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Angles orientés — exercices corrigés

3ème année · section Mathématiques. Chaque question est suivie de sa correction complète, rédigée comme au tableau.

Les exercices

Exercice 1

avance

On considère les propriétés fondamentales des angles orientés de vecteurs et de droites dans le plan orienté.

  1. 1. Soit u⃗\vec{u} et v⃗\vec{v} deux vecteurs non nuls du plan orienté tels que (u⃗,v⃗)≡π3[2π](\vec{u}, \vec{v}) \equiv \frac{\pi}{3} [2\pi]. Déterminer la mesure principale de l'angle orienté (−2u⃗,3v⃗)(-2\vec{u}, 3\vec{v}).

    Indice — Pense à exploiter la relation de Chasles pour les angles orientés de vecteurs et la multiplication par un scalaire négatif.

    Correction

    En utilisant les propriétés de linéarité des angles orientés par rapport à la multiplication par un scalaire, on a (−2u⃗,3v⃗)≡(u⃗,v⃗)+π[2π](-2\vec{u}, 3\vec{v}) \equiv (\vec{u}, \vec{v}) + \pi [2\pi] car le scalaire −2-2 est négatif et ajoute un angle plat, tandis que le scalaire 33 est positif. On obtient donc π3+π=4π3\frac{\pi}{3} + \pi = \frac{4\pi}{3}. La mesure principale dans l'intervalle ]−π,π]]-\pi, \pi] s'obtient en retranchant 2π2\pi, ce qui donne 4π3−2π=−2π3\frac{4\pi}{3} - 2\pi = -\frac{2\pi}{3}.

  2. 2. Calculer le déterminant det⁡(−2u⃗,3v⃗)\det(-2\vec{u}, 3\vec{v}) en fonction de ∥u⃗∥\Vert\vec{u}\Vert et ∥v⃗∥\Vert\vec{v}\Vert, sachant que ∥u⃗∥=2\Vert\vec{u}\Vert = 2 et ∥v⃗∥=1\Vert\vec{v}\Vert = 1.

    Indice — Utilise la définition analytique ou géométrique du déterminant avec les normes et le sinus de l'angle orienté.

    Correction

    D'après la définition géométrique du déterminant de deux vecteurs, det⁡(a⃗,b⃗)=∥a⃗∥∥b⃗∥sin⁡((a⃗,b⃗))\det(\vec{a}, \vec{b}) = \|\vec{a}\| \|\vec{b}\| \sin((\vec{a}, \vec{b})). En appliquant cette formule aux vecteurs −2u⃗-2\vec{u} et 3v⃗3\vec{v}, on obtient det⁡(−2u⃗,3v⃗)=∣−2∣×3×∥u⃗∥∥v⃗∥sin⁡((−2u⃗,3v⃗))\det(-2\vec{u}, 3\vec{v}) = |-2| \times 3 \times \|\vec{u}\| \|\vec{v}\| \sin(( -2\vec{u}, 3\vec{v} )). En remplaçant les normes par leurs valeurs (22 et 11) et l'angle par sa valeur déterminée à la question précédente (−2π3-\frac{2\pi}{3} avec sin⁡(−2π3)=−32\sin(-\frac{2\pi}{3}) = -\frac{\sqrt{3}}{2}), on trouve 6×2×1×(−32)=−636 \times 2 \times 1 \times \left(-\frac{\sqrt{3}}{2}\right) = -6\sqrt{3}.

  3. 3. On considère un triangle ABCABC tel que (AB⃗,AC⃗)≡π4[2π](\vec{AB}, \vec{AC}) \equiv \frac{\pi}{4} [2\pi] et (BC⃗,BA⃗)≡7π12[2π](\vec{BC}, \vec{BA}) \equiv \frac{7\pi}{12} [2\pi]. Déterminer la mesure principale de l'angle orienté (CA⃗,CB⃗)(\vec{CA}, \vec{CB}).

    Indice — Applique la relation fondamentale de la somme des angles orientés des vecteurs sur les côtés d'un triangle orienté.

    Correction

    Dans un triangle ABCABC, la somme des angles orientés le long de son contour vérifie (AB⃗,AC⃗)+(BC⃗,BA⃗)+(CA⃗,CB⃗)≡π[2π](\vec{AB}, \vec{AC}) + (\vec{BC}, \vec{BA}) + (\vec{CA}, \vec{CB}) \equiv \pi [2\pi] (à l'ordre près des sommets du triangle). En réorganisant pour isoler l'angle cherché, on a (CA⃗,CB⃗)≡π−(AB⃗,AC⃗)−(BC⃗,BA⃗)[2π](\vec{CA}, \vec{CB}) \equiv \pi - (\vec{AB}, \vec{AC}) - (\vec{BC}, \vec{BA}) [2\pi]. En remplaçant par les valeurs données, π−π4−7π12=π−3π12−7π12=π−10π12=π−5π6=π6\pi - \frac{\pi}{4} - \frac{7\pi}{12} = \pi - \frac{3\pi}{12} - \frac{7\pi}{12} = \pi - \frac{10\pi}{12} = \pi - \frac{5\pi}{6} = \frac{\pi}{6}. La mesure principale est donc π6\frac{\pi}{6}.

  4. 4. En déduire la mesure principale de l'angle (AC⃗,BC⃗)(\vec{AC}, \vec{BC}).

    Indice — Rappelle-toi de l'effet de l'ordre des vecteurs et de la mesure principale de l'angle plat.

    Correction

    L'angle (AC⃗,BC⃗)(\vec{AC}, \vec{BC}) est l'opposé de l'angle (BC⃗,AC⃗)(\vec{BC}, \vec{AC}). En utilisant la relation avec l'angle (CA⃗,CB⃗)(\vec{CA}, \vec{CB}) trouvé à la question précédente, on sait que (AC⃗,CB⃗)≡π+(CA⃗,CB⃗)[2π](\vec{AC}, \vec{CB}) \equiv \pi + (\vec{CA}, \vec{CB}) [2\pi]. Par conséquent, en exploitant la relation de Chasles, (AC⃗,BC⃗)≡(AC⃗,CB⃗)+(CB⃗,BC⃗)[2π](\vec{AC}, \vec{BC}) \equiv (\vec{AC}, \vec{CB}) + (\vec{CB}, \vec{BC}) [2\pi]. En évaluant directement par rapport aux sommets et aux angles du triangle, on obtient finalement la mesure principale −5π6-\frac{5\pi}{6}.

  5. 5. Soit C\mathcal{C} un cercle orienté de centre OO et MM un point de C\mathcal{C} tel que (OA⃗,OB⃗)≡π2[2π](\vec{OA}, \vec{OB}) \equiv \frac{\pi}{2} [2\pi]. Sachant que (MA⃗,MB⃗)≡θ[2π](\vec{MA}, \vec{MB}) \equiv \theta [2\pi], déterminer toutes les valeurs possibles de θ\theta dans l'intervalle ]−π , π]]-\pi\,,\,\pi].

    Indice — Utilise la relation entre l'angle au centre et l'angle inscrit dans un cercle orienté.

    Correction

    On utilise le théorème de l'angle inscrit : l'angle inscrit (MA⃗,MB⃗)(\vec{MA}, \vec{MB}) est égal à la moitié de l'angle au centre associé (OA⃗,OB⃗)(\vec{OA}, \vec{OB}) modulo 2π2\pi (ou modulo π\pi selon la position de MM, mais ici exprimé en lien direct avec l'angle orienté de vecteurs). On a donc θ≡12(OA⃗,OB⃗)[π]\theta \equiv \frac{1}{2} (\vec{OA}, \vec{OB}) [\pi], c'est-à-dire θ≡π4[π]\theta \equiv \frac{\pi}{4} [\pi]. Dans l'intervalle ]−π , π]]-\pi\,,\,\pi], les valeurs possibles pour θ\theta sont π4\frac{\pi}{4} et −3π4-\frac{3\pi}{4}.

  6. 6. Pour le même cercle C\mathcal{C}, si l'on sait cette fois que (MA⃗,MB⃗)≡π4[π](\vec{MA}, \vec{MB}) \equiv \frac{\pi}{4} [\pi], déterminer l'ensemble des mesures possibles de l'angle (OA⃗,OB⃗)(\vec{OA}, \vec{OB}) dans ]−π , π]]-\pi\,,\,\pi].

    Indice — Attention à la division modulaire : résoudre 2x≡α[2π]2x \equiv \alpha [2\pi] donne deux classes de congruence modulo π\pi, qu'il faut toutes rapporter à l'intervalle ]−π , π]]-\pi\,,\,\pi].

    Correction

    D'après la relation entre angle inscrit et angle au centre, l'angle au centre (OA⃗,OB⃗)(\vec{OA}, \vec{OB}) est le double de l'angle inscrit (MA⃗,MB⃗)(\vec{MA}, \vec{MB}) modulo 2π2\pi. En posant l'équation avec (MA⃗,MB⃗)≡π4[π](\vec{MA}, \vec{MB}) \equiv \frac{\pi}{4} [\pi], on obtient (OA⃗,OB⃗)≡2×π4[2π](\vec{OA}, \vec{OB}) \equiv 2 \times \frac{\pi}{4} [2\pi], soit π2[2π]\frac{\pi}{2} [2\pi], mais aussi avec le décalage de π\pi issu du modulo π\pi, on obtient une deuxième valeur : π2+2×π2≡3π2≡−π2[2π]\frac{\pi}{2} + 2 \times \frac{\pi}{2} \equiv \frac{3\pi}{2} \equiv -\frac{\pi}{2} [2\pi]. Les mesures possibles dans ]−π , π]]-\pi\,,\,\pi] sont donc π2\frac{\pi}{2} et −π2-\frac{\pi}{2}.

  7. 7. Soit NN un autre point du cercle C\mathcal{C} situé sur le même arc ouvert que MM. Établir la relation entre les angles orientés (MA⃗,MB⃗)(\vec{MA}, \vec{MB}) et (NA⃗,NB⃗)(\vec{NA}, \vec{NB}) en justifiant par les propriétés des points cocycliques.

    Indice — Pense à la condition de cocyclicité via l'égalité des angles orientés sous forme modulo 2π2\pi.

    Correction

    Puisque les points AA, BB, MM et NN appartiennent au même cercle C\mathcal{C} et que MM et NN sont sur le même arc ouvert, les angles inscrits interceptant le même arc sont égaux. Par conséquent, les angles orientés de vecteurs sont congrus : (NA⃗,NB⃗)≡(MA⃗,MB⃗)[2π](\vec{NA}, \vec{NB}) \equiv (\vec{MA}, \vec{MB}) [2\pi], ce qui traduit la propriété classique de conservation de l'angle orienté pour des points cocycliques sur un même arc.

Exercice 2

avance

On considère trois points A,B,CA, B, C du plan. Le plan est rapporté à un repère orthonormé direct (O,u⃗,v⃗)(O, \vec{u}, \vec{v}).

  1. 1). Soit A,B,CA, B, C trois points distincts. Montrer que :
    • (AB⃗,AC⃗)≡(AB⃗,BC⃗)+(BC⃗,AC⃗)[2π](\vec{AB}, \vec{AC}) \equiv (\vec{AB}, \vec{BC}) + (\vec{BC}, \vec{AC}) [2\pi]
    • (AB⃗,AC⃗)+(BC⃗,BA⃗)+(CA⃗,CB⃗)≡π[2π](\vec{AB}, \vec{AC}) + (\vec{BC}, \vec{BA}) + (\vec{CA}, \vec{CB}) \equiv \pi [2\pi]

    Indice — Utiliser la relation de Chasles.

    Correction

    Par la relation de Chasles, (AB⃗,AC⃗)≡(AB⃗,BC⃗)+(BC⃗,AC⃗)[2π](\vec{AB}, \vec{AC}) \equiv (\vec{AB}, \vec{BC}) + (\vec{BC}, \vec{AC}) [2\pi]. Pour la seconde, la somme des angles orientés d'un triangle est π[2π]\pi [2\pi] : (AB⃗,AC⃗)+(BC⃗,BA⃗)+(CA⃗,CB⃗)≡π[2π](\vec{AB}, \vec{AC}) + (\vec{BC}, \vec{BA}) + (\vec{CA}, \vec{CB}) \equiv \pi [2\pi].

  2. 2). Soit (d)(d) et (d′)(d') deux droites sécantes en II de vecteurs directeurs respectifs u⃗\vec{u} et v⃗\vec{v}. Déterminer la relation entre (u⃗,v⃗)(\vec{u}, \vec{v}) et (−2u⃗,3v⃗)(-2\vec{u}, 3\vec{v}) modulo 2π2\pi.

    Indice — Utiliser la linéarité des angles orientés.

    Correction

    L'angle des droites est défini par (u⃗,v⃗)[π](\vec{u}, \vec{v}) [\pi]. Pour les vecteurs, (−2u⃗,3v⃗)≡(u⃗,v⃗)+π[2π](-2\vec{u}, 3\vec{v}) \equiv (\vec{u}, \vec{v}) + \pi [2\pi] car le coefficient −2-2 est négatif.

  3. 3). Soit C\mathcal{C} un cercle de centre OO et A,BA, B deux points tels que (OA⃗,OB⃗)≡2π3[2π](\vec{OA}, \vec{OB}) \equiv \frac{2\pi}{3} [2\pi]. Soit MM un point du grand arc AB⌢\overset{\frown}{AB} et NN un point du petit arc AB⌢\overset{\frown}{AB}. Calculer les mesures principales de :
    • (MA⃗,MB⃗)(\vec{MA}, \vec{MB})
    • (NA⃗,NB⃗)(\vec{NA}, \vec{NB})

    Indice — Utiliser le théorème de l'angle au centre.

    Correction

    D'après le théorème de l'angle au centre, (MA⃗,MB⃗)≡12(OA⃗,OB⃗)[π]≡π3[π](\vec{MA}, \vec{MB}) \equiv \frac{1}{2}(\vec{OA}, \vec{OB}) [\pi] \equiv \frac{\pi}{3} [\pi]. Pour NN sur le petit arc, (NA⃗,NB⃗)≡π−π3≡−π3[π](\vec{NA}, \vec{NB}) \equiv \pi - \frac{\pi}{3} \equiv -\frac{\pi}{3} [\pi].

  4. 4). Comparer (MA⃗,MB⃗)(\vec{MA}, \vec{MB}) et (NA⃗,NB⃗)(\vec{NA}, \vec{NB}) modulo π\pi.

    Indice — Comparer les résultats précédents.

    Correction

    On a (MA⃗,MB⃗)≡π3[π](\vec{MA}, \vec{MB}) \equiv \frac{\pi}{3} [\pi] et (NA⃗,NB⃗)≡−π3[π](\vec{NA}, \vec{NB}) \equiv -\frac{\pi}{3} [\pi], donc (NA⃗,NB⃗)≡−(MA⃗,MB⃗)[π](\vec{NA}, \vec{NB}) \equiv -(\vec{MA}, \vec{MB}) [\pi].

  5. 5). Soit PP un point tel que 2(PA⃗,PB⃗)≡2π3[2π]2(\vec{PA}, \vec{PB}) \equiv \frac{2\pi}{3} [2\pi]. Déterminer les valeurs possibles de (PA⃗,PB⃗)(\vec{PA}, \vec{PB}) modulo π\pi.

    Indice — Résoudre 2x≡2π3[2π]2x \equiv \frac{2\pi}{3} [2\pi].

    Correction

    L'équation 2x≡2π3[2π]2x \equiv \frac{2\pi}{3} [2\pi] équivaut à x≡π3[π]x \equiv \frac{\pi}{3} [\pi]. Les valeurs sont π3[π]\frac{\pi}{3} [\pi].

Exercice 3

avance

Le plan est orienté. Soient A,B,CA, B, C trois points distincts du plan. Soit C\mathcal{C} un cercle de centre OO et A,B,M,NA, B, M, N quatre points distincts de C\mathcal{C}.

  1. 1)a). Montrer que (AB⃗,AC⃗)≡(CB⃗,CA⃗)+(BC⃗,BA⃗)[π](\vec{AB}, \vec{AC}) \equiv (\vec{CB}, \vec{CA}) + (\vec{BC}, \vec{BA}) [\pi].

    Indice — Utiliser la relation de Chasles.

    Correction

    D'après la relation de Chasles, (AB⃗,AC⃗)≡(AB⃗,CB⃗)+(CB⃗,AC⃗)[π](\vec{AB}, \vec{AC}) \equiv (\vec{AB}, \vec{CB}) + (\vec{CB}, \vec{AC}) [\pi]. En utilisant les propriétés de l'angle orienté de droites, on obtient le résultat.

  2. 1)b). Soit MM un point du cercle C\mathcal{C}. Exprimer (MA⃗,MB⃗)(\vec{MA}, \vec{MB}) en fonction de (OA⃗,OB⃗)(\vec{OA}, \vec{OB}).

    Indice — Théorème de l'angle inscrit.

    Correction

    D'après le théorème de l'angle inscrit, (MA⃗,MB⃗)≡12(OA⃗,OB⃗)[π](\vec{MA}, \vec{MB}) \equiv \frac{1}{2}(\vec{OA}, \vec{OB}) [\pi].

  3. 2)a). Soit k<0k < 0. Exprimer (ku⃗,v⃗)(k\vec{u}, \vec{v}) en fonction de (u⃗,v⃗)(\vec{u}, \vec{v}).

    Indice — Propriété de colinéarité.

    Correction

    Puisque k<0k < 0, (ku⃗,v⃗)≡(u⃗,v⃗)+π[2π](k\vec{u}, \vec{v}) \equiv (\vec{u}, \vec{v}) + \pi [2\pi].

  4. 2)b). Soit ss une symétrie axiale d'axe Δ\Delta. Exprimer (s(u⃗),s(v⃗))(s(\vec{u}), s(\vec{v})) en fonction de (u⃗,v⃗)(\vec{u}, \vec{v}).

    Indice — Antidéplacement.

    Correction

    (s(u⃗),s(v⃗))≡−(u⃗,v⃗)[2π](s(\vec{u}), s(\vec{v})) \equiv -(\vec{u}, \vec{v}) [2\pi].

  5. 3). Soit MM un point tel que 2(MA⃗,MB⃗)≡π2[2π]2(\vec{MA}, \vec{MB}) \equiv \frac{\pi}{2} [2\pi]. Déterminer les mesures possibles de (MA⃗,MB⃗)(\vec{MA}, \vec{MB}) dans ]−π,π]]-\pi, \pi].

    Indice — Résoudre l'équation modulo π\pi.

    Correction

    L'équation équivaut à (MA⃗,MB⃗)≡π4[π](\vec{MA}, \vec{MB}) \equiv \frac{\pi}{4} [\pi]. Les mesures sont π4\frac{\pi}{4} et −3π4-\frac{3\pi}{4}.

Exercice 4

intermediaire

On considère des vecteurs du plan orienté.

  1. 1. Soit u⃗\vec{u}, v⃗\vec{v} et w⃗\vec{w} trois vecteurs du plan orienté tels que (u⃗,w⃗)≡π4[2π](\vec{u}, \vec{w}) \equiv \frac{\pi}{4} [2\pi] et (w⃗,v⃗)≡3π4[2π](\vec{w}, \vec{v}) \equiv \frac{3\pi}{4} [2\pi]. Déterminer une mesure de l'angle orienté (u⃗,v⃗)(\vec{u}, \vec{v}).

    Indice — Utiliser la relation de Chasles.

    Correction

    On applique la relation de Chasles pour les angles orientés de vecteurs : (u⃗,v⃗)≡(u⃗,w⃗)+(w⃗,v⃗)[2π](\vec{u}, \vec{v}) \equiv (\vec{u}, \vec{w}) + (\vec{w}, \vec{v}) [2\pi]. En remplaçant par les valeurs données, on obtient (u⃗,v⃗)≡π4+3π4≡π[2π](\vec{u}, \vec{v}) \equiv \frac{\pi}{4} + \frac{3\pi}{4} \equiv \pi [2\pi]. Une mesure est donc π\pi.

  2. 2. En déduire une mesure de l'angle orienté (−u⃗,v⃗)(-\vec{u}, \vec{v}).

    Indice — Utiliser les propriétés de l'opposé d'un vecteur.

    Correction

    D'après les propriétés de colinéarité avec un scalaire négatif, introduire l'opposé d'un vecteur modifie l'angle de π\pi radians : (−u⃗,v⃗)≡(u⃗,v⃗)+π[2π](-\vec{u}, \vec{v}) \equiv (\vec{u}, \vec{v}) + \pi [2\pi]. En utilisant le résultat précédent (u⃗,v⃗)≡π[2π](\vec{u}, \vec{v}) \equiv \pi [2\pi], on trouve (−u⃗,v⃗)≡π+π≡2π≡0[2π](-\vec{u}, \vec{v}) \equiv \pi + \pi \equiv 2\pi \equiv 0 [2\pi].

  3. 3. Déterminer la mesure principale de l'angle orienté (−u⃗,v⃗)(-\vec{u}, \vec{v}).

    Indice — Appartenance à l'intervalle ]−π ,  π]]-\pi\,,\;\pi].

    Correction

    La mesure principale d'un angle doit appartenir à l'intervalle ]−π,π]]-\pi, \pi]. La mesure trouvée à la question précédente est 0[2π]0 [2\pi]. Puisque 00 appartient bien à cet intervalle, la mesure principale de l'angle orienté (−u⃗,v⃗)(-\vec{u}, \vec{v}) est 00.

  4. 4. Soit deux vecteurs x⃗\vec{x} et y⃗\vec{y} tels que (x⃗,y⃗)≡π3[2π](\vec{x}, \vec{y}) \equiv \frac{\pi}{3} [2\pi]. Déterminer la mesure principale de l'angle orienté (−2x⃗,3y⃗)(-2\vec{x}, 3\vec{y}).

    Indice — Utiliser la multiplicité par un scalaire.

    Correction

    Les scalaires −2-2 (négatif) et 33 (positif) agissent sur l'angle de base. On a (−2x⃗,3y⃗)≡(x⃗,y⃗)+π[2π](-2\vec{x}, 3\vec{y}) \equiv (\vec{x}, \vec{y}) + \pi [2\pi] car le premier vecteur est multiplié par un nombre négatif et le second par un nombre positif. Avec (x⃗,y⃗)≡π3[2π](\vec{x}, \vec{y}) \equiv \frac{\pi}{3} [2\pi], on obtient (−2x⃗,3y⃗)≡π3+π≡4π3[2π](-2\vec{x}, 3\vec{y}) \equiv \frac{\pi}{3} + \pi \equiv \frac{4\pi}{3} [2\pi]. Pour obtenir la mesure principale dans ]−π,π]]-\pi, \pi], on soustrait 2π2\pi : 4π3−2π=−2π3\frac{4\pi}{3} - 2\pi = -\frac{2\pi}{3}. La mesure principale recherchée est donc −2π3-\frac{2\pi}{3}.

  5. 5. Soit deux vecteurs a⃗\vec{a} et b⃗\vec{b} de normes respectives 22 et 33 tels que (a⃗,b⃗)≡π6[2π](\vec{a}, \vec{b}) \equiv \frac{\pi}{6} [2\pi]. Calculer le déterminant det⁡(a⃗,b⃗)\det(\vec{a}, \vec{b}).

    Indice — Lien entre déterminant et sinus.

    Correction

    On utilise la formule liant le déterminant de deux vecteurs à leurs normes et au sinus de leur angle orienté : det⁡(a⃗,b⃗)=∥a⃗∥⋅∥b⃗∥sin⁡((a⃗,b⃗))\det(\vec{a}, \vec{b}) = \Vert\vec{a}\Vert \cdot \Vert\vec{b}\Vert \sin((\vec{a}, \vec{b})). En remplaçant par les valeurs données, on obtient det⁡(a⃗,b⃗)=2×3×sin⁡(π6)=6×12=3\det(\vec{a}, \vec{b}) = 2 \times 3 \times \sin(\frac{\pi}{6}) = 6 \times \frac{1}{2} = 3.

  6. 6. Soit b⃗′\vec{b}' un vecteur tel que ∥b⃗′∥=∥b⃗∥\Vert\vec{b}'\Vert = \Vert\vec{b}\Vert et (b⃗,b⃗′)≡π2[2π](\vec{b}, \vec{b}') \equiv \frac{\pi}{2} [2\pi]. Exprimer le déterminant det⁡(a⃗,b⃗′)\det(\vec{a}, \vec{b}') en fonction du produit scalaire de a⃗\vec{a} et b⃗\vec{b}.

    Indice — Utiliser les propriétés géométriques du déterminant.

    Correction

    Le vecteur b⃗′\vec{b}' est obtenu par une rotation de π2\frac{\pi}{2} du vecteur b⃗\vec{b} (puisque sa norme est inchangée et que son angle avec b⃗\vec{b} est π2\frac{\pi}{2}). Par conséquent, le déterminant de a⃗\vec{a} et b⃗′\vec{b}' correspond au produit scalaire de a⃗\vec{a} et b⃗\vec{b}, soit det⁡(a⃗,b⃗′)=a⃗⋅b⃗\det(\vec{a}, \vec{b}') = \vec{a} \cdot \vec{b}.

Exercice 5

intermediaire

On considère des vecteurs du plan orienté et leurs relations angulaires ainsi que leurs propriétés de calcul vectoriel associées.

  1. 1. Soit u⃗\vec{u}, v⃗\vec{v} et w⃗\vec{w} trois vecteurs unitaires du plan orienté tels que (u⃗,v⃗)≡π3[2π](\vec{u}, \vec{v}) \equiv \frac{\pi}{3} [2\pi] et (v⃗,w⃗)≡−π4[2π](\vec{v}, \vec{w}) \equiv -\frac{\pi}{4} [2\pi]. Déterminer la mesure principale de l'angle orienté (u⃗,w⃗)(\vec{u}, \vec{w}).

    Indice — Utilise la relation de Chasles pour décomposer l'angle orienté en somme de deux angles orientés.

    Correction

    On applique la relation de Chasles pour les angles orientés : (u⃗,w⃗)≡(u⃗,v⃗)+(v⃗,w⃗)[2π](\vec{u}, \vec{w}) \equiv (\vec{u}, \vec{v}) + (\vec{v}, \vec{w}) [2\pi]. En remplaçant par les valeurs données, on obtient π3−π4≡π12[2π]\frac{\pi}{3} - \frac{\pi}{4} \equiv \frac{\pi}{12} [2\pi]. Cette valeur appartient à ]−π,π]]-\pi, \pi], c'est donc la mesure principale.

  2. 2. Déterminer la mesure principale de l'angle orienté (−u⃗,w⃗)(-\vec{u}, \vec{w}).

    Indice — Applique les propriétés de multiplication par un scalaire négatif sur les angles orientés : (−u⃗,v⃗)≡(u⃗,v⃗)+π[2π](-\vec{u}, \vec{v}) \equiv (\vec{u}, \vec{v}) + \pi [2\pi].

    Correction

    En utilisant la propriété d'opposé d'un vecteur sur les angles orientés, on a (−u⃗,w⃗)≡(u⃗,w⃗)+π[2π](-\vec{u}, \vec{w}) \equiv (\vec{u}, \vec{w}) + \pi [2\pi]. En remplaçant par le résultat précédent, on obtient π12+π=13π12\frac{\pi}{12} + \pi = \frac{13\pi}{12}. En ramenant cette valeur dans l'intervalle ]−π,π]]-\pi, \pi] par soustraction de 2π2\pi, o trouvons la mesure principale −11π12-\frac{11\pi}{12}.

  3. 3. Déterminer la mesure principale de l'angle orienté (w⃗,−u⃗)(\vec{w}, -\vec{u}).

    Indice — Rappelle-toi que la mesure principale appartient à l'intervalle ]−π ,  π]]-\pi\,,\;\pi]. Réduis la mesure trouvée si nécessaire modulo 2π2\pi.

    Correction

    On utilise la relation d'antisymétrie de l'angle orienté : (w⃗,−u⃗)≡−(−u⃗,w⃗)[2π](\vec{w}, -\vec{u}) \equiv -(-\vec{u}, \vec{w}) [2\pi]. En reprenant la mesure trouvée à la question précédente, on calcule −(−11π12)≡11π12[2π]-\left(-\frac{11\pi}{12}\right) \equiv \frac{11\pi}{12} [2\pi]. Cette valeur étant dans ]−π,π]]-\pi, \pi], c'est la mesure principale.

  4. 4. Calculer le déterminant det⁡(u⃗,v⃗)\det(\vec{u}, \vec{v}).

    Indice — Exprime le déterminant à l'aide de la formule det⁡(a⃗,b⃗)=∥a⃗∥⋅∥b⃗∥sin⁡(a⃗,b⃗)\det(\vec{a}, \vec{b}) = \Vert{}\vec{a}\Vert{} \cdot \Vert{}\vec{b}\Vert{} \sin(\vec{a}, \vec{b}). Les vecteurs sont unitaires.

    Correction

    On utilise la formule du déterminant à l'aide de la norme et du sinus : det⁡(u⃗,v⃗)=∥u⃗∥∥v⃗∥sin⁡((u⃗,v⃗))\det(\vec{u}, \vec{v}) = \|\vec{u}\| \|\vec{v}\| \sin((\vec{u}, \vec{v})). Les vecteurs étant unitaires, leurs normes valent 11. On calcule donc sin⁡(π3)\sin\left(\frac{\pi}{3}\right), ce qui donne 32\frac{\sqrt{3}}{2}.

  5. 5. Calculer le produit scalaire u⃗⋅v⃗\vec{u} \cdot \vec{v}.

    Indice — Utilise la relation fondamentale entre le sinus et le cosinus, puis déduis-en le produit scalaire associé sachant que det⁡(u⃗,v⃗)=v⃗⋅u⃗′\det(\vec{u}, \vec{v}) = \vec{v} \cdot \vec{u}'.

    Correction

    En utilisant la relation fondamentale cos⁡2θ+sin⁡2θ=1\cos^2\theta + \sin^2\theta = 1 et les définitions du produit scalaire et du déterminant dans le plan orienté, on détermine d'abord la valeur du cosinus de l'angle entre les vecteurs. Le produit scalaire u⃗⋅v⃗=∥u⃗∥∥v⃗∥cos⁡θ\vec{u} \cdot \vec{v} = \|\vec{u}\| \|\vec{v}\| \cos\theta s'obtient alors directement.

  6. 6. Soit AA, BB et CC trois points du plan tels que (AB⃗,AC⃗)≡(u⃗,v⃗)[2π](\vec{AB}, \vec{AC}) \equiv (\vec{u}, \vec{v}) [2\pi] et (BC⃗,BA⃗)≡(v⃗,w⃗)[2π](\vec{BC}, \vec{BA}) \equiv (\vec{v}, \vec{w}) [2\pi]. Déterminer la mesure principale de l'angle orienté (AC⃗,AB⃗)(\vec{AC}, \vec{AB}).

    Indice — Utilise la somme circulaire des angles orientés dans un triangle ou la relation de Chasles vectorielle pour exprimer l'angle inconnu.

    Correction

    Dans le triangle ABCABC, la somme des angles orientés est égale à π\pi modulo 2π2\pi : (AB⃗,AC⃗)+(BC⃗,BA⃗)+(CA⃗,CB⃗)≡π[2π](\vec{AB}, \vec{AC}) + (\vec{BC}, \vec{BA}) + (\vec{CA}, \vec{CB}) \equiv \pi [2\pi]. En utilisant les relations d'angles données et les propriétés de symétrie des angles orientés, on exprime l'angle recherché (AC⃗,AB⃗)(\vec{AC}, \vec{AB}) puis on réduit sa mesure dans l'intervalle ]−π,π]]-\pi, \pi] pour obtenir la mesure principale.

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Ce chapitre compte 28 exercices dans Lumio, servis un par un selon ce que tu réussis et ce que tu rates, avec la correction détaillée à chaque étape.

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