Extension du produit scalaire à l espace

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1 Extension du produit scalaire à l espace Table des matières 1 Rappel du produit scalaire dans le plan Définitions Orthogonalité Définition et propriétés du produit scalaire dans l espace Projection orthogonale dans l espace Définition du produit scalaire dans l espace Plusieurs expressions de produit scalaire Orthogonalité dans l espace Orthogonalité de droites Orthogonalité de plans Applications Equation cartésienne d un plan Distance à un plan

2 1 RAPPEL DU PRODUIT SCALAIRE DANS LE PLAN Terminale S-SI 1 Rappel du produit scalaire dans le plan Le plan P est muni d un repère orthonormal (O, i, j ). On rappelle dans un premier temps les principaux résultats de la classe de première. 1.1 Définitions Définition 1 Soit u et v deux vecteurs non nuls. On considère les deux points A et B du plan tels que : u = OA et v = OB. Le produit scalaire de u v est égal à : OA OB si uet v sont colinéaires de même sens OA OB si uet v sont colinéaires de sens contraire OA OB ou OA OB, où A et B désignent les projetés orthogonaux de A et B respectivement sur (OB) et sur (OA). A A O Dans le cas où l un des vecteurs est nul, le produit scalaire est nul. Les propriétés suivantes découlent naturellement de la définition ci-dessus. Proposition 1 1. Si u et v sont non nuls alors u v = OA OBcos( OA; OB) 2. Lorsque les coordonnées de u et de v sont (x;y) et (x ;y ) dans un repère orthonormal alors : u v = xx +yy 3. u v = 1 2 ( u 2 + v 2 u v 2 ) = 1 2 (OA2 +OB 2 AB 2 ) Remarques : On rappelle que l écriture u désigne la norme du vecteur u. On a alors dans un repère orthonormal du plan : u = OA = x 2 +y 2 cos( OA; OB) = cos( OB; OA) donc en particulier u v = v u Proposition 2 Pour tous vecteurs u, v, w et pour tout réel k, on a : 1. u v = v u 1.2 Orthogonalité 2. (k u) v = u (k v ) = k ( u v ) 3. u ( v + w) = u v + u w Deux vecteurs u et v sont orthogonaux si et seulement si l un au moins est nul ou s ils indiquent des directions perpendiculaires. Le symbole d orthogonalité des vecteurs est donc le même que la perpendicularité des droites ( ) 2/6

3 2 DÉFINITION ET PROPRIÉTÉS DU PRODUIT SCALAIRE DANS L ESPACE Terminale S-SI Proposition 3 Deux vecteurs u et v sont orthogonaux si et seulement si leur produit scalaire est nul. Remarque : Que devient l expression u v = 1 2 ( u 2 + v 2 u v 2 ) = 1 2 (OA2 +OB 2 AB 2 ) lorsque les deux vecteurs u et v sont orthogonaux? Le triangle AOB devient alors rectangle en O et on retrouve l expression du théorème de Pythagore :OA 2 +OB 2 AB 2 = 0. Théorème 1 ABC est un triangle quelconque et I est le milieu de [AB] Théorème d AL-KASHI Dans le triangle ABC,on a : a 2 = b 2 +c 2 2bccos Théorème de la médiane Pour tout point M du plan, on a : MA 2 +MB 2 = 2MI AB2 C M b B a A Ĉ c  A I Remarque : D autres formules se déduisent par permutation circulaire(a B,B C,C A). Le théorème d AL-KASHI est l extension du théorème de Pythagore à n importe quel triangle. 2 Définition et propriétés du produit scalaire dans l espace 2.1 Projection orthogonale dans l espace Définition 2 D est une droite et M un point de l espace. Le plan P M passant par M et perpendiculaire à D coupe D en un point M appelé projeté orthogonal de M sur la droite D. M DroiteD M De la même façon, on peut définir le projeté orthogonal d un point sur un plan. 3/6

4 2 DÉFINITION ET PROPRIÉTÉS DU PRODUIT SCALAIRE DANS L ESPACE Terminale S-SI 2.2 Définition du produit scalaire dans l espace Définition 3 u et v sont deux vecteurs de l espace et A,B et C sont trois points tels que u = AB et v = AC. Il existe au moins un plan P contenant les points A,B et C. Le produit scalaire des vecteurs u et v, est le produit scalaire des vecteurs AB et AC dans le plan P. Remarques : Le plan P est unique si les points A,B et C ne sont pas alignés. Dans le cas du produit scalaire dans l espace, on se ramène donc au produit scalaire dans le plan en recherchant ce plan P contenant des représentants des vecteurs u et v. 2.3 Plusieurs expressions de produit scalaire Dès lors que l on se ramène à étudier le produit scalaire de deux vecteurs dans un même plan, les règles énoncées dans le plan s appliquent à l espace. Proposition 4 Avec les notations usuelles, on a : 1. u v = AB ACcos( AB; AC) 2. u v = AB AC = AB AH où H désigne le projeté orthogonal de C sur la droite (AB). 3. Lorsque les coordonnées de u et de v sont (x;y;z) et (x ;y ;z ) dans un repère orthonormal alors u v = xx +yy +zz C A H Enfin les règles de calculs (linéarité, commutativité et distributivité) s appliquent au produit scalaire de l espace. 2.4 Orthogonalité dans l espace Orthogonalité de droites De la même façon, on peut caractériser l orthogonalité de l espace par le produit scalaire. Proposition 5 Soit D et D deux droites de vecteurs directeurs u et v. Alors les droites D et D sont orthogonales si et seulement si u v = Orthogonalité de plans Proposition 6 Soit D une droite de l espace de vecteur directeur u et P un plan. Alors la droite D est orthogonale à P si et seulement si il existe deux vecteurs k et l non colinéaires du plan P tels que u k = u l = 0. 4/6

5 3 APPLICATIONS Terminale S-SI D k A l On retrouve ici pour les vecteurs un résultat énoncé en classe de seconde. A savoir, pour qu une droite soit orthogonale à un plan P, il faut et il suffit qu elle soit perpendiculaire à deux droites sécantes du plan P. Définition 4 Un vecteur n est normal à un plan P lorsque toute droite de vecteur directeur n est orthogonale à P. On en déduit naturellement la propriété suivante : Proposition 7 Soit P et P deux plans de vecteurs normaux net n. Alors les plans P et P sont perpendiculaires si et seulement si n n = 0. PlanP n n PlanP A 3 Applications 3.1 Equation cartésienne d un plan Le vecteur normal n d un plan P, permet de caractériser le plan P comme l ensemble des points M de l espace tels que : AM n = 0, où A est un point de P. La propriété suivante définit l équation cartésienne d un plan. 5/6

6 3 APPLICATIONS Terminale S-SI Proposition 8 Dans un repère orthonormal de l espace, 1. Un plan P de vecteur normal n de coordonnées (a;b;c) a une équation de la forme : ax+by +cz +d = 0 2. Réciproquement, l ensemble des points M(x; y; z) de l espace tels que : Remarques : ax+by +cz +d = 0 où (a;b;c) (0;0;0) est un plan de vecteur normal n de coordonnées (a;b;c). 1. La démonstration repose sur la relation AM n = 0 énoncée ci-dessus. 2. Un plan a une infinité d équation; en effet si (P) : ax+by+cz+d = 0 alors (P) : kax+kby+kcz+kd = 0, où k est un réel non nul, est aussi une équation de P 3.2 Distance à un plan Proposition 9 Dans un repère orthonormal, on considère le plan P d équation ax+by+ cz +d = 0. Soit A le point de l espace de coordonnées (x A ;y A ;z A ). Alors la distance d du point A au plan P est : d = AH = ax A +by A +cz A +d n = ax A +by A +cz A +d a 2 +b 2 +c 2 A n H P : ax+by +cz +d = 0 6/6