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Le produit scalaire

Le cours expliqué simplement, les questions que tous les élèves se posent et des exercices type examen national. Programme marocain, gratuit.

📘 Fiche de cours

L'essentiel du cours

Le produit scalaire de deux vecteurs $\vec{u}$ et $\vec{v}$ est le nombre réel noté $\vec{u} \cdot \vec{v}$ défini par :

  • Si $\vec{u}=\vec{0}$ ou $\vec{v}=\vec{0}$, alors $\vec{u} \cdot \vec{v} = 0$.
  • Sinon, $\vec{u} \cdot \vec{v} = |\vec{u}| \times |\vec{v}| \times \cos(\vec{u}, \vec{v})$. Dans un repère orthonormé $(O, \vec{i}, \vec{j})$, si $\vec{u}(x, y)$ et $\vec{v}(x', y')$, alors $\vec{u} \cdot \vec{v} = xx' + yy'$.

Méthodes à maîtriser

  1. Calculer un produit scalaire : Utiliser les coordonnées si elles sont données, ou la formule avec le cosinus si l'angle et les normes sont connus.
  2. Démontrer l'orthogonalité : Montrer que $\vec{u} \cdot \vec{v} = 0$.
  3. Calculer une distance : Utiliser $|\vec{AB}|^2 = \vec{AB} \cdot \vec{AB} = AB^2$.
  4. Al-Kashi : Pour un triangle $ABC$, $BC^2 = AB^2 + AC^2 - 2AB \cdot AC \cos(\widehat{BAC})$.

Exemples corrigés

Exemple 1 : $\vec{u}(2, 3)$ et $\vec{v}(-3, 2)$. $\vec{u} \cdot \vec{v} = (2)(-3) + (3)(2) = -6 + 6 = 0$. Donc $\vec{u} \perp \vec{v}$. Exemple 2 : $|\vec{u}|=2, |\vec{v}|=3$ et $(\vec{u}, \vec{v}) = \frac{\pi}{3}$. $\vec{u} \cdot \vec{v} = 2 \times 3 \times \cos(\frac{\pi}{3}) = 6 \times 0,5 = 3$.

Erreurs fréquentes

  • Confondre le produit scalaire (qui est un nombre) avec le produit de deux vecteurs (qui n'existe pas).
  • Oublier que le résultat peut être négatif.
  • Utiliser la formule des coordonnées dans un repère qui n'est pas orthonormé.

🌉 Jisr : les mots du chapitre FR ⇄ AR

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Défi flash : 4 questions

Sans compte

🎯 Le produit scalaire

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Si $\vec{u} \cdot \vec{v} = 0$, alors :

❓ Questions fréquentes

Est-ce que le produit scalaire peut être négatif ?

Oui, tout à fait. Le signe du produit scalaire dépend du cosinus de l'angle entre les deux vecteurs :

  1. Si l'angle est aigu ($0 \le \theta < \pi/2$), le produit est positif.
  2. Si l'angle est obtus ($\pi/2 < \theta \le \pi$), le produit est négatif.
  3. Si l'angle est droit ($\pi/2$), le produit est nul.

💡 À retenir : Le signe du produit scalaire indique si l'angle est aigu ou obtus.

Kifach n7seb l-produit scalaire ila 3ndi ghir l-adla3 dyal l-moutallat ?

Ila 3ndek l-adla3 dyal l-moutallat $ABC$, khassek tsta3mel l-moubarhana dyal Al-Kashi :

  1. $BC^2 = AB^2 + AC^2 - 2 \vec{AB} \cdot \vec{AC}$.
  2. Donc, $\vec{AB} \cdot \vec{AC} = \frac{AB^2 + AC^2 - BC^2}{2}$.

💡 À retenir : La formule d'Al-Kashi est l'outil principal pour lier les longueurs au produit scalaire.

Est-ce que vec{u} cdot vec{v} = vec{v} cdot vec{u} ?

Oui, le produit scalaire est commutatif. L'ordre des vecteurs ne change pas le résultat final, car la multiplication des nombres réels est commutative.

💡 À retenir : $\vec{u} \cdot \vec{v} = \vec{v} \cdot \vec{u}$ est toujours vrai.

Chno hiya l-3alaqa bin l-isqat w l-produit scalaire ?

Ila kan $H$ l-isqat l-3amoudi dyal $C$ 3la $(AB)$, alors $\vec{AB} \cdot \vec{AC} = \vec{AB} \cdot \vec{AH}$.

  1. Ila kan $\vec{AB}$ w $\vec{AH}$ f nafs l-ittijah, l-produit scalaire = $AB \times AH$.
  2. Ila kanou mota3akissin, l-produit scalaire = $-AB \times AH$.

💡 À retenir : Le produit scalaire est le produit des longueurs (avec signe) après projection.

Est-ce que |vec{u} + vec{v}| = |vec{u}| + |vec{v}| ?

Non, en général c'est faux. La bonne formule est : $|\vec{u} + \vec{v}|^2 = |\vec{u}|^2 + |\vec{v}|^2 + 2\vec{u} \cdot \vec{v}$.

💡 À retenir : La norme d'une somme n'est pas la somme des normes.

Kifach n3ref wach l-moutallat qa'im z-zawiya ?

Bach t3ref wach l-moutallat $ABC$ qa'im z-zawiya f $A$ :

  1. Hseb $\vec{AB} \cdot \vec{AC}$.
  2. Ila lqitiha katساوي 0, ra l-moutallat qa'im f $A$.

💡 À retenir : L'orthogonalité est équivalente à un produit scalaire nul.

Est-ce que (vec{u} cdot vec{v}) cdot vec{w} = vec{u} cdot (vec{v} cdot vec{w}) ?

Non, cette expression n'a aucun sens mathématique.

  1. $\vec{u} \cdot \vec{v}$ est un nombre réel.
  2. On ne peut pas faire le produit scalaire d'un nombre réel avec un vecteur.

💡 À retenir : Le produit scalaire est une opération entre deux vecteurs qui donne un nombre.

Comment calculer la norme d'un vecteur avec ses coordonnées ?

Si $\vec{u}(x, y)$, alors la norme est $|\vec{u}| = \sqrt{x^2 + y^2}$.

💡 À retenir : C'est une application directe du théorème de Pythagore.

Est-ce que le produit scalaire est distributif ?

Oui, le produit scalaire est distributif par rapport à l'addition vectorielle : $\vec{u} \cdot (\vec{v} + \vec{w}) = \vec{u} \cdot \vec{v} + \vec{u} \cdot \vec{w}$.

💡 À retenir : On peut développer comme avec les nombres réels.

Est-ce que vec{u}^2 est toujours positif ?

Oui, $\vec{u}^2 = \vec{u} \cdot \vec{u} = |\vec{u}|^2$. Comme c'est un carré de norme, c'est toujours positif ou nul.

💡 À retenir : $\vec{u}^2 = 0$ si et seulement si $\vec{u} = \vec{0}$.

Pourquoi on utilise le produit scalaire dans l'espace ?

Le produit scalaire permet de calculer des angles et des distances dans l'espace de la même manière que dans le plan.

💡 À retenir : Les propriétés fondamentales restent les mêmes.

Est-ce que le produit scalaire dépend du repère choisi ?

Non, le produit scalaire est une valeur géométrique indépendante du repère. Le choix du repère facilite seulement le calcul.

💡 À retenir : Le résultat est le même quel que soit le repère orthonormé choisi.

✍️ Exercices type examen national

Exercice 1

Soient $A(1, 2)$, $B(3, 4)$ et $C(-1, 6)$ trois points dans un repère orthonormé.

  1. Calculer les coordonnées des vecteurs $\vec{AB}$ et $\vec{AC}$.
  2. Calculer $\vec{AB} \cdot \vec{AC}$.
  3. Que peut-on en déduire pour le triangle $ABC$ ?
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Exercice 2

Soit $ABC$ un triangle tel que $AB=3$, $AC=4$ et $\widehat{BAC} = 60^\circ$. Calculer $BC$.

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Exercice 3

Soient $\vec{u}$ et $\vec{v}$ deux vecteurs tels que $|\vec{u}|=1$, $|\vec{v}|=2$ et $\vec{u} \cdot \vec{v} = -1$. Calculer $|\vec{u} + \vec{v}|$.

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