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1ère · Produit scalaire

Définition du produit scalaire

Produit scalaire avec les coordonnées

Dans un repère orthonormé, si u(xy)\vec{u}\begin{pmatrix}x\\y\end{pmatrix} et v(xy)\vec{v}\begin{pmatrix}x'\\y'\end{pmatrix} sont deux vecteurs, le produit scalaire de u\vec{u} et v\vec{v}, noté uv\vec{u}\cdot\vec{v}, est le nombre réel défini par :

uv=xx+yy\vec{u}\cdot\vec{v} = xx'+yy'

Exemple

u(32)\vec{u}\begin{pmatrix}3\\-2\end{pmatrix} et v(14)\vec{v}\begin{pmatrix}1\\4\end{pmatrix} :

uv=3×1+(2)×4=38=5\vec{u}\cdot\vec{v} = 3\times1+(-2)\times4 = 3-8=-5

Norme d'un vecteur

La norme de u(xy)\vec{u}\begin{pmatrix}x\\y\end{pmatrix} est :

u=x2+y2\|\vec{u}\| = \sqrt{x^2+y^2}

On remarque que uu=x2+y2=u2\vec{u}\cdot\vec{u} = x^2+y^2 = \|\vec{u}\|^2.

Produit scalaire avec angle et normes

Pour deux vecteurs non nuls u\vec{u} et v\vec{v} formant un angle θ=(u;v^)\theta = (\widehat{\vec{u}\,;\,\vec{v}}) :

uv=u×v×cosθ\vec{u}\cdot\vec{v} = \|\vec{u}\|\times\|\vec{v}\|\times\cos\theta

Exemple

Si u=4\|\vec{u}\|=4, v=5\|\vec{v}\|=5 et l'angle entre eux est θ=60°\theta=60° :

uv=4×5×cos(60°)=20×12=10\vec{u}\cdot\vec{v} = 4\times5\times\cos(60°) = 20\times\dfrac{1}{2}=10

Propriétés du produit scalaire

Le produit scalaire est :
- symétrique : uv=vu\vec{u}\cdot\vec{v} = \vec{v}\cdot\vec{u} ;
- bilinéaire : u(v+w)=uv+uw\vec{u}\cdot(\vec{v}+\vec{w}) = \vec{u}\cdot\vec{v}+\vec{u}\cdot\vec{w}, et (ku)v=k(uv)(k\vec{u})\cdot\vec{v} = k(\vec{u}\cdot\vec{v}) pour tout réel kk ;
- nul si l'un des deux vecteurs est nul.

Attention : le produit scalaire de deux vecteurs est un nombre réel, pas un vecteur !

Exercices de la leçon

Exercice 1

Le produit scalaire de deux vecteurs u\vec{u} et v\vec{v} est :

Corrigé

Le produit scalaire uv\vec{u}\cdot\vec{v} est toujours un nombre réel, contrairement à la somme de vecteurs qui donne un vecteur.

Exercice 2

Le produit scalaire est symétrique : uv=vu\vec{u}\cdot\vec{v} = \vec{v}\cdot\vec{u} pour tous vecteurs u\vec{u}, v\vec{v}.

Corrigé

C'est une propriété de base du produit scalaire, qui se voit immédiatement avec la formule en coordonnées xx+yy=xx+yyxx'+yy'=x'x+y'y.

Exercice 3

Soient u(25)\vec{u}\begin{pmatrix}2\\5\end{pmatrix} et v(13)\vec{v}\begin{pmatrix}-1\\3\end{pmatrix}. Calcule uv\vec{u}\cdot\vec{v}.

Corrigé

uv=2×(1)+5×3=2+15=13\vec{u}\cdot\vec{v} = 2\times(-1)+5\times3 = -2+15=13.

Exercice 4

Calcule uv\vec{u}\cdot\vec{v} sachant que u=6\|\vec{u}\|=6, v=3\|\vec{v}\|=3 et que l'angle entre u\vec{u} et v\vec{v} mesure 120°120°.

Corrigé

On applique directement la formule uvcosθ\|\vec{u}\|\|\vec{v}\|\cos\theta en utilisant la valeur connue cos(120°)=1/2\cos(120°)=-1/2.

Exercice 5

Soient u(43)\vec{u}\begin{pmatrix}4\\-3\end{pmatrix} et v(26)\vec{v}\begin{pmatrix}2\\6\end{pmatrix}. Calcule uv\vec{u}\cdot\vec{v} avec les coordonnées, puis calcule u\|\vec{u}\| et v\|\vec{v}\|, et déduis-en la valeur de cosθ\cos\thetaθ\theta est l'angle entre u\vec{u} et v\vec{v}.

Corrigé

On combine les deux formules du produit scalaire : celle en coordonnées pour calculer uv\vec{u}\cdot\vec{v}, et celle avec angle/normes pour isoler cosθ\cos\theta.

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