Produit scalaire

On considère deux vecteurs liés \(\overrightarrow{AB}\) et \(\overrightarrow{AC}\) et le plan \(P\) qui les contient.

On appelle produit scalaire des vecteurs \(\overrightarrow{AB}\) et \(\overrightarrow{AC}\) le nombre noté \(\overrightarrow{AB}.~\overrightarrow{AC}\) égal au produit des longueurs \(AB\) et \(AC\) par le cosinus de l'angle \(\theta=\left(\overrightarrow{AB},~\overrightarrow{AC}\right)\) des deux vecteurs.

vect AB.vect AC = AB AC cos θ.

Expression avec les projections : On considère la projection orthogonale \(c\) de \(C\) sur \(\overrightarrow{AB}\) . Comme \(\overrightarrow{Ac}=\overrightarrow{AC}~\cos\theta\) , on a donc : \(\overrightarrow{AB}.~\overrightarrow{AC}=\overline{AB}\times\overline{Ac}\)

\(\overline{AB}\) et \(\overline{Ac}\) désignent les mesures algébriques sur l'axe défini par \(\overrightarrow{AB}\).

Le produit scalaire ne change pas si on remplace les vecteurs \(\overrightarrow{AB}\) et \(\overrightarrow{AC}\) par des vecteurs équipollents. Cette notion est donc relative aux vecteurs et dans la suite, nous ne distinguons pas entre vecteurs (libres) et vecteurs liés.

PropriétéPropriétés du produit scalaire

On désigne par \(\overrightarrow{AB}\), \(\overrightarrow{AC}\),\(\overrightarrow{AD}\) trois vecteurs de l'espace et par \(\gamma\) et \(\Delta\) deux réels quelconques.

Le produit scalaire est commutatif \(\overrightarrow{AB}.~\overrightarrow{AC}=\overrightarrow{AB}.~\overrightarrow{AC}\)

\(\overrightarrow{AB}.~\overrightarrow{AC}= 0\) si et seulement si les deux vecteurs sont perpendiculaires.

\(\overrightarrow{AB}.~\overrightarrow{AC}\) est positif si l'angle \(\theta=\left(\overrightarrow{AB},~\overrightarrow{AC}\right)\) est aigu, négatif si cet angle est obtu.

Le produit scalaire est bilinéaire, c'est-à-dire que l'on a toujours :

\(\overrightarrow{AB}.\left(\overrightarrow{AC}+\overrightarrow{AD}\right)=\overrightarrow{AB}.~\overrightarrow{AC}+\overrightarrow{AB}.~\overrightarrow{AD}\)

\(\overrightarrow{AB}.\left(\gamma\overrightarrow{AC}+\delta\overrightarrow{AD}\right)=\gamma\overrightarrow{AB}.~\overrightarrow{AC}+\delta\overrightarrow{AB}.~\overrightarrow{AD}\)

et avec la commutativité :

\(\left(\gamma\overrightarrow{AC}+\delta\overrightarrow{AD}\right).~\overrightarrow{AB}=\gamma\overrightarrow{AC}.~\overrightarrow{AB}+\delta\overrightarrow{AD}.~\overrightarrow{AB}\)

PropriétéPropriétés analytiques du produit scalaire

On considère deux vecteurs \(\vec{V}\) et \(\vec{V'}\) et leurs composantes \((x, y, z)\) et \((x', y', z')\) dans le repère orthonormé d'origine \(O\), et de vecteurs unitaires deux à deux orthogonaux \(\vec{i},\vec{j},\vec{k}.\)

La propriété du repère d'être orthonormé se traduit par les relations :

\(\vec{i}^2=\vec{j}^2=\vec{k}^2=1~~~~et ~~~~\vec{i}.~\vec{j}=\vec{j}.~\vec{k}=\vec{k}.~\vec{i}=0\)

Le produit scalaire permet d'exprimer les composantes des vecteurs :

\(x=\vec{V}.~\vec{i}~ ,~~~~y=\vec{V}.~\vec{j} ~,~~~~ z=\vec{V}.~\vec{k}~,\)

\(x'=\vec{V'}.~\vec{i}~ ,~~~~y'=\vec{V'}.~\vec{j} ~,~~~~ z'=\vec{V'}.~\vec{k}\)

En utilisant les propriétés du produit scalaire, on obtient l'expression du produit scalaire de deux vecteurs \(\vec{V}\) et \(\vec{V'}\) en fonction de leurs composantes.

\(\vec{V}.~\vec{V'}=xx'+yy'+zz'\)

Applications géométriques

L'équation d'un plan \(P\) passant par \(A\) et orthogonal à \(\vec{U}\), \(A\) point de coordonnées \((a, a', a")\) et \(\vec{U}\) vecteur de composantes \((u, v, w)\), est obtenue en exprimant que le vecteur \(\overrightarrow{AM}\) et orthogonal au vecteur \(\vec{U}\) :

\(u~(x - a) + v~(y - a') + w~(z - a") = 0\)

\(u~x + v~y + w~z = (u~a + v~a' + w~a")\)

Soit \(u~x + v~y + w~z + h = 0\)

avec \(h = -~(u~ a + v~a' +w~a")\)

La distance d'un point \(M_{0}\) au plan \(P\) d'équation \(u~x + v~y + w~z + h = 0\) est déduite de l'expression du produit scalaire \(\vec{U}.~\overrightarrow{AM_{0}}=\overline{U}.~\overline{mM}\), le point m désignant la projection de \(M\) sur le plan \(P\), en utilisant que \(A\) est dans le plan \(P\) :

\(\vec{U}.~\overrightarrow{AM_{0}}=u~(x_{0}- a) + v~(y_{0}- a') + w~(z_{0}- a") =u~x_{0} + v~y_{0} + w~z_{0} + h\)

Donc cette distance \(d(M_0 , P)\) est donnée par :

\(d(M_{0},P)=\frac{|u~x_{0}+v~y_{0}+w~z_{0}+h|}{\sqrt{u^2+v^2+w^2}}\)

Plans \(P\) et \(P'\) perpendiculaires :

Si les deux plans ont pour équations \(u~x + v~y + w~z + h = 0\) et \(u'~x + v'~y + w'~z + h' = 0\),

ils sont orthogonaux, c'est-à-dire si et seulement si :

\(u~u' + v~v' + w~w' = 0\).