J-F Lecarpentier -Premi`ere S –Cours produit scalaire
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1S-cours Produit scalaire
Table des mati`eres
1 Vecteurs 2
1.1 Norme................................................. 2
1.2 Angle orient´e de deux vecteurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.3 Projection orthogonale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2 Produit scalaire de deux vecteurs 4
2.1 D´efinition ............................................... 4
2.2 Propri´et´es............................................... 5
2.3 Autres expressions du produit scalaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
3 Calculs avec le produit scalaire 7
3.1 Propri´et´es............................................... 7
3.2 Carr´escalaire............................................. 7
4 Applications du produit scalaire 7
4.1 droites perpendiculaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
4.2 Equation d’un cercle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
4.3 Th´eor`eme de la m´ediane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
4.4 Application aux formules de trigonom´etrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
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1 Vecteurs
1.1 Norme
D´efinition : Norme d’un vecteur
Soit un vecteur −→
uet deux ponts A et B tels que −−→
AB =−→
u, la norme de −→
unot´ee || −→
u|| est la distance
AB.
|| −→
u||=|| −−→
AB ||=AB
Dans un rep`ere orthonorm´e, si on a A(xA;etyA) et B(xB;yB) :
AB =p(xB−xA)2+ (yB−yA)2et −−→
AB(xB−xA;yB−yA)
Si on pose −→
u=−−→
AB on a alors x−→
u=xB−xAet y−→
u=yB−yA
et donc || −→
u||=AB =qx2
−→
u+y2
−→
u
rExemple 1 : Vecteurs orthogonaux
Dans un rep`ere orthonorm´e, on donne −→
u(2; 4) et −→
v(2; −1)
Calculer || −→
u||
Calculer || −→
v||
Les vecteurs −→
uet −→
vsont-ils orthogonaux ?
*Solution:
|| −→
u||=OB =p(2)2+ (4)2=√20 = 2√5 unit´es.
|| −→
v||=OC =p(2)2+ (−1)2=√5 unit´es.
•Calcul des coordonn´ees de −→
u+−→
v
(x−→
u+−→
v=x−→
u+x−→
v= 2 + 2 = 4
y−→
u+−→
v=y−→
u+y−→
v= 4 −1 = 3
•Calcul de || −→
u+−→
v||
|| −→
u+−→
v||=BC =√42+ 32=√25 = 5 unit´es
•Utilisation du th´eor`eme de Pythagore
|| −→
u||2+|| −→
v||2= 20 + 5 = 25
et || −→
u+−→
v||2= 25
donc le triangle OBC est rectangle en O et donc −→
uet −→
v
sont orthogonaux.
1.2 Angle orient´e de deux vecteurs
D´efinition : Angle orient´e de deux vecteurs
On note Cle cercle trigonom´etrique mini du rep`ere orthonorm´e direct (O;I;J) (voir figure)
Soient −→
uet −→
vdeux vecteurs non nuls.
A0et B0sont tels que −−→
OA0=−→
uet −−→
OB0=−→
v
Aet Bsont les points d’intersection du cercle Cet des demi-droites (OA0) et (OB0).
La mesure en radians de l’angle orient´e (\
−→
u , −→
v) est la mesure en radians de l’angle orient´e ( \
−→
OA, −−→
OB)
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rExemple 2 : Angles orient´es dans un triangle
Dans le triangle ´equilat´eral ci-dessous, donner la mesure des angles orient´es suivants :
(\
−−→
AB, −→
AC), ( \
−−→
CB, −→
CA), ( \
−−→
AB, −→
CA)
*Solution:
(\
−−→
AB, −→
AC) = −π
3
(\
−−→
CB, −→
CA) = π
3
(\
−−→
AB, −→
CA) = 2π
3
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1.3 Projection orthogonale
D´efinition : Projection orthogonale d’un point sur une droite
Soit Mun point et (d) une droite du plan, la projection
orthogonale de Msur (d) est le point M0de (d) tel que
M0∈(d) et (MM0)⊥(d)
D´efinition : Projection orthogonale d’un vecteur sur une droite
Soit −→
uun vecteur non nul et (d) une droite du plan.
Si Aet Bsont deux points tels que −→
u=−−→
AB , la projection
orthogonale de −→
usur (d) est le vecteur −−→
A0B0avec A0et B0
projet´es orthogonaux de Aet Bsur (d).
2 Produit scalaire de deux vecteurs
2.1 D´efinition
D´efinition : produit scalaire
Le produit scalaire de deux vecteurs est not´e −→
u .−→
v, est le nombre r´eel d´efini par :
–−→
u .−→
v=|| −→
u|| × || −→
v|| ×cos(\
−→
u , −→
v) si −→
u6=−→
0 et −→
v6=−→
0
–−→
u .−→
v= 0 si −→
u=−→
0 ou −→
v=−→
0
Remarque
La mesure principale de (\
−→
u , −→
v)∈−π
2;π
2⇐⇒ −→
u .−→
v > 0
La mesure principale de (\
−→
u , −→
v)∈−π;−π
2∪iπ
2;πi⇐⇒ −→
u .−→
v < 0
Cas d’un angle aigu :
Dans le triangle ACC’ rectangle en C’, on a :
||−→
v||cos(\
−→
u , −→
v) = AC ×cos(\
C0AC) = AC0
donc −→
u .−→
v=AB ×AC0
Cas d’un angle obtus :
Dans le triangle ACC’ rectangle en C’, on a :
||−→
v||cos(\
−→
u , −→
v) = −AC ×cos(\
C0AC) = −AC0
donc −→
u .−→
v=−AB ×AC0
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rExemple 3
Soit ABC un triangle ´equilat´eral de cˆot´e 5 unit´es(dans le sens indirect :voir figure), calculer −−→
AB.−→
AC
puis −−→
AB.−→
CA
*Solution:
−−→
AB.−→
AC =||−−→
AB|| × ||−→
AC|| × cos(\
−−→
AB, −→
AC)
= 5 ×5×cos(−π
3)rappel :cos(−π
3) = cos(π
3) = 1
2
=25
2
−−→
AB.−→
CA =||−−→
AB|| × ||−→
CA|| × cos(\
−−→
AB, −→
CA)
= 5 ×5×cos(2π
3)
=−25
2
2.2 Propri´et´es
Pour tous vecteurs −→
uet −→
vnon nuls, cos(\
−→
u , −→
v) = cos(\
−→
v , −→
u) (voir chap. trigonom´etrie)
Propri´et´es : produit scalaire
Pour tous vecteurs −→
uet −→
v,ona:
–−→
u .−→
v=−→
v .−→
u(le produit scalaire est commutatif)
–−→
u .−→
v= 0 ⇐⇒ −→
u=−→
0 ou −→
v=−→
0 ou −→
uet −→
vsont orthogonaux.
åD´emonstration : ´el´ements de d´emonstration
•cos(\
−→
u , −→
v) = cos(\
−→
v , −→
u)((
\
−→
v , −→
u) = −(
\
−→
u , −→
v)et cos(α) = cos(−α))
•−→
uet −→
vsont orthogonaux ⇐⇒ (\
−→
u , −→
v) = π
2+kπ avec k∈Z
et cos(π
2) = 0
2.3 Autres expressions du produit scalaire
Propri´et´es : autres expressions du produit scalaire
Pour tous vecteurs −→
uet −→
v:
–−→
u .−→
v=|| −→
u||2+|| −→
v||2− || −→
u−−→
v||2
2
– Dans une rep`ere orthonorm´e, si −→
u(x;y) et −→
v(x0;y0)
−→
u .−→
v=xx0+yy0
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