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Mathématiques · 1ère Année Bac — Arts appliqués

Produit scalaire dans le plan

Le cours expliqué simplement, les questions que tous les élèves se posent et des exercices type examen national. Programme marocain, gratuit.

📘 Fiche de cours

L'essentiel du cours

  1. Définition : Le produit scalaire de deux vecteurs $\vec{u}$ et $\vec{v}$ est le nombre réel noté $\vec{u} \cdot \vec{v}$ défini par :
    • Si $\vec{u}=\vec{0}$ ou $\vec{v}=\vec{0}$, alors $\vec{u} \cdot \vec{v} = 0$.
    • Sinon, $\vec{u} \cdot \vec{v} = |\vec{u}| \times |\vec{v}| \times \cos(\vec{u}, \vec{v})$.
  2. Projection : Si $H$ est le projeté orthogonal de $C$ sur $(AB)$, alors $\vec{AB} \cdot \vec{AC} = \vec{AB} \cdot \vec{AH}$.
  3. Coordonnées : Dans un repère orthonormé $(O, \vec{i}, \vec{j})$, si $\vec{u}(x, y)$ et $\vec{v}(x', y')$, alors $\vec{u} \cdot \vec{v} = xx' + yy'$.
  4. Orthogonalité : $\vec{u} \perp \vec{v} \iff \vec{u} \cdot \vec{v} = 0$.
  5. Norme : $|\vec{u}|^2 = \vec{u} \cdot \vec{u} = x^2 + y^2$.

Méthodes à maîtriser

  • Calculer un produit scalaire avec les coordonnées.
  • Utiliser le projeté orthogonal pour simplifier un calcul géométrique.
  • Déterminer une équation cartésienne d'une droite connaissant un point et un vecteur normal.
  • Appliquer la relation d'Al-Kashi pour calculer une longueur dans un triangle quelconque.

Exemples corrigés

  • Calcul : Soient $\vec{u}(2, -3)$ et $\vec{v}(4, 1)$. $\vec{u} \cdot \vec{v} = (2 \times 4) + (-3 \times 1) = 8 - 3 = 5$.
  • Droite : Droite passant par $A(1, 2)$ de vecteur normal $\vec{n}(1, -1)$. Équation : $1(x-1) - 1(y-2) = 0 \implies x - y + 1 = 0$.

Erreurs fréquentes

  • Confondre le produit scalaire (qui est un nombre) avec le produit de deux vecteurs (qui n'existe pas).
  • Oublier que le repère doit être orthonormé pour utiliser la formule $xx' + yy'$.
  • Penser que $\vec{u} \cdot \vec{v} = \vec{v} \cdot \vec{u}$ est faux (c'est pourtant vrai, c'est commutatif !).

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Défi flash : 4 questions

Sans compte

🎯 Produit scalaire dans le plan

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Si $\vec{u} \cdot \vec{v} = 0$, alors :

❓ Questions fréquentes

Est-ce que le produit scalaire peut être négatif ?

Oui, tout à fait. Le signe du produit scalaire dépend du cosinus de l'angle entre les deux vecteurs :

  1. Si l'angle est aigu, le cosinus est positif, donc le produit scalaire est positif.
  2. Si l'angle est obtus, le cosinus est négatif, donc le produit scalaire est négatif.
  3. Si les vecteurs sont orthogonaux, le produit scalaire est nul.

💡 À retenir : Le signe du produit scalaire indique si l'angle est aigu, obtus ou droit.

Kifach n7seb l'produit scalaire ila 3tani ghir l'adla dyal l'moutallat ?

Pour calculer le produit scalaire $\vec{AB} \cdot \vec{AC}$ sans coordonnées, utilise la formule : $\vec{AB} \cdot \vec{AC} = \frac{1}{2} (|\vec{AB}|^2 + |\vec{AC}|^2 - |\vec{BC}|^2)$. C'est une conséquence directe de la relation d'Al-Kashi.

💡 À retenir : Cette formule est très utile quand on connaît les longueurs des trois côtés du triangle.

Est-ce que l'ordre des vecteurs change le résultat ?

Non, le produit scalaire est commutatif : $\vec{u} \cdot \vec{v} = \vec{v} \cdot \vec{u}$. Le résultat est un nombre réel, pas un vecteur.

💡 À retenir : L'ordre n'a aucune importance pour le calcul.

Chno hiya l'relation bin l'produit scalaire o l'mou3adala dyal l'moustakim ?

Une droite peut être définie par un point $A$ et un vecteur normal $\vec{n}(a, b)$. Un point $M(x, y)$ appartient à la droite si et seulement si $\vec{AM} \cdot \vec{n} = 0$. Cela donne l'équation $a(x - x_A) + b(y - y_A) = 0$.

💡 À retenir : Le vecteur normal est perpendiculaire au vecteur directeur de la droite.

Est-ce que |vec{u} + vec{v}| = |vec{u}| + |vec{v}| ?

En général, non. C'est faux. La vraie relation est $|\vec{u} + \vec{v}|^2 = |\vec{u}|^2 + |\vec{v}|^2 + 2\vec{u} \cdot \vec{v}$.

💡 À retenir : La norme d'une somme n'est pas la somme des normes.

Kifach n3ref wach jouj dyal les vecteurs mta3amdin ?

Il suffit de calculer leur produit scalaire :

  1. Si tu as les coordonnées : calcule $xx' + yy'$. Si le résultat est 0, ils sont orthogonaux.
  2. Si tu as les longueurs et l'angle : vérifie si l'angle est de 90°.

💡 À retenir : $\vec{u} \perp \vec{v} \iff \vec{u} \cdot \vec{v} = 0$.

Peut-on utiliser le produit scalaire pour calculer l'aire d'un triangle ?

Oui, indirectement. On sait que l'aire est $\frac{1}{2} \times \text{base} \times \text{hauteur}$. Le produit scalaire permet de trouver la hauteur ou le cosinus de l'angle, ce qui mène à l'aire via la formule $\frac{1}{2} |\vec{AB}| |\vec{AC}| \sin(\widehat{BAC})$.

💡 À retenir : Le produit scalaire donne le cosinus, et on peut passer au sinus avec $\sin^2 + \cos^2 = 1$.

Est-ce que le produit scalaire est associatif ?

Non, l'expression $(\vec{u} \cdot \vec{v}) \cdot \vec{w}$ n'a pas de sens car $(\vec{u} \cdot \vec{v})$ est un nombre, et on ne peut pas faire le produit scalaire d'un nombre par un vecteur.

💡 À retenir : Le produit scalaire s'effectue toujours entre deux vecteurs.

Comment trouver le projeté orthogonal d'un point sur une droite ?

Soit $H$ le projeté de $M$ sur $(D)$.

  1. $H$ appartient à $(D)$.
  2. Le vecteur $\vec{MH}$ est orthogonal au vecteur directeur $\vec{u}$ de la droite.
  3. Résoudre le système formé par ces deux conditions.

💡 À retenir : Le projeté est le point de la droite le plus proche de $M$.

Chno hiya l'fayda dyal l'produit scalaire f l'handassa ?

Il sert à :

  1. Prouver que deux droites sont perpendiculaires.
  2. Calculer des distances.
  3. Déterminer des mesures d'angles.
  4. Trouver des équations de droites.

💡 À retenir : C'est l'outil principal pour lier les longueurs et les angles.

Est-ce que |vec{u} cdot vec{v}| = |vec{u}| |vec{v}| ?

Non, c'est faux. La relation correcte est $|\vec{u} \cdot \vec{v}| = |\vec{u}| |\vec{v}| |\cos(\theta)|$.

💡 À retenir : La valeur absolue du produit scalaire est toujours inférieure ou égale au produit des normes (Inégalité de Cauchy-Schwarz).

Est-ce que je peux utiliser le produit scalaire dans un repère non orthonormé ?

La formule $xx' + yy'$ n'est valable que dans un repère orthonormé. Dans un repère quelconque, il faut utiliser la définition avec les normes et le cosinus, ou les propriétés de linéarité.

💡 À retenir : Vérifie toujours si le repère est orthonormé avant de calculer avec les coordonnées.

✍️ Exercices type examen national

Exercice 1

Soient $A(1, 2)$, $B(3, 1)$ et $C(0, 4)$.

  1. Calculer $\vec{AB} \cdot \vec{AC}$.
  2. Les droites $(AB)$ et $(AC)$ sont-elles perpendiculaires ?
Voir la correction détaillée : inscription gratuite

Exercice 2

Soit $ABC$ un triangle tel que $AB=3$, $AC=4$ et $\widehat{BAC} = 60^\circ$. Calculer $BC$.

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Exercice 3

Déterminer l'équation cartésienne de la droite $(D)$ passant par $A(2, -1)$ et admettant $\vec{n}(3, 2)$ comme vecteur normal.

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