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Leçon 2

Produit scalaire par la projection orthogonale

Vidéo 2 : Produit scalaire par la projection orthogonale · 4 min 05 s · sous-titres en français

Le cours écrit

2.1 La définition

Définition. Soit AA, BB, CC trois points, avec A≠BA \neq B, et HH le projeté orthogonal de CC sur la droite (AB)(AB). Le produit scalaire de AB→\overrightarrow{AB} par AC→\overrightarrow{AC}, noté AB→⋅AC→\overrightarrow{AB} \cdot \overrightarrow{AC}, est le nombre :

  • AB→⋅AC→=AB×AH\overrightarrow{AB} \cdot \overrightarrow{AC} = AB \times AH si HH est du même côté de AA que BB ;
  • AB→⋅AC→=−AB×AH\overrightarrow{AB} \cdot \overrightarrow{AC} = -AB \times AH si HH est de l'autre côté de AA ;
  • AB→⋅AC→=0\overrightarrow{AB} \cdot \overrightarrow{AC} = 0 si H=AH = A.

Si AB→\overrightarrow{AB} ou AC→\overrightarrow{AC} est nul, on convient que le produit scalaire vaut 00.

Il se lit « ABAB scalaire ACAC ». On multiplie la longueur de AB→\overrightarrow{AB} par celle de l'ombre de AC→\overrightarrow{AC} sur la droite (AB)(AB), avec un signe qui compare leurs sens.

Exemple 4. Si AB=5AB = 5, AH=3AH = 3 et HH est du côté de BB, alors AB→⋅AC→=15\overrightarrow{AB} \cdot \overrightarrow{AC} = 15. Si AB=5AB = 5, AH=2AH = 2 et HH est de l'autre côté, alors AB→⋅AC→=−10\overrightarrow{AB} \cdot \overrightarrow{AC} = -10.

2.2 Le signe

Faisons tourner CC autour de AA, à distance constante. Tant que l'angle BAC^\widehat{BAC} est aigu, le produit scalaire est positif. Il est nul à l'angle droit. Il est négatif quand l'angle est obtus. Avec AB=5AB = 5 et AC=4AC = 4, il va de 2020, quand CC est sur la demi-droite [AB)[AB), à −20-20, quand CC est à l'opposé.

2.3 Deux vecteurs quelconques

Pour deux vecteurs u⃗\vec{u} et v⃗\vec{v}, on choisit des points AA, BB, CC tels que u⃗=AB→\vec{u} = \overrightarrow{AB} et v⃗=AC→\vec{v} = \overrightarrow{AC}, et on pose u⃗⋅v⃗=AB→⋅AC→\vec{u} \cdot \vec{v} = \overrightarrow{AB} \cdot \overrightarrow{AC}. Le résultat ne dépend pas du point AA choisi : déplacer la figure ne change ni les longueurs ni les sens.

Règle pratique. Pour calculer AB→⋅CD→\overrightarrow{AB} \cdot \overrightarrow{CD}, on projette CC et DD sur (AB)(AB), en C′C' et D′D'. Alors AB→⋅CD→=± AB×C′D′,\overrightarrow{AB} \cdot \overrightarrow{CD} = \pm\, AB \times C'D', avec le signe plus si AB→\overrightarrow{AB} et C′D′→\overrightarrow{C'D'} ont le même sens, et le signe moins sinon.

2.4 Calculs sur un carré

Exemple 5. Soit ABCDABCD un carré de côté 44 et de centre OO.

  • AB→⋅AC→=4×4=16\overrightarrow{AB} \cdot \overrightarrow{AC} = 4 \times 4 = 16, car le projeté de CC sur (AB)(AB) est BB.
  • AB→⋅AD→=0\overrightarrow{AB} \cdot \overrightarrow{AD} = 0, car le projeté de DD est AA.
  • AB→⋅DC→=16\overrightarrow{AB} \cdot \overrightarrow{DC} = 16 : DD se projette en AA, CC en BB, et le sens est le même.
  • AB→⋅CD→=−16\overrightarrow{AB} \cdot \overrightarrow{CD} = -16 : les sens sont contraires.
  • AB→⋅AO→=4×2=8\overrightarrow{AB} \cdot \overrightarrow{AO} = 4 \times 2 = 8, car OO se projette au milieu de [AB][AB].

2.5 Un peu d'histoire

La notion de vecteur était implicite en mécanique depuis Galilée, et elle a mis longtemps à prendre sa forme actuelle. Elle apparait chez Leibniz, au cours de ses recherches sur l'élaboration d'un calcul des variations. Le XIXe siècle voit l'élaboration conjointe de ce qui deviendra le produit scalaire et de la notion de travail en physique.

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Exercices 3 et 4

  • Exercice 3 : dans un carré
  • Exercice 4 : avec un pied de hauteur

Exercices du chapitre (PDF, 195 Ko)

Corrigés

Cherche d'abord les exercices sur ta feuille, puis compare avec le corrigé détaillé.

Corrigés du chapitre (PDF, 167 Ko)

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