Plan tangent à une nappe paramétrée
Exercice de TD · niveau 1 (application) · mathématiques (PT), chapitre 10 — Courbes et Surfaces · D. Nappes paramétrées, plan tangent, droite normale
Énoncé
Soit la nappe paramétrée
- Calculer et , puis . Tous les points de la nappe sont-ils réguliers ?
- Déterminer une équation du plan tangent au point .
- Montrer que l'image de la nappe est la surface d'équation cartésienne , et retrouver le plan tangent précédent à l'aide du gradient.
Corrigé
Ce que l'on démontre. Que la nappe est régulière en tout point, que le plan tangent en a pour équation , et que le calcul par le gradient de redonne exactement la même normale.
1. Les vecteurs tangents. L'application est polynomiale, donc de classe (et même ). On dérive coordonnée par coordonnée : Leur produit vectoriel vaut Sa troisième coordonnée vaut , donc ce vecteur n'est jamais nul : la famille est libre en tout point, et tous les points de la nappe sont réguliers.
2. Le plan tangent en . On a Le plan tangent est le plan passant par et normal à : On vérifie que le point de contact y appartient : .
3. L'équation cartésienne. Avec et , on obtient Tout point de la nappe vérifie donc . Réciproquement, le système , se résout en , , et si alors : le point est bien atteint. La nappe décrit donc exactement la surface d'équation .
Posons , de classe sur . Alors C'est le même vecteur normal, à un facteur près — un vecteur normal n'est défini qu'à un scalaire non nul près. Le plan tangent est donc le même : , soit .
Ce qu'il faut retenir. Une même surface se décrit indifféremment par un paramétrage ou par une équation cartésienne ; le plan tangent, lui, ne dépend pas du choix. La voie paramétrée demande deux dérivations et un produit vectoriel, la voie cartésienne un seul gradient : quand l'équation est disponible, elle est plus courte.
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