Mathématiques : Tronc Commun

Séance 13 (Le produit scalaire)

 

 

Professeur : Mr ETTOUHAMY Abdelhak

 

Sommaire

 

I- Produit scalaire de deux vecteurs

1-1/ Norme d’un vecteur

1-2/ Produit scalaire de deux vecteurs

II- Forme trigonométrique du produit scalaire de deux vecteurs non nuls

III- Orthogonalité de deux vecteurs

IV- Propriétés du produit scalaire

V- Applications du produit scalaire

5-1/ Relations métriques dans un triangle rectangle

5-2/ Théorème d’El Kashi

5-3/ Théorème de la médiane

VI- Exercices

6-1/ Exercice 1

6-2/ Exercice 2

6-3/ Exercice 3

6-4/ Exercice 4

 


I- Produit scalaire de deux vecteurs

 

1-1/ Norme d’un vecteur

Définition

Soit u→ un vecteur du plan P.

A et B deux points de P tel que u→=AB→.

La distance entre A et B est notée par AB ou encore AB→. On lit la norme du vecteur u→ ou AB→.

Donc AB→=AB.

 

 

1-2/ Produit scalaire de deux vecteurs

Définition

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

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

Si u→=0→ ou v→=0→, on a : u→.v→=0

Si u→≠0→ et v→≠0→ et H la projection orthogonale de C sur la droite AB (A≠B car u→≠0→), 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 des sens opposés (Cas n°2).

 

 

Remarques

La projection orthogonale de B sur la droite AB est B, d’où u→.u→=AB→.AB→=AB×AB=AB2>0, on note u→.u→ o par u→2 , et on lit le carré scalaire.

u→2 est un nombre positif de même que AB→2 est un nombre positif.

On a AB→2=AB2=AB→2, d'où AB→=AB→2, et de même on a u→=u→2

 

II- Forme trigonométrique du produit scalaire de deux vecteurs non nuls

 

Activité

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

 H est la projection orthogonale de C sur la droite AB (A≠B car u→≠0→),

On considère l’angle (AB→,AC→^) de mesure AB→,AC→¯≡α 2π

  1. Pour chaque cas exprimer AH en fonction de AC et cosα.

 

 

Propriété

u→ et v→ deux vecteurs non nuls du plan tel que u→=AB→ et v→=AC→ et u→,v→¯=AB→,AC→¯≡α 2π

La forme trigonométrique du produit scalaire de u→ et v→ est : AB→.AC→=AB×AC×cosα, ou encore u→.v→=u→×v→×cosα

Remarque

Le produit scalaire des vecteurs v→=CD→ et u→=AB→ est le nombre réel AB→.CD→=AB→.C'D'→ tel que C' et D' sont respectivement les projections orthogonales de C et D sur la droite (AB) :

 

III- Orthogonalité de deux vecteurs

 

Activité

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

  1. Donner la forme trigonométrique de u→.v→.
  1. Donner la condition nécessaire et suffisante pour que u→ et v→ soient orthogonales.

 

 

Propriété

u→ et v→ deux vecteurs non nuls du plan.

Les vecteurs u→ et v→ sont orthogonaux si et seulement si u→.v→=0

On note u→⊥v→.

 

IV- Propriétés du produit scalaire

 

Propriétés

Soient u→ et v→ et w→ trois vecteurs du plan P

On a :

1. Linéarité du produit scalaire :

u→+v→.w→=u→.w→+v→.w→w→.u→+v=w→.u→+w→.v→αu→.v→=u→αv→=α×u→.v→

2. Positivité du produit scalaire :

u→2≥0

3. produit scalaire est non dégénéré :

u→.u→=0⇔u→=0→

 

 

Conséquences

Soient u→ et v→ deux vecteurs du plan P

On a :

1 u→+v→2=u→2+2u→.v→+v→2=u→2+2u→.v→+v→22 u→-v→2=u→2-2u→.v→+v→2=u→2-2u→.v→+v→23 u→+v→.u→-v→=u→2-v→2=u→2-v→24 u→.v→=12u→+v→2-u→2-v→2

 

V- Applications du produit scalaire

 

5-1/ Relations métriques dans un triangle rectangle

Activité

ABC est un triangle rectangle en A.

Le point H est la projection orthogonale de A sur la droite (BC).

  1. Calculer cosB en utilisant les deux triangles ABC et ABH.
  1. Montrer que BA2=BH×BC.
  1. Montrer que AH2=AB2-HB2, et que AH2=AC2-HC2.
  1. En déduire que 2AH2=BC2-HB2+HC2.

On remarque que HB+HC2-2HB×HC=BC2-2HB×HC.

  1. En déduire que AH2=HB×HC.

 

 

Propriété

ABC est un triangle rectangle en A.

Le point H est la projection orthogonale de A sur la droite (BC).

On a :

BC2=BA2+AC2BA2=BH×BCCA2=CH×CBAH2=HB×HC

On les appelle les relations métriques dans un triangle rectangle.

 

 

5-2/ Théorème d’El Kashi

Théorème

Dans tout triangle ABC, on pose AB=c et AC=b et BC=a.

On a :

1- BC2=BA2+AC2-2AB×AC×cosA ou encore a2=c2+b2-2c×b×cosA

2- AC2=AB2+BC2-2AB×BC×cosB ou encore b2=c2+a2-2c×a×cosB

3- AB2=AC2+CB2-2AC×CB×cosC ou encore c2=b2+a2-2b×a×cosC

 

 

5-3/ Théorème de la médiane

Théorème

Soit un segment AB du plan P, le point I est son milieu.

Pour tout point M du plan P, on a :

MA2+MB2=2MI2+12AB2

VI- Exercices

 

6-1/ Exercice 1

Soient u→ et v→ deux vecteurs du plan.

  1. Calculer u→.v→ dans les deux cas suivants :

1 u→=1 ; v→=3 ; u→.v→¯≡π62π2 u→=2 ; v→=22 ; u→.v→¯≡5π42π

Soit ABC un triangle équilatéral tel que AB=4.

  1. Calculer AC→.CB→.

Soient u→ et v→ deux vecteurs du plan.

 3. Déterminer les mesures possibles de l’angle orienté u→.v→¯ sachant que u→=4, v→=2 et u→.v→=-26.

Soit ABC un triangle isocèle en A tel que AB=3 et BC=33.

  1. Calculer CA→.CB→.
  1. En déduire CAB^ .

 

 

6-2/ Exercice 2

Soient u→ et v→ deux vecteurs orthogonaux du plan tels que u→=4 et v→=5.

  1. Déterminer le réel m sachant que mu→+v→.u→+v→=13.cosA^=-122.

Soit ABC un triangle tel que AB=1, AC=2 et cosA^=-122.

  1. Calculer AB→.AC→.

Considérons D un point du plan défini par AD→=13AB→+2AC→.

  1. Calculer AB→.AD→.

 

 

6-3/ Exercice 3

ABCD est un parallélogramme tel que BAD^=π3 et AD=4 et CD=6.
 
Soit O le milieu du segment AB.

  1. Calculer les distances BD et AC.
  1. Montrer que pour tout point M du plan, on a MA2+MB2=2MO2+18.
  1. En déduire l’ensemble des points M du plan tel que MA2+MB2=24.

Soient ABC un triangle rectangle en A, et H le projeté orthogonal de A sur (BC) et AB=3 et AC=4.

  1. Calculer les longueurs BC, HC, HB et AH.

 

 

6-4/ Exercice 4

Soit ABC un triangle tel que AB=3 et AC=1 et cosBAC^=-13.

  1. Vérifier que AB→.AC→=-1.
  1. Calculer la distance BC.

Soient I et J les milieux respectifs de BC et AC.   

  1. Calculer AI et BJ.

Soit E un point du plan tel que AE→=49AB→.