Mathématiques : 1Bac S.Exp – STE – STM

Séance 4 (Le produit scalaire dans le plan)

 

 

Professeur : Mr ETTOUHAMY Abdelhak

 

Sommaire

 

I- Rappels

1-1/ Produit scalaire

1-2/ Base et repère (orthonormé direct)

II- Expression analytique de u.v et u

III- Formules trigonométriques

3-1/ Formules de sinu,v et cosu,v

3-2/ Surface d’un triangle et d’un parallélogramme

IV- Droite dans le plan (Étude analytique)

4-1/ Vecteur normal

4-2/ Ensemble des points M tel que n.AM=0

4-3/ Équation cartésienne de la droite D(A,n)

4-4/ Orthogonalité de deux droites

4-5/ Distance d’un point à une droite

V- Cercle dans le plan (Étude analytique)

5-1/ Équation cartésienne du cercle C(Ω(a,b);r)

5-2/ Équation cartésienne du cercle de diamètre AB

5-3/ Présentation paramétrique d’un cercle

5-4/ Étude l’ensemble des points M(x,y)/x2+y2+ax+by+c=0

5-5/ Étude les positions relatives d’un cercle et d’une droite

5-6 Équation cartésienne d’une droite tangente à un cercle

VI- Exercices

6-1/ Exercice 1

6-2/ Exercice 2

6-3/ Exercice 3

6-4/ Exercice 4

6-5/ Exercice 5

6-6/ Exercice 6

 


I- Rappels

 

1-1/ Produit scalaire

Définition

u et v deux vecteurs du plan tel que u=AB et v=AC.

le produit scalaire de u et v est noté u.v tel que :

Si v=0 ou u=0 alors u.v=0.

Si v0 et u0 et H la projection orthogonale de C sur la droite (AB) (AB car u0), alors :

  • u.v=AB.AC=AB×AH si AB et AH ont même sens (Cas n°1).
  • u.v=AB.AC=-AB×AH si AB et AH ont les sens opposés (Cas n°2).

u.u=u2=AB2 est appelé le carré scalaire de u=AB.

Le nombre réel positif u.u est appelé la norme du vecteur u=AB, on le note u ou AB=AB (u2=u2).

 

 

Propriétés

u et v et w trois vecteurs du plan tel que u=AB et v=AC et α.

1- La forme trigonométrique du produit scalaire tel que u.v¯=AB.AC¯α 2π est : AB.AC=AB×AC×cosα ou encore u.v=u×v×cosα.

2- Symétrie du produit scalaire : u.v=v.u

3. Linéarité du produit scalaire :

u+v.w=u.w+v.ww.u+v=w.u+w.vαu.v=u.αv=α×u.v

4- Positivité du produit scalaire : u20

5- Produit scalaire est non dégénéré : u.u=0u=0

6- Orthogonalité de deux vecteurs u et v : uvu.v=0

 

1-2/ Base et repère (orthonormé direct)

i et j deux vecteurs non colinéaires du plan P.

Le couple B=(i,j) s’appelle base du plan, on dit que le plan P est rapporté à la base B=(i,j).

O est un point de P et B=(i,j) est une base de P.

Le triplet R=(O,i,j) s’appelle repère de P, on dit que le plan est rapporté au repère R=(O,i,j)  ou encore le plan P est muni du repère R=(O,i,j)).

B=(i,j) est une base orthonormée si et seulement si i.j=0 et i=j=1, dans ce cas le repère R=(O,i,j) est appelé repère orthonormé.

B=(i,j) est une base orthonormée directe si et seulement si B=(i,j) est une base orthonormée et i.j¯π2 2π, dans ce cas le repère R=(O,i,j) est appelé repère orthonormé direct.

 

II- Expression analytique de u.v et u

 

Propriété

ux,y=xi+yjet vx',y'=x'i+y'j deux vecteurs du plan (P).

On a :

u.v=xy.x'y'=xx'+yy'u=x2+y2uvxx'+yy'=0

Exemple

 

III- Formules trigonométriques

 

3-1/ Formules de sinu,v et cosu,v

ux,y=xi+yjet vx',y'=x'i+y'j deux vecteurs du plan (P) avec u.v¯α 2π.

On a :

cosα=u.vu.v=xx'+yy'x2+y2x'2+y'2sinα=detu.vu.v=xy'-yx'x2+y2x'2+y'2

 

 

 

3-2/ Surface d’un triangle et d’un parallélogramme

ABCD est un parallélogramme dans le plan (P).

La surface SABC du tringle ABC est : SABC=12detAB,AC.

La surface SABCD du parallélogramme ABCD est : SABCD=detAB,AC.

Démonstration

 

IV- Droite dans le plan (Étude analytique)

 

4-1/ Vecteur normal

Définition

D(A,u) est une droite dans le plan (P).

Tout vecteur n non nul orthogonal au vecteur directeur u de la droite D(A,u) s’appelle vecteur normal à la droite D(A,u).

Remarques

Les vecteurs αn α0 sont normaux à la droite D(A,u).

n et n' sont normaux à la droite D(A,u), donc n et n' sont colinéaires .

na,b normal à la droite D équivaut à u-b,a est un vecteur directeur à la droite D.

 

 

4-2/ Ensemble des points M tel que n.AM=0

L’ensemble des points M(x,y) de (P) tel que n.AM=0 est la droite D(A,n) passant par A dont le vecteur normal est n.

Exemple

 

 

4-3/ Équation cartésienne de la droite D(A,n)

M(x,y) est un point de P appartient à la droite DAxA,v;na,b si et seulement si ax+by+c=0 et a,b0,0 et c=-axA-byA

ax+by+c=0 s’appelle l’équation cartésienne de la droite DA;n.

Exemple

 

 

4-4/ Orthogonalité de deux droites

On considère les droites D et D' d’équations cartésiennes D : ax+by+c=0 et D' : a'x+b'y+c'=0 tel que n(a,b) et n'(a',b') sont les vecteurs normaux respectivement à D et D'.

On a :

D'Dab.a'b'=0aa'+bb'=0

Exemple

 

 

4-5/ Distance d’un point à une droite

D(A,u) est une droite dans le plan (P).

A est un point de (P) et H sa projection orthogonale sur D.
 
La distance AH est appelée la distance de A à D.

On note : dA,D=d=AH.

Exemple

 

V- Cercle dans le plan (Étude analytique)

 

5-1/ Équation cartésienne du cercle C(Ω(a,b);r)

Tout cercle C(Ω(a,b);r) du plan P a pour équation cartésienne de la forme x-a2+y-b2=r2 ou encore x2+y2-2ax-2by+c=0 avec c=a2+b2-r2.

Exemple

 

 

5-2/ Équation cartésienne du cercle de diamètre AB

L'équation cartésienne du cercle de diamètre AB est : Mx,yCA;BAM.BM=0

Exemple

 

 

5-3/ Présentation paramétrique d’un cercle

C(Ω(a,b);r)  est un cercle du plan P rapporté au repère orthonormé O,i,j tel que i,ΩM¯θ 2π.

Pour tout M(x,y) du plan P, on a : x=a+Rcosθy=b+Rsinθ.

On l’appelle présentation paramétrique d’un cercle C(Ω(a,b);r).

Exemple

 

 

5-4/ Étude l’ensemble des points M(x,y)/x2+y2+ax+by+c=0

L’ensemble des points M(x,y) du plan P qui vérifie x2+y2+ax+by+c=0 est :

Si Δ=a2+b2-4c<0, on a S=.

Si Δ=a2+b2-4c=0, on a S=Ω-a2;-b2 (un point et un seul).

Si Δ=a2+b2-4c>0, on a S=C=CΩ-a2;-b2;r=a2+b2-4c2 (un cercle).

Exemple

 

 

5-5/ Étude les positions relatives d’un cercle et d’une droite

D est une droite du plan P et C est un cercle du plan P de centre Ω et de rayon r.

D est à l’extérieure du cercle C si et seulement si dΩ,D>r, dans ce cas DC=.

D coupe le cercle C si et seulement si dΩ,D<r, dans ce cas DC=A,B.

D est tangente au cercle C si et seulement si dΩ,D=r, dans ce cas DC=A.

 

 

5-6/ Équation cartésienne d’une droite tangente à un cercle

L’équation cartésienne de la droite D tangente au cercle C(Ω,r) en un point AxA,yA de C(Ω,r) est AM.AΩ=0 ou encore x-xAy-yA.xΩ-xAyΩ-yA=0.

Exemple

 

VI- Exercices

 

6-1/ Exercice 1

Soient A3;3B1;1 et C1;3 trois points dans le plan.

  1. Déterminer les coordonnées des vecteurs AB et AC.
  1. Calculer cosAB;AC^ et sinAB;AC^.
  1. En déduire u;v^ la mesure de l'angle orienté AB;AC^.
  1. Calculer l’aire du triangle ABC.

 

 

6-2/ Exercice 2

Soient A1;2B3;4 et C0;3 trois points dans le plan.

  1. Déterminer l’équation de la droite (D) médiatrice de [AB].
  1. Déterminer l’équation de Δ la hauteur du triangle ABC qui passe par A.
  1. Déterminer l’équation cartésienne de la droite (D) passant par A et de vecteur n normale dans chaque cas :
  • 3-1/ A2;3 et n3;1.
  • 3-2/ A-2;1 et n2;0.

 

 

6-3/ Exercice 3

  1. Déterminer l’équation cartésienne de cercle (C) de diamètre [AB] avec A(-1 ;1) et B(1 ;3) par deux méthode différentes.
  1. Déterminer l’équation cartésienne de cercle (C) de centre Ω1;3 et de rayon R=3.

 

 

6-4/ Exercice 4

  1. Déterminer dans chaque cas la nature de l’ensemble E des points M(x;y) vérifiant :

1 E : x2+y2-9=02 E : x2+y2-2x-6y+6=03 E : x2+y2-4x-2y+7=04 E : x2+y2+6y+5=0

  1. Donner la représentation paramétrique de cercle (C) de centre Ω et de rayon R dans chaque cas :

1 Ω2;-1 et R=22 Ω0;2 et R=3

 

 

6-5/ Exercice 5

  1. Étudier la position relative du cercle (C) et de la droite (D) dans chaque cas :

1 C : x2+y2+4x-1=0D : x-y-3=02 C : x2+y2-2x+2y-3=0D : 2x+y+4=03 C : x2+y2-4x+2y-1=0D : x-y+3=0

 

6-6/ Exercice 6

Le plan (P) est muni d’un repère orthonormé (O,i,j).

On considère les points : A(5;0), B(7;4)C(3;3) et D(1;1).

  1. Déterminer les coordonnées du point I milieu du segment [AB].
  1. Déterminer les coordonnées du point J milieu du segment [CD].
  1. Déterminer l’équation cartésienne de la droite Δ médiatrice du [AB].
  1. Déterminer l’équation cartésienne du cercle (C) de diamètre [CD] de deux façons différentes.
  1. Calculer la distance d entre le point J et la droite Δ.
  1. Etudier la position relative de  la droite Δ et le cercle  (C).