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Produit scalaire : formules, orthogonalité et calculs

L’essentiel

Le produit scalaire de deux vecteurs est un nombre. Avec des coordonnées dans un repère orthonormé, u · v = xx′ + yy′. Avec des longueurs et un angle, u · v = ‖u‖ × ‖v‖ × cos(u, v). Deux vecteurs sont orthogonaux si et seulement si leur produit scalaire vaut 0.

Les quatre formules du produit scalaire

Le produit scalaire associe à deux vecteurs un nombre réel, et non un vecteur. Il existe plusieurs formules : le choix dépend des données de l’énoncé.

Choisir la bonne formule
Tu connaisFormule
Les coordonnées en repère orthonorméu · v = xx′ + yy′
Les normes et l’angleu · v = ‖u‖ × ‖v‖ × cos(u, v)
Le projeté orthogonal H de C sur (AB)vecteur AB · vecteur AC = AB × AH si les vecteurs AB et AH sont de même sens, −AB × AH sinon
Seulement des normesu · v = (‖u + v‖² − ‖u‖² − ‖v‖²) ÷ 2

Astuce : Si l’angle est aigu, le produit scalaire est positif. S’il est obtus, il est négatif. S’il est droit, il est nul.

Orthogonalité : la propriété clé

C’est l’usage le plus courant : pour prouver que deux droites sont perpendiculaires, tu montres que le produit scalaire de leurs vecteurs directeurs est nul.

Deux vecteurs u et v sont orthogonaux si et seulement si u · v = 0.

  • Étape 1 : calcule les coordonnées de deux vecteurs portés par les droites.
  • Étape 2 : calcule xx′ + yy′.
  • Étape 3 : si le résultat est 0, conclus que les droites sont perpendiculaires.
  • Énoncé. Dans un repère orthonormé, u(3 ; −1) et v(2 ; 6). Ces vecteurs sont-ils orthogonaux ?
  • u · v = 3 × 2 + (−1) × 6 = 6 − 6 = 0.
  • Le produit scalaire est nul, donc u et v sont orthogonaux.

Calculer un angle ou une longueur

En égalant deux formules, tu obtiens un cosinus, donc un angle. Avec la formule d’Al-Kashi, tu généralises Pythagore à tous les triangles.

Formule d’Al-Kashi : BC² = AB² + AC² − 2 × AB × AC × cos(A).

  • Énoncé 1. u(1 ; 2) et v(3 ; 1) dans un repère orthonormé. Calculer l’angle entre u et v.
  • u · v = 1 × 3 + 2 × 1 = 5. Puis ‖u‖ = √5 et ‖v‖ = √10.
  • cos(u, v) = 5 ÷ (√5 × √10) = 5 ÷ √50 = 5 ÷ (5√2) = √2/2.
  • L’angle géométrique entre u et v mesure donc 45°.
  • Énoncé 2. Dans le triangle ABC, AB = 4, AC = 5 et l’angle A mesure 60°. Calculer vecteur AB · vecteur AC, puis BC.
  • Vecteur AB · vecteur AC = 4 × 5 × cos(60°) = 20 × 0,5 = 10.
  • BC² = 16 + 25 − 2 × 10 = 21, donc BC = √21 ≈ 4,6.

Astuce : Pour contrôler un angle obtenu par cosinus, ouvre le calculateur de la page trigonométrie : mode « un angle », rapport cosinus, 5 pour l’adjacent et 7,071 (√50 arrondi) pour l’hypoténuse. Il redonne environ 45°.

Les règles de calcul

Le produit scalaire se manipule presque comme un produit de nombres.

  • Symétrie : u · v = v · u.
  • Bilinéarité : u · (v + w) = u · v + u · w et (k × u) · v = k × (u · v).
  • Carré scalaire : u · u = ‖u‖².
  • Identités : ‖u + v‖² = ‖u‖² + 2 u · v + ‖v‖² et ‖u − v‖² = ‖u‖² − 2 u · v + ‖v‖².

Vecteur normal et équation cartésienne

Un vecteur normal à une droite est un vecteur non nul orthogonal à ses vecteurs directeurs. Il donne directement une équation de la droite.

La droite de vecteur normal n(a ; b) a une équation de la forme ax + by + c = 0.

  • Énoncé. Trouver une équation de la droite passant par A(2 ; −1), de vecteur normal n(3 ; 4).
  • L’équation est de la forme 3x + 4y + c = 0.
  • A appartient à la droite : 3 × 2 + 4 × (−1) + c = 0, donc 2 + c = 0 et c = −2.
  • Une équation est 3x + 4y − 2 = 0.

Les erreurs à éviter

  • u · v = (xx′ ; yy′) u · v = xx′ + yy′

    Le résultat est un nombre, pas un vecteur.

  • Vecteur AB · vecteur AC = AB × AC Vecteur AB · vecteur AC = AB × AC × cos(A)

    Sans le cosinus, la formule n’est vraie que si les vecteurs sont colinéaires et de même sens.

  • Oublier le signe avec le projeté orthogonal Regarder si H est du côté de B par rapport à A

    Si le projeté est de l’autre côté, l’angle est obtus et le produit scalaire est négatif.

Exercices corrigés

  1. 1. u(2 ; 3) et v(4 ; −1) dans un repère orthonormé. Combien vaut u · v ?

    Voir la correction

    5. 2 × 4 + 3 × (−1) = 8 − 3 = 5.

  2. 2. ‖u‖ = 3, ‖v‖ = 4 et l’angle entre u et v mesure 60°. Combien vaut u · v ?

    Voir la correction

    6. u · v = 3 × 4 × cos(60°) = 12 × 0,5 = 6.

  3. 3. Pour quelle valeur de m les vecteurs u(2 ; 5) et v(m ; −2) sont-ils orthogonaux ?

    Voir la correction

    m = 5. u · v = 2m − 10 = 0, donc m = 5.

  4. 4. AB = 6. H est le projeté orthogonal de C sur (AB), H est sur [AB] et AH = 2. Combien vaut vecteur AB · vecteur AC ?

    Voir la correction

    12. H est du côté de B par rapport à A : vecteur AB · vecteur AC = AB × AH = 6 × 2 = 12.

  5. 5. Dans le triangle ABC, AB = 3, AC = 2 et l’angle A mesure 120°. Combien vaut vecteur AB · vecteur AC ?

    Voir la correction

    −3. 3 × 2 × cos(120°) = 6 × (−0,5) = −3. L’angle est obtus : le résultat est négatif.

  6. 6. Quelle est une équation de la droite de vecteur normal n(2 ; −3) passant par A(1 ; 1) ?

    Voir la correction

    2x − 3y + 1 = 0. La forme est 2x − 3y + c = 0. Avec A : 2 − 3 + c = 0, donc c = 1.

Questions fréquentes

Le produit scalaire est-il un vecteur ?

Non, c’est un nombre réel, qui peut être positif, négatif ou nul.

Comment montrer que deux droites sont perpendiculaires ?

Prends un vecteur directeur de chaque droite et calcule leur produit scalaire. S’il vaut 0, les droites sont perpendiculaires.

Quel est le lien entre Al-Kashi et Pythagore ?

Si l’angle A est droit, cos(A) = 0 et la formule d’Al-Kashi redevient BC² = AB² + AC².

Pour aller plus loin