Notions de géométrie

Documents pareils
LE PRODUIT SCALAIRE ( En première S )

Géométrie dans l espace Produit scalaire et équations

Séquence 10. Géométrie dans l espace. Sommaire

1S Modèles de rédaction Enoncés

Représentation géométrique d un nombre complexe

FONCTIONS DE PLUSIEURS VARIABLES (Outils Mathématiques 4)

I - PUISSANCE D UN POINT PAR RAPPORT A UN CERCLE CERCLES ORTHOGONAUX POLES ET POLAIRES

Angles orientés et trigonométrie

STATIQUE GRAPHIQUE ET STATIQUE ANALYTIQUE

Cours de Mécanique du point matériel

1 radian. De même, la longueur d un arc de cercle de rayon R et dont l angle au centre a pour mesure α radians est α R. R AB =R.

Cours d Analyse. Fonctions de plusieurs variables

Angles orientés et fonctions circulaires ( En première S )

Corrigé du baccalauréat S Asie 21 juin 2010

Calcul intégral élémentaire en plusieurs variables

Correction du Baccalauréat S Amérique du Nord mai 2007

Corrigé du baccalauréat S Pondichéry 12 avril 2007

Rappels et compléments, première partie : Nombres complexes et applications à la géométrie

Si deux droites sont parallèles à une même troisième. alors les deux droites sont parallèles entre elles. alors

Plan du cours : électricité 1

8.1 Généralités sur les fonctions de plusieurs variables réelles. f : R 2 R (x, y) 1 x 2 y 2

Enoncé et corrigé du brevet des collèges dans les académies d Aix- Marseille, Montpellier, Nice Corse et Toulouse en Énoncé.

Chafa Azzedine - Faculté de Physique U.S.T.H.B 1

Les Angles. I) Angles complémentaires, angles supplémentaires. 1) Angles complémentaires. 2 Angles supplémentaires. a) Définition.

Quelques contrôle de Première S

Le théorème de Thalès et sa réciproque

Baccalauréat S Nombres complexes Index des exercices sur les complexes de septembre 1999 à juin 2012 Tapuscrit : DENIS VERGÈS

Intégrales doubles et triples - M

TOUT CE QU IL FAUT SAVOIR POUR LE BREVET

Correction du baccalauréat S Liban juin 2007

Calcul matriciel. Définition 1 Une matrice de format (m,n) est un tableau rectangulaire de mn éléments, rangés en m lignes et n colonnes.

Items étudiés dans le CHAPITRE N5. 7 et 9 p 129 D14 Déterminer par le calcul l'antécédent d'un nombre par une fonction linéaire

Chapitre 1 Cinématique du point matériel

Séquence 2. Repérage dans le plan Équations de droites. Sommaire

Equations cartésiennes d une droite

* très facile ** facile *** difficulté moyenne **** difficile ***** très difficile I : Incontournable T : pour travailler et mémoriser le cours.

L ANALYSE EN COMPOSANTES PRINCIPALES (A.C.P.) Pierre-Louis GONZALEZ

Exprimer ce coefficient de proportionnalité sous forme de pourcentage : 3,5 %

Formes quadratiques. 1 Formes quadratiques et formes polaires associées. Imen BHOURI. 1.1 Définitions

Exercice 1 Trouver l équation du plan tangent pour chaque surface ci-dessous, au point (x 0,y 0,z 0 ) donné :

Chapitre. Chapitre 12. Fonctions de plusieurs variables. 1. Fonctions à valeurs réelles. 1.1 Définition. 1.2 Calcul de dérivées partielles

OM 1 Outils mathématiques : fonction de plusieurs variables

* très facile ** facile *** difficulté moyenne **** difficile ***** très difficile I : Incontournable

Seconde Généralités sur les fonctions Exercices. Notion de fonction.

PROBLEME(12) Première partie : Peinture des murs et du plafond.

La géométrie du triangle III IV - V Cercles remarquables - Lieux géométriques - Relations métriques

Exercices - Fonctions de plusieurs variables : corrigé. Pour commencer

Activités numériques [13 Points]

Fonctions de plusieurs variables

DOCM Solutions officielles = n 2 10.

De même, le périmètre P d un cercle de rayon 1 vaut P = 2π (par définition de π). Mais, on peut démontrer (difficilement!) que

Planche n o 22. Fonctions de plusieurs variables. Corrigé

Structures algébriques

Fonctions linéaires et affines. 1 Fonctions linéaires. 1.1 Vocabulaire. 1.2 Représentation graphique. 3eme

Exercices de géométrie

Capes Première épreuve

1 Complément sur la projection du nuage des individus

Propriétés électriques de la matière

Calcul différentiel sur R n Première partie

AC AB. A B C x 1. x + 1. d où. Avec un calcul vu au lycée, on démontre que cette solution admet deux solutions dont une seule nous intéresse : x =

Fonctions de plusieurs variables : dérivés partielles, diérentielle. Fonctions composées. Fonctions de classe C 1. Exemples

Mesure d angles et trigonométrie

Corrigés Exercices Page 1

Exo7. Matrice d une application linéaire. Corrections d Arnaud Bodin.

Michel Henry Nicolas Delorme

Exercices - Nombres complexes : corrigé. Formes algébriques et trigonométriques, module et argument

Chapitre 0 Introduction à la cinématique

Un K-espace vectoriel est un ensemble non vide E muni : d une loi de composition interne, c est-à-dire d une application de E E dans E : E E E

Nombres complexes. cours, exercices corrigés, programmation

CHAPITRE 10. Jacobien, changement de coordonnées.

Géométrie dans l espace

Notes du cours MTH1101 Calcul I Partie II: fonctions de plusieurs variables

Cours Fonctions de deux variables

Chapitre 2 : Vecteurs

a et b étant deux nombres relatifs donnés, une fonction affine est une fonction qui a un nombre x associe le nombre ax + b

I. Ensemble de définition d'une fonction

COMPTE-RENDU «MATHS EN JEANS» LYCEE OZENNE Groupe 1 : Comment faire une carte juste de la Terre?

L ALGORITHMIQUE. Algorithme

Chapitre 3 : Repères et positionnement 3D

Fonctions de plusieurs variables

CHAPITRE V SYSTEMES DIFFERENTIELS LINEAIRES A COEFFICIENTS CONSTANTS DU PREMIER ORDRE. EQUATIONS DIFFERENTIELLES.

Comment tracer une droite représentative d'une fonction et méthode de calcul de l'équation d'une droite.

Problème 1 : applications du plan affine

Différentiabilité ; Fonctions de plusieurs variables réelles

Fonctions de plusieurs variables et applications pour l ingénieur

Limites finies en un point

3 ème 2 DÉVELOPPEMENT FACTORISATIONS ET IDENTITÉS REMARQUABLES 1/5 1 - Développements

Livret de liaison Seconde - Première S

Programmation linéaire

Seconde MESURER LA TERRE Page 1 MESURER LA TERRE

Polynômes à plusieurs variables. Résultant

Fonctions de deux variables. Mai 2011

Pour l épreuve d algèbre, les calculatrices sont interdites.

Optimisation des fonctions de plusieurs variables

Cours d analyse numérique SMI-S4

[ édité le 30 avril 2015 Enoncés 1

* très facile ** facile *** difficulté moyenne **** difficile ***** très difficile I : Incontournable T : pour travailler et mémoriser le cours

CONJUGUÉ D'UN POINT PAR RAPPORT À UN TRIANGLE

MECANIQUE DU POINT. y e y. z e z. ] est le trièdre de référence. e z. où [O, e r. r est la distance à l'axe, θ l'angle polaire et z la côte

Transcription:

IUT Orsay Mesures Physiques Notions de géométrie Cours du 1 er semestre A. Les systèmes de coordonnées dans le plan A-I. Coordonnées cartésiennes Le plan étant muni d un repère orthonormé ( O, i, j) nombres réels appelés abscisse et ordonnée. Ecrire ( ; ) O, i, j c est dire que OM = x. i + y. j. M x y dans le repère ( ) La distance OM est alors telle que, d après le théorème de Pythagore, Si deux points A et B sont tels que A( x, y ) et B( x, y ) alors : A-II. Coordonnées polaires A A AB = ( x x ) + ( y y ) AB = ( xb xa). i + ( yb ya). j, tout point peut être repéré par deux 2 2 b A B A Le plan étant muni d un repère orthonormé ( O, i, j) B B, tout 2 2 OM = x + y point M peut être repéré par deux nombres réels l un étant la distance de l origine O à M, l autre étant une mesure de l angle orienté du vecteur i au vecteur OM. Cet angle du vecteur i au vecteur OM est appelé angle polaire du point M. Les deux nombres qui décrivent ainsi la position du point M sont souvent notés ρ et θ et sont appelés coordonnées polaires du point M A partir des coordonnées polaires ρ et θ du point M, il est facile de retrouver les coordonnées cartésiennes du même point il suffit de projeter pour obtenir : x = ρ.cos( θ ). y = ρ.sin( θ ) B. Les systèmes de coordonnées dans l espace B-I. Coordonnées cartésiennes, tout L espace étant muni d un repère orthonormé ( k ) point peut être repéré par trois nombres réels appelés abscisse, ordonnée et cote. Attention, c est bien cote et non pas côte, ni cotte Ecrire M ( x; y; z ) dans le repère ( k ) c est dire que OM = x. i + y. j + z. k. La distance OM est alors telle que, d après le théorème de Pythagore, 2 2 2 OM = x + y + z Page 25

Si deux points A et B sont tels que A( xa, ya, z A) et B( xb, yb, z B ) 2 2 2 AB = ( xb xa) + ( yb ya) + ( za + zb ) alors : AB = ( xb xa). i + ( yb ya). j + ( za + zb ). k Il est nécessaire de savoir «dessiner» les coordonnées cartésiennes d un point de l espace dans un repère orthonormé. B-II. Coordonnées cylindriques La physique faisant souvent apparaître des objets cylindriques (tiges, tubes, tuyaux, fils ) un système de coordonnées a été inventé pour ce type d objet. k, L espace étant muni d un repère orthonormé ( ) tout point M peut être repéré par les trois nombres ρ, θ et z définis ci-dessous où m est le projeté orthogonal de M sur le plan xoy : on note ρ la distance de l origine O au point m on note θ l angle du vecteur i au vecteur Om on note z la cote de M A partir des coordonnées cylindriques ρ, θ et z du point M, il est facile de retrouver les coordonnées cartésiennes du même point il suffit encore de projeter pour obtenir : B-III. Coordonnées sphériques x = ρ.cos( θ ) y = ρ.sin( θ ). z = z La physique fait aussi souvent apparaître des objets sphériques (boules, sphères, surfaces équipotentielles pour une charge ponctuelle isolée, planètes ) un système de coordonnées a été inventé pour ce type d objet. L espace étant muni d un repère orthonormé O, i, j, k, tout point M peut être repéré par les trois ( ) nombres r, θ et ϕ définis ci-dessous où m est le projeté orthogonal de M sur le plan xoy : on note r la distance de l origine O au point M on note θ l angle du vecteur k au vecteur OM on note ϕ l angle du vecteur i au vecteur Om A partir des coordonnées sphériques r, θ et ϕ du point M, il est facile de retrouver les coordonnées cartésiennes du même point il suffit toujours de projeter pour obtenir : x = r.sin( θ ).cos( ϕ) y = r.sin( θ ).sin( ϕ). z = r.cos( θ ) Page 26

C. Le produit scalaire C-I. Définition et propriétés «géométriques» Si u et v sont deux vecteurs du plan ou de l espace, on appelle produit scalaire de u par v et on note u. v le réel tel que : 0 si u ou v est nul u. v = u. v.cos( u, v) sinon Remarques : Cette définition est «intrinsèque» autrement dit elle ne dépend que des vecteurs et de l unité utilisée mais pas du repère ou de quoi que ce soit d autre. Si deux vecteurs ont des normes fixées, leur produit scalaire est maximum lorsque cos( u, v) vaut 1, c est à dire lorsque u et v ont la même direction et le même sens, minimum lorsque cos( u, v) vaut -1, c est à dire lorsque u et v ont la même direction et sont de sens contraires nul lorsque cos( u, v) vaut 0. Définition : On dit que deux vecteurs sont orthogonaux lorsque leur produit scalaire est nul. Propriété «projection et mesures algébriques» Soit trois points A, B et C. Si A et B sont confondus, le vecteur AB est nul donc AB. AC = 0 Si A et B ne sont pas confondus, on peut projeter C orthogonalement sur la droite ( AB ) et appeler H le projeté. Dans ces conditions on a AB. AC = AB. AH C-II. Propriétés calculatoires Quels que soient les vecteurs u, v et w du plan ou de l espace, et les réels a et b, on a toujours : 1. 1.u = u 2. u. v = v. u 3. u.( v + w) = u. v + u. w 4. au. v = u. av = a( u. v) Page 27

C-III. Expression en repère orthonormé Le plan étant muni d un repère orthonormé ( O, i, j), u = xi + y j Si on a alors u. v = xx ' + yy ' v = x ' i + y ' j L espace étant muni d un repère orthonormé ( k ), u = xi + y j + zk Si on a alors u. v = xx ' + yy ' + zz ' v = x ' i + y ' j + z ' k Ces propriétés sont extrêmement simples : il suffit de développer les produits en distribuant D. Le produit vectoriel D-I. Définition et propriétés «géométriques» Si u et v sont deux vecteurs du plan ou de l espace, on appelle produit vectoriel de u par v et on note u v le vecteur tel que : w est orthogonal à u et à v 0 si u ou v est nul u v = où ( u, v, w) détermine un trièdre direct w sinon w = u. v. sin( u, v) Remarques : Cette définition est «intrinsèque» autrement dit elle ne dépend que des vecteurs et de l unité utilisée mais pas du repère ou de quoi que ce soit d autre. Si deux vecteurs ont des normes fixées, la norme de leur produit vectoriel est maximum lorsque sin( u, v) vaut 1, c est à dire lorsque u et v sont orthogonaux nulle lorsque sin( u, v) vaut 0, c est à dire lorsque u et v sont colinéaires D-II. Propriétés calculatoires Quels que soient les vecteurs u, v et w du plan ou de l espace, et le réel a, on a toujours : 1. u v = v u 2. u ( v + w) = u v + u w 3. au v = u av = a( u v) D-III. Expression en repère orthonormé k est un repère orthonormé direct, on a : i j = k; j k = i; k i = j; j i = k; k j = i; i k = j; k, u = xi + y j + zk Si on a alors u v = ( yz ' y ' z) i + ( zx ' z ' x) j + ( xy ' x ' y) k v = x ' i + y ' j + z ' k Remarque préparatoire : Si ( ) L espace étant muni d un repère orthonormé direct ( ) Page 28

Ici encore, il suffit de développer le produit en distribuant On peut mémoriser facilement ce résultat en utilisant une présentation «en déterminants» explication au tableau. E. Applications aux calculs d aires, de volumes, de distances E-I. Aire d un parallélogramme L aire d un parallélogramme dont deux côtés sont OA et OB est OA OB. C est immédiat : Aire = Base Hauteur = OA. OB. sin( β ) k, A(1; 1;2) et B( 2;1;5), Exemple : On donne, dans le repère orthonormé direct ( ) quelle est l aire du parallélogramme ( OADB )? et celle du parallélogramme ( OABC )?... et celle du triangle ( OAB )? E-II. Volume d un parallélépipède Le volume d un parallélépipède dont trois arêtes sont OA, OB et OC est ( OA OB). OC. Pas difficile : Volume = AireDeBase Hauteur = OA OB. OC. cos( α) Exemple : On donne, dans le repère orthonormé direct O, i, j, k, A(1; 1;2) B( 2;1;5) et C (1;0;2), quelle est l aire du pavé dont trois arêtes sont ( ) OA, OB, OC? E-III. Distance d un point à une droite Si est une droite passant par A et dirigée par u, et si M est un point quelconque, la AM u distance de M à est d( M, ) =. u Un peu moins évident : Si on appelle H le projeté orthogonal de M sur, on a : AM u = ( AH + HM ) u = HM u d où l égalité des normes : AM u = HM u = HM. u et comme la distance de M à est HM Exemple : On donne, dans le repère orthonormé direct ( k ) 1, A(1; 1;2), u 2 et 1 M ( 2;1;5). Quelle est la distance de M à la droite passant par A et dirigée par u? Page 29

E-IV. Distance d un point à un plan Si P est le plan défini par les trois points A, B et C (non-alignés) et si M est un point ( AB AC ). AM quelconque, la distance de M à P est d( M, P) = AB AC Volume Cela revient à écrire que d( M, P) = HauteurDuParallélépipède = AireDeBase k, A(1; 1;2) B( 2;1;5) et Exemple : On donne, dans le repère orthonormé direct ( ) C(2;1; 1). Quelle est la distance de M (1;1;1) au plan ( ABC )? E-V. Equation d un plan Si ( k ) est un repère orthonormé et si P est le plan défini par les trois points A, B et C (non-alignés) pour que M ( x, y, z ) soit un point de P, il faut et il suffit que( AB AC ). AM = 0. k, A(1; 1;2) B( 2;1;5) et Exemple : On donne, dans le repère orthonormé direct ( ) C(1;0; 2). Former une équation du plan ( ABC ). Propriétés remarquables : Tout plan a une équation de la forme ax + by + cz + d = 0 où au moins l un des réels a, b, c n est pas nul. a Si un plan a pour équation ax + by + cz + d = 0, le vecteur V b est c orthogonal au plan. x y z Si un plan a pour équation + + = 1, ce plan passe par les points a b c A( a;0;0); B(0; b;0); C(0;0; c ) E-VI. Coordonnées du projeté orthogonal d un point sur un plan Soit P un plan passant par le point A( xa, ya, za) et orthogonal au vecteur a n b. c On cherche les coordonnées ( x, y, z) du projeté orthogonal H d un point M ( x, y, z ) sur P. M M M A priori, le point H ayant trois coordonnées, il y a trois inconnues disons ( x, y, z ). Comme MH est orthogonal à P il doit être colinéaire à n : MH = t. n permet d exprimer les coordonnées de H en fonction de t et il n y a plus qu une inconnue. Comme AH est orthogonal à n on a AH. n = 0 ce qui se traduit par une équation à une seule inconnue t. On résout et on remplace t par sa valeur dans les expressions de ( x, y, z ) Exercice : On donne A(1, 1, 2) B(0,3, 1) C( 2, 0,1). Quelles sont les coordonnées du point H projeté orthogonal de l origine sur le plan ABC? Quelles sont celles du point I projeté orthogonal de A sur le plan BOC? Page 30

E-VII. Coordonnées du projeté orthogonal d un point sur une droite Soit D une droite passant par le point A( xa, ya, za) et dirigée par le vecteur a u b. c On cherche les coordonnées ( x, y, z) du projeté orthogonal H d un point M ( x, y, z ) sur D. M M M A priori, le point H ayant trois coordonnées, il y a trois inconnues disons ( x, y, z ). Comme AH est colinéaire à u, AH = t. u ce qui permet d exprimer les coordonnées de H en fonction de t et il n y a plus qu une inconnue. Comme MH est orthogonal à u on a MH. u = 0 ce qui se traduit par une équation à une seule inconnue t. On résout et on remplace t par sa valeur dans les expressions de ( x, y, z ) Exercice : On donne A(1, 1, 2) B(0,3, 1) C( 2, 0,1). Quelles sont les coordonnées du point H projeté orthogonal de C sur la droite ( AB )? Quelles sont celles du point I projeté orthogonal de O sur la droite ( AC )? Page 31

Page 32