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2 ex.

Difficulté :
L'essentiel du cours (3 notions)

Intersection sphère-plan et plan tangent

Propriété : Distance $d$ du centre $\Omega$ au plan $\mathcal{P}$ : si $d > R$, intersection vide ; si $d = R$, plan tangent ; si $d < R$, cercle de rayon $r = \sqrt{R^2 - d^2}$.

Méthode : Plan tangent en $A \in \mathcal{S}$ : $M \in \mathcal{P} \iff \vec{\Omega A} \cdot \vec{AM} = 0$. Le vecteur $\vec{\Omega A}$ est un vecteur normal au plan $\mathcal{P}$.

Exemple : $\Omega(0,0,0)$, $R=3$, plan $z=2$ ($d=2 < 3$) : l'intersection est le cercle de centre $H(0,0,2)$ et de rayon $r = \sqrt{3^2 - 2^2} = \sqrt{5}$.

Sphère circonscrite à un tétraèdre

Définition : La sphère circonscrite à un tétraèdre $ABCD$ est l'unique sphère passant par ses quatre sommets. Son centre $\Omega$ vérifie $\Omega A = \Omega B = \Omega C = \Omega D$.

Méthode : 1. Poser $\Omega(x,y,z)$. 2. Résoudre le système linéaire à 3 équations : $\Omega A^2 = \Omega B^2$, $\Omega A^2 = \Omega C^2$, $\Omega A^2 = \Omega D^2$. 3. Calculer $R = \Omega A$.

Exemple : Sommets $A(0,0,0)$, $B(2,0,0)$, $C(0,2,0)$, $D(0,0,2)$ : le système $\Omega A^2 = \Omega B^2 = \Omega C^2 = \Omega D^2$ donne $\Omega(1,1,1)$ et $R = \sqrt{3}$.

Fonction scalaire de Leibniz

Définition : Pour des points $(A_i, \alpha_i)$ avec $S = \sum \alpha_i \neq 0$ et de barycentre $G$, la fonction scalaire de Leibniz est $f(M) = \sum \alpha_i MA_i^2$.

Propriété : Théorème de réduction : $f(M) = S \, MG^2 + f(G)$. Si $\frac{k - f(G)}{S} > 0$, l'ensemble des points $M$ tels que $f(M) = k$ est une sphère de centre $G$.

Méthode : 1. Obtenir le barycentre $G$. 2. Réduire $f(M) = S \, MG^2 + f(G)$. 3. Résoudre $MG^2 = \frac{k - f(G)}{S}$ pour conclure sur l'ensemble des points $M$.