1Définitions du produit scalaire
Définition — norme et angle. Si et sont deux vecteurs non nuls, leur produit scalaire est le nombre réel
où est l’angle géométrique des deux vecteurs. Si ou , on pose .
Propriété. , noté ; en particulier .
Définition — projection orthogonale. Si est le projeté orthogonal de sur la droite , alors
Définition. Les vecteurs et sont orthogonaux lorsque . Le vecteur nul est orthogonal à tout vecteur ; deux droites sont perpendiculaires si, et seulement si, leurs vecteurs directeurs sont orthogonaux.
Méthode — choisir la bonne méthode. Coordonnées connues expression analytique ; longueurs et angle connus norme et cosinus ; perpendiculaires sur la figure projection ; vecteurs composés Chasles puis règles de calcul.
Figure 1 — Ici et sont de même sens : .
2Règles de calcul
Propriété — symétrie et bilinéarité. Pour tous vecteurs , , et tout réel :
Méthode — dans une figure. Décomposer les vecteurs avec la relation de Chasles sur des vecteurs dont on connaît les normes et les angles, puis développer par bilinéarité : les termes orthogonaux disparaissent.
- ; ; .
- On en déduit : un produit scalaire se calcule avec trois longueurs.
3Expression dans une base orthonormée
Propriété. Dans un repère orthonormé, si et :
En particulier, si et , alors .
Propriété — coordonnées par produits scalaires. Dans la base orthonormée , les coordonnées de sont et .
Méthode — calculer un angle. Écrire , en calculant le produit scalaire et les normes par les coordonnées.
Remarque. Pour deux vecteurs non nuls, le signe du produit scalaire renseigne sur l’angle : si l’angle est aigu, s’il est droit, s’il est obtus.
4Applications aux longueurs et aux lieux de points
Théorème — formule d’Al-Kashi. Dans un triangle , en notant , et :
Idée : . Si , on retrouve le théorème de Pythagore.
Propriété — produit scalaire . Si est le milieu de , alors pour tout point :
Propriété. L’ensemble des points tels que est le cercle de diamètre : c’est l’ensemble des points d’où l’on « voit » sous un angle droit, complété par et .
Remarque. En physique, le travail d’une force constante dont le point d’application se déplace de à est : nul si est orthogonale au déplacement.
Figure 2 — : le triangle est rectangle en .
5Savoir-faire du chapitre
- Calculer un produit scalaire par la méthode adaptée : coordonnées, norme et angle, projection, relation de Chasles.
- Démontrer que deux vecteurs, deux droites ou deux segments sont orthogonaux.
- Calculer une longueur avec Al-Kashi, un angle avec le produit scalaire ; développer .
- Déterminer un ensemble de points défini par (à l’aide du milieu de ).
- Résoudre un problème de géométrie ; calculer le travail d’une force.
6Exemples types
Dans un repère orthonormé, , et . Alors et , donc : le triangle est rectangle en .
est un carré de côté . Alors ; par projection, le projeté orthogonal de sur étant , on retrouve .
Dans un triangle, , et . Alors , donc .
et sont tels que et est le milieu de . L’ensemble des points tels que vérifie , soit : c’est le cercle de centre et de rayon .
- Le produit scalaire est un nombre, pas un vecteur : écrire et non .
- n’entraîne pas ou , et n’entraîne pas : on ne « simplifie » pas par un vecteur.
- Les formules et ne valent que dans un repère orthonormé.
- Dans la projection, le signe dépend du sens : est négatif quand l’angle est obtus.
- Al-Kashi : le double produit porte sur les deux côtés qui encadrent l’angle ; ne pas oublier le signe .