Fiche de révision Terminale spé

Calcul vectoriel dans l'espace

Chapitre 16 — les vecteurs en 3D : opérations, colinéarité, coplanarité, repères et barycentres.

L'algèbre des vecteurs transforme la géométrie de l'espace en calculs sur des coordonnées.

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Chapitre 16 Vue d'ensemble

Au programme

Vecteurs et opérations
  • Addition (Chasles), multiplication, colinéarité
  • Droites, plans, vecteurs coplanaires
Repérage et barycentres
  • Bases, repères, coordonnées
  • Barycentres de deux et trois points
L'idée forte

Trois vecteurs non coplanaires suffisent à repérer tout point de l'espace.

Partie 1 ★ L'objet de base

Vecteur de l'espace

Définition

Un vecteur $\overrightarrow{AB}$ est défini par une direction, un sens et une norme $\lVert\overrightarrow{AB}\rVert=AB$.

A B C D E F G H u = AB HG DC

Sur le cube, $\overrightarrow{AB}=\overrightarrow{DC}=\overrightarrow{HG}$ : des vecteurs égaux (même direction, sens, norme).

Partie 1 Reconnaître un parallélogramme

Égalité vectorielle

Égalité

$\overrightarrow{AB}=\overrightarrow{CD}$ signifie : même direction, même sens, même longueur ($D$ est l'image de $C$ par la translation de vecteur $\overrightarrow{AB}$).

Caractérisation

$\overrightarrow{AB}=\overrightarrow{CD} \iff ABDC$ est un parallélogramme.

Partie 1 ★ Décomposer une somme

Addition et relation de Chasles

Relation de Chasles
$$\overrightarrow{AB}=\overrightarrow{AM}+\overrightarrow{MB}$$
A M B AM MB AB

On insère un point intermédiaire $M$ : un « degré de liberté » pour découper un vecteur.

Partie 1 Somme géométrique

Règle du parallélogramme

Somme de deux vecteurs
$$\overrightarrow{OC}=\overrightarrow{OA}+\overrightarrow{OB}$$
O A B C

Le quadrilatère $OACB$ est un parallélogramme ; la diagonale issue de $O$ porte la somme.

Partie 1 Étirer un vecteur

Multiplication par un réel, colinéarité

$k\cdot\vec u$

Même direction que $\vec u$ ; sens de $\vec u$ si $k\gt 0$, opposé si $k\lt 0$ ; norme $|k|\,\lVert\vec u\rVert$.

u 2u -u

$\vec u,\vec v$ colinéaires $\iff$ il existe $k$ tel que $\vec v=k\,\vec u$ (et alors $A,B,M$ alignés).

Partie 1 Caractériser une droite

Droites de l'espace

Vecteur directeur

Une droite $(d)$ est dirigée par tout vecteur $\vec u\neq\vec0$ de sa direction.

Caractérisation vectorielle
$$M\in(d) \iff \exists t\in\mathbb{R},\ \overrightarrow{AM}=t\,\vec u$$
Partie 2 ★ Un point et deux vecteurs

Caractérisation vectorielle d'un plan

Avec $\vec u,\vec v$ non colinéaires
$$M\in(ABC) \iff \exists(t,t')\in\mathbb{R}^2,\ \overrightarrow{AM}=t\,\vec u+t'\,\vec v$$
A u v M

$\overrightarrow{AM}$ est une combinaison linéaire de $\vec u$ et $\vec v$ : $M$ reste dans le plan.

Partie 2 Dans un plan, ou non

Vecteurs coplanaires

Caractérisation

$\vec u,\vec v,\vec w$ coplanaires (avec $\vec u,\vec v$ non colinéaires) $\iff \vec w=t\,\vec u+t'\,\vec v$.

A B C D u v w

Si $ABCD$ forme un tétraèdre, les vecteurs sont non coplanaires : ils forment une base.

Partie 3 ★ Repérer l'espace

Base et repère de l'espace

Définition

Trois vecteurs non coplanaires $(\vec\imath,\vec\jmath,\vec k)$ forment une base ; $(O\,;\vec\imath,\vec\jmath,\vec k)$ est un repère.

x y z O i j k

Le plus souvent la base est orthonormée : vecteurs unitaires, orthogonaux deux à deux.

Partie 3 Du point au triplet

Coordonnées d'un point, d'un vecteur

Décomposition unique
$$\overrightarrow{OM}=x\,\vec\imath+y\,\vec\jmath+z\,\vec k \quad\Longrightarrow\quad M(x,y,z)$$
O M x y z

On atteint $M$ par trois pas : $x$ selon $\vec\imath$, $y$ selon $\vec\jmath$, $z$ selon $\vec k$.

Partie 3 Le calcul analytique

Calculs sur coordonnées

Vecteur et milieu
$$\overrightarrow{AB}\,(x_B-x_A,\ y_B-y_A,\ z_B-z_A)$$
$$I_{[AB]}\left(\frac{x_A+x_B}{2},\ \frac{y_A+y_B}{2},\ \frac{z_A+z_B}{2}\right)$$
Opérations

$\vec u+\vec u'\,(x+x',\,y+y',\,z+z')$ et $k\vec u\,(kx,\,ky,\,kz)$.

Partie 4 ★ Le point d'équilibre

Barycentre de deux points

Définition ($\alpha+\beta\neq0$)
$$\alpha\overrightarrow{GA}+\beta\overrightarrow{GB}=\vec0 \quad\Longleftrightarrow\quad \overrightarrow{AG}=\frac{\beta}{\alpha+\beta}\overrightarrow{AB}$$
A B G (A, 1) (B, 2)

Ici $G=\mathrm{bary}\{(A,1),(B,2)\}$ : plus proche de $B$. Si $\alpha=\beta$, $G$ est le milieu (isobarycentre).

Partie 4 L'outil de calcul

Propriété de réduction

Pour tout point $M$
$$\alpha\overrightarrow{MA}+\beta\overrightarrow{MB}=(\alpha+\beta)\,\overrightarrow{MG}$$
Coordonnées (avec $M=O$)
$$x_G=\frac{\alpha x_A+\beta x_B}{\alpha+\beta}\quad(\text{idem }y,z)$$
Partie 4 Dans le plan d'un triangle

Barycentre de trois points

Définition ($\alpha+\beta+\gamma\neq0$)
$$\alpha\overrightarrow{GA}+\beta\overrightarrow{GB}+\gamma\overrightarrow{GC}=\vec0$$
A B C G

Avec $\alpha=\beta=\gamma=1$ : $G$ est le centre de gravité, intersection des médianes.

Partie 4 Regrouper les points

Théorème d'associativité

Barycentre partiel

Si $K=\mathrm{bary}\{(A,\alpha),(B,\beta)\}$ (avec $\alpha+\beta\neq0$), alors le barycentre de $\{(A,\alpha),(B,\beta),(C,\gamma)\}$ est celui de $\{(K,\alpha+\beta),(C,\gamma)\}$.

En pratique

On remplace deux points par leur barycentre partiel pour construire $G$ pas à pas.

Synthèse À revoir 5 min avant

Mémo express

Chasles$\overrightarrow{AB}=\overrightarrow{AM}+\overrightarrow{MB}$
Colinéaires$\vec u,\vec v$ colin. $\iff\vec v=k\vec u$
Plan$M\in(ABC)\iff\overrightarrow{AM}=t\vec u+t'\vec v$
Base$\overrightarrow{OM}=x\vec\imath+y\vec\jmath+z\vec k$
Coordonnées$\overrightarrow{AB}(x_B-x_A,\,y_B-y_A,\,z_B-z_A)$
Barycentre$\alpha\overrightarrow{MA}+\beta\overrightarrow{MB}=(\alpha+\beta)\overrightarrow{MG}$
Vigilance Le jour J

Les pièges à éviter

Piège
  • Vecteurs coplanaires ($\vec w=t\vec u+t'\vec v$) $\neq$ points alignés.
  • Une base de l'espace, c'est trois vecteurs non coplanaires (pas deux).
  • Le barycentre n'existe que si la somme des coefficients est non nulle.
  • Réduction : $\alpha\overrightarrow{MA}+\beta\overrightarrow{MB}=(\alpha+\beta)\overrightarrow{MG}$, surtout pas $=\overrightarrow{MG}$.
Auto-évaluation Cliquez pour la réponse

Quiz éclair

Q1Que dit la relation de Chasles ?
$\overrightarrow{AB}=\overrightarrow{AM}+\overrightarrow{MB}$.
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Q2Combien de vecteurs non coplanaires forment une base de l'espace ?
Trois.
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Q3Coordonnées de $\overrightarrow{AB}$ avec $A(1,0,2)$ et $B(3,1,2)$ ?
$(2,\,1,\,0)$.
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Q4Isobarycentre de $A,B,C$ (poids $1,1,1$) ?
Le centre de gravité du triangle $ABC$.
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