📦Vecteurs et produit scalaire dans l'espace

Cours de mathématiques · Terminale

On passe du plan à l'espace : un vecteur a maintenant trois coordonnées dans un repère (O;i⃗,j⃗,k⃗)(O;\vec{i},\vec{j},\vec{k}). On y retrouve la colinéarité, on découvre la coplanarité, et le produit scalaire se calcule avec trois produits : u⃗⋅v⃗=xx′+yy′+zz′\vec{u}\cdot\vec{v}=xx'+yy'+zz'.

Ce que tu vas savoir faire

  • ✓Lire et calculer les coordonnées d'un vecteur dans l'espace
  • ✓Étudier la colinéarité de deux vecteurs de l'espace
  • ✓Reconnaître trois vecteurs coplanaires
  • ✓Calculer un produit scalaire dans l'espace : xx′+yy′+zz′xx'+yy'+zz'
  • ✓Calculer une norme et tester l'orthogonalité dans l'espace

Vecteurs et repère de l'espace

Règle

Un repère de l'espace est un quadruplet (O;i⃗,j⃗,k⃗)(O;\vec{i},\vec{j},\vec{k}) où OO est un point et i⃗,j⃗,k⃗\vec{i},\vec{j},\vec{k} sont trois vecteurs non coplanaires. Tout vecteur u⃗\vec{u} s'écrit alors de manière unique :

u⃗=x i⃗+y j⃗+z k⃗,\vec{u}=x\,\vec{i}+y\,\vec{j}+z\,\vec{k},

et on note u⃗ (x ; y ; z)\vec{u}\,(x\,;\,y\,;\,z). De même, un point MM a des coordonnées M (x ; y ; z)M\,(x\,;\,y\,;\,z), celles du vecteur OM→\overrightarrow{OM}.

Pour deux points A (xA;yA;zA)A\,(x_A;y_A;z_A) et B (xB;yB;zB)B\,(x_B;y_B;z_B) : AB→ (xB−xA ; yB−yA ; zB−zA).\overrightarrow{AB}\,(x_B-x_A\,;\,y_B-y_A\,;\,z_B-z_A).

Les coordonnées s'ajoutent composante par composante, comme dans le plan, avec une troisième coordonnée.

Méthode

Pour trouver les coordonnées de AB→\overrightarrow{AB} :

  1. Repère A (xA;yA;zA)A\,(x_A;y_A;z_A) et B (xB;yB;zB)B\,(x_B;y_B;z_B).
  2. Calcule « arrivée moins départ » sur chaque coordonnée : xB−xAx_B-x_A, yB−yAy_B-y_A, zB−zAz_B-z_A.
Exemple

Soit A (1 ; 2 ; 3)A\,(1\,;\,2\,;\,3) et B (4 ; 0 ; 5)B\,(4\,;\,0\,;\,5).

AB→ (4−1 ; 0−2 ; 5−3)=(3 ; −2 ; 2).\overrightarrow{AB}\,(4-1\,;\,0-2\,;\,5-3)=(3\,;\,-2\,;\,2).

Astuce

🧭 « Arrivée moins départ » : AB→\overrightarrow{AB} part de AA et va vers BB, donc on soustrait les coordonnées de AA (le départ).

Colinéarité de deux vecteurs

Règle

Deux vecteurs u⃗\vec{u} et v⃗\vec{v} sont colinéaires s'il existe un réel kk tel que v⃗=k u⃗\vec{v}=k\,\vec{u} (ou si l'un est nul). Géométriquement, ils ont la même direction (mêmes droites parallèles).

En coordonnées, u⃗ (x;y;z)\vec{u}\,(x;y;z) et v⃗ (x′;y′;z′)\vec{v}\,(x';y';z') sont colinéaires si et seulement si les trois coordonnées sont proportionnelles :

x′x=y′y=z′z=k\dfrac{x'}{x}=\dfrac{y'}{y}=\dfrac{z'}{z}=k

(quand les dénominateurs ne sont pas nuls). De façon générale, on cherche kk tel que x′=kxx'=kx, y′=kyy'=ky, z′=kzz'=kz. Trois points AA, BB, CC sont alignés si AB→\overrightarrow{AB} et AC→\overrightarrow{AC} sont colinéaires.

Méthode

Pour tester la colinéarité de u⃗\vec{u} et v⃗\vec{v} :

  1. Cherche un coefficient kk avec une coordonnée non nulle, par exemple k=x′xk=\dfrac{x'}{x}.
  2. Vérifie que ce même kk marche pour les deux autres coordonnées : y′=kyy'=ky et z′=kzz'=kz.
  3. Si oui ⇒ colinéaires ; sinon ⇒ non colinéaires.
Exemple

u⃗ (1 ; −2 ; 3)\vec{u}\,(1\,;\,-2\,;\,3) et v⃗ (2 ; −4 ; 6)\vec{v}\,(2\,;\,-4\,;\,6).

On essaie k=2k=2 : 2×1=22\times 1=2 ✓, 2×(−2)=−42\times(-2)=-4 ✓, 2×3=62\times 3=6 ✓. Donc v⃗=2u⃗\vec{v}=2\vec{u} : ils sont colinéaires.

Astuce

⚠️ Un seul kk doit convenir pour les trois coordonnées. Si deux marchent mais pas la troisième, ils ne sont PAS colinéaires.

Coplanarité de trois vecteurs

Règle

Trois vecteurs u⃗\vec{u}, v⃗\vec{v}, w⃗\vec{w} sont coplanaires s'ils admettent des représentants situés dans un même plan. Lorsque u⃗\vec{u} et v⃗\vec{v} ne sont pas colinéaires, w⃗\vec{w} est coplanaire avec eux si et seulement s'il existe deux réels aa et bb tels que :

w⃗=a u⃗+b v⃗.\vec{w}=a\,\vec{u}+b\,\vec{v}.

On dit que w⃗\vec{w} est une combinaison linéaire de u⃗\vec{u} et v⃗\vec{v}. De même, quatre points AA, BB, CC, DD sont coplanaires si AD→=a AB→+b AC→\overrightarrow{AD}=a\,\overrightarrow{AB}+b\,\overrightarrow{AC} pour certains réels a,ba,b (avec AB→\overrightarrow{AB}, AC→\overrightarrow{AC} non colinéaires).

Méthode

Pour tester si w⃗\vec{w} est coplanaire avec u⃗\vec{u} et v⃗\vec{v} (non colinéaires) :

  1. Écris le système w⃗=a u⃗+b v⃗\vec{w}=a\,\vec{u}+b\,\vec{v} sur les trois coordonnées.
  2. Résous avec deux équations pour trouver aa et bb.
  3. Vérifie que la troisième équation est aussi satisfaite. Si oui ⇒ coplanaires.
Exemple

u⃗ (1;0;0)\vec{u}\,(1;0;0), v⃗ (0;1;0)\vec{v}\,(0;1;0), w⃗ (2;3;0)\vec{w}\,(2;3;0).

On cherche w⃗=au⃗+bv⃗\vec{w}=a\vec{u}+b\vec{v} : a=2a=2, b=3b=3, et la 3e3^{e} coordonnée donne 0=00=0 ✓. Donc w⃗=2u⃗+3v⃗\vec{w}=2\vec{u}+3\vec{v} : les trois vecteurs sont coplanaires.

Astuce

💡 Si w⃗\vec{w} a une coordonnée non nulle là où u⃗\vec{u} et v⃗\vec{v} sont nuls (ici la 3e3^{e}), c'est souvent le signe qu'il sort du plan ⇒ non coplanaires.

Produit scalaire dans l'espace

Règle

Dans un repère orthonormé (O;i⃗,j⃗,k⃗)(O;\vec{i},\vec{j},\vec{k}), le produit scalaire de u⃗ (x;y;z)\vec{u}\,(x;y;z) et v⃗ (x′;y′;z′)\vec{v}\,(x';y';z') est le nombre réel :

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

On reconnaît la formule du plan, augmentée du terme zz′zz'. Comme dans le plan, le produit scalaire est symétrique (u⃗⋅v⃗=v⃗⋅u⃗\vec{u}\cdot\vec{v}=\vec{v}\cdot\vec{u}), bilinéaire, et on a aussi :

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

où θ\theta est l'angle entre u⃗\vec{u} et v⃗\vec{v}. Le résultat est un scalaire (sans flèche).

Méthode

Pour calculer u⃗⋅v⃗\vec{u}\cdot\vec{v} dans l'espace :

  1. Lis u⃗ (x;y;z)\vec{u}\,(x;y;z) et v⃗ (x′;y′;z′)\vec{v}\,(x';y';z').
  2. Calcule les trois produits xx′xx', yy′yy', zz′zz'.
  3. Additionne ces trois nombres (attention aux signes).
Exemple

u⃗ (1 ; 2 ; 3)\vec{u}\,(1\,;\,2\,;\,3) et v⃗ (2 ; 0 ; −1)\vec{v}\,(2\,;\,0\,;\,-1).

u⃗⋅v⃗=1×2+2×0+3×(−1)=2+0−3=−1.\vec{u}\cdot\vec{v}=1\times 2+2\times 0+3\times(-1)=2+0-3=-1.

(Recalcul : 2+0=22+0=2, puis 2+(−3)=−12+(-3)=-1. ✓)

Astuce

⚠️ N'oublie pas le troisième terme zz′zz' : c'est l'erreur classique du passage plan → espace.

Norme et orthogonalité

Règle

La norme (longueur) d'un vecteur u⃗ (x;y;z)\vec{u}\,(x;y;z) dans un repère orthonormé est :

∥u⃗∥=x2+y2+z2,\|\vec{u}\|=\sqrt{x^{2}+y^{2}+z^{2}},

car ∥u⃗∥2=u⃗⋅u⃗\|\vec{u}\|^{2}=\vec{u}\cdot\vec{u}. La distance entre deux points est AB=∥AB→∥=(xB−xA)2+(yB−yA)2+(zB−zA)2AB=\|\overrightarrow{AB}\|=\sqrt{(x_B-x_A)^2+(y_B-y_A)^2+(z_B-z_A)^2}.

Orthogonalité. Deux vecteurs non nuls sont orthogonaux si et seulement si :

u⃗⋅v⃗=0.\vec{u}\cdot\vec{v}=0.

Le vecteur nul est orthogonal à tout vecteur.

⭐ Pour les curieux — pourquoi ça marche ? D'où sortent ces trois carrés sous la racine ? On applique simplement Pythagore deux fois. Imagine que u⃗ (x;y;z)\vec{u}\,(x;y;z) est la diagonale d'un pavé droit posé dans le repère : son arête au sol mesure x2+y2\sqrt{x^{2}+y^{2}} (Pythagore dans le plan horizontal). Cette diagonale du sol et la hauteur zz forment un nouveau triangle rectangle, dont l'hypoténuse est u⃗\vec{u} : un second Pythagore donne ∥u⃗∥2=(x2+y2)2+z2=x2+y2+z2\|\vec{u}\|^{2}=\big(\sqrt{x^{2}+y^{2}}\big)^{2}+z^{2}=x^{2}+y^{2}+z^{2}. La formule de l'espace, c'est juste Pythagore qui monte d'un étage !

Méthode

Pour tester l'orthogonalité de u⃗\vec{u} et v⃗\vec{v} :

  1. Calcule u⃗⋅v⃗=xx′+yy′+zz′\vec{u}\cdot\vec{v}=xx'+yy'+zz'.
  2. Si le résultat vaut 00 ⇒ ils sont orthogonaux ; sinon, non.

Pour une longueur ABAB : calcule AB→\overrightarrow{AB}, puis x2+y2+z2\sqrt{x^2+y^2+z^2}.

Exemple

u⃗ (1 ; 2 ; −2)\vec{u}\,(1\,;\,2\,;\,-2) et v⃗ (2 ; −1 ; 0)\vec{v}\,(2\,;\,-1\,;\,0).

u⃗⋅v⃗=1×2+2×(−1)+(−2)×0=2−2+0=0.\vec{u}\cdot\vec{v}=1\times 2+2\times(-1)+(-2)\times 0=2-2+0=0.

Donc u⃗\vec{u} et v⃗\vec{v} sont orthogonaux. Par ailleurs ∥u⃗∥=1+4+4=9=3\|\vec{u}\|=\sqrt{1+4+4}=\sqrt{9}=3.

Astuce

🧠 Orthogonal ⇔ produit scalaire nul. C'est le test le plus rapide, bien plus simple que de chercher un angle de 90°90°.

Angle entre deux vecteurs

Règle

Le produit scalaire relie l'angle θ\theta entre deux vecteurs non nuls u⃗\vec{u} et v⃗\vec{v} à leurs normes :

u⃗⋅v⃗=∥u⃗∥ ∥v⃗∥cos⁡θ,d’ouˋcos⁡θ=u⃗⋅v⃗∥u⃗∥ ∥v⃗∥.\vec{u}\cdot\vec{v}=\|\vec{u}\|\,\|\vec{v}\|\cos\theta,\qquad\text{d'où}\qquad \cos\theta=\dfrac{\vec{u}\cdot\vec{v}}{\|\vec{u}\|\,\|\vec{v}\|}.

Le signe du produit scalaire renseigne directement sur l'angle :

∙\bullet u⃗⋅v⃗>0\vec{u}\cdot\vec{v}>0 ⇒ angle aigu (cos⁡θ>0\cos\theta>0) ;

∙\bullet u⃗⋅v⃗=0\vec{u}\cdot\vec{v}=0 ⇒ angle droit (θ=90°\theta=90°) ;

∙\bullet u⃗⋅v⃗<0\vec{u}\cdot\vec{v}<0 ⇒ angle obtus (cos⁡θ<0\cos\theta<0).

Comme −1≤cos⁡θ≤1-1\le\cos\theta\le 1, on a toujours ∣u⃗⋅v⃗∣≤∥u⃗∥ ∥v⃗∥|\vec{u}\cdot\vec{v}|\le\|\vec{u}\|\,\|\vec{v}\| (inégalité de Cauchy-Schwarz).

Méthode

Pour déterminer l'angle entre u⃗\vec{u} et v⃗\vec{v} :

  1. Calcule u⃗⋅v⃗=xx′+yy′+zz′\vec{u}\cdot\vec{v}=xx'+yy'+zz'.
  2. Calcule les normes ∥u⃗∥\|\vec{u}\| et ∥v⃗∥\|\vec{v}\|.
  3. Forme cos⁡θ=u⃗⋅v⃗∥u⃗∥ ∥v⃗∥\cos\theta=\dfrac{\vec{u}\cdot\vec{v}}{\|\vec{u}\|\,\|\vec{v}\|}, puis θ=arccos⁡(… )\theta=\arccos(\dots).
Exemple

u⃗ (1;0;0)\vec{u}\,(1;0;0) et v⃗ (1;1;0)\vec{v}\,(1;1;0).

u⃗⋅v⃗=1\vec{u}\cdot\vec{v}=1, ∥u⃗∥=1\|\vec{u}\|=1, ∥v⃗∥=2\|\vec{v}\|=\sqrt{2}. Donc cos⁡θ=12=22\cos\theta=\dfrac{1}{\sqrt{2}}=\dfrac{\sqrt{2}}{2}, soit θ=45°\theta=45°.

Astuce

💡 Pour savoir si un angle est aigu, droit ou obtus, le signe du produit scalaire suffit : pas besoin de calculer les normes.

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