Une page de Wikiversité, la communauté pédagogique libre. Produit scalaire dans l'espace Chapitres Exercices Interwikis On étudie dans cette leçon le produit scalaire dans l'espace euclidien à trois dimensions: définition, expression analytique et applications à la notion de plan: équation cartésienne, distance d'un point à un plan. Objectifs Les objectifs de cette leçon sont: Généraliser aux espaces de dimension 3 les notions sur le produit scalaire vues dans le plan Modifier ces objectifs Niveau et prérequis conseillés Leçon de niveau 13. Les prérequis conseillés sont: Produit scalaire dans le plan Modifier ces prérequis Référents Ces personnes sont prêtes à vous aider concernant cette leçon: Nicostella [ discut] Modifier cette liste
1. Produit scalaire Deux vecteurs de l'espace sont toujours coplanaires (voir chapitre précédent). On peut alors définir le produit scalaire dans l'espace à l'aide de la définition donnée en Première pour deux vecteurs d'un plan. La plupart des propriétés vues en Première seront donc encore valables pour le produit scalaire dans l'espace, en particulier pour tous vecteurs u ⃗ \vec{u} et v ⃗ \vec{v}: u ⃗. v ⃗ = ∣ ∣ u ⃗ ∣ ∣ × ∣ ∣ v ⃗ ∣ ∣ × cos ( u ⃗, v ⃗) \vec{u}. \vec{v}=||\vec{u}||\times ||\vec{v}||\times \cos\left(\vec{u}, \vec{v}\right) u ⃗. v ⃗ = 1 2 ( ∣ ∣ u ⃗ + v ⃗ ∣ ∣ 2 − ∣ ∣ u ⃗ ∣ ∣ 2 − ∣ ∣ v ⃗ ∣ ∣ 2) \vec{u}. \vec{v}=\frac{1}{2} \left(||\vec{u}+\vec{v}||^{2} - ||\vec{u}||^{2} - ||\vec{v}||^{2}\right) u ⃗ 2 = ∣ ∣ u ⃗ ∣ ∣ 2 \vec{u}^{2} = ||\vec{u}||^{2} La notion d' orthogonalité de vecteurs vue en Première est encore valable dans l'espace. Pour tous vecteurs u ⃗ \vec{u} et v ⃗ \vec{v}: u ⃗ \vec{u} et v ⃗ \vec{v} sont orthogonaux ⇔ u ⃗. v ⃗ = 0 \Leftrightarrow \vec{u}. \vec{v}=0.
Si dans un repère orthonormal, : Exemple Soit dans un repère orthonormal A (2; 2; 1), B (2; -2; 1) et C (0; 0; 1). L'une des faces du tétraèdre OABC est un triangle rectangle isocèle, une autre est un triangle isocèle dont l'angle au sommet mesure au degré près, 84°. En effet: Le triangle ABC est donc rectangle et isocèle en C Le triangle AOB est donc isocèle en 0 Pour déterminer la mesure de l'angle, calculons de deux façons différentes le produit scalaire: Remarque On peut aussi vérifier que et que et en déduire que les faces OBC et OAC sont des triangles rectangles en O.
Les principales distinctions concernent les formules faisant intervenir les coordonnées puisque, dans l'espace, chaque vecteur possède trois coordonnées. Propriété L'espace est rapporté à un repère orthonormé ( O; i ⃗, j ⃗, k ⃗) \left(O; \vec{i}, \vec{j}, \vec{k}\right) Soient u ⃗ \vec{u} et v ⃗ \vec{v} deux vecteurs de coordonnées respectives ( x; y; z) \left(x; y; z\right) et ( x ′; y ′; z ′) \left(x^{\prime}; y^{\prime}; z^{\prime}\right) dans ce repère. Alors: u ⃗. v ⃗ = x x ′ + y y ′ + z z ′ \vec{u}. \vec{v} =xx^{\prime}+yy^{\prime}+zz^{\prime} Conséquences ∣ ∣ u ⃗ ∣ ∣ = x 2 + y 2 + z 2 ||\vec{u}|| = \sqrt{x^{2}+y^{2}+z^{2}} A B = ∣ ∣ A B → ∣ ∣ = ( x B − x A) 2 + ( y B − y A) 2 + ( z B − z A) 2 AB=||\overrightarrow{AB}|| = \sqrt{\left(x_{B} - x_{A}\right)^{2}+\left(y_{B} - y_{A}\right)^{2}+\left(z_{B} - z_{A}\right)^{2}} 2. Orthogonalité dans l'espace Définition Deux droites d 1 d_{1} et d 2 d_{2} sont orthogonales si et seulement si il existe une droite qui est à la fois parallèle à d 1 d_{1} et perpendiculaire à d 2 d_{2} d 1 d_{1} et d 2 d_{2} sont orthogonales Remarque Attention à ne pas confondre orthogonales et perpendiculaires.
On munit l'espace d'un repère orthonormé et on considère les vecteurs et. car les vecteurs et sont orthogonaux entre eux et. On a donc la propriété suivante: Exemple: si, dans un repère orthonormé, on considère les vecteurs et alors et. 2 Equation cartésienne d'un plan Remarque: Il existe évidemment une infinité de vecteurs normaux à un plan: ce sont tous les vecteurs colinéaires au vecteur. Propriété: Un vecteur est dit normal à un plan si, et seulement si, il est orthogonal à deux vecteurs non colinéaires de ce plan. Cette propriété va nous permettre d'une part de vérifier facilement qu'un vecteur est normal à un plan et, d'autre part, de déteminer les coordonnées d'un vecteur normal à un plan. La propriété directe découle de la définition. Nous n'allons donc prouver que la réciproque. Soient et deux vecteurs non colinéaires d'un plan, un vecteur de et un vecteur orthogonal à et. Il existe donc deux réels et tels que. Ainsi Le vecteur est donc orthogonal à tous les vecteurs du plan. Il lui est par conséquent orthogonal.
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