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mathématiques (PTSI) · Chapitre 9 · Application directe du cours

Lignes de niveau et régionnement

Géométrie du plan et de l'espace · C. Produit mixte plan et droites · niveau 2

Énoncé

Soient et .

  • Déterminer les lignes de niveau de et celles de .
  • Déterminer l'ensemble des points tels que et , et le représenter.

Corrigé

Stratégie : traduire les deux fonctions en coordonnées, puis reconnaître des droites. Le produit scalaire et le produit mixte avec un vecteur fixe sont tous deux des expressions affines en : leurs lignes de niveau sont donc des droites, et l'on peut lire directement leur direction.

1) Les deux fonctions en coordonnées. Avec , on a , donc

2) Les lignes de niveau. La ligne de niveau est la droite , dont un vecteur normal est : les lignes de niveau du produit scalaire sont les droites perpendiculaires à . La ligne de niveau est la droite , dont un vecteur normal est , donc un vecteur directeur : les lignes de niveau du produit mixte sont les droites parallèles à .

Les deux familles sont donc deux faisceaux de droites parallèles, perpendiculaires l'un à l'autre, et les deux droites de niveau passent toutes deux par — puisque .

⚠️ Ces deux fonctions ont chacune une lecture géométrique, et c'est elle qu'il faut retenir. À un facteur près, est la mesure algébrique de la projection de sur : elle dit jusqu'où on avance dans la direction de . Toujours à ce facteur près, est la distance algébrique de à la droite passant par dirigée par : elle dit de combien on s'écarte de cette droite, et de quel côté. L'un mesure le long, l'autre en travers.

3) L'ensemble . Chaque inégalité définit un demi-plan fermé bordé par la droite de niveau correspondante, et les deux droites de bord passent par et sont perpendiculaires. L'intersection est donc un quart de plan de sommet , limité par la perpendiculaire à en et par la droite dirigée par passant par :

C'est le secteur des points qui sont à la fois « en avant » de dans la direction de et « à gauche » de la droite , le mot gauche désignant le côté vers lequel pointe le quart de tour direct de , à savoir le vecteur .

Contrôle numérique. Le point doit appartenir au quart de plan : ✔ et ✔. Le point symétrique doit en être exclu : ✔. Et lui-même est sur le bord : ✔.

Ce que l'exercice installe. Le couple est un système de coordonnées attaché au point et à la direction : la première composante mesure l'avancée, la seconde l'écart latéral signé. Les régionnements du plan se décrivent alors sans effort, par des signes.

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