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Arthur LANNUZEL
le 13 D´ecembre 2005
http ://utbmal.chez-alice.fr
Plan vectoriel
1 D´efinitions
Dans le plan affine R2, consid´erons l’ensemble B des bipoints (A, B) avec A, B ∈R2. Sur
cet ensemble, deux bipoints (A, B) , (C, D) sont dits equipollents ssi ABDC est un pa-
rall`elogramme.
D´efinition 1.1 On appelle plan vectoriel, l’ensemble des vecteurs −→
AB de R2o`u −→
AB est l’en-
semble des bipoints equipollents `a (A, B).
Remarque 1.2 i) Si (A, B)et (C, D)sont equipollents alors −→
AB =−−→
CD.
ii) L’ensemble des vecteurs est en bijection avec R2(il suffit de fixer un point Oet d’envoyer
le point Msur le vecteur −−→
OM).
iii) Soit Ole point de coordonn´ees (0,0), et Iet Jde coordonn´ees respectives (1,0) et (0,1).
En notant −→
i:= −→
OI et −→
j:= −→
OJ on peut alors exprimer tout vecteur en fonction de −→
iet −→
j.
Si les coordonn´ees de Msont (x, y)alors −−→
OM =x.−→
i+y.−→
j. On note alors −−→
OM = (x, y)
iv) On repr´esentera le plan vectoriel en choisissant un rep`ere orthonorm´e direct de la fa¸con
suivante :
DESSIN
Op´erations du plan vectoriel.
On peut additionner des vecteurs : −→
AB+−→
AC =−−→
AD o`u Dest le point du plan tel que (A, B, C, D)
est un parall´elogramme. Si −→
AB = (x, y) et −→
AC = (x0, y0) alors −→
AB +−→
AC = (x+x0, y +y0). Cette
loi interne est associative, commutative, admet un ´el´ement neutre (−→
O= (0,0) est le vecteur
nul :∀−→
u∈R2,−→
u+−→
0 = −→
u .) et tout ´el´ement du plan vectoriel admet un oppos´e (l’oppos´e de
−→
u= (xu, yu) est −u= (−xu,−yu)).
Soit λ∈R. On peut multiplier un vecteur −−→
OM = (x, y) par λ:λ.−−→
OM = (λ.x, λ.y) (loi
externe).
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Si λ, µ ∈Ret u, v sont deux vecteurs alors
λ.(µ.u) = (λµ).u, λ.(u+v) = λ.u +λ.v, (λ+µ).u =λ.u +µ.u, 1.u =u.
Remarque 1.3 i) Les propri´et´es pr´ec´edente d´efinissent un espace vectoriel sur R.
ii) On a la relation de Chasles :−→
AB +−−→
BC =−→
AC.
D´efinition 1.4 Deux vecteurs uet vsont dits colin´eaires si il existe λ, µ ∈Ravec (λ, µ)6=
(0,0) tels que λ.u +µ.v =−→
0.
Sinon, ils sont dits lin´eairement ind´ependants.
Proposition 1.5 Deux vecteurs u= (x, y)et v= (x0, y0)sont lin´eairement ind´ependants ssi
xy0−x0y6= 0.
Exercice 1.6 ABC est un triangle
1. Exprimer −−→
AM en fonction de −→
AB et −→
AC dans chacun des cas suivants :
a) 2−−→
AM +−→
AC =−→
AB,
b) −−→
MA +−−→
MB +−−→
MC =−→
0.
2. D´eterminer −−→
AM en fonction de −→
AB dans chacun des cas suivants :
a) −−→
MA + 2−−→
MB =−→
0,
b) 4−−→
MA = 5−−→
MB.
Bases.
Une base de R2est un couple {−→
e , −→
f}de vecteurs libres.
{−→
i , −→
j}est une base (dite canonique) de R2.
Proposition 1.7 Soit {−→
e , −→
f}une base de R2
Pour −→
w= (x, y)∈R2, il existe un unique couple (Xw, Yw)tel que −→
w=Xw.−→
e+Yw.−→
f.(Xw, Yw)
sont les coordonn´ees de −→
wdans la base (−→
e , −→
f).
Les coordonn´ees de wdans la base {−→
i , −→
j}sont (x, y).
Exercice 1.8 Comment passe-t-on d’une base `a l’autre ? (penser aux matrices)
2 Droites.
D´efinition 2.1 On appelle droite vectoriel engendr´ee par −→
AB avec A6=Bl’ensemble des
vecteurs colin´eaires `a −→
AB.
La droite (affine) passant par Aet Best l’ensemble des points Mdu plan tels −−→
AM appartienne
`a la droite vectorielle engendr´ee par −→
AB.
Un vecteur directeur d’une droite est un vecteur non-nul appartenant `a la droite vectorielle
associ´ee.
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Proposition 2.2 1) Trois points A,B,Csont align´es ssi −→
AB et −→
AC sont colin´eaires.
2) Une droite est d´efinie par la donn´ee d’un point et d’un vecteur directeur ou par la donn´ee
de deux points.
3) Deux droites sont parall`eles si elles sont associ´ee `a la mˆeme droite vectorielle. Ou si leurs
vecteurs directeurs sont colin´eaires.
Equation param´etrique et ´equation cart´esienne d’une droite.
La d´efinition d’une droite permet de construire deux types d’´equations suivant l’interpr´etation :
1 - La d´efinition d’une droite vectorielle nous donne l’´equation param´etrique de la droite
passant par A(xA, yA) et B(xB, yB) :
l’ensemble des points M(x, y) de la droite v´erifient (x, y) = (xA, yA)+t.(xB−xA, yB−yA), t ∈R,
ce qui nous donne
½x=xA+t.(xB−xA)
y=yA+t.(yB−yA)
2 - La proposition ci-dessus nous donne l’´equation cart´esienne de la droite passant par
A(xA, yA) et B(xB, yB) :
l’ensemble des points M(x, y) de la droite v´erifient (x−xA).(yB−yA) = (y−yA).(xB−xA), ce
qui nous donne
(y−yA).(xB−xA)−(x−xA).(yB−yA) = 0
ou sous la forme r´eduite
y=yB−yA
xB−xA
.(x−xA) + yA
yB−yA
xB−xAs’appelle le coefficient directeur de la droite (AB). Il ne d´epend pas des deux points
distincts choisis sur la droite.
Etant donn´ee l’´equation cart´esienne r´eduite d’une droite : y=ax +b, son coefficient directeur
est a, elle passe par le point de coordonn´ees (0, b) et un vecteur directeur est −→
u= (1, a).
Exercice 2.3 A quelle condition sur leur ´equation cart´esienne deux droites sont-elles parall`eles ?
3 G´eom´etrie euclidienne.
3.1 Produit scalaire, norme et distance euclidiennes.
D´efinition 3.1 1) Le produit scalaire de 2 vecteurs −→
u= (xu, yu)et −→
v= (xv, yv)du plan
muni d’un rep`ere orthonorm´e est le r´eel
−→
u .−→
v=xu.xv+yu.yv.
2) Deux vecteurs sont dits orthogonaux si leur produit scalaire est nul.
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Proposition 3.2 Soit 3 vecteurs −→
u= (xu, yu),−→
v= (xv, yv)et −→
w= (xw, yw)du plan, λ, µ ∈
R. On a
(i) −→
u .−→
v=−→
v .−→
u(le produit scalaire est commutatif).
(ii) −→
u .(λ.−→
v+µ.−→
w) = λ.−→
u .−→
v+µ.−→
u .−→
w(distributivit´e).
(iii) −→
u .−→
0 = 0.
(iv) −→
u .−→
u≥0.
(v) −→
u .−→
u= 0 ⇐⇒ −→
u=−→
0.
D´efinition 3.3 La norme (euclidienne) d’un vecteur −→
u= (xu, yu)du plan est
k−→
uk=√−→
u .−→
u=px2
u+y2
u.
Th´eor`eme 3.4 (In´egalit´e de Cauchy-Schwarz)
Soient 2 vecteurs −→
u= (xu, yu)et −→
v= (xv, yv)du plan.
|−→
u .−→
v| ≤ k−→
uk.k−→
vk.
Preuve.
k−→
uk2.k−→
vk2=x2
ux2
v+y2
uy2
v+x2
uy2
v+y2
ux2
v,
(−→
u .−→
v)2=x2
ux2
v+y2
uy2
v+ 2xuxvyuyv.
Or x2
uy2
v+y2
ux2
v−2xuxvyuyv≥0 par identit´e remarquable, d’o`u le r´esultat.
CQFD
Propri´et´es 3.4.1 (ces propri´et´es d´efinissent une norme)
∀u, v ∈Rn,∀λ∈R,
i) kuk= 0 ⇐⇒ u= 0,
ii) kλ.uk=|λ|.kuk,
iii) ku+vk ≤ kuk+kvk(exo.).
Exercice 3.5 De la mˆeme mani`ere qu’avec la valeur absolue, montrer que
∀u, v ∈Rn,| kuk−kvk | ≤ ku−vk.
Remarque 3.6 La norme euclidienne d´efinie une distance sur le plan en prenant pour A(xA, yA)
et B(xB, yB)deux points du plan
d(A, B) = AB =k−→
ABk=p(xB−xA)2+ (yB−yA)2.
Quand on travaille avec cette distance, on parle de g´eom´etrie euclidienne.
Proposition-d´efinition 3.7 L’angle de deux vecteurs non nuls −→
uet −→
vdu plan euclidien
muni d’un rep`ere orthonorm´e est l’unique r´eel α(modulo 2π) tel que −→
u .−→
v=k−→
uk.k−→
vk.cos(α)
et tel que le signe de sin αest celui de xuyv−xvyu.
Exercice 3.8 A quelle condition a-t-on l’´egalit´e ku+vk=kuk+kvk?
Exercice 3.9 A quelle condition sur leur ´equation cart´esienne deux droites sont-elles perpen-
diculaire ?
Exercice 3.10 Soit ABC un triangle non-d´eg´en´er´e (i.e. dont les 3 cˆot´es ne sont pas align´es).
´
Ecrire BC en fonction de AB et AC.
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Rep`ere orthonorm´e.
Un rep`ere orthonorm´e de R2est une base {−→
e= (xe, ye),−→
f=xf, yf)}avec k−→
ek=k−→
fk= 1
et −→
e .−→
f=0.
Si de plus xeyf−xfye>0, on parle de rep`ere orthonorm´e direct.
La base canonique est un rep`ere orthonorm´e direct.
3.2 Cercle.
Un cercle de centre Aet de rayon rest, par d´efinition, l’ensemble des point du plan plac´es `a
une distance rde A.
On en d´eduit dont le cercle de centre A(xA, yA) et de rayon rest
C(A, r) := {M(x, y)∈R2/(x−xA)2+ (y−yA)2=r2}.
Exercice 3.11 Soient A(xA, yA)et B(xB, yB), trouver l’´equation du cercle de diam`etre [AB].
Indication : Prendre un point M(x, y)du cercle. Que v´erifie le triangle ABM (en profiter
pour le montrer) ?
Exercice 3.12 Soit Cun cercle de centre A(xA, yA)et de rayon r. Soit Mun point de C. Il
existe une unique tangente `a Cpassant par M. Quelle est son ´equation ?
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