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Produit scalaire dans l'espace

Terminale · Maths · Algèbre et géométrie

Algèbre et géométrie

Le produit scalaire : définitions et calcul

Avec les vecteurs, tu sais déjà décrire des directions. Le produit scalaire ajoute la mesure : longueurs, angles, et surtout orthogonalité. C'est l'outil qui transforme un problème de géométrie dans l'espace en un simple calcul. À une condition impérative, valable dans tout ce chapitre : les coordonnées doivent être données dans un repère orthonormé.

Les propriétés de calcul

PropriétéÉcritureUtilité
Symétrieu . v = v . uL'ordre des facteurs n'a aucune importance
Bilinéaritéu . (v + w) = u . v + u . w et (k u) . v = k (u . v)On développe comme un produit ordinaire
Carré scalaireu . u = ||u||²Passer d'un produit scalaire à une longueur
Identité remarquable||u + v||² = ||u||² + 2 u . v + ||v||²Développer une norme au carré
Orthogonalitéu . v = 0Le critère à repérer dans tout énoncé

Algèbre et géométrie

Vecteur normal, équation de plan et projeté orthogonal

Voici l'apport décisif du produit scalaire : il permet de décrire un plan par une seule équation à la place de deux vecteurs directeurs et deux paramètres. Toute la géométrie dans l'espace en devient plus rapide.

Positions relatives, version produit scalaire

SituationTest à faireConclusion
Droite d (directeur u) et plan P (normal n)u . n = 0 ?Si oui : d est parallèle à P (incluse si un point de d est dans P). Si non : d coupe P en un point unique
Droite d et plan P orthogonauxu et n colinéaires ?Si oui : d est perpendiculaire à P
Deux plans P et P' (normaux n et n')n et n' colinéaires ?Si oui : plans parallèles (confondus si les équations sont proportionnelles, d compris). Si non : sécants suivant une droite
Deux plans perpendiculairesn . n' = 0 ?Si oui : les plans sont perpendiculaires

Exercices corrigés

  1. Que peut-on dire des vecteurs u(1 ; 1 ; 0) et v(1 ; -1 ; 5) ?

    • A.Ils sont colinéaires
    • B.Ils sont égaux en norme
    • C.Ils sont orthogonauxBonne réponse
    • D.Leur produit scalaire vaut 5

    Réponse : C — Ils sont orthogonaux

    On calcule le produit scalaire : u . v = 1 × 1 + 1 × (-1) + 0 × 5 = 1 - 1 + 0 = 0. Un produit scalaire nul caractérise exactement l'orthogonalité : les deux vecteurs sont orthogonaux. Le troisième terme est bien nul car la troisième coordonnée de u vaut 0, même si celle de v vaut 5 : un facteur nul annule le produit.

  2. Le plan P a pour équation cartésienne 2x - y + 3z - 5 = 0. Quel vecteur est normal à P ?

    • A.n(2 ; -1 ; -5)
    • B.n(-5 ; 2 ; -1)
    • C.n(2 ; 1 ; 3)
    • D.n(2 ; -1 ; 3)Bonne réponse

    Réponse : D — n(2 ; -1 ; 3)

    Dans une équation de la forme a x + b y + c z + d = 0, le vecteur normal se lit directement sur les coefficients de x, y et z : ici a = 2, b = -1 et c = 3, donc n(2 ; -1 ; 3). Le terme constant d = -5 ne fait PAS partie du vecteur normal : il ne sert qu'à positionner le plan dans l'espace. Attention aussi à conserver le signe moins devant y.

  3. Quelle est une équation cartésienne du plan passant par l'origine O et admettant n(1 ; 2 ; -1) pour vecteur normal ?

    • A.x + 2y - z + 1 = 0
    • B.x + 2y - z = 0Bonne réponse
    • C.x + 2y + z = 0
    • D.x - 2y + z = 0

    Réponse : B — x + 2y - z = 0

    L'équation est de la forme 1x + 2y - 1z + d = 0, soit x + 2y - z + d = 0. Comme le plan passe par O(0 ; 0 ; 0), on remplace : 0 + 0 - 0 + d = 0, donc d = 0. L'équation est x + 2y - z = 0. Retiens la règle : un plan passe par l'origine si et seulement si son terme constant d est nul.

  4. Quelle est une équation cartésienne du plan passant par A(1 ; 2 ; 3) et de vecteur normal n(1 ; -1 ; 2) ?

    • A.x - y + 2z + 5 = 0
    • B.x - y + 2z = 0
    • C.x - y + 2z - 5 = 0Bonne réponse
    • D.x + 2y + 3z - 5 = 0

    Réponse : C — x - y + 2z - 5 = 0

    L'équation s'écrit x - y + 2z + d = 0. On y injecte les coordonnées de A : 1 - 2 + 2 × 3 + d = 0, soit 1 - 2 + 6 + d = 0, donc 5 + d = 0 et d = -5. D'où x - y + 2z - 5 = 0. Le piège du signe est fréquent : on trouve 5 pour la somme, donc d vaut son OPPOSÉ, -5. Vérification rapide avec A : 1 - 2 + 6 - 5 = 0.

  5. Dans un repère orthonormé, A(1 ; 0 ; 2) et B(3 ; -2 ; 4). Quelle est la distance AB ?

    • A.12, le carré de la distance AB
    • B.6, soit la moitié du carré 12
    • C.2, la somme des écarts de coordonnées
    • D.2 racine de 3, soit environ 3,46Bonne réponse

    Réponse : D — 2 racine de 3, soit environ 3,46

    On commence par AB(3-1 ; -2-0 ; 4-2) = (2 ; -2 ; 2). Puis AB = racine de (2² + (-2)² + 2²) = racine de (4 + 4 + 4) = racine de 12. On simplifie : racine de 12 = racine de (4 × 3) = 2 racine de 3, soit environ 3,46. Le distracteur 12 est le carré de la distance : on a oublié la racine.

  6. Quel est l'angle formé par les vecteurs u(1 ; 0 ; 0) et v(1 ; 1 ; 0) ?

    • A.45°Bonne réponse
    • B.60°
    • C.90°
    • D.30°

    Réponse : A — 45°

    On calcule u . v = 1 × 1 + 0 × 1 + 0 × 0 = 1. Puis les normes : ||u|| = 1 et ||v|| = racine de (1 + 1 + 0) = racine de 2. D'où cos(theta) = 1 / (1 × racine de 2) = 1/racine de 2, ce qui vaut racine de 2 sur 2, soit environ 0,707. L'angle dont le cosinus vaut racine de 2 sur 2 est 45°. Ce résultat est logique : v est la diagonale d'un carré construit sur les deux premiers axes.

  7. Quelle est une équation cartésienne du plan passant par A(1 ; 0 ; -1), B(2 ; 1 ; 1) et C(0 ; 2 ; 1) ?

    • A.x + y + z = 0
    • B.2x + 4y - 3z - 5 = 0Bonne réponse
    • C.2x + 4y - 3z + 5 = 0
    • D.x + y + 2z + 1 = 0

    Réponse : B — 2x + 4y - 3z - 5 = 0

    On calcule AB(1 ; 1 ; 2) et AC(-1 ; 2 ; 2), qui ne sont pas colinéaires. On cherche n(a ; b ; c) orthogonal aux deux : a + b + 2c = 0 et -a + 2b + 2c = 0. En soustrayant, on obtient 2a - b = 0, donc b = 2a. La première équation devient a + 2a + 2c = 0, soit 3a = -2c. En prenant a = 2, on trouve b = 4 et c = -3, d'où n(2 ; 4 ; -3). L'équation est 2x + 4y - 3z + d = 0 ; avec A : 2 + 0 + 3 + d = 0, donc d = -5. On vérifie avec B : 4 + 4 - 3 - 5 = 0, et avec C : 0 + 8 - 3 - 5 = 0. Le distracteur avec +5 échoue à ce test.

  8. Quel est le projeté orthogonal du point M(1 ; 2 ; 3) sur le plan P d'équation x + y + z = 0 ?

    • A.(1 ; 2 ; 3)
    • B.(0 ; 0 ; 0)
    • C.(-1 ; 0 ; 1)Bonne réponse
    • D.(-2 ; -2 ; -2)

    Réponse : C — (-1 ; 0 ; 1)

    Le vecteur normal de P est n(1 ; 1 ; 1). La droite passant par M et dirigée par n s'écrit x = 1 + t, y = 2 + t, z = 3 + t. On l'injecte dans l'équation du plan : (1 + t) + (2 + t) + (3 + t) = 0, soit 6 + 3t = 0, donc t = -2. On remplace : x = 1 - 2 = -1, y = 2 - 2 = 0, z = 3 - 2 = 1. Le projeté est H(-1 ; 0 ; 1). Vérification : -1 + 0 + 1 = 0, H appartient bien à P.

  9. Quel est le projeté orthogonal du point M(1 ; 1 ; 1) sur la droite d passant par l'origine O et de vecteur directeur u(1 ; 1 ; 0) ?

    • A.(1 ; 1 ; 1)
    • B.(1 ; 1 ; 0)Bonne réponse
    • C.(0 ; 0 ; 0)
    • D.(2 ; 2 ; 0)

    Réponse : B — (1 ; 1 ; 0)

    Le projeté H est le point de d tel que MH soit orthogonal à u. Un point de d s'écrit H(t ; t ; 0). Alors MH(t - 1 ; t - 1 ; -1), et la condition MH . u = 0 s'écrit (t - 1) × 1 + (t - 1) × 1 + (-1) × 0 = 0, soit 2t - 2 = 0, donc t = 1. On obtient H(1 ; 1 ; 0). Contrôle de cohérence : MH(0 ; 0 ; -1) est bien orthogonal à u(1 ; 1 ; 0), leur produit scalaire vaut 0.

  10. A(1 ; 0 ; 0) et B(3 ; 2 ; 2). Quelle est une équation du plan médiateur de [AB], c'est-à-dire de l'ensemble des points M tels que MA = MB ?

    • A.2x + 2y + 2z = 0
    • B.x + y + z - 3 = 0
    • C.x + y + z - 4 = 0Bonne réponse
    • D.x + y + z - 8 = 0

    Réponse : C — x + y + z - 4 = 0

    Le plan médiateur de [AB] est le plan passant par le milieu I de [AB] et de vecteur normal AB. On calcule I par la moyenne des coordonnées : ((1+3)/2 ; (0+2)/2 ; (0+2)/2) = (2 ; 1 ; 1). Puis AB(2 ; 2 ; 2), qu'on peut simplifier en n(1 ; 1 ; 1) puisqu'un vecteur normal est défini à un coefficient près. L'équation est donc x + y + z + d = 0, et en injectant I : 2 + 1 + 1 + d = 0, donc d = -4. Réponse : x + y + z - 4 = 0. Le distracteur -8 vient du fait de garder AB(2 ; 2 ; 2) sans simplifier tout en oubliant de diviser le terme constant.

  11. Dans un repère orthonormé, u(1 ; 2 ; 3) et v(2 ; -1 ; 1). Combien vaut le produit scalaire u . v ?

    • A.3Bonne réponse
    • B.7
    • C.(2 ; -2 ; 3)
    • D.-3

    Réponse : A — 3

    On applique l'expression analytique : u . v = 1 × 2 + 2 × (-1) + 3 × 1 = 2 - 2 + 3 = 3. Le distracteur (2 ; -2 ; 3) est la liste des trois produits sans les additionner : rappelle-toi qu'un produit scalaire est un NOMBRE, pas un vecteur. Le distracteur 7 vient d'une erreur de signe sur le deuxième terme.

  12. Quelle est la norme du vecteur u(1 ; -2 ; 2) dans un repère orthonormé ?

    • A.1
    • B.3Bonne réponse
    • C.9
    • D.racine de 5

    Réponse : B — 3

    La norme vaut racine de (x² + y² + z²) = racine de (1² + (-2)² + 2²) = racine de (1 + 4 + 4) = racine de 9 = 3. Attention aux signes : (-2)² vaut 4, pas -4. Le distracteur 9 est le carré de la norme, c'est-à-dire u . u : on a oublié de prendre la racine. Et 1 vient d'une addition fautive 1 - 2 + 2.

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Ce chapitre compte 36 exercices corrigés dans l'application, avec le suivi de ta progression.

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