mathématiques (PTSI) · Chapitre 9 · Application directe du cours
Sphère, plan tangent et section circulaire
Géométrie du plan et de l'espace · G. Sphères · niveau 3 (difficile)
Énoncé
Soit la sphère d'équation .
- Déterminer le centre et le rayon de .
- Étudier l'intersection de avec le plan selon la valeur de .
- Montrer que le plan est tangent à et déterminer le point de contact.
Corrigé
Stratégie : forme canonique, puis comparaison distance-rayon pour chacune des deux questions. Les intersections d'une sphère avec un plan se traitent sans jamais résoudre de système : tout se lit sur la distance du centre au plan.
1) Centre et rayon. Regroupons en carrés :
L'équation équivaut donc à :
2) L'intersection avec le plan horizontal . La distance du centre à ce plan est simplement , puisque la troisième coordonnée de est nulle. Le cours donne alors les trois cas :
| condition | intersection |
|---|---|
| vide : le plan passe au-delà de la sphère | |
| ou | un seul point, ou : le plan est tangent |
| un cercle, de centre et de rayon |
Le rayon du cercle s'obtient par Pythagore dans le triangle rectangle formé par le centre de la sphère, le centre du cercle et un point du cercle : .
⚠️ Le centre du cercle n'est pas le centre de la sphère, et ce n'est pas non plus un point quelconque du plan. C'est le projeté orthogonal de sur le plan — ici . C'est ce projeté qui joue le rôle du sommet de l'angle droit dans le triangle de Pythagore, et l'oublier fait perdre à la fois le centre et la formule du rayon.
Ces cercles sont les « parallèles » de la sphère : le plus grand, de rayon , est obtenu pour — c'est le grand cercle, celui qui passe par le centre.
3) Le plan . Son vecteur normal a pour norme , donc
La distance égale le rayon : le plan est tangent à la sphère.
4) Le point de contact est le projeté orthogonal de sur , qu'on obtient en suivant la normale issue du centre. Posons et reportons dans l'équation du plan :
Contrôles numériques. Le point est-il sur le plan ? ✔. Est-il sur la sphère ? ✔ — et un point à distance du centre est par définition sur la sphère. Enfin, pour , la question 2 prédit un cercle de rayon centré en : c'est bien un grand cercle. ✔
Ce que l'exercice installe. Toute la géométrie de la sphère se joue sur une seule comparaison : la distance du centre au plan, face au rayon. Elle décide du vide, de la tangence ou du cercle ; elle donne le centre du cercle, qui est le projeté ; elle donne son rayon, par Pythagore. C'est exactement le schéma déjà rencontré pour le cercle et la droite dans le plan, transposé d'une dimension.