Aller au contenu principal
Première

Produit scalaire — Exercices d'application

1. Définition avec les normes et l’angle

↩ Revoir le cours

Exercice 1 — ⭐

  1. ∥u⃗∥=5\|\vec u\| = 5 et ∥v⃗∥=4\|\vec v\| = 4. Calcule u⃗⋅v⃗\vec u \cdot \vec v lorsque l’angle (u⃗,v⃗)(\vec u, \vec v) mesure : a) π3\dfrac\pi3 ; b) 3π4\dfrac{3\pi}{4} ; c) π2\dfrac\pi2.
  2. ABCABC est un triangle équilatéral de côté 66. Calcule AB→⋅AC→\overrightarrow{AB} \cdot \overrightarrow{AC}, BA→⋅BC→\overrightarrow{BA} \cdot \overrightarrow{BC} et AB→⋅CA→\overrightarrow{AB} \cdot \overrightarrow{CA}.
Voir le corrigé
  1. a) 5×4×12=105 \times 4 \times \dfrac12 = 10 ; b) 20×(−22)=−10220 \times \left(-\dfrac{\sqrt2}{2}\right) = -10\sqrt2 ; c) 20×0=020 \times 0 = 0.
  2. AB→⋅AC→=6×6×cos⁡60°=18\overrightarrow{AB} \cdot \overrightarrow{AC} = 6 \times 6 \times \cos 60° = 18 ; de même BA→⋅BC→=18\overrightarrow{BA} \cdot \overrightarrow{BC} = 18. CA→=−AC→\overrightarrow{CA} = -\overrightarrow{AC}, donc AB→⋅CA→=−AB→⋅AC→=−18\overrightarrow{AB} \cdot \overrightarrow{CA} = -\overrightarrow{AB} \cdot \overrightarrow{AC} = -18.

2. Avec la projection orthogonale

↩ Revoir le cours

Exercice 2 — ⭐⭐

ABCDABCD est un carré de côté 33 et II est le milieu de [BC][BC]. Calcule à l’aide de projections orthogonales :

  1. AB→⋅AI→\overrightarrow{AB} \cdot \overrightarrow{AI}
  2. AD→⋅AI→\overrightarrow{AD} \cdot \overrightarrow{AI}
  3. AB→⋅CI→\overrightarrow{AB} \cdot \overrightarrow{CI}
Voir le corrigé
  1. Le projeté de II sur (AB)(AB) est BB : AB→⋅AI→=AB×AB=9\overrightarrow{AB} \cdot \overrightarrow{AI} = AB \times AB = 9.
  2. Le projeté de II sur (AD)(AD) est le point KK de [AD][AD] tel que AK=BI=1,5AK = BI = 1{,}5 ; AK→\overrightarrow{AK} et AD→\overrightarrow{AD} sont de même sens : AD→⋅AI→=3×1,5=4,5\overrightarrow{AD} \cdot \overrightarrow{AI} = 3 \times 1{,}5 = 4{,}5.
  3. CI→\overrightarrow{CI} est porté par (BC)(BC), perpendiculaire à (AB)(AB) : AB→⋅CI→=0\overrightarrow{AB} \cdot \overrightarrow{CI} = 0.

3. Orthogonalité

↩ Revoir le cours

Exercice 3 — ⭐⭐⭐

ABCDABCD est un carré de côté 33, II est le milieu de [BC][BC] et JJ celui de [CD][CD].

  1. Justifie que AI→=AB→+12AD→\overrightarrow{AI} = \overrightarrow{AB} + \dfrac12\overrightarrow{AD} et BJ→=AD→−12AB→\overrightarrow{BJ} = \overrightarrow{AD} - \dfrac12\overrightarrow{AB}.
  2. Calcule AI→⋅BJ→\overrightarrow{AI} \cdot \overrightarrow{BJ} en développant. Que peut-on en déduire pour les droites (AI)(AI) et (BJ)(BJ) ?
Voir le corrigé
  1. AI→=AB→+BI→=AB→+12BC→=AB→+12AD→\overrightarrow{AI} = \overrightarrow{AB} + \overrightarrow{BI} = \overrightarrow{AB} + \dfrac12\overrightarrow{BC} = \overrightarrow{AB} + \dfrac12\overrightarrow{AD} (car BC→=AD→\overrightarrow{BC} = \overrightarrow{AD}). BJ→=BC→+CJ→=AD→+12CD→=AD→−12AB→\overrightarrow{BJ} = \overrightarrow{BC} + \overrightarrow{CJ} = \overrightarrow{AD} + \dfrac12\overrightarrow{CD} = \overrightarrow{AD} - \dfrac12\overrightarrow{AB} (car CD→=−AB→\overrightarrow{CD} = -\overrightarrow{AB}).
  2. Avec AB→⋅AD→=0\overrightarrow{AB} \cdot \overrightarrow{AD} = 0, AB2=AD2=9AB^2 = AD^2 = 9 : AI→⋅BJ→=AB→⋅AD→−12AB2+12AD2−14AD→⋅AB→=0−4,5+4,5−0=0\overrightarrow{AI} \cdot \overrightarrow{BJ} = \overrightarrow{AB} \cdot \overrightarrow{AD} - \dfrac12 AB^2 + \dfrac12 AD^2 - \dfrac14 \overrightarrow{AD} \cdot \overrightarrow{AB} = 0 - 4{,}5 + 4{,}5 - 0 = 0. Le produit scalaire est nul : les droites (AI)(AI) et (BJ)(BJ) sont perpendiculaires.

4. Propriétés de calcul

↩ Revoir le cours

Exercice 4 — ⭐⭐⭐

On sait que ∥u⃗∥=4\|\vec u\| = 4, ∥v⃗∥=3\|\vec v\| = 3 et ∥u⃗−v⃗∥=13\|\vec u - \vec v\| = \sqrt{13}.

  1. Calcule u⃗⋅v⃗\vec u \cdot \vec v.
  2. Calcule ∥u⃗+v⃗∥\|\vec u + \vec v\|.
  3. Déduis-en une mesure de l’angle (u⃗,v⃗)(\vec u, \vec v).
Voir le corrigé
  1. u⃗⋅v⃗=12(∥u⃗∥2+∥v⃗∥2−∥u⃗−v⃗∥2)=12(16+9−13)=6\vec u \cdot \vec v = \dfrac12\left(\|\vec u\|^2 + \|\vec v\|^2 - \|\vec u - \vec v\|^2\right) = \dfrac12(16 + 9 - 13) = 6.
  2. ∥u⃗+v⃗∥2=16+2×6+9=37\|\vec u + \vec v\|^2 = 16 + 2 \times 6 + 9 = 37, donc ∥u⃗+v⃗∥=37\|\vec u + \vec v\| = \sqrt{37}.
  3. cos⁡(u⃗,v⃗)=u⃗⋅v⃗∥u⃗∥∥v⃗∥=612=12\cos(\vec u, \vec v) = \dfrac{\vec u \cdot \vec v}{\|\vec u\|\|\vec v\|} = \dfrac{6}{12} = \dfrac12 : l’angle mesure 60°60°, soit π3\dfrac\pi3 rad.

5. Formule d’Al-Kashi

↩ Revoir le cours

Exercice 5 — ⭐⭐

  1. Dans le triangle ABCABC, AB=6AB = 6, AC=4AC = 4 et BAC^=120°\widehat{BAC} = 120°. Calcule la valeur exacte de BCBC.
  2. Un triangle a pour côtés 55, 66 et 77. Calcule le cosinus de son plus grand angle. Cet angle est-il aigu ou obtus ?
Voir le corrigé
  1. BC2=36+16−2×6×4×cos⁡120°=52−48×(−12)=52+24=76BC^2 = 36 + 16 - 2 \times 6 \times 4 \times \cos 120° = 52 - 48 \times \left(-\dfrac12\right) = 52 + 24 = 76. BC=76=219BC = \sqrt{76} = 2\sqrt{19}.
  2. Le plus grand angle est opposé au plus grand côté (77) : cos⁡α=52+62−722×5×6=1260=15>0\cos\alpha = \dfrac{5^2 + 6^2 - 7^2}{2 \times 5 \times 6} = \dfrac{12}{60} = \dfrac15 > 0 : l’angle est aigu (donc le triangle a ses trois angles aigus).

Exercice 6 — ⭐⭐⭐

ABCDABCD est un parallélogramme avec AB=5AB = 5, AD=3AD = 3 et BAD^=60°\widehat{BAD} = 60°. Calcule les longueurs des deux diagonales ACAC et BDBD.

Voir le corrigé

AB→⋅AD→=5×3×cos⁡60°=7,5\overrightarrow{AB} \cdot \overrightarrow{AD} = 5 \times 3 \times \cos 60° = 7{,}5.

  • AC→=AB→+AD→\overrightarrow{AC} = \overrightarrow{AB} + \overrightarrow{AD} (règle du parallélogramme) : AC2=AB2+2 AB→⋅AD→+AD2=25+15+9=49AC^2 = AB^2 + 2\,\overrightarrow{AB} \cdot \overrightarrow{AD} + AD^2 = 25 + 15 + 9 = 49, donc AC=7AC = 7.
  • BD→=AD→−AB→\overrightarrow{BD} = \overrightarrow{AD} - \overrightarrow{AB} : BD2=AD2−2 AB→⋅AD→+AB2=9−15+25=19BD^2 = AD^2 - 2\,\overrightarrow{AB} \cdot \overrightarrow{AD} + AB^2 = 9 - 15 + 25 = 19, donc BD=19BD = \sqrt{19}.

(On pouvait aussi appliquer Al-Kashi dans les triangles ABDABD, avec l’angle de 60°60°, et ABCABC, avec l’angle de 120°120°.)


6. Transformer MA · MB et cercle de diamètre [AB]

↩ Revoir le cours

Exercice 7 — ⭐⭐⭐⭐

AA et BB sont deux points tels que AB=6AB = 6, et II est le milieu de [AB][AB].

  1. Montre que, pour tout point MM, MA→⋅MB→=MI2−9\overrightarrow{MA} \cdot \overrightarrow{MB} = MI^2 - 9.
  2. Détermine l’ensemble des points MM tels que : a) MA→⋅MB→=0\overrightarrow{MA} \cdot \overrightarrow{MB} = 0 ; b) MA→⋅MB→=16\overrightarrow{MA} \cdot \overrightarrow{MB} = 16 ; c) MA→⋅MB→=−9\overrightarrow{MA} \cdot \overrightarrow{MB} = -9 ; d) MA→⋅MB→=−10\overrightarrow{MA} \cdot \overrightarrow{MB} = -10.
Voir le corrigé
  1. MA→⋅MB→=(MI→+IA→)⋅(MI→−IA→)=MI2−IA2=MI2−32=MI2−9\overrightarrow{MA} \cdot \overrightarrow{MB} = (\overrightarrow{MI} + \overrightarrow{IA}) \cdot (\overrightarrow{MI} - \overrightarrow{IA}) = MI^2 - IA^2 = MI^2 - 3^2 = MI^2 - 9.
  2. a) MI2=9MI^2 = 9, MI=3MI = 3 : le cercle de centre II et de rayon 33 (cercle de diamètre [AB][AB]). b) MI2=25MI^2 = 25, MI=5MI = 5 : le cercle de centre II et de rayon 55. c) MI2=0MI^2 = 0 : le seul point II. d) MI2=−1MI^2 = -1 est impossible : l’ensemble est vide.