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Chapitre 9 · Cours écrit

Orthogonalité et distances

Au chapitre 3, les vecteurs de l'espace ont servi à parler d'alignement, de parallélisme et de coplanarité. Il manquait les longueurs, les angles et l'angle droit. C'est le rôle du produit scalaire, que tu connais dans le plan depuis la Première : il passe dans l'espace avec les mêmes règles de calcul. Il permet de démontrer des orthogonalités, de calculer des angles et des distances, puis des aires et des volumes. Les représentations paramétriques de droites et les équations de plans viennent au chapitre 10.

La figure de référence. Comme au chapitre 3, ABCDEFGHABCDEFGH désigne un cube : ABCDABCD est la face du bas, et EE, FF, GG, HH sont au-dessus de AA, BB, CC, DD. Sauf mention contraire, son arête vaut 11. Ses faces sont des carrés : deux arêtes issues d'un même sommet sont perpendiculaires.

Leçon 1 : Produit scalaire dans l'espace

Voir la vidéo de la leçon 1

1.1 Rappels de Première (dans le plan)

Pour deux vecteurs u⃗\vec{u} et v⃗\vec{v} du plan, le produit scalaire u⃗⋅v⃗\vec{u} \cdot \vec{v} se calcule :

  • avec un angle : si u⃗\vec{u} et v⃗\vec{v} sont non nuls, u⃗⋅v⃗=∥u⃗∥×∥v⃗∥×cos⁡θ\vec{u} \cdot \vec{v} = \lVert\vec{u}\rVert \times \lVert\vec{v}\rVert \times \cos\theta, où θ\theta est l'angle géométrique entre les deux vecteurs ;
  • avec une projection : AB→⋅AC→=AB→⋅AH→\overrightarrow{AB} \cdot \overrightarrow{AC} = \overrightarrow{AB} \cdot \overrightarrow{AH}, où HH est le projeté orthogonal de CC sur la droite (AB)(AB). Si AH→\overrightarrow{AH} a le même sens que AB→\overrightarrow{AB}, c'est AB×AHAB \times AH ; sinon, c'est −AB×AH-AB \times AH ;
  • avec les normes : u⃗⋅v⃗=12(∥u⃗+v⃗∥2−∥u⃗∥2−∥v⃗∥2)\vec{u} \cdot \vec{v} = \dfrac12\left(\lVert\vec{u} + \vec{v}\rVert^2 - \lVert\vec{u}\rVert^2 - \lVert\vec{v}\rVert^2\right).

1.2 Définition dans l'espace

Soit u⃗\vec{u} et v⃗\vec{v} deux vecteurs de l'espace. On choisit un point AA, puis les points BB et CC tels que AB→=u⃗\overrightarrow{AB} = \vec{u} et AC→=v⃗\overrightarrow{AC} = \vec{v}. Les trois points AA, BB, CC sont toujours dans un même plan (au moins un).

Définition. Le produit scalaire de u⃗\vec{u} et v⃗\vec{v}, noté u⃗⋅v⃗\vec{u} \cdot \vec{v}, est le produit scalaire AB→⋅AC→\overrightarrow{AB} \cdot \overrightarrow{AC} calculé dans un plan qui contient AA, BB et CC. Le résultat ne dépend ni du point AA ni du plan choisi (admis).

Ainsi, toutes les formules de Première restent vraies dans l'espace : formule avec le cosinus, formule avec la projection, formule avec les normes. En particulier, u⃗⋅u⃗=∥u⃗∥2\vec{u} \cdot \vec{u} = \lVert\vec{u}\rVert^2, et si l'un des deux vecteurs est nul, u⃗⋅v⃗=0\vec{u} \cdot \vec{v} = 0.

Exemple 1. Dans le cube, calculer AB→⋅AC→\overrightarrow{AB} \cdot \overrightarrow{AC}.

Les points AA, BB, CC sont dans la face ABCDABCD, qui est un carré. Le projeté orthogonal de CC sur la droite (AB)(AB) est BB. Donc AB→⋅AC→=AB→⋅AB→=AB2=1\overrightarrow{AB} \cdot \overrightarrow{AC} = \overrightarrow{AB} \cdot \overrightarrow{AB} = AB^2 = 1.

1.3 Propriétés de calcul

Propriétés (admises). Pour tous vecteurs u⃗\vec{u}, v⃗\vec{v}, w⃗\vec{w} de l'espace et tout réel kk :

  • symétrie : u⃗⋅v⃗=v⃗⋅u⃗\vec{u} \cdot \vec{v} = \vec{v} \cdot \vec{u} ;
  • bilinéarité : u⃗⋅(v⃗+w⃗)=u⃗⋅v⃗+u⃗⋅w⃗\vec{u} \cdot \left(\vec{v} + \vec{w}\right) = \vec{u} \cdot \vec{v} + \vec{u} \cdot \vec{w} et (ku⃗)⋅v⃗=k(u⃗⋅v⃗)\left(k\vec{u}\right) \cdot \vec{v} = k\left(\vec{u} \cdot \vec{v}\right) ;
  • carré scalaire : u⃗⋅u⃗=∥u⃗∥2\vec{u} \cdot \vec{u} = \lVert\vec{u}\rVert^2.

La bilinéarité permet de développer comme un produit de nombres. La leçon 2 montre que ces propriétés se lisent aussi sur les coordonnées.

Exemple 2. Dans le cube, calculer AB→⋅AG→\overrightarrow{AB} \cdot \overrightarrow{AG}.

Par la relation de Chasles, AG→=AB→+BC→+CG→\overrightarrow{AG} = \overrightarrow{AB} + \overrightarrow{BC} + \overrightarrow{CG}. On développe : AB→⋅AG→=AB2+AB→⋅BC→+AB→⋅CG→.\overrightarrow{AB} \cdot \overrightarrow{AG} = AB^2 + \overrightarrow{AB} \cdot \overrightarrow{BC} + \overrightarrow{AB} \cdot \overrightarrow{CG}. La face ABCDABCD est un carré, donc AB→⋅BC→=0\overrightarrow{AB} \cdot \overrightarrow{BC} = 0. De plus CG→=BF→\overrightarrow{CG} = \overrightarrow{BF}, et AB→⋅BF→=0\overrightarrow{AB} \cdot \overrightarrow{BF} = 0 car la face ABFEABFE est un carré. Donc AB→⋅AG→=1\overrightarrow{AB} \cdot \overrightarrow{AG} = 1.

Exemple 3. Soit u⃗\vec{u} et v⃗\vec{v} tels que ∥u⃗∥=3\lVert\vec{u}\rVert = 3, ∥v⃗∥=2\lVert\vec{v}\rVert = 2 et u⃗⋅v⃗=−1\vec{u} \cdot \vec{v} = -1. Calculer (2u⃗+v⃗)⋅(u⃗−3v⃗)\left(2\vec{u} + \vec{v}\right) \cdot \left(\vec{u} - 3\vec{v}\right).

On développe : 2 u⃗⋅u⃗−6 u⃗⋅v⃗+v⃗⋅u⃗−3 v⃗⋅v⃗=2×9−6×(−1)+(−1)−3×4=18+6−1−12=112\,\vec{u} \cdot \vec{u} - 6\,\vec{u} \cdot \vec{v} + \vec{v} \cdot \vec{u} - 3\,\vec{v} \cdot \vec{v} = 2 \times 9 - 6 \times (-1) + (-1) - 3 \times 4 = 18 + 6 - 1 - 12 = 11.

1.4 Orthogonalité de deux vecteurs

Définition. Deux vecteurs non nuls u⃗=AB→\vec{u} = \overrightarrow{AB} et v⃗=AC→\vec{v} = \overrightarrow{AC} sont orthogonaux si les droites (AB)(AB) et (AC)(AC) sont perpendiculaires. Par convention, le vecteur nul est orthogonal à tout vecteur. On note u⃗⊥v⃗\vec{u} \perp \vec{v}.

Caractérisation. u⃗\vec{u} et v⃗\vec{v} sont orthogonaux si et seulement si u⃗⋅v⃗=0\vec{u} \cdot \vec{v} = 0.

Pourquoi ? Dans un plan qui contient AA, BB et CC, c'est la caractérisation vue en Première.

Exemple 4. Dans le cube, montrer que BD→\overrightarrow{BD} et AE→\overrightarrow{AE} sont orthogonaux.

BD→=BA→+AD→\overrightarrow{BD} = \overrightarrow{BA} + \overrightarrow{AD}, donc BD→⋅AE→=BA→⋅AE→+AD→⋅AE→=0+0=0\overrightarrow{BD} \cdot \overrightarrow{AE} = \overrightarrow{BA} \cdot \overrightarrow{AE} + \overrightarrow{AD} \cdot \overrightarrow{AE} = 0 + 0 = 0, car les faces ABFEABFE et ADHEADHE sont des carrés. Les vecteurs sont orthogonaux, alors que les droites (BD)(BD) et (AE)(AE) ne se coupent pas : dans l'espace, l'orthogonalité ne demande pas que les droites soient sécantes.

Exemple 5 (tétraèdre régulier). ABCDABCD est un tétraèdre régulier d'arête aa : ses six arêtes mesurent aa, et ses quatre faces sont des triangles équilatéraux.

  1. AB→⋅AC→=a×a×cos⁡60°=a22\overrightarrow{AB} \cdot \overrightarrow{AC} = a \times a \times \cos 60° = \dfrac{a^2}{2}. De même, AB→⋅AD→=a22\overrightarrow{AB} \cdot \overrightarrow{AD} = \dfrac{a^2}{2}.
  2. CD→=AD→−AC→\overrightarrow{CD} = \overrightarrow{AD} - \overrightarrow{AC}, donc AB→⋅CD→=AB→⋅AD→−AB→⋅AC→=a22−a22=0\overrightarrow{AB} \cdot \overrightarrow{CD} = \overrightarrow{AB} \cdot \overrightarrow{AD} - \overrightarrow{AB} \cdot \overrightarrow{AC} = \dfrac{a^2}{2} - \dfrac{a^2}{2} = 0.

Les arêtes opposées [AB][AB] et [CD][CD] sont orthogonales.

1.5 Un peu d'histoire

Le programme rappelle qu'en 1839, dans sa théorie des forces et des marées, Grassmann propose des règles de calcul sur les vecteurs de l'espace, dont un « produit linéaire » qui utilise la projection orthogonale : il deviendra notre produit scalaire. Au XIXᵉ siècle, cette notion se construit en même temps que celle de travail d'une force en physique.

Leçon 2 : Base orthonormée, repère orthonormé, coordonnées

Voir la vidéo de la leçon 2

2.1 Définitions

Définition. Une base (ı⃗,ȷ⃗,k⃗)(\vec{\imath}, \vec{\jmath}, \vec{k}) de l'espace est orthonormée si ses vecteurs sont orthogonaux deux à deux et de norme 11 : ı⃗⋅ȷ⃗=ı⃗⋅k⃗=ȷ⃗⋅k⃗=0et∥ı⃗∥=∥ȷ⃗∥=∥k⃗∥=1.\vec{\imath} \cdot \vec{\jmath} = \vec{\imath} \cdot \vec{k} = \vec{\jmath} \cdot \vec{k} = 0 \qquad \text{et} \qquad \lVert\vec{\imath}\rVert = \lVert\vec{\jmath}\rVert = \lVert\vec{k}\rVert = 1. Si OO est un point, (O ;ı⃗,ȷ⃗,k⃗)(O\,;\vec{\imath}, \vec{\jmath}, \vec{k}) est alors un repère orthonormé.

Dans le cube d'arête 11, le repère (A ;AB→,AD→,AE→)(A\,;\overrightarrow{AB}, \overrightarrow{AD}, \overrightarrow{AE}) est orthonormé. On y lit B(1 ;0 ;0)B(1\,;0\,;0), C(1 ;1 ;0)C(1\,;1\,;0), D(0 ;1 ;0)D(0\,;1\,;0), E(0 ;0 ;1)E(0\,;0\,;1), F(1 ;0 ;1)F(1\,;0\,;1), G(1 ;1 ;1)G(1\,;1\,;1), H(0 ;1 ;1)H(0\,;1\,;1).

2.2 Produit scalaire et norme en coordonnées

Propriété. Dans une base orthonormée, si u⃗ (x ;y ;z)\vec{u}\,(x\,;y\,;z) et v⃗ (x′ ;y′ ;z′)\vec{v}\,(x'\,;y'\,;z'), alors u⃗⋅v⃗=xx′+yy′+zz′et∥u⃗∥=x2+y2+z2.\vec{u} \cdot \vec{v} = xx' + yy' + zz' \qquad \text{et} \qquad \lVert\vec{u}\rVert = \sqrt{x^2 + y^2 + z^2}.

Démonstration. u⃗=xı⃗+yȷ⃗+zk⃗\vec{u} = x\vec{\imath} + y\vec{\jmath} + z\vec{k} et v⃗=x′ı⃗+y′ȷ⃗+z′k⃗\vec{v} = x'\vec{\imath} + y'\vec{\jmath} + z'\vec{k}. On développe u⃗⋅v⃗\vec{u} \cdot \vec{v} par bilinéarité : on obtient neuf termes. Les six termes croisés contiennent ı⃗⋅ȷ⃗\vec{\imath} \cdot \vec{\jmath}, ı⃗⋅k⃗\vec{\imath} \cdot \vec{k} ou ȷ⃗⋅k⃗\vec{\jmath} \cdot \vec{k}, qui sont nuls ; les trois autres contiennent ı⃗⋅ı⃗=ȷ⃗⋅ȷ⃗=k⃗⋅k⃗=1\vec{\imath} \cdot \vec{\imath} = \vec{\jmath} \cdot \vec{\jmath} = \vec{k} \cdot \vec{k} = 1. Il reste xx′+yy′+zz′xx' + yy' + zz'. Avec v⃗=u⃗\vec{v} = \vec{u}, on obtient ∥u⃗∥2=x2+y2+z2\lVert\vec{u}\rVert^2 = x^2 + y^2 + z^2.

On retrouve le théorème de Pythagore appliqué deux fois dans un pavé : si M(x ;y ;z)M(x\,;y\,;z) et P(x ;y ;0)P(x\,;y\,;0), alors OP2=x2+y2OP^2 = x^2 + y^2, puis OM2=OP2+PM2=x2+y2+z2OM^2 = OP^2 + PM^2 = x^2 + y^2 + z^2.

2.3 Distance entre deux points

Propriété. Dans un repère orthonormé, la distance entre A(xA ;yA ;zA)A(x_A\,;y_A\,;z_A) et B(xB ;yB ;zB)B(x_B\,;y_B\,;z_B) est AB=∥AB→∥=(xB−xA)2+(yB−yA)2+(zB−zA)2.AB = \lVert\overrightarrow{AB}\rVert = \sqrt{(x_B - x_A)^2 + (y_B - y_A)^2 + (z_B - z_A)^2}.

Exemple 6. Dans un repère orthonormé, u⃗ (2 ;−1 ;3)\vec{u}\,(2\,;-1\,;3) et v⃗ (1 ;5 ;1)\vec{v}\,(1\,;5\,;1).

  • u⃗⋅v⃗=2×1+(−1)×5+3×1=2−5+3=0\vec{u} \cdot \vec{v} = 2 \times 1 + (-1) \times 5 + 3 \times 1 = 2 - 5 + 3 = 0 : les vecteurs sont orthogonaux.
  • ∥u⃗∥=4+1+9=14\lVert\vec{u}\rVert = \sqrt{4 + 1 + 9} = \sqrt{14} et ∥v⃗∥=1+25+1=27=33\lVert\vec{v}\rVert = \sqrt{1 + 25 + 1} = \sqrt{27} = 3\sqrt3.

Exemple 7. A(1 ;2 ;−1)A(1\,;2\,;-1) et B(3 ;−1 ;5)B(3\,;-1\,;5). Alors AB→ (2 ;−3 ;6)\overrightarrow{AB}\,(2\,;-3\,;6) et AB=4+9+36=49=7AB = \sqrt{4 + 9 + 36} = \sqrt{49} = 7. Le milieu de [AB][AB] a pour coordonnées (2 ;12 ;2)\left(2\,;\frac12\,;2\right).

Exemple 8. Dans le cube, AG→ (1 ;1 ;1)\overrightarrow{AG}\,(1\,;1\,;1) donne AG=3AG = \sqrt3 : c'est la longueur d'une grande diagonale. Et BH→ (−1 ;1 ;1)\overrightarrow{BH}\,(-1\,;1\,;1) donne AG→⋅BH→=−1+1+1=1\overrightarrow{AG} \cdot \overrightarrow{BH} = -1 + 1 + 1 = 1.

2.4 Attention : base orthonormée obligatoire

Ces formules sont fausses dans une base qui n'est pas orthonormée. Dans le cube, (AB→,AC→,AE→)(\overrightarrow{AB}, \overrightarrow{AC}, \overrightarrow{AE}) est une base (chapitre 3), dans laquelle AC→\overrightarrow{AC} a pour coordonnées (0 ;1 ;0)(0\,;1\,;0). La formule donnerait une norme égale à 11, alors que AC=2AC = \sqrt2. La base n'est pas orthonormée : AB→⋅AC→=1≠0\overrightarrow{AB} \cdot \overrightarrow{AC} = 1 \neq 0.

Leçon 3 : Développements, polarisation, angles

Voir la vidéo de la leçon 3

3.1 Développer

Propriété. Pour tous vecteurs u⃗\vec{u} et v⃗\vec{v} : ∥u⃗+v⃗∥2=∥u⃗∥2+2 u⃗⋅v⃗+∥v⃗∥2,∥u⃗−v⃗∥2=∥u⃗∥2−2 u⃗⋅v⃗+∥v⃗∥2,\lVert\vec{u} + \vec{v}\rVert^2 = \lVert\vec{u}\rVert^2 + 2\,\vec{u} \cdot \vec{v} + \lVert\vec{v}\rVert^2, \qquad \lVert\vec{u} - \vec{v}\rVert^2 = \lVert\vec{u}\rVert^2 - 2\,\vec{u} \cdot \vec{v} + \lVert\vec{v}\rVert^2, (u⃗+v⃗)⋅(u⃗−v⃗)=∥u⃗∥2−∥v⃗∥2.\left(\vec{u} + \vec{v}\right) \cdot \left(\vec{u} - \vec{v}\right) = \lVert\vec{u}\rVert^2 - \lVert\vec{v}\rVert^2.

Démonstration. ∥u⃗+v⃗∥2=(u⃗+v⃗)⋅(u⃗+v⃗)=u⃗⋅u⃗+u⃗⋅v⃗+v⃗⋅u⃗+v⃗⋅v⃗\lVert\vec{u} + \vec{v}\rVert^2 = \left(\vec{u} + \vec{v}\right) \cdot \left(\vec{u} + \vec{v}\right) = \vec{u} \cdot \vec{u} + \vec{u} \cdot \vec{v} + \vec{v} \cdot \vec{u} + \vec{v} \cdot \vec{v} par bilinéarité, et u⃗⋅v⃗=v⃗⋅u⃗\vec{u} \cdot \vec{v} = \vec{v} \cdot \vec{u} par symétrie. Les deux autres égalités se démontrent de la même façon : ce sont les identités remarquables.

3.2 Formules de polarisation

En isolant u⃗⋅v⃗\vec{u} \cdot \vec{v} dans les égalités précédentes : u⃗⋅v⃗=12(∥u⃗+v⃗∥2−∥u⃗∥2−∥v⃗∥2)=12(∥u⃗∥2+∥v⃗∥2−∥u⃗−v⃗∥2)=14(∥u⃗+v⃗∥2−∥u⃗−v⃗∥2).\vec{u} \cdot \vec{v} = \frac12\left(\lVert\vec{u} + \vec{v}\rVert^2 - \lVert\vec{u}\rVert^2 - \lVert\vec{v}\rVert^2\right) = \frac12\left(\lVert\vec{u}\rVert^2 + \lVert\vec{v}\rVert^2 - \lVert\vec{u} - \vec{v}\rVert^2\right) = \frac14\left(\lVert\vec{u} + \vec{v}\rVert^2 - \lVert\vec{u} - \vec{v}\rVert^2\right). Ces formules de polarisation donnent un produit scalaire à partir de longueurs seulement.

Avec u⃗=AB→\vec{u} = \overrightarrow{AB} et v⃗=AC→\vec{v} = \overrightarrow{AC}, on a u⃗−v⃗=CB→\vec{u} - \vec{v} = \overrightarrow{CB}, d'où AB→⋅AC→=12(AB2+AC2−BC2).\overrightarrow{AB} \cdot \overrightarrow{AC} = \frac12\left(AB^2 + AC^2 - BC^2\right). C'est une autre écriture de la formule d'Al-Kashi de Première : BC2=AB2+AC2−2 AB×AC×cos⁡BAC^BC^2 = AB^2 + AC^2 - 2\,AB \times AC \times \cos\widehat{BAC}.

Exemple 9. Dans le cube, AB=1AB = 1, AG=3AG = \sqrt3 et BG=2BG = \sqrt2 (diagonale de la face BCGFBCGF). Donc AB→⋅AG→=12(1+3−2)=1\overrightarrow{AB} \cdot \overrightarrow{AG} = \dfrac12\left(1 + 3 - 2\right) = 1 : on retrouve l'exemple 2 avec des longueurs seulement.

Exemple 10. ∥u⃗∥=2\lVert\vec{u}\rVert = 2, ∥v⃗∥=3\lVert\vec{v}\rVert = 3 et ∥u⃗+v⃗∥=4\lVert\vec{u} + \vec{v}\rVert = 4. Alors u⃗⋅v⃗=12(16−4−9)=32\vec{u} \cdot \vec{v} = \dfrac12\left(16 - 4 - 9\right) = \dfrac32, puis ∥u⃗−v⃗∥2=4−2×32+9=10\lVert\vec{u} - \vec{v}\rVert^2 = 4 - 2 \times \dfrac32 + 9 = 10, donc ∥u⃗−v⃗∥=10\lVert\vec{u} - \vec{v}\rVert = \sqrt{10}.

3.3 Calculer un angle

Méthode. Si u⃗\vec{u} et v⃗\vec{v} sont non nuls, l'angle géométrique θ\theta entre eux (entre 0°0° et 180°180°) vérifie cos⁡θ=u⃗⋅v⃗∥u⃗∥×∥v⃗∥.\cos\theta = \frac{\vec{u} \cdot \vec{v}}{\lVert\vec{u}\rVert \times \lVert\vec{v}\rVert}. On calcule le produit scalaire et les normes, souvent avec des coordonnées dans un repère orthonormé, puis on trouve θ\theta à la calculatrice.

Exemple 11. Dans le cube, l'angle CAF^\widehat{CAF} : AC→ (1 ;1 ;0)\overrightarrow{AC}\,(1\,;1\,;0) et AF→ (1 ;0 ;1)\overrightarrow{AF}\,(1\,;0\,;1), donc AC→⋅AF→=1\overrightarrow{AC} \cdot \overrightarrow{AF} = 1 et AC=AF=2AC = AF = \sqrt2. Alors cos⁡CAF^=12×2=12\cos\widehat{CAF} = \dfrac{1}{\sqrt2 \times \sqrt2} = \dfrac12 et CAF^=60°\widehat{CAF} = 60°. C'est logique : le triangle ACFACF a pour côtés trois diagonales de faces, il est équilatéral.

Exemple 12. L'angle entre les vecteurs AG→\overrightarrow{AG} et BH→\overrightarrow{BH} (deux grandes diagonales) : cos⁡θ=13×3=13\cos\theta = \dfrac{1}{\sqrt3 \times \sqrt3} = \dfrac13, donc θ≈70,5°\theta \approx 70{,}5°.

Exemple 13. A(1 ;0 ;2)A(1\,;0\,;2), B(3 ;2 ;1)B(3\,;2\,;1) et C(−2 ;0 ;5)C(-2\,;0\,;5). Alors AB→ (2 ;2 ;−1)\overrightarrow{AB}\,(2\,;2\,;-1), AC→ (−3 ;0 ;3)\overrightarrow{AC}\,(-3\,;0\,;3), AB→⋅AC→=−6+0−3=−9\overrightarrow{AB} \cdot \overrightarrow{AC} = -6 + 0 - 3 = -9, AB=3AB = 3 et AC=18=32AC = \sqrt{18} = 3\sqrt2. Donc cos⁡BAC^=−992=−22\cos\widehat{BAC} = \dfrac{-9}{9\sqrt2} = -\dfrac{\sqrt2}{2} et BAC^=135°\widehat{BAC} = 135° : l'angle est obtus, car le produit scalaire est négatif.

Leçon 4 : Orthogonalité de deux droites, d'une droite et d'un plan

Voir la vidéo de la leçon 4

4.1 Droites orthogonales, droites perpendiculaires

Définition. Deux droites dd et d′d', de vecteurs directeurs u⃗\vec{u} et u⃗′\vec{u}', sont orthogonales si u⃗⋅u⃗′=0\vec{u} \cdot \vec{u}' = 0. Cela revient à dire que leurs parallèles menées par un même point sont perpendiculaires.

Deux droites perpendiculaires sont deux droites orthogonales et sécantes (elles sont alors coplanaires).

Exemple 14. Dans le cube :

  • (AB)(AB) et (BF)(BF) sont perpendiculaires : elles se coupent en BB, et la face ABFEABFE est un carré ;
  • (AB)(AB) et (CG)(CG) sont orthogonales, car AB→⋅CG→=AB→⋅BF→=0\overrightarrow{AB} \cdot \overrightarrow{CG} = \overrightarrow{AB} \cdot \overrightarrow{BF} = 0, mais elles ne se coupent pas (elles ne sont même pas coplanaires) : elles ne sont pas perpendiculaires ;
  • piège : (AB)(AB) et (AD)(AD) sont toutes les deux orthogonales à (AE)(AE), mais elles ne sont pas parallèles. Dans l'espace, deux droites orthogonales à une même droite ne sont pas forcément parallèles.

4.2 Droite orthogonale à un plan

Définition. Une droite dd est orthogonale à un plan P\mathcal{P} si elle est orthogonale à toutes les droites de P\mathcal{P}.

Théorème. Une droite est orthogonale à un plan si et seulement si elle est orthogonale à deux droites sécantes de ce plan.

Démonstration. Si dd est orthogonale au plan, elle est orthogonale en particulier à deux droites sécantes de ce plan. Réciproquement, soit w⃗\vec{w} un vecteur directeur de dd, et u⃗\vec{u}, v⃗\vec{v} des vecteurs directeurs de deux droites sécantes du plan : ils ne sont pas colinéaires, et tout vecteur de la direction du plan s'écrit au⃗+bv⃗a\vec{u} + b\vec{v} (chapitre 3). Par bilinéarité, w⃗⋅(au⃗+bv⃗)=a w⃗⋅u⃗+b w⃗⋅v⃗=a×0+b×0=0.\vec{w} \cdot \left(a\vec{u} + b\vec{v}\right) = a\,\vec{w} \cdot \vec{u} + b\,\vec{w} \cdot \vec{v} = a \times 0 + b \times 0 = 0. Donc w⃗\vec{w} est orthogonal à tout vecteur directeur d'une droite du plan.

Conséquence. Si une droite est orthogonale à un plan, elle est orthogonale à toutes les droites de ce plan, même à celles qui ne la coupent pas.

Exemple 15. Dans le cube, (AE)(AE) est orthogonale à (AB)(AB) et à (AD)(AD), deux droites sécantes du plan (ABC)(ABC). Donc (AE)(AE) est orthogonale au plan (ABC)(ABC), et par conséquent à (BD)(BD) et à (AC)(AC).

Exemple 16. Dans le repère (A ;AB→,AD→,AE→)(A\,;\overrightarrow{AB}, \overrightarrow{AD}, \overrightarrow{AE}) : AG→ (1 ;1 ;1)\overrightarrow{AG}\,(1\,;1\,;1), BD→ (−1 ;1 ;0)\overrightarrow{BD}\,(-1\,;1\,;0) et BE→ (−1 ;0 ;1)\overrightarrow{BE}\,(-1\,;0\,;1). On calcule AG→⋅BD→=−1+1+0=0\overrightarrow{AG} \cdot \overrightarrow{BD} = -1 + 1 + 0 = 0 et AG→⋅BE→=−1+0+1=0\overrightarrow{AG} \cdot \overrightarrow{BE} = -1 + 0 + 1 = 0. Les droites (BD)(BD) et (BE)(BE) sont sécantes en BB : la diagonale (AG)(AG) est orthogonale au plan (BDE)(BDE). Elle est donc aussi orthogonale à (DE)(DE).

Exemple 17 (tétraèdre régulier, sans coordonnées). ABCDABCD est un tétraèdre régulier et II le milieu de [CD][CD]. Le triangle ACDACD est équilatéral, donc sa médiane (AI)(AI) est aussi une hauteur : (AI)⊥(CD)(AI) \perp (CD). De même, (BI)⊥(CD)(BI) \perp (CD). La droite (CD)(CD) est orthogonale aux droites sécantes (AI)(AI) et (BI)(BI) du plan (ABI)(ABI) : elle est orthogonale à ce plan, donc à la droite (AB)(AB). On retrouve le résultat de l'exemple 5 : deux arêtes opposées sont orthogonales.

Leçon 5 : Vecteur normal à un plan, plan médiateur

Voir la vidéo de la leçon 5

5.1 Vecteur normal

Définition. Un vecteur n⃗\vec{n} non nul est normal à un plan P\mathcal{P} si sa direction est orthogonale à P\mathcal{P}, c'est-à-dire si n⃗\vec{n} est orthogonal à tous les vecteurs de la direction de P\mathcal{P}.

D'après le théorème de la leçon 4, il suffit que n⃗\vec{n} soit orthogonal à deux vecteurs non colinéaires du plan. Tous les vecteurs normaux à un même plan sont colinéaires (admis).

Exemple 18. Dans le cube :

  • AE→\overrightarrow{AE} est normal au plan (ABC)(ABC) (exemple 15) ;
  • AG→\overrightarrow{AG} est normal au plan (BDE)(BDE) (exemple 16) ;
  • BH→ (−1 ;1 ;1)\overrightarrow{BH}\,(-1\,;1\,;1) est normal au plan (ACF)(ACF) : BH→⋅AC→=−1+1+0=0\overrightarrow{BH} \cdot \overrightarrow{AC} = -1 + 1 + 0 = 0 et BH→⋅AF→=−1+0+1=0\overrightarrow{BH} \cdot \overrightarrow{AF} = -1 + 0 + 1 = 0, avec AC→\overrightarrow{AC} et AF→\overrightarrow{AF} non colinéaires.

5.2 Plan passant par un point et normal à un vecteur

Propriété. Soit AA un point et n⃗\vec{n} un vecteur non nul. L'ensemble des points MM tels que AM→⋅n⃗=0\overrightarrow{AM} \cdot \vec{n} = 0 est le plan P\mathcal{P} passant par AA et normal à n⃗\vec{n}.

Pourquoi ? Soit u⃗\vec{u}, v⃗\vec{v} deux vecteurs non colinéaires de la direction de P\mathcal{P}.

  • Si M∈PM \in \mathcal{P}, le vecteur AM→\overrightarrow{AM} est dans la direction de P\mathcal{P}, donc orthogonal à n⃗\vec{n}.
  • Réciproquement, n⃗\vec{n} n'est pas une combinaison de u⃗\vec{u} et v⃗\vec{v} : sinon, n⃗=au⃗+bv⃗\vec{n} = a\vec{u} + b\vec{v} donnerait n⃗⋅n⃗=a n⃗⋅u⃗+b n⃗⋅v⃗=0\vec{n} \cdot \vec{n} = a\,\vec{n} \cdot \vec{u} + b\,\vec{n} \cdot \vec{v} = 0, ce qui est impossible car n⃗≠0⃗\vec{n} \neq \vec{0}. Donc (u⃗,v⃗,n⃗)(\vec{u}, \vec{v}, \vec{n}) est une base de l'espace (chapitre 3), et AM→=au⃗+bv⃗+cn⃗\overrightarrow{AM} = a\vec{u} + b\vec{v} + c\vec{n}. Si AM→⋅n⃗=0\overrightarrow{AM} \cdot \vec{n} = 0, on obtient c ∥n⃗∥2=0c\,\lVert\vec{n}\rVert^2 = 0, donc c=0c = 0 : AM→=au⃗+bv⃗\overrightarrow{AM} = a\vec{u} + b\vec{v}, et M∈PM \in \mathcal{P}.

Méthode (tester si un point est dans le plan). On calcule AM→⋅n⃗\overrightarrow{AM} \cdot \vec{n} : le point MM est dans P\mathcal{P} si et seulement si ce nombre est nul. Au chapitre 10, cette condition, écrite avec les coordonnées de MM, donnera l'équation cartésienne du plan.

Exemple 19. Le plan P\mathcal{P} passe par A(1 ;0 ;2)A(1\,;0\,;2) et il est normal à n⃗ (2 ;−1 ;3)\vec{n}\,(2\,;-1\,;3).

  • M(3 ;1 ;1)M(3\,;1\,;1) : AM→ (2 ;1 ;−1)\overrightarrow{AM}\,(2\,;1\,;-1) et AM→⋅n⃗=4−1−3=0\overrightarrow{AM} \cdot \vec{n} = 4 - 1 - 3 = 0, donc M∈PM \in \mathcal{P}.
  • N(0 ;2 ;3)N(0\,;2\,;3) : AN→ (−1 ;2 ;1)\overrightarrow{AN}\,(-1\,;2\,;1) et AN→⋅n⃗=−2−2+3=−1≠0\overrightarrow{AN} \cdot \vec{n} = -2 - 2 + 3 = -1 \neq 0, donc N∉PN \notin \mathcal{P}.

5.3 Conséquences

Soit P\mathcal{P} un plan de vecteur normal n⃗\vec{n}, et dd une droite de vecteur directeur w⃗\vec{w}.

  • dd est orthogonale à P\mathcal{P} si et seulement si w⃗\vec{w} et n⃗\vec{n} sont colinéaires.
  • dd est parallèle à P\mathcal{P} (strictement, ou contenue dans P\mathcal{P}) si et seulement si w⃗⋅n⃗=0\vec{w} \cdot \vec{n} = 0, c'est-à-dire si w⃗\vec{w} est dans la direction de P\mathcal{P}.
  • Deux plans sont parallèles si et seulement si leurs vecteurs normaux sont colinéaires.

5.4 Plan médiateur d'un segment

Définition. Soit AA et BB deux points distincts. Le plan médiateur du segment [AB][AB] est l'ensemble des points MM de l'espace tels que MA=MBMA = MB.

Propriété. Le plan médiateur de [AB][AB] est le plan qui passe par le milieu II de [AB][AB] et qui est normal au vecteur AB→\overrightarrow{AB}.

Démonstration. Pour tout point MM, d'après la leçon 3, MA2−MB2=(MA→+MB→)⋅(MA→−MB→).MA^2 - MB^2 = \left(\overrightarrow{MA} + \overrightarrow{MB}\right) \cdot \left(\overrightarrow{MA} - \overrightarrow{MB}\right). Or MA→+MB→=2MI→\overrightarrow{MA} + \overrightarrow{MB} = 2\overrightarrow{MI} (II est le milieu de [AB][AB]) et MA→−MB→=MA→+BM→=BA→\overrightarrow{MA} - \overrightarrow{MB} = \overrightarrow{MA} + \overrightarrow{BM} = \overrightarrow{BA}. Donc MA2−MB2=2MI→⋅BA→=2 IM→⋅AB→MA^2 - MB^2 = 2\overrightarrow{MI} \cdot \overrightarrow{BA} = 2\,\overrightarrow{IM} \cdot \overrightarrow{AB}. Comme MAMA et MBMB sont positifs, MA=MB  ⟺  MA2=MB2  ⟺  IM→⋅AB→=0MA = MB \iff MA^2 = MB^2 \iff \overrightarrow{IM} \cdot \overrightarrow{AB} = 0 : c'est la propriété 5.2 avec le point II et le vecteur AB→\overrightarrow{AB}.

C'est un exemple de lieu géométrique : l'ensemble des points qui vérifient une condition est un plan.

Exemple 20. Dans le cube, AB=AD=1AB = AD = 1, CB=CD=1CB = CD = 1 et EB=ED=2EB = ED = \sqrt2 : les points AA, CC et EE sont dans le plan médiateur de [BD][BD]. Ils ne sont pas alignés, donc ce plan médiateur est le plan (ACE)(ACE) (qui contient aussi GG). En particulier, BD→\overrightarrow{BD} est normal au plan (ACE)(ACE), et (BD)(BD) est orthogonale à (AG)(AG) et à (CE)(CE).

Exemple 21. A(1 ;2 ;−1)A(1\,;2\,;-1) et B(3 ;0 ;3)B(3\,;0\,;3). Le milieu de [AB][AB] est I(2 ;1 ;1)I(2\,;1\,;1) et AB→ (2 ;−2 ;4)\overrightarrow{AB}\,(2\,;-2\,;4). Pour M(3 ;2 ;1)M(3\,;2\,;1) : IM→ (1 ;1 ;0)\overrightarrow{IM}\,(1\,;1\,;0) et IM→⋅AB→=2−2+0=0\overrightarrow{IM} \cdot \overrightarrow{AB} = 2 - 2 + 0 = 0, donc MM est dans le plan médiateur. Vérification : MA2=4+0+4=8MA^2 = 4 + 0 + 4 = 8 et MB2=0+4+4=8MB^2 = 0 + 4 + 4 = 8.

Leçon 6 : Projeté orthogonal, distance d'un point à une droite ou à un plan

Voir la vidéo de la leçon 6

6.1 Définitions

Définition. Soit MM un point.

  • Le projeté orthogonal de MM sur une droite dd est le point HH de dd tel que la droite (MH)(MH) soit perpendiculaire à dd (si M∈dM \in d, H=MH = M).
  • Le projeté orthogonal de MM sur un plan P\mathcal{P} est le point HH de P\mathcal{P} tel que la droite (MH)(MH) soit orthogonale à P\mathcal{P} (si M∈PM \in \mathcal{P}, H=MH = M).

Dans les deux cas, ce point existe et il est unique (admis).

6.2 Le point le plus proche (démonstration du programme)

Théorème. Le projeté orthogonal HH d'un point MM sur un plan P\mathcal{P} est le point de P\mathcal{P} le plus proche de MM.

Démonstration. Soit NN un point quelconque de P\mathcal{P}. On a MN→=MH→+HN→\overrightarrow{MN} = \overrightarrow{MH} + \overrightarrow{HN}, donc MN2=∥MH→+HN→∥2=MH2+2 MH→⋅HN→+HN2.MN^2 = \lVert\overrightarrow{MH} + \overrightarrow{HN}\rVert^2 = MH^2 + 2\,\overrightarrow{MH} \cdot \overrightarrow{HN} + HN^2. Le vecteur HN→\overrightarrow{HN} est dans la direction de P\mathcal{P} (les points HH et NN sont dans P\mathcal{P}), et MH→\overrightarrow{MH} est orthogonal à P\mathcal{P} : donc MH→⋅HN→=0\overrightarrow{MH} \cdot \overrightarrow{HN} = 0. Il reste MN2=MH2+HN2≥MH2,MN^2 = MH^2 + HN^2 \geq MH^2, avec égalité si et seulement si HN=0HN = 0, c'est-à-dire N=HN = H. Comme les longueurs sont positives, MN≥MHMN \geq MH pour tout NN de P\mathcal{P}, avec égalité seulement pour N=HN = H. C'est le théorème de Pythagore dans le triangle MHNMHN, rectangle en HH.

Le même raisonnement montre que le projeté orthogonal de MM sur une droite dd est le point de dd le plus proche de MM.

Définitions. La distance de MM au plan P\mathcal{P} est la longueur MHMH, où HH est le projeté orthogonal de MM sur P\mathcal{P}. De même, la distance de MM à la droite dd est MHMH, où HH est le projeté orthogonal de MM sur dd.

6.3 Trouver le projeté sur une droite

Méthode. Soit dd la droite passant par AA et dirigée par u⃗\vec{u}, et MM un point. Le projeté HH est sur dd, donc AH→=t u⃗\overrightarrow{AH} = t\,\vec{u} pour un réel tt. Comme AM→=AH→+HM→\overrightarrow{AM} = \overrightarrow{AH} + \overrightarrow{HM} et HM→⋅u⃗=0\overrightarrow{HM} \cdot \vec{u} = 0 : AM→⋅u⃗=t ∥u⃗∥2donct=AM→⋅u⃗∥u⃗∥2.\overrightarrow{AM} \cdot \vec{u} = t\,\lVert\vec{u}\rVert^2 \qquad \text{donc} \qquad t = \frac{\overrightarrow{AM} \cdot \vec{u}}{\lVert\vec{u}\rVert^2}. On retrouve la propriété de projection de Première : AM→⋅u⃗=AH→⋅u⃗\overrightarrow{AM} \cdot \vec{u} = \overrightarrow{AH} \cdot \vec{u}.

Exemple 22. Dans le cube, la distance du point BB à la droite (AG)(AG). Ici u⃗=AG→ (1 ;1 ;1)\vec{u} = \overrightarrow{AG}\,(1\,;1\,;1) et AB→ (1 ;0 ;0)\overrightarrow{AB}\,(1\,;0\,;0), donc t=AB→⋅AG→AG2=13t = \dfrac{\overrightarrow{AB} \cdot \overrightarrow{AG}}{AG^2} = \dfrac13. Le projeté de BB est le point KK tel que AK→=13AG→\overrightarrow{AK} = \dfrac13\overrightarrow{AG}, c'est-à-dire K(13 ;13 ;13)K\left(\frac13\,;\frac13\,;\frac13\right). Alors BK→(−23 ;13 ;13)\overrightarrow{BK}\left(-\frac23\,;\frac13\,;\frac13\right), BK2=49+19+19=23BK^2 = \dfrac49 + \dfrac19 + \dfrac19 = \dfrac23, et la distance de BB à (AG)(AG) vaut BK=23=63≈0,82BK = \sqrt{\dfrac23} = \dfrac{\sqrt6}{3} \approx 0{,}82.

Exemple 23. Dans le cube, la distance du point AA au plan (BDE)(BDE). Au chapitre 3, on a montré que le point KK de l'exemple 22 est dans le plan (BDE)(BDE). D'après l'exemple 16, (AG)(AG) est orthogonale à (BDE)(BDE), et KK est sur (AG)(AG). Donc KK est le projeté orthogonal de AA sur (BDE)(BDE), et d(A,(BDE))=AK=13AG=33≈0,58.d\left(A, (BDE)\right) = AK = \frac13 AG = \frac{\sqrt3}{3} \approx 0{,}58.

Exemple 24. La droite dd passe par A(1 ;0 ;2)A(1\,;0\,;2) et elle est dirigée par u⃗ (2 ;1 ;−2)\vec{u}\,(2\,;1\,;-2). Soit M(4 ;3 ;2)M(4\,;3\,;2). Alors AM→ (3 ;3 ;0)\overrightarrow{AM}\,(3\,;3\,;0), AM→⋅u⃗=6+3+0=9\overrightarrow{AM} \cdot \vec{u} = 6 + 3 + 0 = 9 et ∥u⃗∥2=9\lVert\vec{u}\rVert^2 = 9, donc t=1t = 1 et H=A+u⃗H = A + \vec{u}, soit H(3 ;1 ;0)H(3\,;1\,;0). Vérification : MH→ (−1 ;−2 ;−2)\overrightarrow{MH}\,(-1\,;-2\,;-2) et MH→⋅u⃗=−2−2+4=0\overrightarrow{MH} \cdot \vec{u} = -2 - 2 + 4 = 0. La distance de MM à dd est MH=1+4+4=3MH = \sqrt{1 + 4 + 4} = 3.

Pour un plan, le projeté se trouve dans ce chapitre sur des figures où l'on peut deviner le point HH puis le vérifier : HH est dans le plan, et MH→\overrightarrow{MH} est orthogonal à deux vecteurs non colinéaires du plan. Le calcul systématique des coordonnées du projeté sur un plan donné par une équation est au chapitre 10.

Leçon 7 : Problèmes de longueurs, d'angles, d'aires et de volumes

Voir la vidéo de la leçon 7

7.1 Les outils

  • Longueur : AB=(xB−xA)2+(yB−yA)2+(zB−zA)2AB = \sqrt{(x_B - x_A)^2 + (y_B - y_A)^2 + (z_B - z_A)^2} dans un repère orthonormé.
  • Angle : cos⁡BAC^=AB→⋅AC→AB×AC\cos\widehat{BAC} = \dfrac{\overrightarrow{AB} \cdot \overrightarrow{AC}}{AB \times AC}.
  • Aire d'un triangle : 12×base×hauteur\dfrac12 \times \text{base} \times \text{hauteur}. La hauteur issue de CC est CHCH, où HH est le projeté orthogonal de CC sur la droite (AB)(AB). On peut aussi utiliser 12×AB×AC×sin⁡BAC^\dfrac12 \times AB \times AC \times \sin\widehat{BAC}.
  • Volume d'un tétraèdre (d'une pyramide) : V=13×B×hV = \dfrac13 \times \mathcal{B} \times h, où B\mathcal{B} est l'aire d'une base et hh la hauteur correspondante, c'est-à-dire la distance du sommet opposé au plan de la base.

Méthode (distance d'un point à un plan par les volumes). On calcule le volume d'un tétraèdre avec une base « facile », puis on écrit le même volume avec la base contenue dans le plan cherché : V=13×B′×dV = \dfrac13 \times \mathcal{B}' \times d, donc d=3VB′d = \dfrac{3V}{\mathcal{B}'}. On obtient la distance sans chercher le projeté.

Exemple 25. Dans un repère orthonormé, OO est l'origine, A(4 ;0 ;0)A(4\,;0\,;0), B(0 ;4 ;0)B(0\,;4\,;0) et C(0 ;0 ;2)C(0\,;0\,;2). Le tétraèdre OABCOABC a trois faces rectangles en OO.

  1. Angle. CA→ (4 ;0 ;−2)\overrightarrow{CA}\,(4\,;0\,;-2) et CB→ (0 ;4 ;−2)\overrightarrow{CB}\,(0\,;4\,;-2), donc CA→⋅CB→=0+0+4=4\overrightarrow{CA} \cdot \overrightarrow{CB} = 0 + 0 + 4 = 4 et CA=CB=20CA = CB = \sqrt{20}. Alors cos⁡ACB^=420=15\cos\widehat{ACB} = \dfrac{4}{20} = \dfrac15 et ACB^≈78,5°\widehat{ACB} \approx 78{,}5°.
  2. Aire. Le triangle ABCABC est isocèle en CC. Soit HH le milieu de [AB][AB] : H(2 ;2 ;0)H(2\,;2\,;0), CH→ (2 ;2 ;−2)\overrightarrow{CH}\,(2\,;2\,;-2) et AB→ (−4 ;4 ;0)\overrightarrow{AB}\,(-4\,;4\,;0), d'où CH→⋅AB→=−8+8+0=0\overrightarrow{CH} \cdot \overrightarrow{AB} = -8 + 8 + 0 = 0. Donc HH est le projeté orthogonal de CC sur (AB)(AB), et [CH][CH] est une hauteur. Avec CH=12=23CH = \sqrt{12} = 2\sqrt3 et AB=32=42AB = \sqrt{32} = 4\sqrt2, l'aire vaut 12×42×23=46≈9,8\dfrac12 \times 4\sqrt2 \times 2\sqrt3 = 4\sqrt6 \approx 9{,}8.
  3. Volume. La base OABOAB est un triangle rectangle en OO, d'aire 12×4×4=8\dfrac12 \times 4 \times 4 = 8. La droite (OC)(OC) est orthogonale à (OA)(OA) et à (OB)(OB), donc au plan (OAB)(OAB) : la hauteur est OC=2OC = 2. Donc V=13×8×2=163V = \dfrac13 \times 8 \times 2 = \dfrac{16}{3}.
  4. Distance de OO au plan (ABC)(ABC). Si H′H' est le projeté orthogonal de OO sur (ABC)(ABC), alors V=13×AABC×OH′V = \dfrac13 \times \mathcal{A}_{ABC} \times OH', donc OH′=3VAABC=1646=263≈1,63OH' = \dfrac{3V}{\mathcal{A}_{ABC}} = \dfrac{16}{4\sqrt6} = \dfrac{2\sqrt6}{3} \approx 1{,}63.

Exemple 26. Dans le cube, le tétraèdre ABDEABDE a pour base le triangle ABDABD, rectangle en AA, d'aire 12\dfrac12, et pour hauteur AE=1AE = 1 : son volume vaut 13×12×1=16\dfrac13 \times \dfrac12 \times 1 = \dfrac16. Le triangle BDEBDE est équilatéral de côté 2\sqrt2 ; son aire vaut 34×(2)2=32\dfrac{\sqrt3}{4} \times \left(\sqrt2\right)^2 = \dfrac{\sqrt3}{2}. Donc d(A,(BDE))=3×1632=13=33,d\left(A, (BDE)\right) = \frac{3 \times \frac16}{\frac{\sqrt3}{2}} = \frac{1}{\sqrt3} = \frac{\sqrt3}{3}, le même résultat que dans l'exemple 23, obtenu cette fois sans chercher le projeté.

Ce qu'il faut retenir du chapitre

  1. Le produit scalaire de deux vecteurs de l'espace se calcule dans un plan qui les contient : les formules de Première restent vraies. Il est symétrique et bilinéaire, et u⃗⋅u⃗=∥u⃗∥2\vec{u} \cdot \vec{u} = \lVert\vec{u}\rVert^2.
  2. u⃗⊥v⃗  ⟺  u⃗⋅v⃗=0\vec{u} \perp \vec{v} \iff \vec{u} \cdot \vec{v} = 0. Deux droites orthogonales ne se coupent pas forcément ; perpendiculaires = orthogonales et sécantes.
  3. Dans une base orthonormée : u⃗⋅v⃗=xx′+yy′+zz′\vec{u} \cdot \vec{v} = xx' + yy' + zz', ∥u⃗∥=x2+y2+z2\lVert\vec{u}\rVert = \sqrt{x^2 + y^2 + z^2}, et AB=∥AB→∥AB = \lVert\overrightarrow{AB}\rVert. Ces formules ne valent que dans une base orthonormée.
  4. ∥u⃗+v⃗∥2=∥u⃗∥2+2 u⃗⋅v⃗+∥v⃗∥2\lVert\vec{u} + \vec{v}\rVert^2 = \lVert\vec{u}\rVert^2 + 2\,\vec{u} \cdot \vec{v} + \lVert\vec{v}\rVert^2 ; polarisation : AB→⋅AC→=12(AB2+AC2−BC2)\overrightarrow{AB} \cdot \overrightarrow{AC} = \frac12\left(AB^2 + AC^2 - BC^2\right) ; angle : cos⁡θ=u⃗⋅v⃗∥u⃗∥×∥v⃗∥\cos\theta = \dfrac{\vec{u} \cdot \vec{v}}{\lVert\vec{u}\rVert \times \lVert\vec{v}\rVert}.
  5. Une droite est orthogonale à un plan dès qu'elle est orthogonale à deux droites sécantes de ce plan ; elle est alors orthogonale à toutes les droites du plan.
  6. Un vecteur normal n⃗\vec{n} est orthogonal à deux vecteurs non colinéaires du plan. Le plan passant par AA et normal à n⃗\vec{n} est l'ensemble des points MM tels que AM→⋅n⃗=0\overrightarrow{AM} \cdot \vec{n} = 0. Le plan médiateur de [AB][AB] passe par le milieu de [AB][AB] et il est normal à AB→\overrightarrow{AB}.
  7. Le projeté orthogonal HH de MM sur un plan (ou une droite) est le point le plus proche de MM (Pythagore) ; la distance est MHMH. Sur une droite passant par AA dirigée par u⃗\vec{u} : AH→=t u⃗\overrightarrow{AH} = t\,\vec{u} avec t=AM→⋅u⃗∥u⃗∥2t = \dfrac{\overrightarrow{AM} \cdot \vec{u}}{\lVert\vec{u}\rVert^2}.
  8. Volume d'un tétraèdre : 13×B×h\frac13 \times \mathcal{B} \times h. Calculer le même volume de deux façons donne la distance d'un point à un plan.
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