Produit vectoriel

Le produit vectoriel de deux vecteurs \(\vec{U}\) et \(\vec{V}\) est un vecteur \(\vec{W}\) qui possède les propriétés suivantes :

  • Le vecteur \(\vec{W}=\vec{U} \land\vec{V}\) est orthogonal à \(\vec{U}\) et à \(\vec{V}\). Il est donc porté par la normale au plan vectoriel défini par ces deux vecteurs.

  • Le trièdre \(\left(\vec{U}, \vec{V}, \vec{W}\right)\) est direct. Le vecteur \(\vec{W}\) dépend donc de l'orientation de l'espace.

  • La longueur du vecteur \(\vec{W}=\vec{U} \land\vec{V}\) est donnée, si \(\theta\) est l'angle des deux vecteurs\( \vec{W} ~et~ \vec{V}\) par

    \(||\vec{W}||=||\vec{U}||\times||\vec{V}||\times\sin \theta\)

    Cette longueur est égale à l'aire du parallélogramme construit sur les deux vecteurs \(\vec{U}\) et \(\vec{V}\).

Interprétation géométrique Le produit vectoriel \(\vec{W}\) peut être obtenu géométriquement par la suite des opérations suivantes :

  • on projette le vecteur \(\vec{V}\) suivant le vecteur \(\vec{V'}\) sur le plan \(Q\) normal au vecteur \(\vec{U}\). La longueur de \(\vec{V'}\) est\( ||\vec{V'}||=||\vec{V}||\times\sin \theta\)

  • on fait une rotation d'axe \(\vec{U}\) et d'angle \(\frac{\pi}{2}\) dans le sens direct. Le vecteur \(\vec{V'}\) a pour image \(\vec{W}\).

Propriété

En utilisant cette idée, on montre les propriétés de linéarité et de distributivité du produit vectoriel.

Pour tous les vecteurs \(\vec{U}, \vec{V}, \vec{U'},\vec{V'}\) et tout scalaire \(\alpha\), on a :

  • Le produit vectoriel se change en son opposé si on commute les deux vecteurs : \(\vec{U} \land\vec{V}=-~\vec{V} \land\vec{U}\)

  • Le produit vectoriel est linéaire par rapport à chacun de vecteurs, ce qui implique

    \(\vec{U} \land\alpha\vec{V}=\alpha\left(\vec{U} \land\vec{V}\right)\)

    \(\left(\alpha\vec{U} \right)\land\vec{V}=\alpha\left(\vec{U} \land\vec{V}\right)\)

    \(\vec{U} \land\left(\vec{V}+\vec{V'}\right)= \vec{U} \land\vec{V}+\vec{U} \land\vec{V'}\)

    \(\left(\vec{U}+\vec{U'}\right)\land\vec{V}= \vec{U} \land\vec{V}+\vec{U'} \land\vec{V}\)

  • Le produit vectoriel est nul si et seulement si les deux vecteurs sont colinéaires, (cela englobe le cas où un des vecteurs est nul).

PropriétéPropriétés analytiques du produit vectoriel

La propriété du repère \((O, \vec{\imath}, \vec{\jmath}, \vec{k})\)d'être orthonormé de sens direct se traduit par les relations :

\(\vec{i} \land\vec{j}=\vec{k}~ ,~~~~\vec{j} \land\vec{k}=\vec{i} ~,~~~~\vec{k} \land\vec{i}=\vec{j}\)

\(\vec{j} \land\vec{i}=-\vec{k}~ ,~~~~\vec{k} \land\vec{j}=-\vec{i} ~,~~~~\vec{i} \land\vec{k}=-\vec{j}\)

\(\vec{i} \land\vec{i}=\vec{j} \land\vec{j}=\vec{k} \land\vec{k}=0\)

On considère deux vecteurs \(\vec{V}\) et \(\vec{V'}\) et leurs composantes \((x, y, z)\) et \((x', y', z')\) dans le repère orthonormé \((O, \vec{\imath}, \vec{\jmath}, \vec{k})\). Les composantes du vecteur \(\vec{W}=\vec{V} \land\vec{V'}\) se calculent à l'aide des formules précédentes :

\(\vec{W}=\vec{V} \land\vec{V'}=(x~\vec{i}+y~\vec{j}+z~\vec{k})\land(x~'\vec{i}+y'~\vec{j}+z'~\vec{k})\)

\(\vec{W}=\vec{V} \land\vec{V'}=(y~z'-z~y')~\vec{i}+(z~x'-x~z')~\vec{j}+(x~y'-y~x')~\vec{k}\)

Ces formules sont très utiles pour obtenir la direction normale au plan vectoriel défini par deux vecteurs ou pour obtenir la direction de l'intersection de deux plans.