Plan (mathématiques) - Définition

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Équations dans un espace de dimension 3

Définition par deux vecteurs et un point

Soit un point A(a1;a2;a3) par lequel passe le plan \Pi~ et \vec u = \begin{bmatrix}u_1\\ u_2\\ u_3\end{bmatrix} et \vec v = \begin{bmatrix}v_1\\ v_2\\ v_3\end{bmatrix} les vecteurs non colinéaires qui définissent son orientation.

Equations paramétriques

Le plan \Pi~ est l'ensemble des points M(x;y;z) pour lesquels il existe deux scalaires λ et μ tels que :

\overrightarrow{OM} = \overrightarrow{OA} + \lambda\vec u + \mu\vec v (équation vectorielle)

ou

\begin{cases} x = a_1 + \lambda u_1 + \mu v_1 \\  y = a_2 + \lambda u_2 + \mu v_2 \\  z = a_3 + \lambda u_3 + \mu v_3 \end{cases}\quad \text{avec } (\lambda,\mu)\in\R^2 (équations paramétriques)

Equation cartésienne

Soit M(x;y;z) un point quelconque du plan et \overrightarrow{AM} = \begin{bmatrix}x - a_1\\ y - a_2\\ z - a_3\end{bmatrix} le vecteur défini par le bipoint (A;M).

Pour que ces trois vecteurs soient coplanaires, il faut que leur produit mixte soit nul :

0=[\vec u,\vec v,\overrightarrow{AM}]=[\vec u,\vec v,\overrightarrow{OM}]-[\vec u,\vec v,\overrightarrow{OA}] , avec
[\vec u,\vec v,\overrightarrow{OM}]=\begin{vmatrix} u_1 && v_1 &&x\\ u_2 && v_2 && y\\ u_3 && v_3&& z \end{vmatrix}=\underbrace{(u_2v_3 - u_3v_2)}_ax +\underbrace{(u_3v_1 - u_1v_3)}_by +\underbrace{(u_1v_2 - u_2v_1)}_cz , et de même,
-[\vec u,\vec v,\overrightarrow{OA}]=\underbrace{-(aa_1+ba_2+ca_3)}_d.

On distingue 4 facteurs que nous appellerons a, b, c, d~ . Nous pouvons ainsi écrire l'équation cartésienne du plan :

ax+by+cz+d= 0~

Dans le cadre euclidien, nous remarquons en outre que les nombres a,b et c sont les composantes du vecteur \vec u \wedge \vec v , le résultat du produit vectoriel des deux vecteurs. D'après la propriété \left[\vec u, \vec v, \vec w\right] = (\vec u \wedge \vec v) \cdot \vec w\, , il s'agit du vecteur normal au plan :

\vec n=\vec u \wedge \vec v=\begin{bmatrix}a\\b\\c\end{bmatrix}.

Définition par un vecteur normal et un point

Le plan passant par A(a_1;a_2;a_3)~ , de vecteur normal \vec n(n_1; n_2; n_3) , est l'ensemble Π des points M(x;y;z)~ pour lesquels le vecteur les reliant au point A est orthogonal au vecteur normal, autrement dit pour lesquels le produit scalaire entre ces vecteurs est nul :

\vec n\cdot\overrightarrow{AM} = 0.

En utilisant les égalités

\vec n\cdot\overrightarrow{AM} =\vec n\cdot(\overrightarrow{OM}-\overrightarrow{OA})=\vec n\cdot\overrightarrow{OM}-\vec n\cdot\overrightarrow{OA},

cette définition équivaut à l'équation cartésienne :

n_1x+n_2y+n_3z-(n_1a_1+n_2a_2+n_3a_3) = 0.~

On identifie généralement le quadruplet (n_1;n_2;n_3;-\vec n\cdot\overrightarrow{OA}) aux lettres (a;b;c;d) et on appelle équation cartésienne du plan l'équation :

ax+by+cz+d=0.~
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