Dans ce chapitre, on se place dans un plan, un repère orthonormé et une base orthonormée .
I – Vecteur directeur d’une droite
Exemple :
Sur la figure de droite, tous les vecteurs de couleur verte sont colinéaires au vecteur . Ce sont tous des vecteurs directeurs de la droite (d).
Bien évidemment, est aussi un vecteur directeur de (d).
Conséquences :
- Une droite a une infinité de vecteurs directeurs.
- Tous les vecteurs directeurs d’une droite sont colinéaires entre eux.
Démonstration : Si est un vecteur directeur de la droite passant par , alors il existe un point tel que et sont colinéaires.
Soit un point quelconque de cette droite, alors les points , et sont alignés, ce qui implique que les vecteurs et sont colinéaires.
Sachant que et sont colinéaires, il vient que et sont colinéaires.
II – Équation cartésienne d’une droite
À partir d’un exemple
Considérons la droite passant par et de vecteur directeur .
Soit un point quelconque de la droite . Les coordonnées du vecteur sont et .
Alors nous savons que les vecteurs et sont colinéaires. Donc leur déterminant est nul : .
On développe cette égalité : .
On la simplifie : . Cette relation est l’équation cartésienne de la droite . Cette équation est la « carte d’identité » de la droite. Tout ce que l’on peu savoir sur cette droite est contenu dans cette relation. Plus précisément elle définit qu’un point appartient à cette droite à la condition que ses coordonnées soit une solution de l’équation.
Vérifions à l’aide de cette équation que le point appartient bien à . Pour cela remplaçons dans l’équation , par :
est bien égal à 0 dont est bien une solution de l’équation . Cela suffit pour vérifier que est sur la droite .
Question : Puisque cette équation est la carte d’identité de la droite, on devrait la retrouver en prenant un autre point de la droite, choisi à la place de et en prenant un autre vecteur directeur de cette droite, choisi à la place de .
Soient le point de la droite et , un autre vecteur directeur de . Je laisse à l’élève le soin de vérifier que et sont bien colinéaires.
On va reprendre à l’identique ce qui a été fait avec et .
Soit un point quelconque de la droite . Les coordonnées du vecteur sont et .
et sont colinéaires. Donc leur déterminant est nul : .
On développe cette égalité : .
On la simplifie : .
On multiple chaque membre de l’égalité par :
On divise chaque membre de légalité par : , c’est-à-dire : . C’est bien l’équation cartésienne de la droite . Elle ne dépend pas du point et du vecteur directeur choisis.
L’équation cartésienne d’une droite est de la forme : pour laquelle , et sont des nombres réels fixes.
Démonstration : Soit la droite passant par et de vecteur directeur .
Soit un point quelconque de la droite . Les coordonnées du vecteur sont et .
Alors nous savons que les vecteurs et sont colinéaires. Donc leur déterminant est nul : .
On développe cette égalité : que l’on présente ainsi : . C’est l’équation cartésienne de la droite .
En posant : , et , on retrouve bien une équation de la forme .
REMARQUE : L’équation cartésienne d’une droite n’est pas une unique. Si est une équation cartésienne d’une droite alors pour tout réel non nul, l’équation : est aussi une équation cartésienne de la même droite.
La droite représentée ci-contre a comme équation cartésienne : . En multipliant par les deux termes de cette équation, on obtient une autre équation cartésienne de cette droite : .
- Si est une droite parallèle à l’axe des ordonnées, alors il existe un nombre réel tel qu’une équation cartésienne de est .
- Si est une droite parallèle à l’axe des abscisses, alors il existe un nombre réel tel qu’une équation cartésienne de est .
Démonstration :
Si est parallèle à l’axe des ordonnées, le vecteur est un vecteur directeur de .
Soit un point particulier de . On a vu dans la démonstration précédente que si est un point de alors le déterminant des vecteurs et est nul.
Cela conduit à l’égalité : , soit ou plus simplement .
En posant , on obtient une équation cartésienne de : .
La démonstration concernant les droites parallèles à l’axe des abscisses est très proche.
Démonstration :
1er cas : . Alors l’équation se réduit à , soit et finalement .
Ainsi tous les points de ont la même pour ordonnée : , quelle que soit la valeur de leurs abscisses. Conclusion : est la droite parallèle à l’axe des abscisses passant, par exemple, par le point de coordonnées .
Un vecteur directeur de est .
Dans l’exemple de droite : et .
2ème cas : . Alors l’équation se réduit à , soit et finalement .
Ainsi tous les points de ont la même pour abscisse : , quelle que soit la valeur de leurs ordonnées. Conclusion : est la droite parallèle à l’axe des ordonnées passant, par exemple, par le point de coordonnées .
Un vecteur directeur de est .
Dans l’exemple de droite : et .
3ème cas : , et . Alors l’équation se réduit à . On peut découvrir deux points de : et . Les coordonnées de sont évidemment .
Soit un point quelconque de . Les coordonnées de sont .
Le déterminant de et est .
Or donc . Par conséquent le déterminant de et est nul, donc les deux vecteurs sont colinéaires, c’est-à-dire que les trois points , et sont alignés : est un point de la droite .
Avant de conclure que est la droite , il faut démontrer, qu’inversement, tout point de appartient à :
Soit . Alors et sont colinéaires, donc leur déterminant est nul, ce qui donne l’égalité : , soit . Donc .
On peut donc en conclure que est la droite .
Dans l’exemple ci-contre : et .
4ème cas : , et . Les deux points et obtenus précédemment appartiennent à et ne sont pas confondus puisque . Donc .
Les coordonnées du vecteur sont .
Soit un point quelconque de . Les coordonnées du vecteur sont .
Calculons le déterminant des vecteurs et :
Or par hypothèse donc les coordonnées de vérifient l’équation . Par conséquent le déterminant des vecteurs et est nul.
Cela signifie que ces deux vecteurs sont colinéaires, donc les points , et sont alignés. Conclusion : tout point de appartient à la droite .
Avant de conclure que est la droite , il faut démontrer, qu’inversement, tout point de appartient à :
Soit . Alors et sont colinéaires, donc leur déterminant est nul, ce qui donne l’égalité : .
Alors . Comme , il vient . Donc .
On peut donc en conclure que est la droite .
Dernier point à vérifier : le vecteur est-il un vecteur directeur de ? Comme , il est évident que est un vecteur directeur de .
Posons . Notons que . Le vecteur est colinéaire à donc c’est aussi un vecteur directeur de .
Les coordonnées de sont : . Donc :
- l’abscisse de : et
- l’ordonnée de :
qui sont exactement les coordonnées de .
Les droites et sont parallèles si et seulement si
Démonstration :
1ère partie : Supposons que . Alors leurs vecteurs directeurs sont colinéaires.
Un vecteur directeur de est et un vecteur directeur de est . Si et sont colinéaires alors leur déterminant est nul. Ce qui donne :
2ème partie (réciproque) : Supposons que , alors le déterminant de et est nul, donc ces deux vecteurs directeurs sont colinéaires. Ce qui permet d’affirmer que les deux droites sont parallèles.
III – Équation cartésienne réduite
Démonstration :
Soit une droite dont l’équation cartésienne est telle que . Alors
Comme , on peut diviser les deux membres de l’égalité par : , soit .
En posant et , on obtient l’équation cartésienne réduite de la droite : .
On rappelle que est le coefficient directeur ou la pente de la droite.
Remarque : Si une droite possède une équation cartésienne réduite, celle-ci est unique.
Remarque : On retrouve un résultat déjà rencontré dans le chapitre sur les fonctions affines.
Remarque : On a vu au cours de la démonstration de la propriété précédente, que le cas correspond à une droite parallèle à l’axe des ordonnées. Ce sont les seules droites qui ne possèdent pas d’équation réduite.
Démonstration :
Si l’équation réduite de est alors une équation cartésienne de est . On sait alors qu’un vecteur directeur de est .
Interprétation : Quand on se déplace sur la droite du point au point , d’une distance horizontale égale à , on « monte ou on descend » d’une distance égale à .
et sont parallèles si et seulement si elles ont le même coefficient directeur (la même pente), autrement dit : si et seulement si .
Démonstration : et ont comme équations cartésiennes respectives : et .
D’après la propriété sur les droites parallèles vue précédemment dans ce chapitre, on sait que et sont parallèles si et seulement si : ce qui donne .
IV – Système de deux équations linéaire à deux inconnues
Dans ce paragraphe, sont des nombres réels donnés. On suppose de plus que et que
Un couple est solution du système si et seulement si et vérifient les deux égalités du système.
Dans la suite du paragraphe on suppose donné ce système de deux équations linéaires à deux inconnues, que l’on appelle .
1. Résolution géométrique d’un système
La première équation de peut s’écrire : . On reconnaît l’équation d’une droite affine . Le couple est solution de cette équation si et seulement si le point appartient à .
La seconde équation de peut s’écrire : . On reconnaît l’équation d’une droite affine . Le couple est solution de cette équation si et seulement si le point appartient à .
Ainsi le couple est solution du système si et seulement si le point est le point d’intersection des droites et .
Trois cas sont possibles pour ces deux droites :
et sont sécantes | et sont parallèles | et sont confondues |
a une seule solution : les coordonnées de leur point d’intersection | n’a aucune solution | a une infinité de solutions : les coordonnées de tous les points de |
2) Résolution algébrique d’un système
Démonstration : La résolution géométrique nous a appris que la condition nécessaire et suffisante pour que est une solution unique, est que les deux droites ne soient pas parallèles.
Nous avons vu dans le chapitre précédent que cette condition est remplie dès lors que .
Il existe une démonstration purement algébrique ne faisant pas appel à la géométrie, qui sera proposée sous forme d’exercice.
Il existe deux méthodes de résolution d’un système de deux équations linéaires à deux inconnues : la méthode par substitution et la méthode par combinaison.
Résoudre un système par la méthode de substitution
Cette méthode est efficace si l’un des coefficients ou est égal à 1.
Le coefficient devant le de la première équation est . On utilise la méthode de substitution qui consiste à :
- exprimer en fonction de puis
- remplacer le de la seconde équation par l’expression en fonction de .
De la première équation , il vient . On remplace ensuite le de la seconde équation par . Cela donne : .
En développant on obtient : , soit , donc , soit .
On revient au premier résultat obtenu qui était : . Comme nous avons calculé que , il vient que .
Conclusion : la solution unique du sytème est le couple : .
Question : sommes-nous certains de notre calcul. Un moyen simple de le confirmer est de remplacer les valeurs trouvées pour et dans l’une des équations et de vérifier que cette équation est vérifiée. La première équation est . c’est bien le résultat attendu.
Question : sommes-nous certains que est la seule solution possible ? Calculons l’expression de ce système : . Comme on obtient un résultat non nul, nous sommes certains que le système n’a qu’une seule solution.
Résoudre un système par la méthode par combinaison
Cette méthode s’applique si al méthode par substitution n’est pas applicable. Elle consiste à :
- multiplier par un même nombre les deux membres de la première équation ;
- (option) multiplier par un même autre nombre les deux membres de la seconde équation ;
- additionner ou soustraire terme à terme les deux équation pour obtenir une troisième équation où ne subsiste qu’une seule des deux inconnues ou .
On multiplie par les deux termes de la première équation : . On obtient : .
On multiplie par les deux termes de la première équation : . On obtient : .
On soustrait membre à membre les termes de la seconde équation des termes de la première. Cela donne l’équation : , soit après simplification : .
On remplace la valeur trouvée pour dans l’une des deux équation de départ, par exemple la première. On obtient : , soit . Donc .
Conclusion : la solution unique du sytème est le couple :
Deux autres exemples
Si on multiple par les deux termes de la première équation, on retrouve exactement la seconde équation.
Cela signifie que le système se résume à une seule de ses deux équations : par exemple. D’un point de vue géométrique, on a un système de deux équations cartésienne de la même droite.
Conclusion : Les solutions du système sont les coordonnées de tous les points de la droite d’équation .
Si on multiple les deux termes de la seconde équation par , on obtient : , soit après simplification :
Conclusion : Ce système n’a aucune solution car .