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Produit scalaire dans le plan — cours

3ème année · section Informatique · mathématiques, programme officiel tunisien.

Le cours

Rappel · 1

Dans un triangle ABCABC rectangle en AA, exprime cos⁡(B^)\cos(\widehat{B}) en fonction des longueurs des côtés, et rappelle la relation entre la longueur ABAB et la norme ∥AB⃗∥\|\vec{AB}\|.

Remarque

Dans le triangle rectangle en AA, cos⁡(B^)=ABBC=coˆteˊ adjacenthypoteˊnuse\cos(\widehat{B}) = \frac{AB}{BC} = \frac{\text{côté adjacent}}{\text{hypoténuse}}. De plus, la norme d'un vecteur géométrique coïncide avec la distance entre son origine et son extrémité : ∥AB⃗∥=AB\|\vec{AB}\| = AB.

Point de départ · 2

Si on applique une force F⃗\vec{F} pour déplacer un objet selon un vecteur u⃗\vec{u}, l'effet utile du déplacement dépend à la fois de l'intensité de la force et de son inclinaison par rapport à la trajectoire. Quel outil mathématique permet de multiplier deux vecteurs pour mesurer cette efficacité sous forme d'un nombre réel ?

Le produit scalaire répond à cette question : il associe à deux vecteurs u⃗\vec{u} et v⃗\vec{v} un nombre réel, noté u⃗⋅v⃗\vec{u} \cdot \vec{v}, tenant compte à la fois de leurs longueurs et de l'angle qu'ils forment.

Définition · 3

Définition géométrique du produit scalaire

$$\vec{u} \cdot \vec{v} = \|\vec{u}\| \times \|\vec{v}\| \times \cos(\theta)$$

$$\theta = (\vec{u}, \vec{v})$$

Si l'un des deux vecteurs est nul, le produit scalaire est nul : u⃗⋅0⃗=0\vec{u} \cdot \vec{0} = 0.

Carré scalaire

$$\vec{u} \cdot \vec{u} = \vec{u}^2 = \|\vec{u}\|^2$$

Pour deux points AA et BB, le carré scalaire du vecteur AB⃗\vec{AB} est égal au carré de la distance : AB⃗2=AB2\vec{AB}^2 = AB^2.

Piège classique · 4

Soit un triangle équilatéral ABCABC de côté 4, donc BAC^=60∘\widehat{BAC} = 60^\circ. Quelle est la valeur de AB⃗⋅AC⃗\vec{AB} \cdot \vec{AC} et celle de BA⃗⋅AC⃗\vec{BA} \cdot \vec{AC} ?

Attention

Appliquer directement cos⁡(60∘)\cos(60^\circ) pour calculer BA⃗⋅AC⃗\vec{BA} \cdot \vec{AC} sans vérifier l'origine des vecteurs.

À la place : Les vecteurs doivent partir du même point pour utiliser directement l'angle géométrique. Comme BA⃗=−AB⃗\vec{BA} = -\vec{AB}, on a BA⃗⋅AC⃗=−(AB⃗⋅AC⃗)=−(4×4×cos⁡(60∘))=−8\vec{BA} \cdot \vec{AC} = -(\vec{AB} \cdot \vec{AC}) = -(4 \times 4 \times \cos(60^\circ)) = -8.

Définition · 5

Expression par projection orthogonale

Soient AA, BB et CC trois points avec A≠BA \neq B. Soit HH le projeté orthogonal de CC sur la droite (AB)(AB).

$$\vec{AB} \cdot \vec{AC} = \vec{AB} \cdot \vec{AH}$$

Les vecteurs AB⃗\vec{AB} et AH⃗\vec{AH} étant colinéaires, le produit scalaire se réduit à un produit de distances avec un signe :

$$\vec{AB} \cdot \vec{AC} = \begin{cases} + AB \times AH & \text{si } \vec{AB} \text{ et } \vec{AH} \text{ sont de même sens} \\ - AB \times AH & \text{si } \vec{AB} \text{ et } \vec{AH} \text{ sont de sens contraires} \end{cases}$$

Piège classique · 6

On donne deux points AA et BB tels que AB=3AB = 3. Un point HH de la droite (AB)(AB) vérifie AB⃗⋅AH⃗=−6\vec{AB} \cdot \vec{AH} = -6. Où se situe le point HH ?

Attention

Placer HH sur le segment [AB][AB] à la distance AH=2AH = 2, en ignorant le signe négatif du produit scalaire.

À la place : Le produit scalaire AB⃗⋅AH⃗=−6\vec{AB} \cdot \vec{AH} = -6 est strictement négatif, ce qui impose que AB⃗\vec{AB} et AH⃗\vec{AH} soient de sens contraires. Le point HH est donc situé à l'extérieur du segment [AB][AB], sur la demi-droite opposée à [AB)[AB), à la distance AH=∣−6∣AB=63=2AH = \frac{|-6|}{AB} = \frac{6}{3} = 2.

Exemple travaillé · 7

Soit ABCDABCD un rectangle tel que AB=5AB = 5 et AD=3AD = 3. Calculer les produits scalaires AB⃗⋅AC⃗\vec{AB} \cdot \vec{AC} et AB⃗⋅AD⃗\vec{AB} \cdot \vec{AD}.

1

Pour calculer AB⃗⋅AC⃗\vec{AB} \cdot \vec{AC}, on projette orthogonalement le point CC sur la droite (AB)(AB).

2

Dans le rectangle ABCDABCD, (BC)⊥(AB)(BC) \perp (AB), donc le projeté orthogonal de CC sur (AB)(AB) est le sommet BB.

3
$$\vec{AB} \cdot \vec{AC} = \vec{AB} \cdot \vec{AB} = AB^2 = 5^2 = 25$$
4

Pour AB⃗⋅AD⃗\vec{AB} \cdot \vec{AD}, les côtés consécutifs (AB)(AB) et (AD)(AD) sont perpendiculaires.

5
$$\vec{AB} \cdot \vec{AD} = 0$$

Vérification · 8

Soit un triangle équilatéral ABCABC de côté 6 et II le milieu de [BC][BC]. Quelle est la valeur du produit scalaire AB⃗⋅AI⃗\vec{AB} \cdot \vec{AI} ?

Remarque

Dans le triangle équilatéral, la médiane (AI)(AI) est aussi la hauteur issue de AA. Le triangle ABIABI est donc rectangle en II, ce qui donne IB⃗⊥AI⃗\vec{IB} \perp \vec{AI}. Par décomposition de Chasles : AB⃗⋅AI⃗=(AI⃗+IB⃗)⋅AI⃗=AI2+0\vec{AB} \cdot \vec{AI} = (\vec{AI} + \vec{IB}) \cdot \vec{AI} = AI^2 + 0. Comme AI=6×32=33AI = 6 \times \frac{\sqrt{3}}{2} = 3\sqrt{3}, on obtient AB⃗⋅AI⃗=(33)2=27\vec{AB} \cdot \vec{AI} = (3\sqrt{3})^2 = 27.

Définition · 9

Propriétés algébriques fondamentales

$$\vec{u} \cdot \vec{v} = \vec{v} \cdot \vec{u}$$

$$\vec{u} \cdot (\vec{v} + \vec{w}) = \vec{u} \cdot \vec{v} + \vec{u} \cdot \vec{w}$$

$$(\alpha \vec{u}) \cdot \vec{v} = \alpha (\vec{u} \cdot \vec{v})$$

Caractérisation de l'orthogonalité

$$\vec{u} \perp \vec{v} \iff \vec{u} \cdot \vec{v} = 0$$

Le vecteur nul 0⃗\vec{0} est orthogonal à tous les vecteurs du plan.

Définition · 10

Identités remarquables vectorielles

$$\|\vec{u} + \vec{v}\|^2 = \|\vec{u}\|^2 + 2(\vec{u} \cdot \vec{v}) + \|\vec{v}\|^2$$

$$\|\vec{u} - \vec{v}\|^2 = \|\vec{u}\|^2 - 2(\vec{u} \cdot \vec{v}) + \|\vec{v}\|^2$$

$$(\vec{u} + \vec{v}) \cdot (\vec{u} - \vec{v}) = \|\vec{u}\|^2 - \|\vec{v}\|^2$$

Identité du parallélogramme

$$\|\vec{u} + \vec{v}\|^2 + \|\vec{u} - \vec{v}\|^2 = 2(\|\vec{u}\|^2 + \|\vec{v}\|^2)$$

Piège classique · 11

Soit un triangle ABCABC. Comment résout-on l'égalité AB⃗⋅AM⃗=AC⃗⋅AM⃗\vec{AB} \cdot \vec{AM} = \vec{AC} \cdot \vec{AM} pour déterminer l'ensemble des points MM ?

Attention

Simplifier par le vecteur commun AM⃗\vec{AM} pour écrire AB⃗=AC⃗\vec{AB} = \vec{AC}.

À la place : Le produit scalaire n'est pas une multiplication ordinaire : on ne simplifie jamais par un vecteur. On transpose tous les termes d'un côté pour factoriser : (AB⃗−AC⃗)⋅AM⃗=0  ⟺  CB⃗⋅AM⃗=0(\vec{AB} - \vec{AC}) \cdot \vec{AM} = 0 \iff \vec{CB} \cdot \vec{AM} = 0, ce qui caractérise la hauteur issue de AA.

Exemple travaillé · 12

Soit un parallélogramme ABCDABCD. En posant u⃗=AB⃗\vec{u} = \vec{AB} et v⃗=AD⃗\vec{v} = \vec{AD}, montrer que les diagonales (AC)(AC) et (BD)(BD) sont perpendiculaires si et seulement si ABCDABCD est un losange (AB=ADAB = AD).

1

On exprime les vecteurs diagonales dans la base (u⃗,v⃗)(\vec{u}, \vec{v}) : AC⃗=u⃗+v⃗\vec{AC} = \vec{u} + \vec{v} et DB⃗=u⃗−v⃗\vec{DB} = \vec{u} - \vec{v}.

2

Les diagonales (AC)(AC) et (BD)(BD) sont perpendiculaires si et seulement si AC⃗⋅DB⃗=0\vec{AC} \cdot \vec{DB} = 0.

3
$$\vec{AC} \cdot \vec{DB} = (\vec{u} + \vec{v}) \cdot (\vec{u} - \vec{v}) = \|\vec{u}\|^2 - \|\vec{v}\|^2 = AB^2 - AD^2$$
4
$$AB^2 - AD^2 = 0 \iff AB^2 = AD^2 \iff AB = AD$$
5

Les diagonales d'un parallélogramme sont donc perpendiculaires si et seulement si deux côtés consécutifs ont même longueur, c'est-à-dire si c'est un losange.

Vérification · 13

Soient u⃗\vec{u} et v⃗\vec{v} deux vecteurs tels que ∥u⃗∥=3\|\vec{u}\| = 3, ∥v⃗∥=2\|\vec{v}\| = 2 et u⃗⋅v⃗=−4\vec{u} \cdot \vec{v} = -4. Calcule ∥u⃗+v⃗∥2\|\vec{u} + \vec{v}\|^2 et ∥u⃗−v⃗∥2\|\vec{u} - \vec{v}\|^2.

Remarque

En appliquant les identités remarquables : ∥u⃗+v⃗∥2=∥u⃗∥2+2(u⃗⋅v⃗)+∥v⃗∥2=32+2(−4)+22=9−8+4=5\|\vec{u} + \vec{v}\|^2 = \|\vec{u}\|^2 + 2(\vec{u} \cdot \vec{v}) + \|\vec{v}\|^2 = 3^2 + 2(-4) + 2^2 = 9 - 8 + 4 = 5. De même, ∥u⃗−v⃗∥2=∥u⃗∥2−2(u⃗⋅v⃗)+∥v⃗∥2=32−2(−4)+22=9+8+4=21\|\vec{u} - \vec{v}\|^2 = \|\vec{u}\|^2 - 2(\vec{u} \cdot \vec{v}) + \|\vec{v}\|^2 = 3^2 - 2(-4) + 2^2 = 9 + 8 + 4 = 21.

Définition · 14

Théorème d'Al-Kashi (Loi des cosinus)

Dans tout triangle ABCABC, la longueur d'un côté s'exprime en fonction des deux autres côtés et du cosinus de l'angle opposé :

$$BC^2 = AB^2 + AC^2 - 2 AB \times AC \cos(\widehat{BAC})$$

$$AC^2 = AB^2 + BC^2 - 2 AB \times BC \cos(\widehat{ABC})$$

$$AB^2 = AC^2 + BC^2 - 2 AC \times BC \cos(\widehat{ACB})$$

Remarque

Si le triangle est rectangle en AA, alors cos⁡(BAC^)=cos⁡(90∘)=0\cos(\widehat{BAC}) = \cos(90^\circ) = 0 et on retrouve le théorème de Pythagore : BC2=AB2+AC2BC^2 = AB^2 + AC^2.

Exemple travaillé · 15

Soit un triangle ABCABC tel que AB=5AB = 5, AC=7AC = 7 et BC=8BC = 8. Calculer cos⁡(BAC^)\cos(\widehat{BAC}) et déterminer la nature de l'angle BAC^\widehat{BAC} (aigu ou obtus).

1

D'après le théorème d'Al-Kashi appliqué au côté opposé [BC][BC] :

2
BC2=AB2+AC2−2AB×ACcos⁡(BAC^)BC^2 = AB^2 + AC^2 - 2 AB \times AC \cos(\widehat{BAC})
3
82=52+72−2(5)(7)cos⁡(BAC^)  ⟺  64=74−70cos⁡(BAC^)8^2 = 5^2 + 7^2 - 2(5)(7)\cos(\widehat{BAC}) \iff 64 = 74 - 70\cos(\widehat{BAC})
4
70cos⁡(BAC^)=74−64=10  ⟺  cos⁡(BAC^)=1070=1770\cos(\widehat{BAC}) = 74 - 64 = 10 \iff \cos(\widehat{BAC}) = \frac{10}{70} = \frac{1}{7}
5

Comme cos⁡(BAC^)=17>0\cos(\widehat{BAC}) = \frac{1}{7} > 0, l'angle BAC^\widehat{BAC} est un angle aigu.

Définition · 16

Théorème de la médiane

Soient AA et BB deux points du plan et II le milieu du segment [AB][AB]. Pour tout point MM du plan :

$$MA^2 + MB^2 = 2 MI^2 + \frac{AB^2}{2}$$

$$MA^2 - MB^2 = 2 \vec{AB} \cdot \vec{IM}$$

$$\vec{MA} \cdot \vec{MB} = MI^2 - \frac{AB^2}{4}$$

Exemple travaillé · 17

Soit un triangle ABCABC tel que AB=5AB = 5, AC=7AC = 7 et BC=8BC = 8. Soit II le milieu de [BC][BC]. Calculer la longueur de la médiane AIAI.

1

On applique le théorème de la médiane avec le sommet AA et le milieu II du côté opposé [BC][BC] :

2
AB2+AC2=2AI2+BC22AB^2 + AC^2 = 2 AI^2 + \frac{BC^2}{2}
3
52+72=2AI2+822  ⟺  25+49=2AI2+325^2 + 7^2 = 2 AI^2 + \frac{8^2}{2} \iff 25 + 49 = 2 AI^2 + 32
4
74=2AI2+32  ⟺  2AI2=42  ⟺  AI2=2174 = 2 AI^2 + 32 \iff 2 AI^2 = 42 \iff AI^2 = 21
5
AI=21AI = \sqrt{21}

Vérification · 18

Dans un triangle ABCABC, on donne AB=4AB = 4, AC=6AC = 6 et la longueur de la médiane AI=5AI = 5, où II est le milieu de [BC][BC]. Quelle formule permet de calculer directement la longueur BCBC sans déterminer d'angle ?

Remarque

Le théorème de la médiane relie directement les longueurs des deux côtés, la médiane et la base (AB2+AC2=2AI2+BC22AB^2 + AC^2 = 2AI^2 + \frac{BC^2}{2}), ce qui permet d'isoler BCBC sans passer par un angle.

Définition · 19

Expression analytique dans une base orthonormée

Dans le plan muni d'un repère orthonormé (O,i⃗,j⃗)(O, \vec{i}, \vec{j}), soient u⃗(xy)\vec{u}\begin{pmatrix} x \\ y \end{pmatrix} et v⃗(x′y′)\vec{v}\begin{pmatrix} x' \\ y' \end{pmatrix} deux vecteurs.

$$\vec{u} \cdot \vec{v} = x x' + y y'$$

Norme et critère d'orthogonalité

$$\|\vec{u}\| = \sqrt{x^2 + y^2}$$

$$\vec{u} \perp \vec{v} \iff x x' + y y' = 0$$

Définition · 20

Vecteur normal et équation de droite

Toute droite DD d'équation cartésienne ax+by+c=0a x + b y + c = 0 (avec (a,b)≠(0,0)(a, b) \neq (0, 0)) admet pour vecteur normal :

$$\vec{n}\begin{pmatrix} a \\ b \end{pmatrix} \perp D$$

Distance d'un point à une droite

La distance d'un point A(xA,yA)A(x_A, y_A) à la droite D:ax+by+c=0D : a x + b y + c = 0 est donnée par la formule :

$$d(A, D) = \frac{|a x_A + b y_A + c|}{\sqrt{a^2 + b^2}}$$

Exemple travaillé · 21

Dans un repère orthonormé, on donne les points A(1,2)A(1, 2), B(3,−1)B(3, -1) et C(−1,2)C(-1, 2). Déterminer une équation cartésienne de la droite (AB)(AB) et calculer la distance d(C,(AB))d(C, (AB)).

1

On calcule les composantes du vecteur directeur AB⃗\vec{AB} :

2
AB⃗(3−1−1−2)=(2−3)\vec{AB}\begin{pmatrix} 3 - 1 \\ -1 - 2 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 2 \\ -3 \end{pmatrix}
3

Un vecteur normal à (AB)(AB) est n⃗(32)\vec{n}\begin{pmatrix} 3 \\ 2 \end{pmatrix}, car n⃗⋅AB⃗=3(2)+2(−3)=0\vec{n} \cdot \vec{AB} = 3(2) + 2(-3) = 0.

4

L'équation cartésienne de (AB)(AB) s'écrit 3(x−1)+2(y−2)=03(x - 1) + 2(y - 2) = 0, soit :

5
3x+2y−7=03x + 2y - 7 = 0
6

On applique la formule de la distance du point C(−1,2)C(-1, 2) à la droite (AB)(AB) :

7
d(C,(AB))=∣3(−1)+2(2)−7∣32+22=∣−6∣13=61313d(C, (AB)) = \frac{|3(-1) + 2(2) - 7|}{\sqrt{3^2 + 2^2}} = \frac{|-6|}{\sqrt{13}} = \frac{6\sqrt{13}}{13}

Définition · 22

Équations cartésiennes d'un cercle

$$(x - a)^2 + (y - b)^2 = R^2$$

Équation du cercle de centre I(a,b)I(a, b) et de rayon R>0R > 0.

$$(x - x_A)(x - x_B) + (y - y_A)(y - y_B) = 0$$

Équation du cercle de diamètre [AB][AB], caractérisé par MA⃗⋅MB⃗=0\vec{MA} \cdot \vec{MB} = 0.

Position relative droite-cercle

$$\begin{cases} d(I, \Delta) < R & \iff \Delta \text{ est sécante au cercle (2 points)} \\ d(I, \Delta) = R & \iff \Delta \text{ est tangente au cercle (1 point)} \\ d(I, \Delta) > R & \iff \Delta \text{ est extérieure au cercle (0 point)} \end{cases}$$

Vérification · 23

On considère le cercle C\mathscr{C} de centre I(1,3)I(1, 3) et de rayon R=2R = 2, et la droite DD d'équation 3x+4y−5=03x + 4y - 5 = 0. Quelle est la position relative de DD et C\mathscr{C} ?

Remarque

On applique la formule de la distance du centre à la droite : d(I,D)=∣3(1)+4(3)−5∣32+42=∣10∣25=105=2d(I, D) = \frac{|3(1) + 4(3) - 5|}{\sqrt{3^2 + 4^2}} = \frac{|10|}{\sqrt{25}} = \frac{10}{5} = 2. Comme d(I,D)=R=2d(I, D) = R = 2, la droite DD est tangente au cercle C\mathscr{C}.

Point de départ · 24

Soient AA et BB deux points distincts du plan. Quelle est la nature de l'ensemble des points MM vérifiant MA⃗⋅MB⃗=0\vec{MA} \cdot \vec{MB} = 0 ?

Remarque

La condition MA⃗⋅MB⃗=0\vec{MA} \cdot \vec{MB} = 0 signifie que les vecteurs MA⃗\vec{MA} et MB⃗\vec{MB} sont orthogonaux. Pour M≠AM \neq A et M≠BM \neq B, le triangle MABMAB est rectangle en MM, ce qui caractérise le cercle de diamètre [AB][AB].

Définition · 25

Lignes de niveau : droites orthogonales

Soit un vecteur non nul u⃗\vec{u}, un point AA et un réel kk.

$$\vec{u} \cdot \vec{AM} = k$$

L'ensemble des points MM est la droite perpendiculaire à la direction de u⃗\vec{u} passant par le point HH de la droite portée par u⃗\vec{u} vérifiant u⃗⋅AH⃗=k\vec{u} \cdot \vec{AH} = k.

Différence de carrés de distances

Soient AA et BB deux points distincts et II le milieu de [AB][AB].

$$MA^2 - MB^2 = k \iff 2\vec{AB} \cdot \vec{IM} = k$$

L'ensemble des points MM vérifiant MA2−MB2=kMA^2 - MB^2 = k est une droite perpendiculaire à (AB)(AB).

Piège classique · 26

Soient AA et BB deux points tels que AB=2AB = 2. Quelle est la nature de l'ensemble des points MM tels que MA2−MB2=8MA^2 - MB^2 = 8 ?

Attention

Appliquer la formule de la somme des carrés et conclure qu'il s'agit d'un cercle.

À la place : Une différence de carrés se factorise : MA2−MB2=(MA⃗−MB⃗)⋅(MA⃗+MB⃗)=BA⃗⋅(2MI⃗)=2AB⃗⋅IM⃗MA^2 - MB^2 = (\vec{MA} - \vec{MB}) \cdot (\vec{MA} + \vec{MB}) = \vec{BA} \cdot (2\vec{MI}) = 2\vec{AB} \cdot \vec{IM}. L'équation devient 2AB⃗⋅IM⃗=82\vec{AB} \cdot \vec{IM} = 8, ce qui définit une droite perpendiculaire à (AB)(AB) et non un cercle.

Définition · 27

Lignes de niveau : cercles et ensembles ponctuels

Soient AA et BB deux points distincts et II le milieu de [AB][AB].

$$MA^2 + MB^2 = k \iff MI^2 = \frac{k - \frac{AB^2}{2}}{2} = C$$

$$\vec{MA} \cdot \vec{MB} = k \iff MI^2 = k + \frac{AB^2}{4} = C'$$

Nature de l'ensemble selon le signe de la constante CC (ou C′C') :

$$\begin{cases} C > 0 & \implies \text{Cercle de centre } I \text{ et de rayon } R = \sqrt{C} \\ C = 0 & \implies \text{Le singleton } \{I\} \\ C < 0 & \implies \text{L'ensemble vide } \emptyset \end{cases}$$

Exemple travaillé · 28

Soient AA et BB deux points distincts tels que AB=6AB = 6. Déterminer la nature et les éléments caractéristiques de l'ensemble (E)(\mathcal{E}) des points MM tels que MA⃗⋅MB⃗=16\vec{MA} \cdot \vec{MB} = 16.

1

Soit II le milieu du segment [AB][AB]. On utilise la forme réduite du produit scalaire :

2
MA⃗⋅MB⃗=MI2−AB24\vec{MA} \cdot \vec{MB} = MI^2 - \frac{AB^2}{4}
3
MI2−624=16  ⟺  MI2−9=16MI^2 - \frac{6^2}{4} = 16 \iff MI^2 - 9 = 16
4
MI2=25  ⟺  MI=5MI^2 = 25 \iff MI = 5
5

L'ensemble (E)(\mathcal{E}) est le cercle de centre II (milieu de [AB][AB]) et de rayon R=5R = 5.

Vérification · 29

Soient AA et BB deux points tels que AB=4AB = 4 et II le milieu de [AB][AB]. On considère l'ensemble des points MM vérifiant MA2+MB2=26MA^2 + MB^2 = 26. Quel est le rayon RR de ce cercle ?

Remarque

D'après le théorème de la médiane : MA2+MB2=2MI2+AB22=2MI2+162=2MI2+8MA^2 + MB^2 = 2MI^2 + \frac{AB^2}{2} = 2MI^2 + \frac{16}{2} = 2MI^2 + 8. L'égalité s'écrit 2MI2+8=26  ⟺  2MI2=18  ⟺  MI2=9  ⟺  MI=32MI^2 + 8 = 26 \iff 2MI^2 = 18 \iff MI^2 = 9 \iff MI = 3. Le rayon est donc R=3R = 3.

Définition · 30

Réduction scalaire de Leibniz

Soit un système de points pondérés (Ai,αi)(A_i, \alpha_i) dont la somme des coefficients est non nulle : ∑αi≠0\sum \alpha_i \neq 0. Il admet un unique barycentre GG.

$$\sum_{i=1}^n \alpha_i MA_i^2 = \left(\sum_{i=1}^n \alpha_i\right) MG^2 + \sum_{i=1}^n \alpha_i GA_i^2$$

En posant la constante f(G)=∑i=1nαiGAi2f(G) = \sum_{i=1}^n \alpha_i GA_i^2, la ligne de niveau ∑αiMAi2=k\sum \alpha_i MA_i^2 = k se ramène à l'équation :

$$\left(\sum_{i=1}^n \alpha_i\right) MG^2 = k - f(G)$$

Piège classique · 31

Soit un triangle ABCABC. On cherche à déterminer l'ensemble des points MM vérifiant 2MA2−MB2−MC2=k2MA^2 - MB^2 - MC^2 = k. Peut-on utiliser le barycentre des points (A,2)(A, 2), (B,−1)(B, -1) et (C,−1)(C, -1) ?

Attention

Chercher à introduire un barycentre GG alors que la somme des coefficients 2−1−1=02 - 1 - 1 = 0 s'annule.

À la place : Le barycentre n'existe que si la somme des coefficients est non nulle. Lorsque la somme est nulle, on utilise le milieu II de [BC][BC] via le théorème de la médiane pour écrire MB2+MC2=2MI2+BC22MB^2 + MC^2 = 2MI^2 + \frac{BC^2}{2}, puis on factorise la différence 2(MA2−MI2)=2IA⃗⋅(2IM⃗+IA⃗)2(MA^2 - MI^2) = 2\vec{IA} \cdot (2\vec{IM} + \vec{IA}), ce qui conduit à une droite perpendiculaire à (IA)(IA).

Exemple travaillé · 32

Soient deux points distincts AA et BB tels que AB=4AB = 4. Déterminer la nature et les éléments caractéristiques de l'ensemble (E)(E) des points MM tels que 2MA2−3MB2=−482MA^2 - 3MB^2 = -48.

1

La somme des coefficients est 2+(−3)=−1≠02 + (-3) = -1 \neq 0. Le barycentre GG du système {(A,2),(B,−3)}\{(A, 2), (B, -3)\} existe et vérifie AG⃗=3AB⃗\vec{AG} = 3\vec{AB}.

2

On en déduit les distances : GA=3AB=12GA = 3 AB = 12 et GB=2AB=8GB = 2 AB = 8.

3
f(G)=2GA2−3GB2=2(122)−3(82)=288−192=96f(G) = 2 GA^2 - 3 GB^2 = 2(12^2) - 3(8^2) = 288 - 192 = 96
4

D'après la formule de réduction de Leibniz, pour tout point MM du plan :

5
2MA2−3MB2=(2−3)MG2+f(G)=−MG2+962MA^2 - 3MB^2 = (2 - 3)MG^2 + f(G) = -MG^2 + 96
6
−MG2+96=−48  ⟺  −MG2=−144  ⟺  MG2=144  ⟺  MG=12-MG^2 + 96 = -48 \iff -MG^2 = -144 \iff MG^2 = 144 \iff MG = 12
7

L'ensemble (E)(E) est le cercle de centre GG et de rayon R=12R = 12.

Définition · 33

Puissance d'un point par rapport à un cercle

Soit un cercle C\mathscr{C} de centre OO et de rayon RR, et MM un point quelconque du plan. Pour toute droite sécante issue de MM coupant le cercle en deux points AA et BB :

$$\mathcal{P}_{\mathscr{C}}(M) = \vec{MA} \cdot \vec{MB} = MO^2 - R^2$$

Ce produit scalaire est indépendant de la sécante choisie.

Cas de tangence et signe

$$\text{Si } (MT) \text{ est tangente en } T \text{ à } \mathscr{C}, \quad \mathcal{P}_{\mathscr{C}}(M) = MT^2 = MO^2 - R^2$$

$$\begin{cases} \mathcal{P}_{\mathscr{C}}(M) > 0 & \iff M \text{ est à l'extérieur du cercle} \\ \mathcal{P}_{\mathscr{C}}(M) = 0 & \iff M \text{ appartient au cercle} \\ \mathcal{P}_{\mathscr{C}}(M) < 0 & \iff M \text{ est à l'intérieur du cercle} \end{cases}$$

Vérification · 34

On considère deux points distincts AA et BB. Après réduction d'une équation scalaire de Leibniz du type ∑αiMAi2=k\sum \alpha_i MA_i^2 = k, on aboutit à la relation MG2=−5MG^2 = -5. Quelle est la nature de cet ensemble de points ?

Remarque

Dans le plan euclidien, le carré d'une distance est toujours positif ou nul (MG2≥0MG^2 \geq 0). L'équation MG2=−5MG^2 = -5 n'admet aucun point solution, l'ensemble est donc l'ensemble vide ∅\emptyset.

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