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Produit scalaire dans le plan — cours

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

Le cours

Rappel · 1

Complète les valeurs exactes du cosinus pour ces angles remarquables :

Remarque

Le cosinus d'un angle aigu est positif, celui d'un angle droit est nul (cosleft(fracpi2right)=0\\cos\\left(\\frac{\\pi}{2}\\right) = 0), et celui d'un angle obtus est négatif.

Point de départ · 2

La somme u+v\vec{u} + \vec{v} de deux vecteurs donne un nouveau vecteur. Que donne le produit scalaire uv\vec{u} \cdot \vec{v} ?

Remarque

Le mot « scalaire » désigne un nombre réel : le produit scalaire de deux vecteurs donne toujours un nombre réel, jamais un vecteur.

Définition · 3

Définition géométrique du produit scalaire

Soient u\vec{u} et v\vec{v} deux vecteurs du plan.

uv=u×v×cos(u,v^)\vec{u} \cdot \vec{v} = ||\vec{u}|| \times ||\vec{v}|| \times \cos(\widehat{\vec{u}, \vec{v}})

u0etv0\vec{u} \neq \vec{0} \quad \text{et} \quad \vec{v} \neq \vec{0}

Si l'un des vecteurs est nul, le produit scalaire est nul : u0=0\vec{u} \cdot \vec{0} = 0.

Pour trois points OO, AA et BB avec u=OA\vec{u} = \vec{OA} et v=OB\vec{v} = \vec{OB} :

OAOB=OA×OB×cos(AOB^)\vec{OA} \cdot \vec{OB} = OA \times OB \times \cos(\widehat{AOB})

Remarque

Le carré scalaire d'un vecteur u\vec{u} est uu=u2=u2\vec{u} \cdot \vec{u} = \vec{u}^2 = ||\vec{u}||^2.

Exemple travaillé · 4

Soient deux vecteurs u\vec{u} et v\vec{v} tels que u=4||\vec{u}|| = 4, v=3||\vec{v}|| = 3 et l'angle géométrique entre eux vaut π3\frac{\pi}{3}. Calculer uv\vec{u} \cdot \vec{v} puis le carré scalaire u2\vec{u}^2.

1

On applique la définition trigonométrique du produit scalaire :

2
uv=u×v×cos(π3)\vec{u} \cdot \vec{v} = ||\vec{u}|| \times ||\vec{v}|| \times \cos\left(\frac{\pi}{3}\right)
3
uv=4×3×12=6\vec{u} \cdot \vec{v} = 4 \times 3 \times \frac{1}{2} = 6
4

Pour le carré scalaire, on prend le carré de la norme :

5
u2=u2=42=16\vec{u}^2 = ||\vec{u}||^2 = 4^2 = 16

Piège classique · 5

On donne u=3||\vec{u}|| = 3, v=2||\vec{v}|| = 2 et l'angle géométrique mesure 3π4\frac{3\pi}{4}. Quelle est la valeur exacte de uv\vec{u} \cdot \vec{v} ?

Attention

Calculer 3×2×22=323 \times 2 \times \frac{\sqrt{2}}{2} = 3\sqrt{2} en oubliant que cos(3π4)=22\cos\left(\frac{3\pi}{4}\right) = -\frac{\sqrt{2}}{2}.

À la place : L'angle 3π4\frac{3\pi}{4} est obtus (>π2> \frac{\pi}{2}), son cosinus est strictement négatif : uv=3×2×(22)=32\vec{u} \cdot \vec{v} = 3 \times 2 \times \left(-\frac{\sqrt{2}}{2}\right) = -3\sqrt{2}.

Définition · 6

Caractérisation de l'orthogonalité

Deux vecteurs u\vec{u} et v\vec{v} sont dits orthogonaux si leur produit scalaire est nul.

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

Conséquence géométrique pour deux droites (AB)(AB) et (CD)(CD) :

(AB)(CD)    ABCD=0(AB) \perp (CD) \iff \vec{AB} \cdot \vec{CD} = 0

Remarque

Le vecteur nul 0\vec{0} est orthogonal à tout vecteur du plan.

Exemple travaillé · 7

Soit ABCABC un triangle équilatéral de côté 44. On note II le milieu de [AC][AC]. Calculer ACAB\vec{AC} \cdot \vec{AB} et IBAC\vec{IB} \cdot \vec{AC}.

1

Dans le triangle équilatéral ABCABC, l'angle géométrique BAC^\widehat{BAC} mesure π3\frac{\pi}{3}.

2
ACAB=AC×AB×cos(π3)=4×4×12=8\vec{AC} \cdot \vec{AB} = AC \times AB \times \cos\left(\frac{\pi}{3}\right) = 4 \times 4 \times \frac{1}{2} = 8
3

Dans un triangle équilatéral, la médiane (BI)(BI) issue de BB est aussi la hauteur relative à [AC][AC], donc (BI)(AC)(BI) \perp (AC).

4
IBAC=0\vec{IB} \cdot \vec{AC} = 0

Vérification · 8

Soit un triangle ABCABC rectangle en AA avec AB=3AB = 3 et AC=5AC = 5. Que vaut le produit scalaire ABAC\vec{AB} \cdot \vec{AC} ?

Remarque

Le triangle étant rectangle en AA, les vecteurs AB\vec{AB} et AC\vec{AC} sont orthogonaux (widehatBAC=fracpi2\\widehat{BAC} = \\frac{\\pi}{2}), donc leur produit scalaire est nul.

Point de départ · 9

Soit un triangle ABCABC. Si on abaisse la perpendiculaire issue de CC sur (AB)(AB) en un point HH, peut-on calculer ABAC\vec{AB} \cdot \vec{AC} uniquement à l'aide des longueurs ABAB et AHAH sans connaître l'angle BAC^\widehat{BAC} ?

Remarque

La projection orthogonale permet de remplacer le vecteur AC\vec{AC} par son « ombre portée » AH\vec{AH} sur la droite (AB)(AB), ramenant le produit scalaire à un calcul simple sur deux vecteurs colinéaires.

Définition · 10

Produit scalaire et projection orthogonale

Soient AA, BB et CC trois points du plan tels que ABA \neq B. Soit HH le projeté orthogonal de CC sur la droite (AB)(AB).

ABAC=ABAH\vec{AB} \cdot \vec{AC} = \vec{AB} \cdot \vec{AH}

Les vecteurs AB\vec{AB} et AH\vec{AH} étant portés par la même droite, le résultat dépend de leur sens :

ABAC={AB×AHsi AB et AH sont de meˆme sens (angle aigu)AB×AHsi AB et AH sont de sens contraires (angle obtus)\vec{AB} \cdot \vec{AC} = \begin{cases} AB \times AH & \text{si } \vec{AB} \text{ et } \vec{AH} \text{ sont de même sens (angle aigu)} \\ - AB \times AH & \text{si } \vec{AB} \text{ et } \vec{AH} \text{ sont de sens contraires (angle obtus)} \end{cases}

Remarque

Si le triangle ABCABC est rectangle en AA, le point HH est confondu avec AA, la distance AHAH est nulle et le produit scalaire vaut 00.

Exemple travaillé · 11

Soit ABCABC un triangle isocèle en AA tel que AB=AC=5AB = AC = 5 et BC=6BC = 6. Calculer la valeur exacte du produit scalaire BCBA\vec{BC} \cdot \vec{BA}.

1

On identifie le projeté orthogonal de AA sur la droite (BC)(BC). Dans un triangle isocèle en AA, la hauteur issue de AA coupe la base [BC][BC] en son milieu HH.

2

La distance BHBH vaut la moitié de BCBC :

3
BH=BC2=62=3BH = \frac{BC}{2} = \frac{6}{2} = 3
4

On applique la formule de projection orthogonale :

5
BCBA=BCBH\vec{BC} \cdot \vec{BA} = \vec{BC} \cdot \vec{BH}
6

Les vecteurs BC\vec{BC} et BH\vec{BH} sont colinéaires et de même sens :

7
BCBA=BC×BH=6×3=18\vec{BC} \cdot \vec{BA} = BC \times BH = 6 \times 3 = 18

Piège classique · 12

Sur un axe (AB)(AB), le point HH est le projeté orthogonal de CC sur (AB)(AB). On donne AB=4AB = 4. Le point HH est situé à l'extérieur du segment [AB][AB], du côté de AA, avec AH=2AH = 2. Que vaut ABAC\vec{AB} \cdot \vec{AC} ?

Attention

Multiplier aveuglément les distances AB×AH=4×2=8AB \times AH = 4 \times 2 = 8 en ignorant le sens des vecteurs.

À la place : Puisque HH est à l'extérieur du segment [AB][AB] du côté de AA, les vecteurs AB\vec{AB} et AH\vec{AH} pointent dans des directions opposées. Le produit scalaire est strictement négatif : ABAC=AB×AH=4×2=8\vec{AB} \cdot \vec{AC} = - AB \times AH = -4 \times 2 = -8.

Exemple travaillé · 13

Soit ABCABC un triangle rectangle en AA avec AB=8AB = 8 et AC=6AC = 6. Soit HH le pied de la hauteur issue de AA sur l'hypoténuse (BC)(BC). Calculer la distance CHCH.

1

On calcule d'abord l'hypoténuse BCBC par le théorème de Pythagore dans le triangle rectangle ABCABC :

2
BC=AB2+AC2=82+62=64+36=10BC = \sqrt{AB^2 + AC^2} = \sqrt{8^2 + 6^2} = \sqrt{64 + 36} = 10
3

Puisque le triangle est rectangle en AA, le point AA est le projeté orthogonal de BB sur la droite (CA)(CA). On en déduit :

4
CACB=CACA=CA2=62=36\vec{CA} \cdot \vec{CB} = \vec{CA} \cdot \vec{CA} = CA^2 = 6^2 = 36
5

D'autre part, en projetant AA sur la droite (CB)(CB) en HH, les vecteurs CH\vec{CH} et CB\vec{CB} étant de même sens :

6
CACB=CHCB=CH×CB=10×CH\vec{CA} \cdot \vec{CB} = \vec{CH} \cdot \vec{CB} = CH \times CB = 10 \times CH
7

On égale les deux expressions du produit scalaire pour isoler CHCH :

8
10×CH=36    CH=3,610 \times CH = 36 \implies CH = 3{,}6

Vérification · 14

Sur un axe gradué de repère (O,i)(O, \vec{i}), on place les points A(5)A(5) et B(3)B(-3). Que vaut le produit scalaire OAOB\vec{OA} \cdot \vec{OB} ?

Remarque

Les abscisses fournissent les mesures algébriques : OA=5i\vec{OA} = 5\vec{i} et OB=3i\vec{OB} = -3\vec{i}. Les vecteurs étant de sens contraires, OAOB=5×(3)=15\vec{OA} \cdot \vec{OB} = 5 \times (-3) = -15.

Point de départ · 15

Pour deux vecteurs quelconques u\vec{u} et v\vec{v}, a-t-on toujours u+v2=u2+v2||\vec{u} + \vec{v}||^2 = ||\vec{u}||^2 + ||\vec{v}||^2 ?

Remarque

L'égalité u+v2=u2+v2||\vec{u} + \vec{v}||^2 = ||\vec{u}||^2 + ||\vec{v}||^2 n'est vraie que si uv\vec{u} \perp \vec{v} (théorème de Pythagore). Dans le cas général, le développement algébrique fait apparaître le double produit scalaire 2uv2\vec{u} \cdot \vec{v}.

Définition · 16

Bilinéarité et identités remarquables scalaires

Pour tous vecteurs u\vec{u}, v\vec{v}, w\vec{w} et tout réel α\alpha :

u(v+w)=uv+uwet(αu)v=α(uv)\vec{u} \cdot (\vec{v} + \vec{w}) = \vec{u} \cdot \vec{v} + \vec{u} \cdot \vec{w} \quad \text{et} \quad (\alpha\vec{u}) \cdot \vec{v} = \alpha(\vec{u} \cdot \vec{v})

Développements des carrés scalaires (identités remarquables) :

u+v2=u2+v2+2uv||\vec{u} + \vec{v}||^2 = ||\vec{u}||^2 + ||\vec{v}||^2 + 2\vec{u} \cdot \vec{v}

uv2=u2+v22uv||\vec{u} - \vec{v}||^2 = ||\vec{u}||^2 + ||\vec{v}||^2 - 2\vec{u} \cdot \vec{v}

(u+v)(uv)=u2v2(\vec{u} + \vec{v}) \cdot (\vec{u} - \vec{v}) = ||\vec{u}||^2 - ||\vec{v}||^2

Formule de polarisation (calcul d'un produit scalaire par les normes) :

uv=12(u+v2u2v2)\vec{u} \cdot \vec{v} = \frac{1}{2}\left(||\vec{u} + \vec{v}||^2 - ||\vec{u}||^2 - ||\vec{v}||^2\right)

Exemple travaillé · 17

Soit ABCDABCD un parallélogramme tel que AB=5AB = 5 et AD=3AD = 3. Calculer le produit scalaire des diagonales ACDB\vec{AC} \cdot \vec{DB}.

1

On exprime les diagonales à partir des côtés issus de AA : AC=AB+AD\vec{AC} = \vec{AB} + \vec{AD} et DB=ABAD\vec{DB} = \vec{AB} - \vec{AD}.

2
ACDB=(AB+AD)(ABAD)\vec{AC} \cdot \vec{DB} = (\vec{AB} + \vec{AD}) \cdot (\vec{AB} - \vec{AD})
3

On applique l'identité remarquable (u+v)(uv)=u2v2(\vec{u} + \vec{v}) \cdot (\vec{u} - \vec{v}) = ||\vec{u}||^2 - ||\vec{v}||^2 :

4
ACDB=AB2AD2\vec{AC} \cdot \vec{DB} = AB^2 - AD^2
5
ACDB=5232=259=16\vec{AC} \cdot \vec{DB} = 5^2 - 3^2 = 25 - 9 = 16

Piège classique · 18

Soient deux vecteurs u\vec{u} et v\vec{v} tels que u=2||\vec{u}|| = 2, v=3||\vec{v}|| = 3 et uv=2\vec{u} \cdot \vec{v} = -2. Quelle est la valeur exacte de u+v2||\vec{u} + \vec{v}||^2 ?

Attention

Calculer 22+32=132^2 + 3^2 = 13 en omettant le double produit scalaire 2uv2\vec{u} \cdot \vec{v}, ou additionner 13+4=1713 + 4 = 17 en ignorant le signe négatif de uv\vec{u} \cdot \vec{v}.

À la place : On développe obligatoirement : u+v2=u2+v2+2uv=4+9+2(2)=134=9||\vec{u} + \vec{v}||^2 = ||\vec{u}||^2 + ||\vec{v}||^2 + 2\vec{u} \cdot \vec{v} = 4 + 9 + 2(-2) = 13 - 4 = 9.

Piège classique · 19

Soient trois vecteurs u\vec{u}, v\vec{v} et w\vec{w} avec u0\vec{u} \neq \vec{0}. Si uv=uw\vec{u} \cdot \vec{v} = \vec{u} \cdot \vec{w}, que peut-on affirmer avec certitude ?

Attention

Simplifier par u\vec{u} de part et d'autre comme s'il s'agissait d'une multiplication entre nombres réels non nuls, pour conclure faussement v=w\vec{v} = \vec{w}.

À la place : On transpose et on factorise : uvuw=0    u(vw)=0\vec{u} \cdot \vec{v} - \vec{u} \cdot \vec{w} = 0 \iff \vec{u} \cdot (\vec{v} - \vec{w}) = 0. Cela signifie que u\vec{u} est orthogonal à (vw)(\vec{v} - \vec{w}), pas que v=w\vec{v} = \vec{w}.

Exemple travaillé · 20

Soit un triangle ABCABC. Déterminer la nature géométrique de l'ensemble (E)(E) des points MM du plan tels que ABAM=ACAM\vec{AB} \cdot \vec{AM} = \vec{AC} \cdot \vec{AM}.

1

On regroupe les termes d'un seul côté pour annuler le second membre :

2
ABAMACAM=0\vec{AB} \cdot \vec{AM} - \vec{AC} \cdot \vec{AM} = 0
3

Par bilinéarité, on factorise par le vecteur commun AM\vec{AM} :

4
(ABAC)AM=0(\vec{AB} - \vec{AC}) \cdot \vec{AM} = 0
5

D'après la relation de Chasles, ABAC=CA+AB=CB\vec{AB} - \vec{AC} = \vec{CA} + \vec{AB} = \vec{CB} :

6
CBAM=0    (CB)(AM)\vec{CB} \cdot \vec{AM} = 0 \iff (CB) \perp (AM)
7

L'ensemble (E)(E) est la droite passant par AA et perpendiculaire au côté (BC)(BC) : c'est la hauteur issue de AA dans le triangle ABCABC.

Vérification · 21

Soit un triangle ABCABC tel que AB=5AB = 5, BC=3BC = 3 et AC=7AC = 7. En utilisant la formule de polarisation ABBC=12(AB+BC2AB2BC2)\vec{AB} \cdot \vec{BC} = \frac{1}{2}\left(||\vec{AB} + \vec{BC}||^2 - ||\vec{AB}||^2 - ||\vec{BC}||^2\right), calculer ABBC\vec{AB} \cdot \vec{BC}.

Remarque

D'après la relation de Chasles, AB+BC=AC\vec{AB} + \vec{BC} = \vec{AC}, donc AB+BC2=AC2=72=49||\vec{AB} + \vec{BC}||^2 = AC^2 = 7^2 = 49. Le calcul donne 12(495232)=12(49259)=152\frac{1}{2}(49 - 5^2 - 3^2) = \frac{1}{2}(49 - 25 - 9) = \frac{15}{2}.

Point de départ · 22

Dans une base orthonormée (i,j)(\vec{i}, \vec{j}), on a i=1||\vec{i}|| = 1, j=1||\vec{j}|| = 1 et ij=0\vec{i} \cdot \vec{j} = 0. Que donne le produit scalaire de u=xi+yj\vec{u} = x\vec{i} + y\vec{j} et v=xi+yj\vec{v} = x'\vec{i} + y'\vec{j} en développant par bilinéarité ?

Remarque

En développant, les termes croisés en ij\vec{i} \cdot \vec{j} s'annulent (00) et les carrés scalaires i2\vec{i}^2 et j2\vec{j}^2 valent 11. Il reste la formule analytique fondamentale : uv=xx+yy\vec{u} \cdot \vec{v} = xx' + yy'.

Définition · 23

Expression analytique dans un repère orthonormé

Le plan est rapporté à un repère orthonormé (O,i,j)(O, \vec{i}, \vec{j}). Soient u(xy)\vec{u}\binom{x}{y} et v(xy)\vec{v}\binom{x'}{y'} deux vecteurs.

uv=xx+yy\vec{u} \cdot \vec{v} = xx' + yy'

u=x2+y2||\vec{u}|| = \sqrt{x^2 + y^2}

uv    xx+yy=0\vec{u} \perp \vec{v} \iff xx' + yy' = 0

Remarque

Ces formules exigent impérativement que la base soit orthonormée : elles sont fausses dans un repère orthogonal non normé ou quelconque.

Exemple travaillé · 24

Dans un repère orthonormé (O,i,j)(O, \vec{i}, \vec{j}), on donne A(1,0)A(1, 0), B(2,3)B(-2, \sqrt{3}) et C(32,3+1)C(\sqrt{3}-2, \sqrt{3}+1). Calculer BABC\vec{BA} \cdot \vec{BC}, puis en déduire la mesure de l'angle géométrique ABC^\widehat{ABC}.

1

On détermine d'abord les composantes des deux vecteurs en partant du sommet commun BB :

2
BA(1(2)03)=(33)etBC((32)(2)(3+1)3)=(31)\vec{BA}\binom{1 - (-2)}{0 - \sqrt{3}} = \binom{3}{-\sqrt{3}} \quad \text{et} \quad \vec{BC}\binom{(\sqrt{3}-2) - (-2)}{(\sqrt{3}+1) - \sqrt{3}} = \binom{\sqrt{3}}{1}
3

On calcule le produit scalaire avec la formule analytique :

4
BABC=3(3)+(3)(1)=333=23\vec{BA} \cdot \vec{BC} = 3(\sqrt{3}) + (-\sqrt{3})(1) = 3\sqrt{3} - \sqrt{3} = 2\sqrt{3}
5

On calcule les normes des deux vecteurs :

6
BA=32+(3)2=9+3=12=23etBC=(3)2+12=3+1=2BA = \sqrt{3^2 + (-\sqrt{3})^2} = \sqrt{9 + 3} = \sqrt{12} = 2\sqrt{3} \quad \text{et} \quad BC = \sqrt{(\sqrt{3})^2 + 1^2} = \sqrt{3 + 1} = 2
7

On extrait le cosinus de l'angle à partir de la définition géométrique :

8
cos(ABC^)=BABCBA×BC=2323×2=12\cos(\widehat{ABC}) = \frac{\vec{BA} \cdot \vec{BC}}{BA \times BC} = \frac{2\sqrt{3}}{2\sqrt{3} \times 2} = \frac{1}{2}
9

Puisque cos(ABC^)=12\cos(\widehat{ABC}) = \frac{1}{2}, la mesure géométrique de l'angle est ABC^=π3\widehat{ABC} = \frac{\pi}{3} rad.

Piège classique · 25

Pour déterminer le cosinus de l'angle BAC^\widehat{BAC} à partir des composantes de AB\vec{AB} et AC\vec{AC}, quelle formule applique-t-on ?

Attention

Inverser le quotient et écrire cos(BAC^)=AB×ACABAC\cos(\widehat{BAC}) = \frac{AB \times AC}{\vec{AB} \cdot \vec{AC}}.

À la place : La définition est ABAC=AB×AC×cos(BAC^)\vec{AB} \cdot \vec{AC} = AB \times AC \times \cos(\widehat{BAC}). On isole le cosinus en divisant le produit scalaire par le produit des normes : cos(BAC^)=ABACAB×AC\cos(\widehat{BAC}) = \frac{\vec{AB} \cdot \vec{AC}}{AB \times AC}.

Définition · 26

Vecteur normal et équation de droite

Un vecteur non nul n(ab)\vec{n}\binom{a}{b} est normal à une droite D\mathcal{D} s'il est orthogonal à un vecteur directeur de D\mathcal{D}.

M(x,y)D    AMn=0M(x, y) \in \mathcal{D} \iff \vec{AM} \cdot \vec{n} = 0

ax+by+c=0(a0 ou b0)ax + by + c = 0 \quad (a \neq 0 \text{ ou } b \neq 0)

Remarque

Réciproquement, toute droite d'équation cartésienne ax+by+c=0ax + by + c = 0 admet le vecteur n(ab)\vec{n}\binom{a}{b} comme vecteur normal.

Exemple travaillé · 27

Dans un repère orthonormé, déterminer une équation cartésienne de la droite D\mathcal{D} passant par A(3,2)A(3, 2) et dont un vecteur normal est n(11)\vec{n}\binom{1}{-1}.

1

Soit M(x,y)M(x, y) un point du plan. On exprime le vecteur mobile AM\vec{AM} :

2
AM(x3y2)\vec{AM}\binom{x - 3}{y - 2}
3

Le point MM appartient à D\mathcal{D} si et seulement si AM\vec{AM} est orthogonal au vecteur normal n\vec{n} :

4
AMn=0\vec{AM} \cdot \vec{n} = 0
5

On applique l'expression analytique du produit scalaire :

6
(x3)×1+(y2)×(1)=0(x - 3) \times 1 + (y - 2) \times (-1) = 0
7

On développe et on réduit l'équation :

8
x3y+2=0    xy1=0x - 3 - y + 2 = 0 \iff x - y - 1 = 0

Vérification · 28

Dans un repère orthonormé, on considère u(x33x+1)\vec{u}\binom{x - 3}{-3x + 1} et v(3xx+1)\vec{v}\binom{3x}{x + 1}. Pour quelle valeur du réel xx ces deux vecteurs sont-ils orthogonaux ?

Remarque

La condition d'orthogonalité est uv=0    (x3)(3x)+(3x+1)(x+1)=0    3x29x3x22x+1=0    11x+1=0    x=111\vec{u} \cdot \vec{v} = 0 \iff (x-3)(3x) + (-3x+1)(x+1) = 0 \iff 3x^2 - 9x - 3x^2 - 2x + 1 = 0 \iff -11x + 1 = 0 \iff x = \frac{1}{11}.

Point de départ · 29

Dans un triangle quelconque ABCABC (non rectangle en AA), peut-on encore calculer la longueur BCBC à partir de ABAB, ACAC et de l'angle BAC^\widehat{BAC} ?

Remarque

Le théorème de Pythagore ne s'applique qu'aux triangles rectangles. Dans un triangle quelconque, le carré du troisième côté s'obtient en retranchant un terme correctif issu du produit scalaire : 2AB×ACcos(BAC^)2 AB \times AC \cos(\widehat{BAC}).

Définition · 30

Théorème d'Al-Kashi (loi des cosinus)

Dans tout triangle ABCABC, on a les relations métriques fondamentales :

BC2=AB2+AC22AB×AC×cos(BAC^)BC^2 = AB^2 + AC^2 - 2 AB \times AC \times \cos(\widehat{BAC})

AC2=AB2+BC22AB×BC×cos(ABC^)AC^2 = AB^2 + BC^2 - 2 AB \times BC \times \cos(\widehat{ABC})

AB2=AC2+BC22AC×BC×cos(ACB^)AB^2 = AC^2 + BC^2 - 2 AC \times BC \times \cos(\widehat{ACB})

Remarque

Si l'angle en AA est droit, cos(BAC^)=0\cos(\widehat{BAC}) = 0 et la formule redonne exactement le théorème de Pythagore : BC2=AB2+AC2BC^2 = AB^2 + AC^2.

Exemple travaillé · 31

Soit ABCABC un triangle tel que AB=5AB = 5, AC=8AC = 8 et BAC^=π3\widehat{BAC} = \frac{\pi}{3}. Calculer la valeur exacte de la longueur BCBC.

1

On applique la relation d'Al-Kashi relative au côté opposé [BC][BC] :

2
BC2=AB2+AC22AB×AC×cos(BAC^)BC^2 = AB^2 + AC^2 - 2 AB \times AC \times \cos(\widehat{BAC})
3
BC2=52+822(5)(8)cos(π3)BC^2 = 5^2 + 8^2 - 2(5)(8) \cos\left(\frac{\pi}{3}\right)
4

Sachant que cos(π3)=12\cos\left(\frac{\pi}{3}\right) = \frac{1}{2} :

5
BC2=25+6480×12=8940=49BC^2 = 25 + 64 - 80 \times \frac{1}{2} = 89 - 40 = 49
6

Puisque BCBC est une distance positive, on en déduit :

7
BC=49=7BC = \sqrt{49} = 7

Piège classique · 32

Soit un triangle ABCABC avec AB=3AB = 3, AC=4AC = 4 et un angle obtus BAC^=2π3\widehat{BAC} = \frac{2\pi}{3}. Quelle est la valeur exacte de BC2BC^2 ?

Attention

Calculer 32+422(3)(4)(12)=2512=133^2 + 4^2 - 2(3)(4)\left(\frac{1}{2}\right) = 25 - 12 = 13 en prenant par erreur un cosinus positif.

À la place : Pour un angle obtus comme 2π3\frac{2\pi}{3}, on a cos(2π3)=12\cos\left(\frac{2\pi}{3}\right) = -\frac{1}{2}. Le terme soustrait devient une addition : BC2=9+1624(12)=25+12=37BC^2 = 9 + 16 - 24\left(-\frac{1}{2}\right) = 25 + 12 = 37.

Définition · 33

Théorème de la médiane

Soient AA et BB deux points du plan, II le milieu du segment [AB][AB], et MM un point quelconque du plan.

MA2+MB2=2MI2+AB22MA^2 + MB^2 = 2MI^2 + \frac{AB^2}{2}

MAMB=MI2AB24\vec{MA} \cdot \vec{MB} = MI^2 - \frac{AB^2}{4}

MA2MB2=2IMABMA^2 - MB^2 = 2\vec{IM} \cdot \vec{AB}

Remarque

Dans un triangle ABCABC avec II milieu de [BC][BC], en posant M=AM = A, la première relation donne la longueur de la médiane (AI)(AI) : AB2+AC2=2AI2+BC22AB^2 + AC^2 = 2AI^2 + \frac{BC^2}{2}.

Exemple travaillé · 34

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

1

On applique la formule du théorème de la médiane au sommet AA et au côté opposé [BC][BC] :

2
AB2+AC2=2AI2+BC22AB^2 + AC^2 = 2AI^2 + \frac{BC^2}{2}
3

On remplace par les longueurs numériques données :

4
52+82=2AI2+7225^2 + 8^2 = 2AI^2 + \frac{7^2}{2}
5
25+64=2AI2+24,5    89=2AI2+24,525 + 64 = 2AI^2 + 24{,}5 \iff 89 = 2AI^2 + 24{,}5
6

On isole AI2AI^2 :

7
2AI2=8924,5=64,5    AI2=12942AI^2 = 89 - 24{,}5 = 64{,}5 \implies AI^2 = \frac{129}{4}
8

On conclut en prenant la racine carrée :

9
AI=1292AI = \frac{\sqrt{129}}{2}

Vérification · 35

Soit un segment [AB][AB] de longueur AB=6AB = 6 et de milieu II. Si un point MM vérifie MI=4MI = 4, que vaut le produit scalaire MAMB\vec{MA} \cdot \vec{MB} ?

Remarque

Par la relation de la médiane : MAMB=MI2AB24=42624=16364=169=7\vec{MA} \cdot \vec{MB} = MI^2 - \frac{AB^2}{4} = 4^2 - \frac{6^2}{4} = 16 - \frac{36}{4} = 16 - 9 = 7.

Point de départ · 36

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

Remarque

La condition MAMB=0\vec{MA} \cdot \vec{MB} = 0 signifie que les vecteurs MA\vec{MA} et MB\vec{MB} sont orthogonaux. Le triangle MABMAB est donc rectangle en MM, ce qui caractérise exactement le cercle de diamètre [AB][AB].

Définition · 37

Lignes de niveau élémentaires

Soient AA et BB deux points distincts, II le milieu de [AB][AB], et kk un réel.

MAMB=k    MI2=k+AB24\vec{MA} \cdot \vec{MB} = k \iff MI^2 = k + \frac{AB^2}{4}

Nature de l'ensemble selon le signe de la constante C=k+AB24C = k + \frac{AB^2}{4} :

C>0    Cercle de centre I et de rayon R=CC > 0 \implies \text{Cercle de centre } I \text{ et de rayon } R = \sqrt{C}
C=0    Le point unique {I}C = 0 \implies \text{Le point unique } \{I\}
C<0    Ensemble vide C < 0 \implies \text{Ensemble vide } \emptyset

Pour un vecteur non nul u\vec{u} et un point AA :

uAM=k    Droite perpendiculaire aˋ u\vec{u} \cdot \vec{AM} = k \iff \text{Droite perpendiculaire à } \vec{u}

Exemple travaillé · 38

Soient AA et BB deux points distincts tels que AB=4AB = 4. Déterminer l'ensemble (E)(E) des points MM du plan vérifiant MAMB=12\vec{MA} \cdot \vec{MB} = 12.

1

Soit II le milieu du segment [AB][AB]. On calcule la distance IAIA :

2
IA=AB2=42=2IA = \frac{AB}{2} = \frac{4}{2} = 2
3

On transforme le produit scalaire à l'aide du théorème de la médiane :

4
MAMB=MI2IA2=MI222=MI24\vec{MA} \cdot \vec{MB} = MI^2 - IA^2 = MI^2 - 2^2 = MI^2 - 4
5

On résout l'équation de la ligne de niveau :

6
MI24=12    MI2=16MI^2 - 4 = 12 \iff MI^2 = 16
7

Puisque MIMI est une distance (positive) :

8
MI=16=4MI = \sqrt{16} = 4
9

L'ensemble (E)(E) est le cercle de centre II et de rayon R=4R = 4.

Piège classique · 39

On cherche l'ensemble des points MM vérifiant MA2MB2=6MA^2 - MB^2 = 6. Quelle est la méthode rigoureuse à employer ?

Attention

Chercher à introduire un barycentre GG des points pondérés (A,1)(A, 1) et (B,1)(B, -1).

À la place : La somme des coefficients est 1+(1)=01 + (-1) = 0 : le barycentre n'existe pas. Il faut factoriser par différence de carrés vectoriels avec le milieu II : MA2MB2=(MAMB)(MA+MB)=BA(2MI)=2IMAB=6MA^2 - MB^2 = (\vec{MA}-\vec{MB}) \cdot (\vec{MA}+\vec{MB}) = \vec{BA} \cdot (2\vec{MI}) = 2\vec{IM} \cdot \vec{AB} = 6, ce qui donne une droite perpendiculaire à (AB)(AB).

Définition · 40

Réduction de Leibniz et Puissance d'un point

Si α+β0\alpha + \beta \neq 0, soit GG le barycentre des points pondérés (A,α)(A, \alpha) et (B,β)(B, \beta) :

αMA2+βMB2=(α+β)MG2+αGA2+βGB2\alpha MA^2 + \beta MB^2 = (\alpha + \beta)MG^2 + \alpha GA^2 + \beta GB^2

Puissance d'un point par rapport à un cercle C(O,R)\mathscr{C}(O, R) : pour toute sécante passant par MM coupant C\mathscr{C} en AA et BB :

MAMB=MO2R2\vec{MA} \cdot \vec{MB} = MO^2 - R^2

Remarque

Si la droite passant par MM est tangente au cercle en TT, alors MAMB=MT2=MO2R2\vec{MA} \cdot \vec{MB} = MT^2 = MO^2 - R^2.

Exemple travaillé · 41

Soient AA et BB deux points tels que AB=3AB = 3. Déterminer l'ensemble (Γ)(\Gamma) des points MM vérifiant MA2+2MB2=18MA^2 + 2MB^2 = 18.

1

La somme des coefficients est 1+2=301 + 2 = 3 \neq 0. On introduit le barycentre GG de (A,1)(A, 1) et (B,2)(B, 2) vérifiant AG=23AB\vec{AG} = \frac{2}{3}\vec{AB}.

2

On calcule les distances fixes depuis GG :

3
GA=23AB=2etGB=13AB=1GA = \frac{2}{3}AB = 2 \quad \text{et} \quad GB = \frac{1}{3}AB = 1
4

On applique la formule de réduction de Leibniz :

5
MA2+2MB2=3MG2+GA2+2GB2=3MG2+22+2(12)=3MG2+6MA^2 + 2MB^2 = 3MG^2 + GA^2 + 2GB^2 = 3MG^2 + 2^2 + 2(1^2) = 3MG^2 + 6
6

On résout l'équation de la ligne de niveau :

7
3MG2+6=18    3MG2=12    MG2=43MG^2 + 6 = 18 \iff 3MG^2 = 12 \iff MG^2 = 4
8

Puisque MGMG est une distance positive :

9
MG=2MG = 2
10

L'ensemble (Γ)(\Gamma) est le cercle de centre GG et de rayon R=2R = 2.

Vérification · 42

Soit un cercle C\mathscr{C} de centre OO et de rayon R=4R = 4. Soit MM un point situé à la distance OM=6OM = 6. Une droite sécante passant par MM coupe le cercle en AA et BB. Que vaut le produit scalaire MAMB\vec{MA} \cdot \vec{MB} ?

Remarque

D'après la formule de la puissance d'un point par rapport à un cercle : MAMB=MO2R2=6242=3616=20\vec{MA} \cdot \vec{MB} = MO^2 - R^2 = 6^2 - 4^2 = 36 - 16 = 20.

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