➡️Produit scalaire

Cours de mathématiques · Première

Le produit scalaire associe à deux vecteurs un nombre (un scalaire). On le calcule de plusieurs façons : avec les normes et l'angle, avec les coordonnées, ou avec un projeté. C'est l'outil clé pour mesurer angles, longueurs et orthogonalité.

Ce que tu vas savoir faire

  • ✓Calculer un produit scalaire avec les normes et le cosinus de l'angle
  • ✓Calculer un produit scalaire à partir des coordonnées : u⃗⋅v⃗=xx′+yy′\vec{u}\cdot\vec{v}=xx'+yy'
  • ✓Reconnaître le carré scalaire u⃗⋅u⃗=∥u⃗∥2\vec{u}\cdot\vec{u}=\|\vec{u}\|^2
  • ✓Utiliser la symétrie et la bilinéarité du produit scalaire
  • ✓Calculer une norme à partir des coordonnées d'un vecteur

Définition avec les normes et l'angle

Règle

Soient u⃗\vec{u} et v⃗\vec{v} deux vecteurs non nuls, et θ\theta l'angle géométrique qu'ils forment lorsqu'on les place à partir d'un même point. Le produit scalaire de u⃗\vec{u} et v⃗\vec{v} est le nombre réel :

u⃗⋅v⃗=∥u⃗∥×∥v⃗∥×cos⁡θ\vec{u}\cdot\vec{v} = \|\vec{u}\|\times\|\vec{v}\|\times\cos\theta

Par convention, si l'un des vecteurs est nul, u⃗⋅v⃗=0\vec{u}\cdot\vec{v}=0.

Le résultat est un scalaire, jamais un vecteur. Son signe dépend de cos⁡θ\cos\theta :

  • θ\theta aigu (0≤θ<90°0\le\theta<90°) : cos⁡θ>0\cos\theta>0, donc u⃗⋅v⃗>0\vec{u}\cdot\vec{v}>0 ;
  • θ=90°\theta=90° : cos⁡θ=0\cos\theta=0, donc u⃗⋅v⃗=0\vec{u}\cdot\vec{v}=0 ;
  • θ\theta obtus (90°<θ≤180°90°<\theta\le 180°) : cos⁡θ<0\cos\theta<0, donc u⃗⋅v⃗<0\vec{u}\cdot\vec{v}<0.
Méthode

Pour calculer u⃗⋅v⃗\vec{u}\cdot\vec{v} avec cette formule :

  1. Repère les longueurs ∥u⃗∥\|\vec{u}\| et ∥v⃗∥\|\vec{v}\|.
  2. Repère l'angle θ\theta entre les deux vecteurs.
  3. Applique u⃗⋅v⃗=∥u⃗∥ ∥v⃗∥cos⁡θ\vec{u}\cdot\vec{v}=\|\vec{u}\|\,\|\vec{v}\|\cos\theta.
Exemple

∥u⃗∥=2\|\vec{u}\|=2, ∥v⃗∥=3\|\vec{v}\|=3 et θ=60°\theta=60°.

cos⁡60°=12\cos 60°=\dfrac{1}{2}, donc u⃗⋅v⃗=2×3×12=3.\vec{u}\cdot\vec{v}=2\times 3\times\dfrac{1}{2}=3.

Astuce

⚠️ Le produit scalaire est un nombre, pas un vecteur : on n'écrit jamais de flèche sur u⃗⋅v⃗\vec{u}\cdot\vec{v}.

Définition avec les coordonnées

Règle

Dans un repère orthonormé, soit u⃗ (x ; y)\vec{u}\,(x\,;\,y) et v⃗ (x′ ; y′)\vec{v}\,(x'\,;\,y'). Le produit scalaire se calcule très simplement :

u⃗⋅v⃗=x x′+y y′\vec{u}\cdot\vec{v} = x\,x' + y\,y'

On multiplie les abscisses entre elles, les ordonnées entre elles, puis on ajoute. Cette formule est valable uniquement dans un repère orthonormé, et c'est de loin la plus pratique en exercice.

⭐ Pour les curieux — pourquoi ça marche ? Cette jolie formule cache la géométrie. Dans un repère orthonormé, décompose chaque vecteur sur les axes : u⃗=x i⃗+y j⃗\vec{u}=x\,\vec{i}+y\,\vec{j} et v⃗=x′ i⃗+y′ j⃗\vec{v}=x'\,\vec{i}+y'\,\vec{j}. En développant le produit scalaire terme à terme (comme un produit de deux parenthèses), on obtient quatre morceaux ; mais les axes sont perpendiculaires donc i⃗⋅j⃗=0\vec{i}\cdot\vec{j}=0 (les deux termes croisés disparaissent !), et ils sont de longueur 11 donc i⃗⋅i⃗=j⃗⋅j⃗=1\vec{i}\cdot\vec{i}=\vec{j}\cdot\vec{j}=1. Il ne reste que u⃗⋅v⃗=x x′+y y′\vec{u}\cdot\vec{v}=x\,x'+y\,y'. C'est aussi pour ça que la formule exige un repère orthonormé : si les axes n'étaient ni perpendiculaires ni de longueur 11, les termes croisés ne s'effaceraient pas.

Méthode

Pour calculer u⃗⋅v⃗\vec{u}\cdot\vec{v} avec les coordonnées :

  1. Lis les coordonnées u⃗ (x ; y)\vec{u}\,(x\,;\,y) et v⃗ (x′ ; y′)\vec{v}\,(x'\,;\,y').
  2. Calcule le produit des abscisses x x′x\,x'.
  3. Calcule le produit des ordonnées y y′y\,y'.
  4. Additionne : u⃗⋅v⃗=x x′+y y′\vec{u}\cdot\vec{v}=x\,x'+y\,y'.
Exemple

u⃗ (1 ; 2)\vec{u}\,(1\,;\,2) et v⃗ (3 ; −1)\vec{v}\,(3\,;\,-1).

u⃗⋅v⃗=1×3+2×(−1)=3−2=1.\vec{u}\cdot\vec{v}=1\times 3+2\times(-1)=3-2=1.

Le produit scalaire vaut 11 (un nombre positif : l'angle est aigu).

Astuce

Attention aux signes : 2×(−1)=−22\times(-1)=-2, et non +2+2. Une erreur de signe est l'erreur la plus fréquente.

Carré scalaire et norme d'un vecteur

Règle

Le carré scalaire d'un vecteur est son produit scalaire avec lui-même :

u⃗⋅u⃗=∥u⃗∥2\vec{u}\cdot\vec{u} = \|\vec{u}\|^2

En effet, u⃗\vec{u} et u⃗\vec{u} forment un angle nul, donc cos⁡0=1\cos 0=1 et u⃗⋅u⃗=∥u⃗∥ ∥u⃗∥×1=∥u⃗∥2\vec{u}\cdot\vec{u}=\|\vec{u}\|\,\|\vec{u}\|\times 1=\|\vec{u}\|^2. On note souvent u⃗2=∥u⃗∥2\vec{u}^2=\|\vec{u}\|^2.

Conséquence pour calculer une norme dans un repère orthonormé : si u⃗ (x ; y)\vec{u}\,(x\,;\,y), alors u⃗⋅u⃗=x×x+y×y=x2+y2\vec{u}\cdot\vec{u}=x\times x+y\times y=x^2+y^2, d'où

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

Méthode

Pour calculer la norme de u⃗ (x ; y)\vec{u}\,(x\,;\,y) :

  1. Calcule x2x^2 puis y2y^2.
  2. Additionne : x2+y2x^2+y^2.
  3. Prends la racine carrée : ∥u⃗∥=x2+y2\|\vec{u}\|=\sqrt{x^2+y^2}.
Exemple

u⃗ (3 ; 4)\vec{u}\,(3\,;\,4).

∥u⃗∥=32+42=9+16=25=5.\|\vec{u}\|=\sqrt{3^2+4^2}=\sqrt{9+16}=\sqrt{25}=5.

Et on vérifie : u⃗⋅u⃗=32+42=25=52\vec{u}\cdot\vec{u}=3^2+4^2=25=5^2. ✔

Astuce

Le carré scalaire est toujours positif ou nul : ∥u⃗∥2≥0\|\vec{u}\|^2\ge 0. Il vaut 00 seulement si u⃗=0⃗\vec{u}=\vec{0}.

Symétrie et bilinéarité

Règle

Le produit scalaire possède des propriétés de calcul qui ressemblent à celles des nombres.

Symétrie. L'ordre n'a pas d'importance : u⃗⋅v⃗=v⃗⋅u⃗.\vec{u}\cdot\vec{v}=\vec{v}\cdot\vec{u}.

Bilinéarité. Pour tout réel kk et tous vecteurs :

  • (k u⃗)⋅v⃗=k (u⃗⋅v⃗)(k\,\vec{u})\cdot\vec{v}=k\,(\vec{u}\cdot\vec{v}) ;
  • u⃗⋅(v⃗+w⃗)=u⃗⋅v⃗+u⃗⋅w⃗\vec{u}\cdot(\vec{v}+\vec{w})=\vec{u}\cdot\vec{v}+\vec{u}\cdot\vec{w} (distributivité).

Grâce à ces règles, on développe comme avec une identité remarquable : ∥u⃗+v⃗∥2=∥u⃗∥2+2 u⃗⋅v⃗+∥v⃗∥2.\|\vec{u}+\vec{v}\|^2=\|\vec{u}\|^2+2\,\vec{u}\cdot\vec{v}+\|\vec{v}\|^2.

Méthode

Pour développer (u⃗+v⃗)⋅(u⃗+v⃗)(\vec{u}+\vec{v})\cdot(\vec{u}+\vec{v}) :

  1. Distribue comme une double distributivité.
  2. Regroupe : u⃗⋅v⃗=v⃗⋅u⃗\vec{u}\cdot\vec{v}=\vec{v}\cdot\vec{u} (symétrie), donc les deux termes croisés se rassemblent.
  3. Remplace u⃗⋅u⃗\vec{u}\cdot\vec{u} par ∥u⃗∥2\|\vec{u}\|^2.
Exemple

Calcul de ∥u⃗+v⃗∥2\|\vec{u}+\vec{v}\|^2 avec ∥u⃗∥=2\|\vec{u}\|=2, ∥v⃗∥=3\|\vec{v}\|=3 et u⃗⋅v⃗=1\vec{u}\cdot\vec{v}=1 :

∥u⃗+v⃗∥2=22+2×1+32=4+2+9=15.\|\vec{u}+\vec{v}\|^2=2^2+2\times 1+3^2=4+2+9=15.

Astuce

L'identité ∥u⃗+v⃗∥2=∥u⃗∥2+2 u⃗⋅v⃗+∥v⃗∥2\|\vec{u}+\vec{v}\|^2=\|\vec{u}\|^2+2\,\vec{u}\cdot\vec{v}+\|\vec{v}\|^2 permet d'isoler u⃗⋅v⃗\vec{u}\cdot\vec{v} quand on connaît les trois normes.

Produit scalaire avec un projeté orthogonal

Règle

Une autre façon de voir le produit scalaire utilise le projeté orthogonal. Soient u⃗=AB⃗\vec{u}=\vec{AB} et v⃗=AC⃗\vec{v}=\vec{AC}. On note HH le projeté orthogonal de CC sur la droite (AB)(AB).

Alors :

AB⃗⋅AC⃗=AB⃗⋅AH⃗.\vec{AB}\cdot\vec{AC}=\vec{AB}\cdot\vec{AH}.

  • Si AH⃗\vec{AH} est dans le même sens que AB⃗\vec{AB} : AB⃗⋅AC⃗=AB×AH\vec{AB}\cdot\vec{AC}=AB\times AH (produit positif).
  • Si AH⃗\vec{AH} est de sens opposé : AB⃗⋅AC⃗=−AB×AH\vec{AB}\cdot\vec{AC}=-AB\times AH (produit négatif).

Cette vision relie le produit scalaire à une longueur projetée.

⭐ Pour les curieux — pourquoi ça marche ? L'astuce tient en un dessin. Coupe le chemin de AA à CC en deux étapes via le projeté HH : AC⃗=AH⃗+HC⃗\vec{AC}=\vec{AH}+\vec{HC}. Comme HH est le pied de la perpendiculaire, HC⃗\vec{HC} est orthogonal à la droite (AB)(AB), donc AB⃗⋅HC⃗=0\vec{AB}\cdot\vec{HC}=0 : ce bout-là ne compte pour rien dans le produit scalaire. En distribuant, AB⃗⋅AC⃗=AB⃗⋅AH⃗+AB⃗⋅HC⃗=AB⃗⋅AH⃗\vec{AB}\cdot\vec{AC}=\vec{AB}\cdot\vec{AH}+\vec{AB}\cdot\vec{HC}=\vec{AB}\cdot\vec{AH}. Autrement dit, seule l'ombre de AC⃗\vec{AC} portée sur (AB)(AB) compte ; la partie qui s'élève perpendiculairement est invisible pour le produit scalaire.

Méthode

Pour calculer AB⃗⋅AC⃗\vec{AB}\cdot\vec{AC} avec un projeté :

  1. Projette CC orthogonalement sur (AB)(AB) : tu obtiens HH.
  2. Mesure ABAB et AHAH.
  3. Signe : ++ si HH est du côté de BB, −- sinon.
  4. Calcule ± AB×AH\pm\,AB\times AH.
Exemple

Si AB=4AB=4, AH=3AH=3 et HH est du même côté que BB :

AB⃗⋅AC⃗=AB×AH=4×3=12.\vec{AB}\cdot\vec{AC}=AB\times AH=4\times 3=12.

Astuce

Le projeté explique pourquoi un angle obtus donne un produit négatif : HH tombe alors « derrière » AA, du côté opposé à BB.

Tu as lu le cours ? Passe à la pratique.

Un coach IA te guide sans jamais donner la réponse, avec des exercices et des quiz sur ce chapitre. Version d'essai gratuite, sans limite de durée.

S'entraîner avec le coach IA — gratuit