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Somme de deux vecteurs - Vecteurs colinéaires — cours

1ère année · section Tronc commun · mathématiques, programme officiel tunisien.

Le cours

Rappel · 1

Complète la définition vectorielle de la translation :

Remarque

L'image de MM par la translation de vecteur u⃗\vec{u} est l'unique point M′M' vérifiant MM′⃗=u⃗\vec{MM'} = \vec{u}.

Point de départ · 2

Un mobile se déplace de AA vers BB, puis de BB vers CC. Quel vecteur représente le déplacement direct de départ à arrivée ?

Partir de AA pour aller en BB, puis enchaîner de BB vers CC, revient directement à aller de AA vers CC : c'est le vecteur AC⃗\vec{AC}.

Définition · 3

Relation de Chasles

AB⃗+BC⃗=AC⃗\vec{AB} + \vec{BC} = \vec{AC}

Pour tous points A,BA, B et CC du plan, l'extrémité du premier vecteur coïncide avec l'origine du second.

Vecteur nul et vecteur opposé

AA⃗=0⃗et−AB⃗=BA⃗\vec{AA} = \vec{0} \quad \text{et} \quad -\vec{AB} = \vec{BA}

Exemple travaillé · 4

Soit A,B,CA, B, C trois points. Simplifie l'expression vectorielle : u⃗=AC⃗+BA⃗+2CB⃗\vec{u} = \vec{AC} + \vec{BA} + 2\vec{CB}.

1

On réordonne les termes pour faire apparaître l'extrémité commune AA :

2
u⃗=(BA⃗+AC⃗)+2CB⃗\vec{u} = (\vec{BA} + \vec{AC}) + 2\vec{CB}
3

On applique la relation de Chasles sur la première parenthèse :

4
u⃗=BC⃗+2CB⃗\vec{u} = \vec{BC} + 2\vec{CB}
5

On remplace BC⃗\vec{BC} par son opposé −CB⃗-\vec{CB} puis on réduit :

6
u⃗=−CB⃗+2CB⃗=CB⃗\vec{u} = -\vec{CB} + 2\vec{CB} = \vec{CB}

Piège classique · 5

Que vaut la différence vectorielle AB⃗−AC⃗\vec{AB} - \vec{AC} ?

Attention

Écrire AB⃗−AC⃗=BC⃗\vec{AB} - \vec{AC} = \vec{BC} en lisant les lettres de gauche à droite.

À la place : On transforme la soustraction en somme : −AC⃗=CA⃗-\vec{AC} = \vec{CA}, d'où AB⃗−AC⃗=CA⃗+AB⃗=CB⃗\vec{AB} - \vec{AC} = \vec{CA} + \vec{AB} = \vec{CB}.

Vérification · 6

Simplifie le vecteur : w⃗=DA⃗+BD⃗+AB⃗\vec{w} = \vec{DA} + \vec{BD} + \vec{AB}.

Remarque

En réorganisant : (BD⃗+DA⃗)+AB⃗=BA⃗+AB⃗=AA⃗=0⃗(\vec{BD} + \vec{DA}) + \vec{AB} = \vec{BA} + \vec{AB} = \vec{AA} = \vec{0}.

Point de départ · 7

Deux vecteurs AB⃗\vec{AB} et AC⃗\vec{AC} partent de la même origine AA. Quel vecteur représente leur somme AB⃗+AC⃗\vec{AB} + \vec{AC} ?

En reportant AC⃗\vec{AC} à partir de BB, on atteint le point DD : la somme AB⃗+AC⃗\vec{AB} + \vec{AC} est le vecteur diagonale AD⃗\vec{AD}.

Définition · 8

Règle du parallélogramme

AB⃗+AC⃗=AD⃗  ⟺  ABDC est un paralleˊlogramme\vec{AB} + \vec{AC} = \vec{AD} \iff ABDC \text{ est un parallélogramme}

Le vecteur somme AD⃗\vec{AD} est la diagonale issue de AA. L'ordre des sommets du parallélogramme est A−B−D−CA-B-D-C.

Piège classique · 9

On pose AB⃗+AC⃗=AD⃗\vec{AB} + \vec{AC} = \vec{AD}. Quel est le nom du parallélogramme formé ?

Attention

Écrire ABCDABCD par automatisme alphabétique.

À la place : Le segment [AD][AD] est une diagonale issue de AA. Le tour des sommets donne ABDCABDC (et non ABCDABCD).

Exemple travaillé · 10

Soit ABCDABCD un parallélogramme de centre OO. Simplifie le vecteur : w⃗=DA⃗+DC⃗+BO⃗\vec{w} = \vec{DA} + \vec{DC} + \vec{BO}.

1

Dans le parallélogramme ABCDABCD, on applique la règle du parallélogramme en DD :

2
DA⃗+DC⃗=DB⃗\vec{DA} + \vec{DC} = \vec{DB}
3

On remplace dans l'expression de w⃗\vec{w} :

4
w⃗=DB⃗+BO⃗\vec{w} = \vec{DB} + \vec{BO}
5

On applique la relation de Chasles :

6
w⃗=DO⃗\vec{w} = \vec{DO}

Vérification · 11

Soit EFGHEFGH un parallélogramme de centre II. Complète les égalités :

Remarque

Dans EFGHEFGH, la diagonale issue de EE est [EG][EG], donc EF⃗+EH⃗=EG⃗\vec{EF} + \vec{EH} = \vec{EG}. De plus, II étant le milieu de [EG][EG], IE⃗+IG⃗=0⃗\vec{IE} + \vec{IG} = \vec{0}.

Point de départ · 12

Si u⃗=AB⃗\vec{u} = \vec{AB}, que représente le vecteur −2u⃗-2\vec{u} par rapport à u⃗\vec{u} ?

Remarque

Le signe −- inverse le sens du vecteur, et le facteur 22 double sa longueur.

Définition · 13

Multiplication d'un vecteur par un réel

αu⃗=0⃗  ⟺  α=0ouu⃗=0⃗\alpha\vec{u} = \vec{0} \iff \alpha = 0 \quad \text{ou} \quad \vec{u} = \vec{0}

Pour tout vecteur u⃗≠0⃗\vec{u} \neq \vec{0} et tout réel α≠0\alpha \neq 0 :

α>0  ⟹  αu⃗ et u⃗ ont meˆme sens, et ∥αu⃗∥=α∥u⃗∥\alpha > 0 \implies \alpha\vec{u} \text{ et } \vec{u} \text{ ont même sens, et } \Vert\alpha\vec{u}\Vert = \alpha\Vert\vec{u}\Vert
α<0  ⟹  αu⃗ et u⃗ ont des sens contraires, et ∥αu⃗∥=∣α∣∥u⃗∥\alpha < 0 \implies \alpha\vec{u} \text{ et } \vec{u} \text{ ont des sens contraires, et } \Vert\alpha\vec{u}\Vert = |\alpha|\Vert\vec{u}\Vert

Repère d'une droite

AM⃗=xAB⃗  ⟺  M a pour abscisse x dans le repeˋre (A,AB⃗)\vec{AM} = x\vec{AB} \iff M \text{ a pour abscisse } x \text{ dans le repère } (A, \vec{AB})

Piège classique · 14

On donne EF⃗=−3GH⃗\vec{EF} = -3\vec{GH} avec GH=4 cmGH = 4\text{ cm}. Quelle est la longueur EFEF ?

Attention

Calculer EF=−3×4=−12 cmEF = -3 \times 4 = -12\text{ cm} en oubliant qu'une distance est toujours positive.

À la place : On prend la valeur absolue du coefficient : EF=∣−3∣×GH=3×4=12 cmEF = |-3| \times GH = 3 \times 4 = 12\text{ cm}.

Exemple travaillé · 15

Soit un axe muni du repère (A,AB⃗)(A, \vec{AB}) avec AB=3 cmAB = 3\text{ cm}. Place le point MM d'abscisse −2-2 et calcule la distance AMAM.

1

On traduit l'abscisse en égalité vectorielle :

2
AM⃗=−2AB⃗\vec{AM} = -2\vec{AB}
3

Le coefficient −2-2 est négatif : AM⃗\vec{AM} et AB⃗\vec{AB} sont de sens contraires. On place MM sur la demi-droite opposée à [AB)[AB).

4

On calcule la distance AMAM en utilisant la valeur absolue :

5
AM=∣−2∣×AB=2×3=6 cmAM = |-2| \times AB = 2 \times 3 = 6\text{ cm}

Vérification · 16

Sur une droite munie du repère (A,AB⃗)(A, \vec{AB}), on donne AC⃗=3AB⃗\vec{AC} = 3\vec{AB} et AD⃗=−2AB⃗\vec{AD} = -2\vec{AB}. Complète :

Remarque

L'abscisse de CC est 33. La distance ADAD est positive : AD=∣−2∣AB=2ABAD = |-2|AB = 2AB.

Point de départ · 17

Si deux vecteurs non nuls vérifient AB⃗=3CD⃗\vec{AB} = 3\vec{CD}, quelle est la position relative des droites (AB)(AB) et (CD)(CD) ?

Remarque

Les vecteurs AB⃗\vec{AB} et CD⃗\vec{CD} ont la même direction, donc les droites (AB)(AB) et (CD)(CD) sont parallèles.

Définition · 18

Vecteurs colinéaires

u⃗ et v⃗ sont colineˊaires  ⟺  u⃗=0⃗ouv⃗=0⃗ou∃α∈R∗,u⃗=αv⃗\vec{u} \text{ et } \vec{v} \text{ sont colinéaires} \iff \vec{u} = \vec{0} \quad \text{ou} \quad \vec{v} = \vec{0} \quad \text{ou} \quad \exists \alpha \in \mathbb{R}^*, \vec{u} = \alpha\vec{v}

Applications géométriques

AB⃗=αCD⃗  ⟹  (AB)∥(CD)\vec{AB} = \alpha\vec{CD} \implies (AB) \parallel (CD)

AB⃗=αAC⃗  ⟺  A,B,C sont aligneˊs\vec{AB} = \alpha\vec{AC} \iff A, B, C \text{ sont alignés}

Exemple travaillé · 19

Soit ABCABC un triangle. On pose AD⃗=AB⃗+AC⃗\vec{AD} = \vec{AB} + \vec{AC}, AE⃗=12AB⃗−AC⃗\vec{AE} = \frac{1}{2}\vec{AB} - \vec{AC} et AF⃗=2AB⃗+12AC⃗\vec{AF} = 2\vec{AB} + \frac{1}{2}\vec{AC}. Montre que (EF)∥(AD)(EF) \parallel (AD).

1

On applique la relation de Chasles pour exprimer EF⃗\vec{EF} :

2
EF⃗=AF⃗−AE⃗\vec{EF} = \vec{AF} - \vec{AE}
3

On remplace par les expressions de l'énoncé :

4
EF⃗=(2AB⃗+12AC⃗)−(12AB⃗−AC⃗)=32AB⃗+32AC⃗\vec{EF} = \left(2\vec{AB} + \frac{1}{2}\vec{AC}\right) - \left(\frac{1}{2}\vec{AB} - \vec{AC}\right) = \frac{3}{2}\vec{AB} + \frac{3}{2}\vec{AC}
5

On factorise par 32\frac{3}{2} :

6
EF⃗=32(AB⃗+AC⃗)=32AD⃗\vec{EF} = \frac{3}{2}(\vec{AB} + \vec{AC}) = \frac{3}{2}\vec{AD}
7

Les vecteurs EF⃗\vec{EF} et AD⃗\vec{AD} sont colinéaires, donc (EF)∥(AD)(EF) \parallel (AD).

Piège classique · 20

On a AB⃗=2CD⃗\vec{AB} = 2\vec{CD} avec A,B,C,DA, B, C, D distincts. Que peut-on affirmer avec certitude ?

Attention

Conclure que les quatre points A,B,C,DA, B, C, D sont alignés.

À la place : AB⃗=2CD⃗\vec{AB} = 2\vec{CD} prouve seulement que les droites (AB)(AB) et (CD)(CD) sont parallèles. Pour prouver un alignement, il faut un point commun, comme dans AB⃗=kAC⃗\vec{AB} = k\vec{AC}.

Vérification · 21

On donne AM⃗=3AB⃗+3AC⃗\vec{AM} = 3\vec{AB} + 3\vec{AC} et AI⃗=12AB⃗+12AC⃗\vec{AI} = \frac{1}{2}\vec{AB} + \frac{1}{2}\vec{AC}. Que peut-on déduire pour les points A,I,MA, I, M ?

Remarque

AM⃗=3(AB⃗+AC⃗)=6(12AB⃗+12AC⃗)=6AI⃗\vec{AM} = 3(\vec{AB}+\vec{AC}) = 6\left(\frac{1}{2}\vec{AB}+\frac{1}{2}\vec{AC}\right) = 6\vec{AI}. Les vecteurs AM⃗\vec{AM} et AI⃗\vec{AI} ont le point AA en commun et sont colinéaires, donc A,I,MA, I, M sont alignés.

Point de départ · 22

II est le milieu du segment [AB][AB]. Quelle égalité vectorielle traduit exactement cette position ?

Remarque

II étant situé entre AA et BB, les vecteurs AI⃗\vec{AI} et IB⃗\vec{IB} ont la même direction, le même sens et la même longueur : AI⃗=IB⃗\vec{AI} = \vec{IB}.

Définition · 23

Caractérisations vectorielles du milieu

I milieu de [AB]  ⟺  AI⃗=IB⃗  ⟺  IA⃗+IB⃗=0⃗  ⟺  AB⃗=2AI⃗I \text{ milieu de } [AB] \iff \vec{AI} = \vec{IB} \iff \vec{IA} + \vec{IB} = \vec{0} \iff \vec{AB} = 2\vec{AI}

Formule de la médiane vectorielle

∀M du plan,MA⃗+MB⃗=2MI⃗\forall M \text{ du plan}, \quad \vec{MA} + \vec{MB} = 2\vec{MI}

Cette réduction s'applique pour tout point MM du plan, qu'il soit ou non situé sur la droite (AB)(AB).

Piège classique · 24

Soit A,BA, B et II trois points distincts du plan. Si IA=IBIA = IB, peut-on affirmer que II est le milieu de [AB][AB] ?

Attention

Conclure que II est le milieu de [AB][AB] à partir de la seule égalité de distances IA=IBIA = IB.

À la place : IA=IBIA = IB signifie seulement que II appartient à la médiatrice de [AB][AB]. Pour caractériser le milieu, il faut l'égalité vectorielle IA⃗+IB⃗=0⃗\vec{IA} + \vec{IB} = \vec{0} (qui impose l'alignement et le sens opposé).

Exemple travaillé · 25

Soit ABCABC un triangle et II le milieu de [BC][BC]. Soit MM le point tel que 5MA⃗+MB⃗+MC⃗=0⃗5\vec{MA} + \vec{MB} + \vec{MC} = \vec{0}. Démontre que A,I,MA, I, M sont alignés.

1

On applique la formule de la médiane sur la somme MB⃗+MC⃗\vec{MB} + \vec{MC} :

2
MB⃗+MC⃗=2MI⃗\vec{MB} + \vec{MC} = 2\vec{MI}
3

On substitue dans l'égalité de départ :

4
5MA⃗+2MI⃗=0⃗5\vec{MA} + 2\vec{MI} = \vec{0}
5

On décompose MI⃗\vec{MI} par la relation de Chasles avec le point AA :

6
5MA⃗+2(MA⃗+AI⃗)=0⃗  ⟺  7MA⃗+2AI⃗=0⃗  ⟺  7AM⃗=2AI⃗5\vec{MA} + 2(\vec{MA} + \vec{AI}) = \vec{0} \iff 7\vec{MA} + 2\vec{AI} = \vec{0} \iff 7\vec{AM} = 2\vec{AI}
7
AM⃗=27AI⃗\vec{AM} = \frac{2}{7}\vec{AI}
8

Les vecteurs AM⃗\vec{AM} et AI⃗\vec{AI} sont colinéaires avec l'origine commune AA, donc les points A,I,MA, I, M sont alignés.

Vérification · 26

Soit ABCABC un triangle et II le milieu de [BC][BC]. Réduis le vecteur : u⃗=AB⃗+AC⃗−2AI⃗\vec{u} = \vec{AB} + \vec{AC} - 2\vec{AI}.

Remarque

D'après la formule de la médiane appliquée au sommet AA, AB⃗+AC⃗=2AI⃗\vec{AB} + \vec{AC} = 2\vec{AI}. Donc u⃗=2AI⃗−2AI⃗=0⃗\vec{u} = 2\vec{AI} - 2\vec{AI} = \vec{0}.

Point de départ · 27

Dans un triangle ABCABC, si GG est le centre de gravité (point d'équilibre), que vaut la somme vectorielle GA⃗+GB⃗+GC⃗\vec{GA} + \vec{GB} + \vec{GC} des forces dirigées vers les trois sommets ?

Remarque

Les forces issues du centre d'équilibre vers les sommets se compensent exactement : leur somme est le vecteur nul 0⃗\vec{0}.

Définition · 28

Caractérisation vectorielle du centre de gravité

G centre de graviteˊ de ABC  ⟺  GA⃗+GB⃗+GC⃗=0⃗G \text{ centre de gravité de } ABC \iff \vec{GA} + \vec{GB} + \vec{GC} = \vec{0}

Position sur la médiane

A′ milieu de [BC]  ⟹  AG⃗=23AA′⃗etA′G⃗=13A′A⃗A' \text{ milieu de } [BC] \implies \vec{AG} = \frac{2}{3}\vec{AA'} \quad \text{et} \quad \vec{A'G} = \frac{1}{3}\vec{A'A}

Réduction pour tout point du plan

∀M du plan,MA⃗+MB⃗+MC⃗=3MG⃗\forall M \text{ du plan}, \quad \vec{MA} + \vec{MB} + \vec{MC} = 3\vec{MG}

Exemple travaillé · 29

Soit ABCABC un triangle de centre de gravité GG. Détermine le vecteur MG⃗\vec{MG} pour le point MM défini par : 2MA⃗−MB⃗+2MC⃗=0⃗2\vec{MA} - \vec{MB} + 2\vec{MC} = \vec{0}.

1

On introduit le point GG dans chaque vecteur par la relation de Chasles :

2
2(MG⃗+GA⃗)−(MG⃗+GB⃗)+2(MG⃗+GC⃗)=0⃗2(\vec{MG} + \vec{GA}) - (\vec{MG} + \vec{GB}) + 2(\vec{MG} + \vec{GC}) = \vec{0}
3

On regroupe les termes en MG⃗\vec{MG} et les vecteurs issus de GG :

4
3MG⃗+2(GA⃗+GC⃗)−GB⃗=0⃗3\vec{MG} + 2(\vec{GA} + \vec{GC}) - \vec{GB} = \vec{0}
5

Comme GG est le centre de gravité, GA⃗+GB⃗+GC⃗=0⃗\vec{GA} + \vec{GB} + \vec{GC} = \vec{0}, soit GA⃗+GC⃗=−GB⃗\vec{GA} + \vec{GC} = -\vec{GB} :

6
3MG⃗+2(−GB⃗)−GB⃗=0⃗  ⟺  3MG⃗−3GB⃗=0⃗3\vec{MG} + 2(-\vec{GB}) - \vec{GB} = \vec{0} \iff 3\vec{MG} - 3\vec{GB} = \vec{0}
7

On simplifie pour isoler MG⃗\vec{MG} :

8
MG⃗=GB⃗\vec{MG} = \vec{GB}

Piège classique · 30

Soit ABCABC un triangle, A′A' le milieu de [BC][BC] et GG son centre de gravité. Quelle est l'égalité vectorielle correcte ?

Attention

Écrire A′G⃗=23AA′⃗\vec{A'G} = \frac{2}{3}\vec{AA'} en mesurant les deux tiers à partir du milieu au lieu du sommet.

À la place : Le centre de gravité est situé aux deux tiers à partir du sommet AA : AG⃗=23AA′⃗\vec{AG} = \frac{2}{3}\vec{AA'}. À partir du milieu A′A', la distance est d'un tiers : A′G⃗=13A′A⃗\vec{A'G} = \frac{1}{3}\vec{A'A}.

Vérification · 31

Soit GG le centre de gravité d'un triangle ABCABC. Pour tout point MM du plan, que vaut la somme MA⃗+MB⃗+MC⃗\vec{MA} + \vec{MB} + \vec{MC} ?

Remarque

Par la relation de Chasles avec le point GG : (MG⃗+GA⃗)+(MG⃗+GB⃗)+(MG⃗+GC⃗)=3MG⃗+(GA⃗+GB⃗+GC⃗)=3MG⃗+0⃗=3MG⃗(\vec{MG}+\vec{GA}) + (\vec{MG}+\vec{GB}) + (\vec{MG}+\vec{GC}) = 3\vec{MG} + (\vec{GA}+\vec{GB}+\vec{GC}) = 3\vec{MG} + \vec{0} = 3\vec{MG}.

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