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Licence 1 · Géométrie L1 — Géométrie analytique et vectorielle
Produit scalaire et orthogonalité
Produit scalaire et orthogonalité
### 1. Définition du produit scalaire
Pour et dans , le produit scalaire est :
Géométriquement, , où est l'angle (non orienté) entre et , et est la norme de .
### 2. Propriétés du produit scalaire
Pour tous vecteurs et tout scalaire :
- Symétrie : ;
- Bilinéarité : et ;
- Positivité : , avec égalité si et seulement si ;
- Inégalité de Cauchy-Schwarz : , avec égalité si et seulement si sont colinéaires.
### 3. Vecteurs orthogonaux
Deux vecteurs sont orthogonaux si (notation ). Le vecteur nul est orthogonal à tout vecteur.
Exemple : et : , donc .
### 4. Calcul d'angles
L'angle entre deux vecteurs non nuls se calcule par :
Exemple résolu : angle entre et .
### 5. Droites et plans orthogonaux
- Une droite de vecteur directeur est orthogonale à un plan de vecteur normal si et sont colinéaires (la droite est alors perpendiculaire au plan, et peut servir de vecteur normal à ).
- Deux plans (normal ), (normal ) sont orthogonaux si .
- Deux droites de vecteurs directeurs sont orthogonales si (qu'elles soient sécantes ou non coplanaires : l'orthogonalité ne concerne que les directions).
Exemple résolu : le plan a pour normal . La droite de vecteur directeur (colinéaire à ) est donc orthogonale à .
### 6. Preuve de Cauchy-Schwarz
Pour non nuls et , considérons pour tout (positivité du produit scalaire). C'est un trinôme du second degré en , toujours , donc son discriminant est :
En prenant la racine carrée : .
### 7. Résumé
| Configuration | Condition |
|---|---|
| | |
| Droite plan | vecteur directeur colinéaire au normal |
| Plan plan | produit scalaire des normaux nul |
| Cauchy-Schwarz | |
Exercices de la leçon
Exercice 1
Calculer le produit scalaire de et .
Corrigé
.
Exercice 2
Vrai ou faux : le produit scalaire est commutatif, .
Corrigé
Vrai, c'est la propriété de symétrie du produit scalaire, immédiate à partir de sa formule .
Exercice 3
Quels vecteurs sont orthogonaux parmi et ?
Corrigé
: les vecteurs sont orthogonaux.
Exercice 4
Quelle est la norme du vecteur ?
Corrigé
.
Exercice 5
Deux plans de vecteurs normaux et sont :
Corrigé
: les normaux sont orthogonaux, donc les plans sont orthogonaux.
Exercice 6
Calculer l'angle entre et .
Corrigé
, donc .
Exercice 7
Vrai ou faux : l'inégalité de Cauchy-Schwarz devient une égalité si et seulement si et sont colinéaires.
Corrigé
Vrai. L'égalité correspond à un discriminant nul dans la preuve, c'est-à-dire à l'existence d'un tel que : et sont colinéaires.
Exercice 8
Pour quelle valeur de les vecteurs et sont-ils orthogonaux ?
Corrigé
. On veut , soit .
Exercice 9
Une droite de vecteur directeur est-elle orthogonale au plan ?
Corrigé
est colinéaire au vecteur normal du plan : la droite est donc orthogonale au plan.
Exercice 10
Démontrer que pour tous vecteurs , .
Corrigé
. Par bilinéarité : . Par symétrie, , donc .
Exercice 11
En déduire de l'exercice précédent que (théorème de Pythagore vectoriel).
Corrigé
D'après l'exercice précédent, . Cette quantité vaut si et seulement si , c'est-à-dire , soit exactement . C'est la version vectorielle du théorème de Pythagore.
Exercice 12
Vrai ou faux : si pour un vecteur donné, alors nécessairement .
Corrigé
Faux. On a seulement , c'est-à-dire orthogonal à , ce qui n'implique pas . Contre-exemple : , , : mais .
Exercice 13
Démontrer l'inégalité triangulaire pour les vecteurs : , à partir de Cauchy-Schwarz.
Corrigé
. Par Cauchy-Schwarz, . Donc :
Les deux membres étant positifs, on peut prendre la racine carrée (fonction croissante sur ) : .
Exercice 14
Soit trois vecteurs deux à deux orthogonaux et non nuls. Démontrer qu'ils sont linéairement indépendants.
Corrigé
Supposons . Prenons le produit scalaire avec : . Comme et , les deux derniers termes sont nuls : . Comme , , donc .
On procède de même en multipliant par puis pour obtenir et . La seule combinaison linéaire nulle est triviale : sont linéairement indépendants.
Exercice 15
Soit et . Calculer l'angle entre leurs vecteurs normaux et en déduire si les plans sont orthogonaux.
Corrigé
, . . Le produit scalaire des normaux est nul, donc l'angle entre eux est : les deux plans et sont orthogonaux.
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