🇨🇩 Géométrie

Vecteurs, repères et produit scalaire

⏱ 35 minProgramme officiel : CD-H2-GEO-01

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🎯 Dans cette leçon, tu vas apprendre à

  • Utiliser bases et repères du plan, le produit scalaire et l’étude analytique de la droite.

La leçon

Introduction

Une équipe de géomètres de Kolwezi place des bornes sur un terrain à l’aide d’un repère : chaque borne reçoit deux coordonnées. Pour vérifier qu’un coin est bien un angle droit ou pour tracer une clôture droite, elle calcule avec des vecteurs, le produit scalaire et les équations de droites. Dans cette leçon, tu apprends ces outils de la géométrie analytique.

Explication

Bases et repères du plan

  • Deux vecteurs non colinéaires e⃗1\vec e_1 et e⃗2\vec e_2 forment une base du plan : tout vecteur s’écrit de façon unique u⃗=x e⃗1+y e⃗2\vec u=x\,\vec e_1+y\,\vec e_2. On dit que u⃗\vec u a pour composantes (x ; y)(x\,;\,y).
  • Un repère (O ; e⃗1,e⃗2)(O\,;\,\vec e_1,\vec e_2) est formé d’un point OO et d’une base. Il est orthonormé si e⃗1⊥e⃗2\vec e_1\perp\vec e_2 et ∥e⃗1∥=∥e⃗2∥=1\|\vec e_1\|=\|\vec e_2\|=1.
  • Pour A(xA ; yA)A(x_A\,;\,y_A) et B(xB ; yB)B(x_B\,;\,y_B) : AB→(xB−xA ; yB−yA)\overrightarrow{AB}(x_B-x_A\,;\,y_B-y_A) et le milieu de [AB][AB] est (xA+xB2 ; yA+yB2)\left(\dfrac{x_A+x_B}2\,;\,\dfrac{y_A+y_B}2\right).
  • u⃗(x ; y)\vec u(x\,;\,y) et v⃗(x′ ; y′)\vec v(x'\,;\,y') sont colinéaires si et seulement si xy′−x′y=0xy'-x'y=0.

Explication

Produit scalaire

Pour deux vecteurs non nuls qui forment un angle θ\theta :
u⃗⋅v⃗=∥u⃗∥ ∥v⃗∥cos⁡θ,\vec u\cdot\vec v=\|\vec u\|\,\|\vec v\|\cos\theta,
et u⃗⋅v⃗=0\vec u\cdot\vec v=0 si l’un des vecteurs est nul.

Dans un repère orthonormé, avec u⃗(x ; y)\vec u(x\,;\,y) et v⃗(x′ ; y′)\vec v(x'\,;\,y') :
u⃗⋅v⃗=xx′+yy′et∥u⃗∥=u⃗⋅u⃗=x2+y2.\vec u\cdot\vec v=xx'+yy'\qquad\text{et}\qquad\|\vec u\|=\sqrt{\vec u\cdot\vec u}=\sqrt{x^2+y^2}.

Propriétés : u⃗⋅v⃗=v⃗⋅u⃗\vec u\cdot\vec v=\vec v\cdot\vec u ; u⃗⋅(v⃗+w⃗)=u⃗⋅v⃗+u⃗⋅w⃗\vec u\cdot(\vec v+\vec w)=\vec u\cdot\vec v+\vec u\cdot\vec w ; (ku⃗)⋅v⃗=k(u⃗⋅v⃗)(k\vec u)\cdot\vec v=k(\vec u\cdot\vec v).

Orthogonalité : u⃗⊥v⃗  ⟺  u⃗⋅v⃗=0\vec u\perp\vec v\iff\vec u\cdot\vec v=0. On en déduit aussi l’angle : cos⁡θ=u⃗⋅v⃗∥u⃗∥ ∥v⃗∥\cos\theta=\dfrac{\vec u\cdot\vec v}{\|\vec u\|\,\|\vec v\|}.

Explication

Étude analytique de la droite

  • La droite passant par AA et de vecteur directeur u⃗(a ; b)\vec u(a\,;\,b) est l’ensemble des points MM tels que AM→\overrightarrow{AM} et u⃗\vec u sont colinéaires.
  • Toute droite a une équation cartésienne αx+βy+γ=0\alpha x+\beta y+\gamma=0 avec (α ; β)≠(0 ; 0)(\alpha\,;\,\beta)\ne(0\,;\,0). Le vecteur (−β ; α)(-\beta\,;\,\alpha) en est un vecteur directeur et, en repère orthonormé, n⃗(α ; β)\vec n(\alpha\,;\,\beta) est un vecteur normal (perpendiculaire à la droite).
  • Si β≠0\beta\ne0, on obtient la forme y=mx+py=mx+p : mm est la pente (coefficient directeur).
  • Deux droites sont parallèles si elles ont des vecteurs directeurs colinéaires (même pente). En repère orthonormé, elles sont perpendiculaires si leurs vecteurs normaux sont orthogonaux, ou si mm′=−1mm'=-1.

Exemple résolu

Problème : Dans un repère orthonormé, on donne A(1 ; 2)A(1\,;\,2), B(4 ; 6)B(4\,;\,6) et C(5 ; −1)C(5\,;\,-1). Quelle est la nature du triangle ABCABC ?

Étape 1 : AB→(3 ; 4)\overrightarrow{AB}(3\,;\,4) et AC→(4 ; −3)\overrightarrow{AC}(4\,;\,-3).

Étape 2 : AB→⋅AC→=3×4+4×(−3)=12−12=0\overrightarrow{AB}\cdot\overrightarrow{AC}=3\times4+4\times(-3)=12-12=0, donc (AB)⊥(AC)(AB)\perp(AC).

Étape 3 : AB=9+16=5AB=\sqrt{9+16}=5 et AC=16+9=5AC=\sqrt{16+9}=5.

Réponse : ABCABC est un triangle rectangle et isocèle en AA.

Exemple résolu

Problème : Trouve une équation cartésienne de la droite dd passant par A(2 ; −1)A(2\,;\,-1) et de vecteur directeur u⃗(3 ; 1)\vec u(3\,;\,1).

Étape 1 : Pour M(x ; y)M(x\,;\,y), AM→(x−2 ; y+1)\overrightarrow{AM}(x-2\,;\,y+1) doit être colinéaire à u⃗(3 ; 1)\vec u(3\,;\,1).

Étape 2 : Condition de colinéarité : (x−2)×1−(y+1)×3=0(x-2)\times1-(y+1)\times3=0.

Étape 3 : On développe : x−2−3y−3=0x-2-3y-3=0.

Réponse : d:x−3y−5=0d : x-3y-5=0, de pente 13\dfrac13. Contrôle avec AA : 2+3−5=02+3-5=0.

Exemple résolu

Problème : Dans un repère orthonormé, trouve une équation de la droite Δ\Delta passant par B(1 ; 3)B(1\,;\,3) et perpendiculaire à d:2x−y+4=0d : 2x-y+4=0.

Étape 1 : n⃗(2 ; −1)\vec n(2\,;\,-1) est normal à dd ; il est donc directeur pour Δ\Delta.

Étape 2 : M(x ; y)∈Δ  ⟺  BM→(x−1 ; y−3)M(x\,;\,y)\in\Delta\iff\overrightarrow{BM}(x-1\,;\,y-3) colinéaire à (2 ; −1)(2\,;\,-1) : (x−1)×(−1)−(y−3)×2=0(x-1)\times(-1)-(y-3)\times2=0.

Étape 3 : −x+1−2y+6=0-x+1-2y+6=0, soit x+2y−7=0x+2y-7=0.

Réponse : Δ:x+2y−7=0\Delta : x+2y-7=0. Contrôles : 1+6−7=01+6-7=0, et les pentes 22 et −12-\dfrac12 ont pour produit −1-1.

Attention

Attention : Dans l’équation αx+βy+γ=0\alpha x+\beta y+\gamma=0, le vecteur (α ; β)(\alpha\,;\,\beta) est normal à la droite, pas directeur : pour 3x−2y+1=03x-2y+1=0, un vecteur directeur est (2 ; 3)(2\,;\,3), et non (3 ; −2)(3\,;\,-2). De plus, les formules xx′+yy′xx'+yy' et x2+y2\sqrt{x^2+y^2} ne sont valables que dans un repère orthonormé.

À retenir

  • Base : deux vecteurs non colinéaires ; colinéarité : xy′−x′y=0xy'-x'y=0.
  • Produit scalaire : u⃗⋅v⃗=∥u⃗∥ ∥v⃗∥cos⁡θ=xx′+yy′\vec u\cdot\vec v=\|\vec u\|\,\|\vec v\|\cos\theta=xx'+yy' (repère orthonormé).
  • u⃗⊥v⃗  ⟺  u⃗⋅v⃗=0\vec u\perp\vec v\iff\vec u\cdot\vec v=0 ; ∥u⃗∥=x2+y2\|\vec u\|=\sqrt{x^2+y^2}.
  • Droite αx+βy+γ=0\alpha x+\beta y+\gamma=0 : vecteur directeur (−β ; α)(-\beta\,;\,\alpha), vecteur normal (α ; β)(\alpha\,;\,\beta).
  • Parallèles : même pente ; perpendiculaires : mm′=−1mm'=-1 (repère orthonormé).

✍️ Exercices

Réponds à un exercice à la fois. Ta réponse est corrigée aussitôt, avec une explication.

Exercice 1 sur 8

★ Facile

Dans un repère orthonormé, on donne u⃗(3 ; −2)\vec u(3\,;\,-2) et v⃗(4 ; 5)\vec v(4\,;\,5). Calcule u⃗⋅v⃗\vec u\cdot\vec v.

Tu peux utiliser la virgule ou le point décimal (2,5 ou 2.5).