Cours de Terminale S /Produit scalaire et orthogonalité. E. Dostal

Documents pareils
1S Modèles de rédaction Enoncés

Géométrie dans l espace Produit scalaire et équations

LE PRODUIT SCALAIRE ( En première S )

Séquence 10. Géométrie dans l espace. Sommaire

Cours d Analyse. Fonctions de plusieurs variables

Si deux droites sont parallèles à une même troisième. alors les deux droites sont parallèles entre elles. alors

Calcul intégral élémentaire en plusieurs variables

Corrigé du baccalauréat S Asie 21 juin 2010

Plan du cours : électricité 1

1 radian. De même, la longueur d un arc de cercle de rayon R et dont l angle au centre a pour mesure α radians est α R. R AB =R.

Quelques contrôle de Première S

I - PUISSANCE D UN POINT PAR RAPPORT A UN CERCLE CERCLES ORTHOGONAUX POLES ET POLAIRES

8.1 Généralités sur les fonctions de plusieurs variables réelles. f : R 2 R (x, y) 1 x 2 y 2

Correction du Baccalauréat S Amérique du Nord mai 2007

Représentation géométrique d un nombre complexe

Calcul matriciel. Définition 1 Une matrice de format (m,n) est un tableau rectangulaire de mn éléments, rangés en m lignes et n colonnes.

Correction : E = Soit E = -1,6. F = 12 Soit F = y = 11. et G = -2z + 4y G = 2 6 = 3 G = G =

Baccalauréat S Nombres complexes Index des exercices sur les complexes de septembre 1999 à juin 2012 Tapuscrit : DENIS VERGÈS

DOCM Solutions officielles = n 2 10.

Géométrie dans l espace

Cours de Mécanique du point matériel

FONCTIONS DE PLUSIEURS VARIABLES (Outils Mathématiques 4)

Les Angles. I) Angles complémentaires, angles supplémentaires. 1) Angles complémentaires. 2 Angles supplémentaires. a) Définition.

Intégrales doubles et triples - M

STATIQUE GRAPHIQUE ET STATIQUE ANALYTIQUE

Enoncé et corrigé du brevet des collèges dans les académies d Aix- Marseille, Montpellier, Nice Corse et Toulouse en Énoncé.

Angles orientés et trigonométrie

Le théorème de Thalès et sa réciproque

Activités numériques [13 Points]

La géométrie du triangle III IV - V Cercles remarquables - Lieux géométriques - Relations métriques

Planche n o 22. Fonctions de plusieurs variables. Corrigé

AC AB. A B C x 1. x + 1. d où. Avec un calcul vu au lycée, on démontre que cette solution admet deux solutions dont une seule nous intéresse : x =

Angles orientés et fonctions circulaires ( En première S )

Problème 1 : applications du plan affine

Corrigé du baccalauréat S Pondichéry 12 avril 2007

Séquence 2. Repérage dans le plan Équations de droites. Sommaire

* très facile ** facile *** difficulté moyenne **** difficile ***** très difficile I : Incontournable

* très facile ** facile *** difficulté moyenne **** difficile ***** très difficile I : Incontournable T : pour travailler et mémoriser le cours.

De même, le périmètre P d un cercle de rayon 1 vaut P = 2π (par définition de π). Mais, on peut démontrer (difficilement!) que

Brevet 2007 L intégrale d avril 2007 à mars 2008

5 ème Chapitre 4 Triangles

Soit la fonction affine qui, pour représentant le nombre de mois écoulés, renvoie la somme économisée.

Correction du baccalauréat S Liban juin 2007

Formes quadratiques. 1 Formes quadratiques et formes polaires associées. Imen BHOURI. 1.1 Définitions

* très facile ** facile *** difficulté moyenne **** difficile ***** très difficile I : Incontournable T : pour travailler et mémoriser le cours

Corrigé du baccalauréat S Pondichéry 13 avril 2011

SOCLE COMMUN - La Compétence 3 Les principaux éléments de mathématiques et la culture scientifique et technologique

Exercices - Fonctions de plusieurs variables : corrigé. Pour commencer

Livret de liaison Seconde - Première S

Exprimer ce coefficient de proportionnalité sous forme de pourcentage : 3,5 %

Chafa Azzedine - Faculté de Physique U.S.T.H.B 1

COMPTE-RENDU «MATHS EN JEANS» LYCEE OZENNE Groupe 1 : Comment faire une carte juste de la Terre?

Les droites (d 1 ) et (d 2 ) sont sécantes en A Le point A est le point d intersection des 2 droites

OM 1 Outils mathématiques : fonction de plusieurs variables

I. Ensemble de définition d'une fonction

a et b étant deux nombres relatifs donnés, une fonction affine est une fonction qui a un nombre x associe le nombre ax + b

Fonctions homographiques

Priorités de calcul :

Optimisation des fonctions de plusieurs variables

Exo7. Matrice d une application linéaire. Corrections d Arnaud Bodin.

TOUT CE QU IL FAUT SAVOIR POUR LE BREVET

Construction d un cercle tangent à deux cercles donnés.

Mais comment on fait pour...

Deux disques dans un carré

BACCALAURÉAT GÉNÉRAL SESSION 2012 OBLIGATOIRE MATHÉMATIQUES. Série S. Durée de l épreuve : 4 heures Coefficient : 7 ENSEIGNEMENT OBLIGATOIRE

Chapitre 2 : Vecteurs

Calcul différentiel sur R n Première partie

Condition inf-sup pour l Elément Fini de Taylor-Hood È ¾ -iso-è ½

6. Les différents types de démonstrations

Programmation linéaire

Fonctions de plusieurs variables

Chapitre 2. Matrices

Pour l épreuve d algèbre, les calculatrices sont interdites.

C algèbre d un certain groupe de Lie nilpotent.

Bac Blanc Terminale ES - Février 2011 Épreuve de Mathématiques (durée 3 heures)

Devoir 2 avec une figure en annexe, à renvoyer complétée. Corrigés d exercices sections 3 à 6. Liste des exos recommandés :

Développements limités, équivalents et calculs de limites

Complément d information concernant la fiche de concordance

3 Approximation de solutions d équations

Capes Première épreuve

Eté LIVRET de RÉVISIONS en MATHÉMATIQUES

Un K-espace vectoriel est un ensemble non vide E muni : d une loi de composition interne, c est-à-dire d une application de E E dans E : E E E

Structures algébriques

DÉRIVÉES. I Nombre dérivé - Tangente. Exercice 01 (voir réponses et correction) ( voir animation )

Items étudiés dans le CHAPITRE N5. 7 et 9 p 129 D14 Déterminer par le calcul l'antécédent d'un nombre par une fonction linéaire

Vecteurs. I Translation. 1. Définition :

Seconde Généralités sur les fonctions Exercices. Notion de fonction.

Rappels et compléments, première partie : Nombres complexes et applications à la géométrie

Repérage d un point - Vitesse et

Cinétique et dynamique des systèmes de solides

Fonctions de plusieurs variables

EXERCICE 4 (7 points ) (Commun à tous les candidats)

BACCALAUREAT GENERAL MATHÉMATIQUES

Michel Henry Nicolas Delorme

L ANALYSE EN COMPOSANTES PRINCIPALES (A.C.P.) Pierre-Louis GONZALEZ

Fonctions de plusieurs variables : dérivés partielles, diérentielle. Fonctions composées. Fonctions de classe C 1. Exemples

CCP PSI Mathématiques 1 : un corrigé

Exercices de géométrie

Cours3. Applications continues et homéomorphismes. 1 Rappel sur les images réciproques

Continuité et dérivabilité d une fonction

Transcription:

Cours de Terminale S /Produit scalaire et orthogonalité E. Dostal Mars 2015

Table des matières 10 Produit scalaire et orthogonalité 2 10.1 Produit scalaire.......................................... 2 10.2 Orthogonalité et vecteur normal................................ 3 10.2.1 Distance d un point à un plan.............................. 5 10.3 Solides............................................... 5 10.3.1 Section plane d un solide................................ 5 10.3.2 Volumes de solides.................................... 6 1

Chapitre 10 Produit scalaire et orthogonalité 10.1 Produit scalaire Définition 1 On considère que l espace est muni d une distance. La norme d un vecteur est la longueur de ses représentants : AB = AB. Le produit scalaire des vecteurs u et v est le réel : u v = 1 ( 2 u+ v 2 u 2 v 2) Deux droites sécantes sont perpendiculaires si elles forment un angle droit. Deux droites sont orthogonales si l une admet une parallèle perpendiculaire à l autre. Deux vecteurs ( u et v de directions orthogonales sont orthogonaux : u v. Un repère O, ı, j, ) k est orthogonal si ses vecteurs sont deux à deux orthogonaux. Théorème 1 u v u v = 0 Proposition 2 ( Autres écritures du produit scalaire. Dans un repère orthonormé O, ı, j, ) k, 1. si u(x;y;z) et v(x ;y ;z ) alors u v = xx +yy +zz. 2. si u, v 0, u v = u v cos( u; v). Exemple 1 Dans un cube, les diagonales sont-elles orthogonales? Dans le cas contraire, quel est la mesure de l angle formé par ces deux droites? Théorème 3 Pour tous vecteurs u, v et w et tout réel λ, on a les propriétés de Symétrie : u v = v u Homogénéité : u, v, (λ u) v = λ( u v) = u (λ v) Bilinéarité : ( u+ w) v = u v + w v et u ( v + w) = u v + u w Positivité : u 2 = u u 0 et u u = 0 u = 0. Exemple 2 1. Soient u et v deux vecteurs. Démontrer l égalité : ( u+ v) 2 +( u v) 2 = 2 u 2 +2 v 2. 2. En déduire que dans un parallélogramme la somme des carrés des 4 cotés est égale à la somme des carrés des 2 diagonales. 3. En déduire le théorème de la médiane : AB 2 +AC 2 = 2AA 2 + 1 2 BC2, où A est le milieu de [BC]. 2

E. Dostal - Mars 2015 CHAPITRE 10. PRODUIT SCALAIRE ET ORTHOGONALITÉ Proposition ( 4 [Distance et sphère] Soit O, ı, j, ) k un repère orthonormé de l espace. Si A(x A ;y A ;z A ) et B(x B ;y B ;z B ) sont deux points de l espace alors : 1. AB = (x A x B ) 2 +(y A y B ) 2 +(z A z B ) 2 2. La sphère de centre Ω(x 0 ;y 0 ;z 0 ) et de rayon R a pour équation : (x x 0 ) 2 +(y y 0 ) 2 + (z z 0 ) 2 = R 2. Exemple 3 1. Déterminer le centre et le rayon de la sphère S d équation : x 2 +y 2 +z 2 +2x z = 11 4. 2. Déterminer une équation de la sphère S de diamètre [AB] avec A(2;2;0) et B( 1;5;1). Proposition 5 Soient A et C deux points distincts de l espace et H est le projeté orthogonal de B sur (AC). Alors AB AC = AH AC. Si u est un vecteur directeur unitaire (de norme 1) de (AC), AB u = ±AH (le signe permet de placer H par rapport à A sur (AC)). B A H Exemple 4 Dans le cube ABCDEFGH quelles sont les coordonnées du projeté orthogonal H de A sur (BH)? 10.2 Orthogonalité et vecteur normal Définition 2 Un vecteur normal n 0 d un plan P est un vecteur orthogonal à deux vecteurs non colinéaires du plan. Par bilinéarité du produit scalaire, n est orthogonal à tous les vecteurs du plans. n Théorème 6 Ξ Si une droite D est orthogonale à deux droites sécantes d un plan P, alors D est orthogonale à toute droite du plan P. On dit alors que la droite D est orthogonale au plan P. Théorème 7 Ξ Si P un plan d équation ax+by +cz +d = 0 où a,b,c sont non tous nuls. Alors, le vecteur n(a;b;c) est un vecteur normal de P. 3

E. Dostal - Mars 2015 CHAPITRE 10. PRODUIT SCALAIRE ET ORTHOGONALITÉ Théorème 8 Ξ Si P est un plan de vecteur normal n(a;b;c) et A un point de P, Alors, dans tout repère orthonormé de l espace, le plan P admet une équation cartésienne de la forme ax+by +cz +d = 0. Exemple 5 1. Donner un vecteur normal à P : y +z = 0 2. Donner une équation du plan P de vecteur normal n(2; 1;0) passant par K(1;1;1) 3. Donner une équation cartésienne de P passant par A( 2; 1; 3) orthogonal à la droite (BC) où B(1; 2;2) et C(4;1; 1). Remarque 1 Critères d orthogonalité et de parallélisme Deux plans sont perpendiculaires si et seulement s ils ont des vecteurs normaux orthogonaux. Deux plans sont parallèles si et seulement s ils ont des vecteurs normaux colinéaires. Deux droites sont orthogonales si et seulement si elles ont des vecteurs directeurs orthogonaux. Deux droites sont parallèles si et seulement si elles ont des vecteurs directeurs colinéaires. Une droite et un plan sont perpendiculaires si et seulement si un vecteur directeur de la droite et un vecteur normal du plan sont colinéaires. (Attention!) Une droite est orthogonale à un plan si et seulement si elle est orthogonale à 2 droites sécantes de ce plan (non confondues). (Attention!) Une droite et un plan sont parallèles si et seulement si un vecteur directeur de la droite et un vecteur normal du plan sont orthogonaux. (Attention!) Exemple 6 1. Eq. paramétriques de la perpendiculaire à P : y +z = 0 contenant K(1;1;1)? 2. Equation cartésienne du plan P parallèle à P : x 2y +z = 0 passant par A(1;0;0)? 3. Equation cartésienne du plan perpendiculaire à P et P passant par A(1;0;0)? 4. On a P : x+y +z +3 = 0 Q : 2x+2y +2z +7 = 0 R : 3x y = 2. (a) Déterminer un vecteur normal de chaque plan. (b) Etudier l intersection de P et de Q. (c) Montrer que P R est une droite dont on donnera un système d équations paramétriques. (d) Vérifier que A( 1 : 1; 3 2 ) Q R. En déduire un système d équations paramétriques de Q R. Définition 3 Le plan médiateur d un segment [AB] est le plan orthogonal à [AB] passant par son milieu. C est l ensemble des points équidistants de A et B. Exemple 7 Equation cartésienne du plan médiateur de [AB] : A(1;2;3) et B( 1;0; 1)? Remarque 2 Trois plans sont dans l une des situations suivantes : Si leurs vecteurs normaux sont colinéaires, ils sont soit strictement parallèles deux à deux (d intersection vide), soit confondus pour deux d entre eux et strictement parallèles au troisième, soit tous les trois confondus. Si leurs vecteurs normaux sont coplanaires et non colinéaires, ils sont soit confondus pour deux d entre eux et sécants aux troisième, soit parallèles pour deux d entre eux et le troisième sécant aux deux autres suivants des droites parallèles, soit tous trois sécants suivants une même droite, soit deux à deux sécants suivant des droites parallèles. Si leurs vecteurs normaux sont non coplanaires, l intersection est réduite à un point. Exemple 8 Dans chacun des cas, déterminer l intersection des trois plans d équations : 1. P : x+y 2z 5 = 0 Q : 2x+3y +z = 0 R : x y +z +1 = 0 2. P : 2x+3y 2z 2 = 0 Q : 4x 3y +z 4 = 0 R : 2x+12y 7z 2 = 0 3. P : x+y +3z = 1 Q : 2x 3y +z = 0 R : 7x+10y 2 = 0 4

E. Dostal - Mars 2015 CHAPITRE 10. PRODUIT SCALAIRE ET ORTHOGONALITÉ 10.2.1 Distance d un point à un plan Exemple 9 Dans un repère orthornormé ( O, ı, j, k passant par le point A, et M(x;y;z) un point de l espace. ), soit P est un plan de vecteur normal n(a;b;c) 1. Démontrer qu il existe une unique droite orthogonale à P passant par M. Cette droite coupe le plan P en un unique point noté H appelé le projeté orthogonal de M sur le plan P. On appelle distance du point M au plan P, que l on note d(m;p), la distance MH. 2. Montrer que d(m;p) = AM n. n 3. Soit A(1;1;2) et P : 2x 2y +z 3 = 0. (a) Déterminer la distance du point A au plan P à l aide de la formule précédente (b) Déterminer les coordonnées de H, le projeté orthogonal de A sur P, puis calculer AH. 10.3 Solides 10.3.1 Section plane d un solide Méthode : Pour déterminer l intersection d un polyèdre (solide composé de plusieurs faces) et d un plan. On procède face par face en 1. cherchant deux points communs entre le plan de coupe et le plan contenant la face étudiée. Pour cela, on prolongera parfois les arêtes de la face étudiée et les droites d intersection des faces étudiées auparavant. (exemples 10 et 11). 2. cherchant un point commun entre la face étudiée et le plan de coupe, et en utilisant le théorème du plan sécant avec deux plans parallèles, si on connaît déjà l intersection du plan de coupe avec une face parallèle à la face étudiée. (voir l exemple 10). 3. cherchant un point commun entre la face étudiée et le plan de coupe, et en utilisant le théorème du toit, si l on sait que l intersection du plan de coupe et d une face est parallèle à une droite de la face étudiée. (voir l exemple 11). Exemple 10 Représenter la section du parallélépipède suivant par le plan (MNP), sachant que M (AED), N [GF] et P [CG]. On justifiera soigneusement l intersection de (MNP) avec la face AEDH. D H P C G N M E F A B Exemple 11 Représenter l intersection du tétraèdre avec le plan (IJK), en justifiant soigneusement l intersection de (IJK) avec la face (BCD). Le point I est le milieu de [AC] et J est le milieu de [AB], enfin K (BCD) : 5

E. Dostal - Mars 2015 CHAPITRE 10. PRODUIT SCALAIRE ET ORTHOGONALITÉ C K I D A J B 10.3.2 Volumes de solides h h r Prisme, cylindre : V = B h Pyramide, càne : V = 1 3 B h Sphère : V = 4 3 πr3 6