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Leçon 1

Produit scalaire dans l'espace

Vidéo 1 : Le produit scalaire dans l'espace · 4 min 17 s · sous-titres en français

Le cours écrit

1.1 Rappels de Première (dans le plan)

Pour deux vecteurs u⃗\vec{u} et v⃗\vec{v} du plan, le produit scalaire u⃗⋅v⃗\vec{u} \cdot \vec{v} se calcule :

  • avec un angle : si u⃗\vec{u} et v⃗\vec{v} sont non nuls, u⃗⋅v⃗=∥u⃗∥×∥v⃗∥×cos⁡θ\vec{u} \cdot \vec{v} = \lVert\vec{u}\rVert \times \lVert\vec{v}\rVert \times \cos\theta, où θ\theta est l'angle géométrique entre les deux vecteurs ;
  • avec une projection : AB→⋅AC→=AB→⋅AH→\overrightarrow{AB} \cdot \overrightarrow{AC} = \overrightarrow{AB} \cdot \overrightarrow{AH}, où HH est le projeté orthogonal de CC sur la droite (AB)(AB). Si AH→\overrightarrow{AH} a le même sens que AB→\overrightarrow{AB}, c'est AB×AHAB \times AH ; sinon, c'est −AB×AH-AB \times AH ;
  • avec les normes : u⃗⋅v⃗=12(∥u⃗+v⃗∥2−∥u⃗∥2−∥v⃗∥2)\vec{u} \cdot \vec{v} = \dfrac12\left(\lVert\vec{u} + \vec{v}\rVert^2 - \lVert\vec{u}\rVert^2 - \lVert\vec{v}\rVert^2\right).

1.2 Définition dans l'espace

Soit u⃗\vec{u} et v⃗\vec{v} deux vecteurs de l'espace. On choisit un point AA, puis les points BB et CC tels que AB→=u⃗\overrightarrow{AB} = \vec{u} et AC→=v⃗\overrightarrow{AC} = \vec{v}. Les trois points AA, BB, CC sont toujours dans un même plan (au moins un).

Définition. Le produit scalaire de u⃗\vec{u} et v⃗\vec{v}, noté u⃗⋅v⃗\vec{u} \cdot \vec{v}, est le produit scalaire AB→⋅AC→\overrightarrow{AB} \cdot \overrightarrow{AC} calculé dans un plan qui contient AA, BB et CC. Le résultat ne dépend ni du point AA ni du plan choisi (admis).

Ainsi, toutes les formules de Première restent vraies dans l'espace : formule avec le cosinus, formule avec la projection, formule avec les normes. En particulier, u⃗⋅u⃗=∥u⃗∥2\vec{u} \cdot \vec{u} = \lVert\vec{u}\rVert^2, et si l'un des deux vecteurs est nul, u⃗⋅v⃗=0\vec{u} \cdot \vec{v} = 0.

Exemple 1. Dans le cube, calculer AB→⋅AC→\overrightarrow{AB} \cdot \overrightarrow{AC}.

Les points AA, BB, CC sont dans la face ABCDABCD, qui est un carré. Le projeté orthogonal de CC sur la droite (AB)(AB) est BB. Donc AB→⋅AC→=AB→⋅AB→=AB2=1\overrightarrow{AB} \cdot \overrightarrow{AC} = \overrightarrow{AB} \cdot \overrightarrow{AB} = AB^2 = 1.

1.3 Propriétés de calcul

Propriétés (admises). Pour tous vecteurs u⃗\vec{u}, v⃗\vec{v}, w⃗\vec{w} de l'espace et tout réel kk :

  • symétrie : u⃗⋅v⃗=v⃗⋅u⃗\vec{u} \cdot \vec{v} = \vec{v} \cdot \vec{u} ;
  • bilinéarité : u⃗⋅(v⃗+w⃗)=u⃗⋅v⃗+u⃗⋅w⃗\vec{u} \cdot \left(\vec{v} + \vec{w}\right) = \vec{u} \cdot \vec{v} + \vec{u} \cdot \vec{w} et (ku⃗)⋅v⃗=k(u⃗⋅v⃗)\left(k\vec{u}\right) \cdot \vec{v} = k\left(\vec{u} \cdot \vec{v}\right) ;
  • carré scalaire : u⃗⋅u⃗=∥u⃗∥2\vec{u} \cdot \vec{u} = \lVert\vec{u}\rVert^2.

La bilinéarité permet de développer comme un produit de nombres. La leçon 2 montre que ces propriétés se lisent aussi sur les coordonnées.

Exemple 2. Dans le cube, calculer AB→⋅AG→\overrightarrow{AB} \cdot \overrightarrow{AG}.

Par la relation de Chasles, AG→=AB→+BC→+CG→\overrightarrow{AG} = \overrightarrow{AB} + \overrightarrow{BC} + \overrightarrow{CG}. On développe : AB→⋅AG→=AB2+AB→⋅BC→+AB→⋅CG→.\overrightarrow{AB} \cdot \overrightarrow{AG} = AB^2 + \overrightarrow{AB} \cdot \overrightarrow{BC} + \overrightarrow{AB} \cdot \overrightarrow{CG}. La face ABCDABCD est un carré, donc AB→⋅BC→=0\overrightarrow{AB} \cdot \overrightarrow{BC} = 0. De plus CG→=BF→\overrightarrow{CG} = \overrightarrow{BF}, et AB→⋅BF→=0\overrightarrow{AB} \cdot \overrightarrow{BF} = 0 car la face ABFEABFE est un carré. Donc AB→⋅AG→=1\overrightarrow{AB} \cdot \overrightarrow{AG} = 1.

Exemple 3. Soit u⃗\vec{u} et v⃗\vec{v} tels que ∥u⃗∥=3\lVert\vec{u}\rVert = 3, ∥v⃗∥=2\lVert\vec{v}\rVert = 2 et u⃗⋅v⃗=−1\vec{u} \cdot \vec{v} = -1. Calculer (2u⃗+v⃗)⋅(u⃗−3v⃗)\left(2\vec{u} + \vec{v}\right) \cdot \left(\vec{u} - 3\vec{v}\right).

On développe : 2 u⃗⋅u⃗−6 u⃗⋅v⃗+v⃗⋅u⃗−3 v⃗⋅v⃗=2×9−6×(−1)+(−1)−3×4=18+6−1−12=112\,\vec{u} \cdot \vec{u} - 6\,\vec{u} \cdot \vec{v} + \vec{v} \cdot \vec{u} - 3\,\vec{v} \cdot \vec{v} = 2 \times 9 - 6 \times (-1) + (-1) - 3 \times 4 = 18 + 6 - 1 - 12 = 11.

1.4 Orthogonalité de deux vecteurs

Définition. Deux vecteurs non nuls u⃗=AB→\vec{u} = \overrightarrow{AB} et v⃗=AC→\vec{v} = \overrightarrow{AC} sont orthogonaux si les droites (AB)(AB) et (AC)(AC) sont perpendiculaires. Par convention, le vecteur nul est orthogonal à tout vecteur. On note u⃗⊥v⃗\vec{u} \perp \vec{v}.

Caractérisation. u⃗\vec{u} et v⃗\vec{v} sont orthogonaux si et seulement si u⃗⋅v⃗=0\vec{u} \cdot \vec{v} = 0.

Pourquoi ? Dans un plan qui contient AA, BB et CC, c'est la caractérisation vue en Première.

Exemple 4. Dans le cube, montrer que BD→\overrightarrow{BD} et AE→\overrightarrow{AE} sont orthogonaux.

BD→=BA→+AD→\overrightarrow{BD} = \overrightarrow{BA} + \overrightarrow{AD}, donc BD→⋅AE→=BA→⋅AE→+AD→⋅AE→=0+0=0\overrightarrow{BD} \cdot \overrightarrow{AE} = \overrightarrow{BA} \cdot \overrightarrow{AE} + \overrightarrow{AD} \cdot \overrightarrow{AE} = 0 + 0 = 0, car les faces ABFEABFE et ADHEADHE sont des carrés. Les vecteurs sont orthogonaux, alors que les droites (BD)(BD) et (AE)(AE) ne se coupent pas : dans l'espace, l'orthogonalité ne demande pas que les droites soient sécantes.

Exemple 5 (tétraèdre régulier). ABCDABCD est un tétraèdre régulier d'arête aa : ses six arêtes mesurent aa, et ses quatre faces sont des triangles équilatéraux.

  1. AB→⋅AC→=a×a×cos⁡60°=a22\overrightarrow{AB} \cdot \overrightarrow{AC} = a \times a \times \cos 60° = \dfrac{a^2}{2}. De même, AB→⋅AD→=a22\overrightarrow{AB} \cdot \overrightarrow{AD} = \dfrac{a^2}{2}.
  2. CD→=AD→−AC→\overrightarrow{CD} = \overrightarrow{AD} - \overrightarrow{AC}, donc AB→⋅CD→=AB→⋅AD→−AB→⋅AC→=a22−a22=0\overrightarrow{AB} \cdot \overrightarrow{CD} = \overrightarrow{AB} \cdot \overrightarrow{AD} - \overrightarrow{AB} \cdot \overrightarrow{AC} = \dfrac{a^2}{2} - \dfrac{a^2}{2} = 0.

Les arêtes opposées [AB][AB] et [CD][CD] sont orthogonales.

1.5 Un peu d'histoire

Le programme rappelle qu'en 1839, dans sa théorie des forces et des marées, Grassmann propose des règles de calcul sur les vecteurs de l'espace, dont un « produit linéaire » qui utilise la projection orthogonale : il deviendra notre produit scalaire. Au XIXᵉ siècle, cette notion se construit en même temps que celle de travail d'une force en physique.

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Exercices 1 et 2

  • Exercice 1 : produits scalaires dans un cube
  • Exercice 2 : calculer avec les propriétés

Exercices du chapitre (PDF, 174 Ko)

Corrigés

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Corrigés du chapitre (PDF, 162 Ko)

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