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), et celui d'un angle obtus est négatif.
Point de départ · 2
La somme u+v de deux vecteurs donne un nouveau vecteur. Que donne le produit scalaire u⋅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 et v deux vecteurs du plan.
u⋅v=∣∣u∣∣×∣∣v∣∣×cos(u,v)
u=0etv=0
Si l'un des vecteurs est nul, le produit scalaire est nul : u⋅0=0.
Pour trois points O, A et B avec u=OA et v=OB :
OA⋅OB=OA×OB×cos(AOB)
Remarque
Le carré scalaire d'un vecteur u est u⋅u=u2=∣∣u∣∣2.
Exemple travaillé · 4
Soient deux vecteurs u et v tels que ∣∣u∣∣=4, ∣∣v∣∣=3 et l'angle géométrique entre eux vaut 3π. Calculer u⋅v puis le carré scalaire u2.
1
On applique la définition trigonométrique du produit scalaire :
2
u⋅v=∣∣u∣∣×∣∣v∣∣×cos(3π)
3
u⋅v=4×3×21=6
4
Pour le carré scalaire, on prend le carré de la norme :
5
u2=∣∣u∣∣2=42=16
Piège classique · 5
On donne ∣∣u∣∣=3, ∣∣v∣∣=2 et l'angle géométrique mesure 43π. Quelle est la valeur exacte de u⋅v ?
Attention
Calculer 3×2×22=32 en oubliant que cos(43π)=−22.
À la place : L'angle 43π est obtus (>2π), son cosinus est strictement négatif : u⋅v=3×2×(−22)=−32.
Définition · 6
Caractérisation de l'orthogonalité
Deux vecteurs u et v sont dits orthogonaux si leur produit scalaire est nul.
u⊥v⟺u⋅v=0
Conséquence géométrique pour deux droites (AB) et (CD) :
(AB)⊥(CD)⟺AB⋅CD=0
Remarque
Le vecteur nul 0 est orthogonal à tout vecteur du plan.
Exemple travaillé · 7
Soit ABC un triangle équilatéral de côté 4. On note I le milieu de [AC]. Calculer AC⋅AB et IB⋅AC.
1
Dans le triangle équilatéral ABC, l'angle géométrique BAC mesure 3π.
2
AC⋅AB=AC×AB×cos(3π)=4×4×21=8
3
Dans un triangle équilatéral, la médiane (BI) issue de B est aussi la hauteur relative à [AC], donc (BI)⊥(AC).
4
IB⋅AC=0
Vérification · 8
Soit un triangle ABC rectangle en A avec AB=3 et AC=5. Que vaut le produit scalaire AB⋅AC ?
Remarque
Le triangle étant rectangle en A, les vecteurs AB et AC sont orthogonaux (widehatBAC=fracpi2), donc leur produit scalaire est nul.
Point de départ · 9
Soit un triangle ABC. Si on abaisse la perpendiculaire issue de C sur (AB) en un point H, peut-on calculer AB⋅AC uniquement à l'aide des longueurs AB et AH sans connaître l'angle BAC ?
Remarque
La projection orthogonale permet de remplacer le vecteur AC par son « ombre portée » AH sur la droite (AB), ramenant le produit scalaire à un calcul simple sur deux vecteurs colinéaires.
Définition · 10
Produit scalaire et projection orthogonale
Soient A, B et C trois points du plan tels que A=B. Soit H le projeté orthogonal de C sur la droite (AB).
AB⋅AC=AB⋅AH
Les vecteurs AB et AH étant portés par la même droite, le résultat dépend de leur sens :
AB⋅AC={AB×AH−AB×AHsi AB et AH sont de meˆme sens (angle aigu)si AB et AH sont de sens contraires (angle obtus)
Remarque
Si le triangle ABC est rectangle en A, le point H est confondu avec A, la distance AH est nulle et le produit scalaire vaut 0.
Exemple travaillé · 11
Soit ABC un triangle isocèle en A tel que AB=AC=5 et BC=6. Calculer la valeur exacte du produit scalaire BC⋅BA.
1
On identifie le projeté orthogonal de A sur la droite (BC). Dans un triangle isocèle en A, la hauteur issue de A coupe la base [BC] en son milieu H.
2
La distance BH vaut la moitié de BC :
3
BH=2BC=26=3
4
On applique la formule de projection orthogonale :
5
BC⋅BA=BC⋅BH
6
Les vecteurs BC et BH sont colinéaires et de même sens :
7
BC⋅BA=BC×BH=6×3=18
Piège classique · 12
Sur un axe (AB), le point H est le projeté orthogonal de C sur (AB). On donne AB=4. Le point H est situé à l'extérieur du segment [AB], du côté de A, avec AH=2. Que vaut AB⋅AC ?
Attention
Multiplier aveuglément les distances AB×AH=4×2=8 en ignorant le sens des vecteurs.
À la place : Puisque H est à l'extérieur du segment [AB] du côté de A, les vecteurs AB et AH pointent dans des directions opposées. Le produit scalaire est strictement négatif : AB⋅AC=−AB×AH=−4×2=−8.
Exemple travaillé · 13
Soit ABC un triangle rectangle en A avec AB=8 et AC=6. Soit H le pied de la hauteur issue de A sur l'hypoténuse (BC). Calculer la distance CH.
1
On calcule d'abord l'hypoténuse BC par le théorème de Pythagore dans le triangle rectangle ABC :
2
BC=AB2+AC2=82+62=64+36=10
3
Puisque le triangle est rectangle en A, le point A est le projeté orthogonal de B sur la droite (CA). On en déduit :
4
CA⋅CB=CA⋅CA=CA2=62=36
5
D'autre part, en projetant A sur la droite (CB) en H, les vecteurs CH et CB étant de même sens :
6
CA⋅CB=CH⋅CB=CH×CB=10×CH
7
On égale les deux expressions du produit scalaire pour isoler CH :
8
10×CH=36⟹CH=3,6
Vérification · 14
Sur un axe gradué de repère (O,i), on place les points A(5) et B(−3). Que vaut le produit scalaire OA⋅OB ?
Remarque
Les abscisses fournissent les mesures algébriques : OA=5i et OB=−3i. Les vecteurs étant de sens contraires, OA⋅OB=5×(−3)=−15.
Point de départ · 15
Pour deux vecteurs quelconques u et v, a-t-on toujours ∣∣u+v∣∣2=∣∣u∣∣2+∣∣v∣∣2 ?
Remarque
L'égalité ∣∣u+v∣∣2=∣∣u∣∣2+∣∣v∣∣2 n'est vraie que si u⊥v (théorème de Pythagore). Dans le cas général, le développement algébrique fait apparaître le double produit scalaire 2u⋅v.
Définition · 16
Bilinéarité et identités remarquables scalaires
Pour tous vecteurs u, v, w et tout réel α :
u⋅(v+w)=u⋅v+u⋅wet(αu)⋅v=α(u⋅v)
Développements des carrés scalaires (identités remarquables) :
∣∣u+v∣∣2=∣∣u∣∣2+∣∣v∣∣2+2u⋅v
∣∣u−v∣∣2=∣∣u∣∣2+∣∣v∣∣2−2u⋅v
(u+v)⋅(u−v)=∣∣u∣∣2−∣∣v∣∣2
Formule de polarisation (calcul d'un produit scalaire par les normes) :
u⋅v=21(∣∣u+v∣∣2−∣∣u∣∣2−∣∣v∣∣2)
Exemple travaillé · 17
Soit ABCD un parallélogramme tel que AB=5 et AD=3. Calculer le produit scalaire des diagonales AC⋅DB.
1
On exprime les diagonales à partir des côtés issus de A : AC=AB+AD et DB=AB−AD.
2
AC⋅DB=(AB+AD)⋅(AB−AD)
3
On applique l'identité remarquable (u+v)⋅(u−v)=∣∣u∣∣2−∣∣v∣∣2 :
4
AC⋅DB=AB2−AD2
5
AC⋅DB=52−32=25−9=16
Piège classique · 18
Soient deux vecteurs u et v tels que ∣∣u∣∣=2, ∣∣v∣∣=3 et u⋅v=−2. Quelle est la valeur exacte de ∣∣u+v∣∣2 ?
Attention
Calculer 22+32=13 en omettant le double produit scalaire 2u⋅v, ou additionner 13+4=17 en ignorant le signe négatif de u⋅v.
À la place : On développe obligatoirement : ∣∣u+v∣∣2=∣∣u∣∣2+∣∣v∣∣2+2u⋅v=4+9+2(−2)=13−4=9.
Piège classique · 19
Soient trois vecteurs u, v et w avec u=0. Si u⋅v=u⋅w, que peut-on affirmer avec certitude ?
Attention
Simplifier par u de part et d'autre comme s'il s'agissait d'une multiplication entre nombres réels non nuls, pour conclure faussement v=w.
À la place : On transpose et on factorise : u⋅v−u⋅w=0⟺u⋅(v−w)=0. Cela signifie que u est orthogonal à (v−w), pas que v=w.
Exemple travaillé · 20
Soit un triangle ABC. Déterminer la nature géométrique de l'ensemble (E) des points M du plan tels que AB⋅AM=AC⋅AM.
1
On regroupe les termes d'un seul côté pour annuler le second membre :
2
AB⋅AM−AC⋅AM=0
3
Par bilinéarité, on factorise par le vecteur commun AM :
4
(AB−AC)⋅AM=0
5
D'après la relation de Chasles, AB−AC=CA+AB=CB :
6
CB⋅AM=0⟺(CB)⊥(AM)
7
L'ensemble (E) est la droite passant par A et perpendiculaire au côté (BC) : c'est la hauteur issue de A dans le triangle ABC.
Vérification · 21
Soit un triangle ABC tel que AB=5, BC=3 et AC=7. En utilisant la formule de polarisation AB⋅BC=21(∣∣AB+BC∣∣2−∣∣AB∣∣2−∣∣BC∣∣2), calculer AB⋅BC.
Remarque
D'après la relation de Chasles, AB+BC=AC, donc ∣∣AB+BC∣∣2=AC2=72=49. Le calcul donne 21(49−52−32)=21(49−25−9)=215.
Point de départ · 22
Dans une base orthonormée (i,j), on a ∣∣i∣∣=1, ∣∣j∣∣=1 et i⋅j=0. Que donne le produit scalaire de u=xi+yj et v=x′i+y′j en développant par bilinéarité ?
Remarque
En développant, les termes croisés en i⋅j s'annulent (0) et les carrés scalaires i2 et j2 valent 1. Il reste la formule analytique fondamentale : u⋅v=xx′+yy′.
Définition · 23
Expression analytique dans un repère orthonormé
Le plan est rapporté à un repère orthonormé (O,i,j). Soient u(yx) et v(y′x′) deux vecteurs.
u⋅v=xx′+yy′
∣∣u∣∣=x2+y2
u⊥v⟺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), on donne A(1,0), B(−2,3) et C(3−2,3+1). Calculer BA⋅BC, puis en déduire la mesure de l'angle géométrique ABC.
1
On détermine d'abord les composantes des deux vecteurs en partant du sommet commun B :
On calcule le produit scalaire avec la formule analytique :
4
BA⋅BC=3(3)+(−3)(1)=33−3=23
5
On calcule les normes des deux vecteurs :
6
BA=32+(−3)2=9+3=12=23etBC=(3)2+12=3+1=2
7
On extrait le cosinus de l'angle à partir de la définition géométrique :
8
cos(ABC)=BA×BCBA⋅BC=23×223=21
9
Puisque cos(ABC)=21, la mesure géométrique de l'angle est ABC=3π rad.
Piège classique · 25
Pour déterminer le cosinus de l'angle BAC à partir des composantes de AB et AC, quelle formule applique-t-on ?
Attention
Inverser le quotient et écrire cos(BAC)=AB⋅ACAB×AC.
À la place : La définition est AB⋅AC=AB×AC×cos(BAC). On isole le cosinus en divisant le produit scalaire par le produit des normes : cos(BAC)=AB×ACAB⋅AC.
Définition · 26
Vecteur normal et équation de droite
Un vecteur non nul n(ba) est normal à une droite D s'il est orthogonal à un vecteur directeur de D.
M(x,y)∈D⟺AM⋅n=0
ax+by+c=0(a=0 ou b=0)
Remarque
Réciproquement, toute droite d'équation cartésienne ax+by+c=0 admet le vecteur n(ba) comme vecteur normal.
Exemple travaillé · 27
Dans un repère orthonormé, déterminer une équation cartésienne de la droite D passant par A(3,2) et dont un vecteur normal est n(−11).
1
Soit M(x,y) un point du plan. On exprime le vecteur mobile AM :
2
AM(y−2x−3)
3
Le point M appartient à D si et seulement si AM est orthogonal au vecteur normal n :
4
AM⋅n=0
5
On applique l'expression analytique du produit scalaire :
6
(x−3)×1+(y−2)×(−1)=0
7
On développe et on réduit l'équation :
8
x−3−y+2=0⟺x−y−1=0
Vérification · 28
Dans un repère orthonormé, on considère u(−3x+1x−3) et v(x+13x). Pour quelle valeur du réel x ces deux vecteurs sont-ils orthogonaux ?
Remarque
La condition d'orthogonalité est u⋅v=0⟺(x−3)(3x)+(−3x+1)(x+1)=0⟺3x2−9x−3x2−2x+1=0⟺−11x+1=0⟺x=111.
Point de départ · 29
Dans un triangle quelconque ABC (non rectangle en A), peut-on encore calculer la longueur BC à partir de AB, AC et de l'angle 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).
Définition · 30
Théorème d'Al-Kashi (loi des cosinus)
Dans tout triangle ABC, on a les relations métriques fondamentales :
BC2=AB2+AC2−2AB×AC×cos(BAC)
AC2=AB2+BC2−2AB×BC×cos(ABC)
AB2=AC2+BC2−2AC×BC×cos(ACB)
Remarque
Si l'angle en A est droit, cos(BAC)=0 et la formule redonne exactement le théorème de Pythagore : BC2=AB2+AC2.
Exemple travaillé · 31
Soit ABC un triangle tel que AB=5, AC=8 et BAC=3π. Calculer la valeur exacte de la longueur BC.
1
On applique la relation d'Al-Kashi relative au côté opposé [BC] :
2
BC2=AB2+AC2−2AB×AC×cos(BAC)
3
BC2=52+82−2(5)(8)cos(3π)
4
Sachant que cos(3π)=21 :
5
BC2=25+64−80×21=89−40=49
6
Puisque BC est une distance positive, on en déduit :
7
BC=49=7
Piège classique · 32
Soit un triangle ABC avec AB=3, AC=4 et un angle obtus BAC=32π. Quelle est la valeur exacte de BC2 ?
Attention
Calculer 32+42−2(3)(4)(21)=25−12=13 en prenant par erreur un cosinus positif.
À la place : Pour un angle obtus comme 32π, on a cos(32π)=−21. Le terme soustrait devient une addition : BC2=9+16−24(−21)=25+12=37.
Définition · 33
Théorème de la médiane
Soient A et B deux points du plan, I le milieu du segment [AB], et M un point quelconque du plan.
MA2+MB2=2MI2+2AB2
MA⋅MB=MI2−4AB2
MA2−MB2=2IM⋅AB
Remarque
Dans un triangle ABC avec I milieu de [BC], en posant M=A, la première relation donne la longueur de la médiane (AI) : AB2+AC2=2AI2+2BC2.
Exemple travaillé · 34
Soit ABC un triangle tel que AB=5, AC=8 et BC=7. On désigne par I le milieu de [BC]. Calculer la longueur de la médiane AI.
1
On applique la formule du théorème de la médiane au sommet A et au côté opposé [BC] :
2
AB2+AC2=2AI2+2BC2
3
On remplace par les longueurs numériques données :
4
52+82=2AI2+272
5
25+64=2AI2+24,5⟺89=2AI2+24,5
6
On isole AI2 :
7
2AI2=89−24,5=64,5⟹AI2=4129
8
On conclut en prenant la racine carrée :
9
AI=2129
Vérification · 35
Soit un segment [AB] de longueur AB=6 et de milieu I. Si un point M vérifie MI=4, que vaut le produit scalaire MA⋅MB ?
Remarque
Par la relation de la médiane : MA⋅MB=MI2−4AB2=42−462=16−436=16−9=7.
Point de départ · 36
Soient A et B deux points distincts du plan. Quelle est la nature de l'ensemble des points M vérifiant MA⋅MB=0 ?
Remarque
La condition MA⋅MB=0 signifie que les vecteurs MA et MB sont orthogonaux. Le triangle MAB est donc rectangle en M, ce qui caractérise exactement le cercle de diamètre [AB].
Définition · 37
Lignes de niveau élémentaires
Soient A et B deux points distincts, I le milieu de [AB], et k un réel.
MA⋅MB=k⟺MI2=k+4AB2
Nature de l'ensemble selon le signe de la constante C=k+4AB2 :
C>0⟹Cercle de centre I et de rayon R=C
C=0⟹Le point unique {I}
C<0⟹Ensemble vide ∅
Pour un vecteur non nul u et un point A :
u⋅AM=k⟺Droite perpendiculaire aˋu
Exemple travaillé · 38
Soient A et B deux points distincts tels que AB=4. Déterminer l'ensemble (E) des points M du plan vérifiant MA⋅MB=12.
1
Soit I le milieu du segment [AB]. On calcule la distance IA :
2
IA=2AB=24=2
3
On transforme le produit scalaire à l'aide du théorème de la médiane :
4
MA⋅MB=MI2−IA2=MI2−22=MI2−4
5
On résout l'équation de la ligne de niveau :
6
MI2−4=12⟺MI2=16
7
Puisque MI est une distance (positive) :
8
MI=16=4
9
L'ensemble (E) est le cercle de centre I et de rayon R=4.
Piège classique · 39
On cherche l'ensemble des points M vérifiant MA2−MB2=6. Quelle est la méthode rigoureuse à employer ?
Attention
Chercher à introduire un barycentre G des points pondérés (A,1) et (B,−1).
À la place : La somme des coefficients est 1+(−1)=0 : le barycentre n'existe pas. Il faut factoriser par différence de carrés vectoriels avec le milieu I : MA2−MB2=(MA−MB)⋅(MA+MB)=BA⋅(2MI)=2IM⋅AB=6, ce qui donne une droite perpendiculaire à (AB).
Définition · 40
Réduction de Leibniz et Puissance d'un point
Si α+β=0, soit G le barycentre des points pondérés (A,α) et (B,β) :
αMA2+βMB2=(α+β)MG2+αGA2+βGB2
Puissance d'un point par rapport à un cercle C(O,R) : pour toute sécante passant par M coupant C en A et B :
MA⋅MB=MO2−R2
Remarque
Si la droite passant par M est tangente au cercle en T, alors MA⋅MB=MT2=MO2−R2.
Exemple travaillé · 41
Soient A et B deux points tels que AB=3. Déterminer l'ensemble (Γ) des points M vérifiant MA2+2MB2=18.
1
La somme des coefficients est 1+2=3=0. On introduit le barycentre G de (A,1) et (B,2) vérifiant AG=32AB.
2
On calcule les distances fixes depuis G :
3
GA=32AB=2etGB=31AB=1
4
On applique la formule de réduction de Leibniz :
5
MA2+2MB2=3MG2+GA2+2GB2=3MG2+22+2(12)=3MG2+6
6
On résout l'équation de la ligne de niveau :
7
3MG2+6=18⟺3MG2=12⟺MG2=4
8
Puisque MG est une distance positive :
9
MG=2
10
L'ensemble (Γ) est le cercle de centre G et de rayon R=2.
Vérification · 42
Soit un cercle C de centre O et de rayon R=4. Soit M un point situé à la distance OM=6. Une droite sécante passant par M coupe le cercle en A et B. Que vaut le produit scalaire MA⋅MB ?
Remarque
D'après la formule de la puissance d'un point par rapport à un cercle : MA⋅MB=MO2−R2=62−42=36−16=20.