \left\{ \begin{array}{ll} x=1\\ _y=-2+t & t\in\R \\ z=2-t \end{array} \right.

(x,y,z)(x,y,z) les coordonnées des points d’intersection de (Δ)(\Delta) et (S)(S) vérifient :

{x=1(1)y=2+t(2)z=2t(3)x2+y2+z22x2y2z1=0(4)\left\{\begin{array}{ll} x=1 & (1)\\ _y=-2+t & (2) \\ z=2-t & (3)\\ x^2+y^2+z^2-2x-2y-2z-1=0 & (4) \end{array}\right.

En remplacant (1)(1), (2)(2) et (3)(3) dans (4)(4)

12+(2+t)2+(2t)222(2+t)2(2t)1=01^2+(-2+t)^2+(2-t)^2-2-2(-2+t)-2(2-t)-1=0
2t28t+6=02t^2-8t+6=0
t24t+3=0t^2-4t+3=0
Δ=b24ac=4\Delta = b^2-4ac=4
{t1=bΔ2a=1t2=b+Δ2a=3\begin{cases} t_1=\dfrac{-b-\sqrt{\Delta}}{2a}=1 \\ t_2=\dfrac{-b+\sqrt{\Delta}}{2a}=3 \end{cases}

En remplacant t1t_1 et t2t_2 dans (1) , (2) et (3) on a

{x=1y=2+1=1z=21=1   {x=1y=2+3=1z=23=1\left\{ \begin{array}{ll} x=1\\ _y=-2+1=-1 \\ z=2-1=1 \end{array} \right.~~~\left\{ \begin{array}{ll} x=1\\ _y=-2+3=1\\ z=2-3=-1 \end{array} \right.

Alors les points E(1,1,1)E(1,-1,1) et F(1,1,1)F(1,1,-1) sont les points d’intersection de la droite (Δ)(\Delta) et la sphère (S)(S)