Vidéo 3 : Polarisation et calcul d'angles · 3 min 26 s · sous-titres en français
Le cours écrit
3.1 Développer
Propriété. Pour tous vecteurs u et v :
∥u+v∥2=∥u∥2+2u⋅v+∥v∥2,∥u−v∥2=∥u∥2−2u⋅v+∥v∥2,(u+v)⋅(u−v)=∥u∥2−∥v∥2.
Démonstration.∥u+v∥2=(u+v)⋅(u+v)=u⋅u+u⋅v+v⋅u+v⋅v par bilinéarité, et u⋅v=v⋅u par symétrie. Les deux autres égalités se démontrent de la même façon : ce sont les identités remarquables.
3.2 Formules de polarisation
En isolant u⋅v dans les égalités précédentes :
u⋅v=21(∥u+v∥2−∥u∥2−∥v∥2)=21(∥u∥2+∥v∥2−∥u−v∥2)=41(∥u+v∥2−∥u−v∥2).
Ces formules de polarisation donnent un produit scalaire à partir de longueurs seulement.
Avec u=AB et v=AC, on a u−v=CB, d'où
AB⋅AC=21(AB2+AC2−BC2).
C'est une autre écriture de la formule d'Al-Kashi de Première : BC2=AB2+AC2−2AB×AC×cosBAC.
Exemple 9. Dans le cube, AB=1, AG=3 et BG=2 (diagonale de la face BCGF). Donc AB⋅AG=21(1+3−2)=1 : on retrouve l'exemple 2 avec des longueurs seulement.
Exemple 10.∥u∥=2, ∥v∥=3 et ∥u+v∥=4. Alors u⋅v=21(16−4−9)=23, puis ∥u−v∥2=4−2×23+9=10, donc ∥u−v∥=10.
3.3 Calculer un angle
Méthode. Si u et v sont non nuls, l'angle géométrique θ entre eux (entre 0° et 180°) vérifie
cosθ=∥u∥×∥v∥u⋅v.
On calcule le produit scalaire et les normes, souvent avec des coordonnées dans un repère orthonormé, puis on trouve θ à la calculatrice.
Exemple 11. Dans le cube, l'angle CAF : AC(1;1;0) et AF(1;0;1), donc AC⋅AF=1 et AC=AF=2. Alors cosCAF=2×21=21 et CAF=60°. C'est logique : le triangle ACF a pour côtés trois diagonales de faces, il est équilatéral.
Exemple 12. L'angle entre les vecteurs AG et BH (deux grandes diagonales) : cosθ=3×31=31, donc θ≈70,5°.
Exemple 13.A(1;0;2), B(3;2;1) et C(−2;0;5). Alors AB(2;2;−1), AC(−3;0;3), AB⋅AC=−6+0−3=−9, AB=3 et AC=18=32. Donc cosBAC=92−9=−22 et BAC=135° : l'angle est obtus, car le produit scalaire est négatif.