Mathématiques : 1Bac SM

Séance 17-1 : Produit scalaire dans l'espace (Cours)

 

 

Professeur : Mr CHEDDADI Haitam

 

Sommaire

 

I- Produit scalaire dans l’espace

1-1/ Définitions et notations

1-2/ Orthogonalité de deux vecteurs

1-3/ Symétrie et bilinéarité du produit scalaire

1-4/ Norme d'un vecteur de l'espace

II- Étude analytique du produit scalaire

2-1/ Base orthonormale - Repère orthonormal

2-2/ Expression analytique du produit scalaire

2-3/ Ensemble des points M de l'espace tels que u→.AM→=k

III- Plan défini par un point et un vecteur normal

3-1/ Vecteur normal à un plan

3-2/ Équation cartésienne d'un plan défini par un point et un vecteur normal

3-3/ Parallélisme et orthogonalité

3-4/ Distance d’un point à un plan de l’espace

IV- La sphère dans l’espace

4-1/ Définition

4-2/ Équation cartésienne d’une sphère

4-3/ Représentation paramétrique d'une sphère

4-4/ Ensemble des points Mx;y;z de l'espace tels que x2+y2+z2-2ax-2by-2cz+d=0

4-5/ Ensemble des points M de l'espace tels que MA→.MB→=0

4-6/ Intersection d'une sphère et d'une droite

4-7/ Intersection d'une sphère et d'un plan

 


I- Produit scalaire dans l’espace

 

1-1/ Définitions et notations

Définition

Soit u→ et v→ deux vecteurs de l'espace, et A, B et C trois points de l'espace tels que u→=AB→ et v→=AC→.

- Si u→ et v→ sont non nuls, le produit scalaire des deux vecteurs u→ et v→ dans l'espace est le produit scalaire des deux vecteurs AB→ et AC→ dans le plan ABC si A, B et C ne sont pas alignés, ou dans tout plan comprenant A, B et C, on le note : u→.v→

- Si u→=0→ ou v→=0→, on convient que : u→.v→=0

 

 

Remarques

Soit H le projeté orthogonal du point C sur la droite AB.

- Si AB→ et AH→ ont le même sens, alors AB→.AC→=AB×AH, cela correspond au cas où l’angle géométrique BAC^ est aigu.

- Si AB→ et AH→ ont des sens contraires, alors AB→.AC→=-AB×AH, cela correspond au cas où l'angle géométrique BAC^ est obtus.

Toutes les propriétés du produit scalaire dans le plan restent valables dans l'espace.

 

 

Applications

Soit ABCDEFGH un parallélépipède rectangle tel que AE=5, AB=8 et AD=6.

  1. Calculer les produits scalaires suivants : AE→.BG→  ;  AC→.HF→  ;  AE→.DG→

Soit ABCEFG un prisme droit tel que le triangle ABC est rectangle en A.

On suppose que AC=3 et AB=4 et AE=8.

  1. Calculer les produits scalaires suivants : AE→.AF→  ;  CG→.AF→  ;  BC→.EG→

 

 

1-2/ Orthogonalité de deux vecteurs

Définition

Deux vecteurs u→ et v→ de l'espace sont orthogonaux si u→.v→=0.

On écrit : u→⊥v→

 

 

1-3/ Symétrie et bilinéarité du produit scalaire

Proposition

Soit u→, v→ et w→ trois vecteurs de l’espace V3 et k un nombre réel.

On a les propriétés suivantes :

1 u→.v→=v→.u→2 ku→.v→=u→.kv→=ku→.v→3 u→.v→+w→=u→.v→+u→.w→

On dit que le produit scalaire est une opération symétrique et bilinéaire.

 

 

Applications

Soit ABCD un tétraèdre régulier dont toutes les arêtes ont la même longueur a.

Soit J et K les milieux respectifs des segments BC et AD :

  1. Calculer CB→.CA→ et CB→.CD→, puis en déduire CB→.AD→.
  1. Calculer AC→.AD→, et en déduire AJ→.CK→ en fonction de a.

 

 

1-4/ Norme d'un vecteur de l'espace

Définition

Soit u→ un vecteur de l'espace.

Le produit scalaires u→.u→ s'appelle le carré scalaire du vecteur u→, et se note u→2.

Le nombre réel positif u→2 est appelé la norme du vecteur u→, et on écrit : u→=u→2

Remarque

En posant u→=AB→, on a : u→2=AB→2=AB2=AB→2

 

 

Proposition

Soit  u→ et v→ deux vecteurs de l'espace V3 et k un nombre réel.

On a :

1) u→=0⇔u→=0→

2) k.u→=k.u→

3) u→.v→=u→.v→.cosu→;v→^

4) Inégalité triangulaire : u→+v→≤u→+v→

5) Inégalité de Cauchy-Schwarz : u→.v→≤u→.v→

6) Identités remarquables :

u→+v→2=u→2+2u→.v→+v→2u→-v→2=u→2-2u→.v→+v→2u→2-v→2=u→+v→.u→-v→

 

II- Étude analytique du produit scalaire

 

2-1/ Base orthonormale - Repère orthonormal

Définition

Soit O;i→;j→;k→ un repère de l'espace E.

- On dit que la base i→;j→;k→ est orthonormale (ou orthonormée) lorsque :

i→.j→=j→.k→=i→.k→=0 et i→=j→=k→=1

- On dit que le repère O;i→;j→;k→ est orthonormal (ou orthonormé) lorsque la base i→;j→;k→ est orthonormale.

 

 

2-2/ Expression analytique du produit scalaire

Proposition

Soit  u→ et v→ deux vecteurs de l'espace V3.

Si u→x;y;z et v→x';y';z', alors : u→.v→=xx'+yy'+zz' et u→=x2+y2+z2

 

 

Proposition

Soit AxA;yA;zA et BxB;yB;zB deux points de l'espace E.

Alors : AB=xB-xA2+yB-yA2+zB-zA2

 

 

Applications

On considère les vecteurs u→=2i→+3j→+k→, v→=i→-2j→+3k→ et w→=4-3mi→+5j→+1-mk→ m∈ℝ.

  1. a- Calculer : u→.v→  ;  u→.w→  ;  v→.w→  ;  u→  ;  v→
  1. b- Déterminer la valeur de réel m pour laquelle u→ et w→ sont orthogonaux.
  1. c- Calculer cosu→;v→^.

Soit ABCDEFGH un parallélépipède rectangle tel que AB=AE=2 et AD=4.

Soit I le centre du carré ABFE et J le milieu du segment [EH].

  1. a- Vérifier que le repère A;12AB→;14AD→;12AE→ est orthonormé.
  1. b- Déterminer, dans ce repère, les coordonnées des points I, J et G.
  1. c- Calculer le produit scalaire JI→.JG→ et les distances JI et JG.

 

 

2-3/ Ensemble des points M de l'espace tels que u→.AM→=k

Proposition

Soit u→a;b;c un vecteur non nul de l'espace V3, A un point et k un nombre réel.

L'ensemble des points M de l'espace  tels que u→.AM→=k est un plan dont une équation cartésienne est de la forme :

ax+by+cz+d=0

 

III- Plan défini par un point et un vecteur normal

 

3-1/ Vecteur normal à un plan

Définition

Un vecteur n→ non nul de l'espace est normal à un plan P lorsque toute droite de vecteur directeur n→ est perpendiculaire à P.

 

 

3-2/ Équation cartésienne d'un plan défini par un point et un vecteur normal

Proposition

Soit a,b, c et d des nombres réels tels que a;b;c≠0;0;0.

- Un plan de vecteur normal n→a;b;c a une équation cartésienne de la forme : ax+by+cz+d=0

- Réciproquement, l'ensemble des points M(x;y;z) de l'espace tels que ax+by+cz+d=0 est un plan dont un vecteur normal est n→a;b;c.

 

 

Applications
  1. Déterminer un vecteur normal au plan P dans chacun des cas suivants :

1 P : 2x-y+8z-1=02 P : 3x-2z+10=03 P : 2y+3=0

  1. Déterminer une équation cartésienne du plan Q passant par B-1;0;3 et de vecteur normal n→2;-3;4.

On considère les points A1;-1;1, B0;2;-1 et C-1;1;0.

  1. a- Vérifier que les points A, B et C ne sont pas alignés.
  1. b- Montrer que le vecteur n→1;3;4 est normal au plan ABC.

 

 

3-3/ Parallélisme et orthogonalité

Proposition

Soit P et P' deux plans et D une droite dans l'espace.

Soit n→ et n'→ deux vecteurs normaux respectivement à P et P', et u→ un vecteur directeur de D.

Alors :

1) Les plans P et P' sont parallèles si, et seulement si, les vecteurs n→ et n'→ sont colinéaires.

2) Les plans P et P' sont orthogonaux si, et seulement si, les vecteurs n→ et n'→ sont orthogonaux.

3) La droite D est parallèle au plan P si, et seulement si, les vecteurs n→ et u→ sont orthogonaux.

4) La droite D est perpendiculaire au plan P si, et seulement si, les vecteurs n→ et u→ sont colinéaires.

 

 

Applications

On considère les deux plans P et Q définis par les équations cartésiennes :

P : 2x-3y+z+1=0Q : m-1x+2y+2m-3z+7=0

  1. Déterminer la valeur de m qui pour laquelle les plans P et Q sont orthogonaux.
  1. Déterminer une équation cartésienne du plan P' passant par A-1;-1;0 et parallèle au plan P.

 

 

3-4/ Distance d’un point à un plan de l’espace

Définition

Soit P un plan et A un point de l'espace.

La distance du point A au plan P, notée dA;P, est la distance AH où H est le projeté orthogonal de A sur P : dA;P=AH

 

 

Définition

La distance du point AxA;yA;zA au plan P d'équation cartésienne ax+by+cz+d=0 est donnée par la formule suivante :

dA;P=axA+byA+czA+da2+b2+c2

 

 

Applications

On considère les plans P : x+y-z+1=0 et Q : 2x+y+2z-3=0.

  1. a- Calculer dA;P et dA;Q sachant que A2;1;-1.
  1. b- Déterminer l'ensemble des points M de l'espace E tels que dM;P=dM;Q.

On considère les points A1;-1;2 et B2;0;1, et les plans P et Q donnés par les équations :

 P : x+y-z-1=0 et Q : 2x+y-z+1=0

  1. a- Calculer la distance du point A au plan P.
  1. b- Montrer que le point H2;0;1 est le projeté orthogonal du point A sur le plan P.
  1. c- Calculer dA;Q. Que peut-en déduire ?

On considère dans l'espace E le point A-1;1;1 et plan P d'équation cartésienne : 2x-y+z-2=0

  1. a- Déterminer les coordonnées du point H projeté orthogonal du point A sur le plan P.

Pour tout réel m, on pose : Qm=M∈E/AM→.AH→=m

  1. b- Déterminer analytiquement l'ensemble Qm.
  1. c- Déterminer m tel que dA;Qm=dA;P

 

IV- La sphère dans l’espace

 

4-1/ Définition

Définition

Soit Ω un point de l'espace et R un réel positif.

La sphère S de centre Ω et de rayon R est l'ensemble des points M de l'espace tels que : ΩM=R

On la note : SΩ;R

Soit A et B deux points de la sphère S.

Le segment AB est appelé diamètre de la sphère S lorsque le centre Ω de la sphère S est le milieu du segment AB.

 

 

4-2/ Équation cartésienne d’une sphère

Proposition

Soit R un réel positif et Ωa;b;c un point de l'espace.

Une équation cartésienne de la sphère S de centre Ω et de rayon R est donnée par :

x-a2+y-b2+z-c2=R2

 

 

Applications
  1. Déterminer une équation cartésienne de la sphère S de centre Ω et de rayon R dans les cas suivants :

1 Ω2;0;-1 et R=22 Ω-3;1;-2 et R=32

 

 

4-3/ Représentation paramétrique d'une sphère

Proposition

Soit S la sphère de centre Ωa;b;c et de rayon R.

Le point M(x;y;z) appartient à la sphère S si, est seulement si :

x=a+Rsinφ.cosθy=b+Rsinφ.sinθ z=c+Rcosφ          φ;θ∈ℝ2

Ce système est appelé une représentation paramétrique de la sphère S.

 

 

Applications
  1. Déterminer une représentation paramétrique de la sphère S de centre Ω32;-1;12 et de rayon R=3.

 

 

4-4/ Ensemble des points Mx;y;z de l'espace tels que x2+y2+z2-2ax-2by-2cz+d=0

Proposition

Soit S l’ensemble des points M(x;y;z) de l'espace tels que :

x2+y2+z2-2ax-2by-2cz+d=0

où a, b, c et d des nombres réels.

1) Si a2+b2+c2-d>0, alors S est la sphère de centre Ωa;b;c et de rayon R=a2+b2+c2-d.

2) Si a2+b2+c2-d=0, alors : S=Ωa;b;c

3) Si a2+b2+c2-d<0, alors : S=∅

 

 

4-4/ Ensemble des points Mx;y;z de l'espace tels que x2+y2+z2-2ax-2by-2cz+d=0

Applications
  1. Déterminer l'ensemble des points M(x;y;z) de l'espace E dans chacun des cas suivants :

S1 : x2+y2+z2-4x+6y=0S2 : x2+y2+z2+x-3y+4z+132=0S3 : x2+y2+z2-x-3y+2z-72=0S4 : x2+y2+z2+x-3y-2z+9=0

 

 

4-5/ Ensemble des points M de l'espace tels que MA→.MB→=0

Proposition

Soit A et B deux points distincts de l'espace E.

1) L'ensemble des points M de l'espace tels que MA→.MB→=0 est la sphère de diamètre AB.

2) Une équation cartésienne de la sphère  est donnée par :

x-xAx-xB+y-yAy-yB+z-zAz-zB=0

 

 

Applications

On Applications considère dans l'espace E les points suivants :

A2;0;1  ;  B1;-1;1  ;  C0;0;-1

  1. a- Déterminer une équation cartésienne de la sphère  de diamètre AB.
  1. b- Calculer le produit scalaire CA→.CB→. Que peut-en déduire ?
  1. a- Déterminer une équation cartésienne de la sphère S de diamètre [AC].
  1. b- En déduire le centre et le rayon de la sphère S.

 

 

4-6/ Intersection d'une sphère et d'une droite

Proposition

Soit SΩ;R une sphère et D une droite de l’espace E.

On désigne par d la distance du point Ω à la droite D, et H le projeté orthogonal de Ω sur D.

On a les propriétés suivantes :

1) Si d>R, alors D∩S=∅. On dit que la droite D est à l’extérieur de la sphère S.

2) Si d=R, alors D∩S=H. On dit que la droite D est tangente à la sphère S au point H.

3) Si d<R, alors D∩S=A,B. On dit que la droite D est perce la sphère S aux points A et B.

 

 

4-7/ Intersection d'une sphère et d'un plan

Proposition

Soit SΩ;R une sphère et D une droite de l’espace E.

On désigne par d la distance du point Ω au plan P, et H le projeté orthogonal de Ω sur P.

On a les propriétés suivantes :

1) Si d>R, alors P∩S=∅. On dit que le plan P est à l’extérieur de la sphère S.

2) Si d=R, alors P∩S=H. On dit que le plan P est tangent à la sphère S au point H.

3) Si d<R, alors P∩S=C où C est le cercle de centre H et de rayon r=R2-d2. On dit que le plan P coupe la sphère S selon le cercle CH;R2-d2.

 

 

Applications
  1. Étudier l’intersection de la sphère S et du plan P dans chacun des cas suivants :

1 S : x2+y2+z2-4x+2y-2z-3=0 et P : x-2y+2z-3=02 S : x2+y2+z2+6y-4z+9=0 et P : x-2y+2z-3=03 S : x2+y2+z2+2y-4z-7=0 et P : x+y+z-4=04 S : x2+y2+z2-2x-4z+1=0 et P : x-2y+2z+1=05 S : x2+y2+z2-2x-4z+1=0 et P : 2x+y+z=0

  1. Donner une équation de la sphère de centre Ω-1;2;3 et tangente au plan P d’équation : x-2y+2z+1=0

 

4-7/ Intersection d'une sphère et d'un plan

Proposition

Soit S une sphère de centre Ω et soit A∈S.

Il existe un seul plan P tangent à la sphère S en A, il est défini par : M∈P⇔AM→.AΩ→=0

Une équation cartésienne du plan P est donnée par :

M(x;y;z)∈P⇔xΩ-xAx-xA+yΩ-yAy-yA+zΩ-zAz-zA=0