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Terminale · Orthogonalité et distances dans l'espace

Produit scalaire dans l'espace

Produit scalaire de deux vecteurs de l'espace

Le produit scalaire, déjà connu dans le plan, se prolonge naturellement à l'espace. C'est l'outil central pour étudier l'orthogonalité en 3D.

### Définition avec les coordonnées

Soit u→(xyz)\overrightarrow{u}\begin{pmatrix} x \\ y \\ z \end{pmatrix} et v→(x′y′z′)\overrightarrow{v}\begin{pmatrix} x' \\ y' \\ z' \end{pmatrix} deux vecteurs de l'espace. Le produit scalaire de u→\overrightarrow{u} et v→\overrightarrow{v} est le nombre réel :

u→⋅v→=xx′+yy′+zz′\overrightarrow{u}\cdot\overrightarrow{v} = xx' + yy' + zz'

Exemple : avec u→(2−13)\overrightarrow{u}\begin{pmatrix} 2 \\ -1 \\ 3 \end{pmatrix} et v→(14−2)\overrightarrow{v}\begin{pmatrix} 1 \\ 4 \\ -2 \end{pmatrix} :

u→⋅v→=2×1+(−1)×4+3×(−2)=2−4−6=−8\overrightarrow{u}\cdot\overrightarrow{v} = 2\times 1 + (-1)\times 4 + 3\times(-2) = 2 - 4 - 6 = -8

### Définition géométrique

On peut aussi exprimer le produit scalaire à l'aide des normes et de l'angle géométrique formé par les deux vecteurs :

u→⋅v→=∥u→∥×∥v→∥×cos⁡(u→,v→)\overrightarrow{u}\cdot\overrightarrow{v} = \|\overrightarrow{u}\|\times\|\overrightarrow{v}\|\times\cos(\overrightarrow{u},\overrightarrow{v})

Cette formule reste valable dans l'espace, car deux vecteurs non nuls définissent toujours un plan dans lequel on peut mesurer leur angle.

> Théorème (caractérisation de l'orthogonalité) :
> Deux vecteurs u→\overrightarrow{u} et v→\overrightarrow{v} sont orthogonaux si et seulement si :
>

u→⋅v→=0\overrightarrow{u}\cdot\overrightarrow{v} = 0

En effet, si u→\overrightarrow{u} et v→\overrightarrow{v} sont non nuls et orthogonaux, alors (u→,v→)=90°(\overrightarrow{u},\overrightarrow{v}) = 90° donc cos⁡(u→,v→)=0\cos(\overrightarrow{u},\overrightarrow{v}) = 0, d'où u→⋅v→=0\overrightarrow{u}\cdot\overrightarrow{v}=0. La réciproque se démontre de la même façon.

Exemple : u→(12−3)\overrightarrow{u}\begin{pmatrix} 1 \\ 2 \\ -3 \end{pmatrix} et v→(412)\overrightarrow{v}\begin{pmatrix} 4 \\ 1 \\ 2 \end{pmatrix} : on calcule u→⋅v→=1×4+2×1−3×2=4+2−6=0\overrightarrow{u}\cdot\overrightarrow{v} = 1\times4 + 2\times1 - 3\times2 = 4+2-6 = 0. Les vecteurs u→\overrightarrow{u} et v→\overrightarrow{v} sont donc orthogonaux.

### Propriétés algébriques

Pour tous vecteurs u→\overrightarrow{u}, v→\overrightarrow{v}, w→\overrightarrow{w} de l'espace et tout réel kk :

> - Symétrie : u→⋅v→=v→⋅u→\overrightarrow{u}\cdot\overrightarrow{v} = \overrightarrow{v}\cdot\overrightarrow{u}
> - Bilinéarité : u→⋅(v→+w→)=u→⋅v→+u→⋅w→\overrightarrow{u}\cdot(\overrightarrow{v}+\overrightarrow{w}) = \overrightarrow{u}\cdot\overrightarrow{v} + \overrightarrow{u}\cdot\overrightarrow{w} et u→⋅(kv→)=k(u→⋅v→)\overrightarrow{u}\cdot(k\overrightarrow{v}) = k(\overrightarrow{u}\cdot\overrightarrow{v})
> - u→⋅u→=∥u→∥2\overrightarrow{u}\cdot\overrightarrow{u} = \|\overrightarrow{u}\|^2

Ces propriétés, identiques à celles vues dans le plan, permettent de développer des expressions comme (u→+v→)⋅(u→−v→)=∥u→∥2−∥v→∥2(\overrightarrow{u}+\overrightarrow{v})\cdot(\overrightarrow{u}-\overrightarrow{v}) = \|\overrightarrow{u}\|^2 - \|\overrightarrow{v}\|^2.

Exercices de la leçon

Exercice 1

On donne u→(3−21)\overrightarrow{u}\begin{pmatrix} 3 \\ -2 \\ 1 \end{pmatrix} et v→(−142)\overrightarrow{v}\begin{pmatrix} -1 \\ 4 \\ 2 \end{pmatrix}. Que vaut u→⋅v→\overrightarrow{u}\cdot\overrightarrow{v} ?

Corrigé

On calcule u→⋅v→=3×(−1)+(−2)×4+1×2=−3−8+2=−9\overrightarrow{u}\cdot\overrightarrow{v} = 3\times(-1) + (-2)\times4 + 1\times2 = -3 -8 + 2 = -9.

Exercice 2

Les vecteurs u→(21−1)\overrightarrow{u}\begin{pmatrix} 2 \\ 1 \\ -1 \end{pmatrix} et v→(1−3−1)\overrightarrow{v}\begin{pmatrix} 1 \\ -3 \\ -1 \end{pmatrix} sont orthogonaux.

Corrigé

On calcule u→⋅v→=2×1+1×(−3)+(−1)×(−1)=2−3+1=0\overrightarrow{u}\cdot\overrightarrow{v} = 2\times1 + 1\times(-3) + (-1)\times(-1) = 2 - 3 + 1 = 0. Le produit scalaire est nul donc les vecteurs sont bien orthogonaux.

Exercice 3

Pour quelle valeur de mm les vecteurs u→(m2−1)\overrightarrow{u}\begin{pmatrix} m \\ 2 \\ -1 \end{pmatrix} et v→(3−14)\overrightarrow{v}\begin{pmatrix} 3 \\ -1 \\ 4 \end{pmatrix} sont-ils orthogonaux ?

Corrigé

On veut u→⋅v→=0\overrightarrow{u}\cdot\overrightarrow{v}=0, soit 3m−2−4=03m - 2 - 4 = 0, donc 3m=63m = 6, soit m=2m=2.

Exercice 4

Dans un repère orthonormé, on donne les points A(1 ; 0 ; 2)A(1\,;\,0\,;\,2), B(3 ; 1 ; 1)B(3\,;\,1\,;\,1) et C(2 ; 0 ; 4)C(2\,;\,0\,;\,4). Montrer que le triangle ABCABC est rectangle en AA.

Corrigé

Il faut calculer les coordonnées de AB→\overrightarrow{AB} et AC→\overrightarrow{AC}, puis montrer que leur produit scalaire est nul.

Exercice 5

Soit u→\overrightarrow{u} et v→\overrightarrow{v} deux vecteurs de l'espace tels que ∥u→∥=3\|\overrightarrow{u}\|=3, ∥v→∥=5\|\overrightarrow{v}\|=5 et (u→,v→)=120°(\overrightarrow{u},\overrightarrow{v})=120°. Calculer u→⋅v→\overrightarrow{u}\cdot\overrightarrow{v}, puis ∥u→+v→∥\|\overrightarrow{u}+\overrightarrow{v}\|.

Corrigé

On utilise la formule géométrique du produit scalaire, puis on développe ∥u→+v→∥2=(u→+v→)⋅(u→+v→)\|\overrightarrow{u}+\overrightarrow{v}\|^2 = (\overrightarrow{u}+\overrightarrow{v})\cdot(\overrightarrow{u}+\overrightarrow{v}) à l'aide de la bilinéarité.

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