Mathématiques : 1Bac SM

Séance 18-1 : Produit vectoriel dans l'espace (Cours)

 

 

Professeur : Mr CHEDDADI Haitam

 

Sommaire

 

I- Orientation de l'espace

1-1/ Trièdre

1-2/ Bonhomme d'ampère - Repère orienté de l'espace

II- Produit vectoriel de Deux vecteur

2-1/ Définition du produit vectoriel

2-2/ Interprétation géométrique du produit vectoriel

III- Propriétés du produit vectoriel

3-1/ Anti-symétrie du produit vectoriel

3-2/ Bilinéarité du produit vectoriel

3-3/ Expression analytique du produit vectoriel

IV- Applications du produit vectoriel

4-1/ Aire d'un triangle

4-2/ Équation d'un plan défini par trois points non alignés

4-3/ Intersection de deux plans de l'espace

4-4/ Distance d’un point à une droite

 


I- Orientation de l'espace

 

1-1/ Trièdre

Définition

Trois demi-droites [Ox)[Oy) et [Oz) de même origine O et non coplanaires déterminent, dans cet ordre un trièdre que l’on le note Ox;Oy;Oz.

[Ox)[Oy) et [Oz) sont appelées les arêtes du trièdre Ox;Oy;Oz

 

 

1-2/ Bonhomme d'ampère - Repère orienté de l'espace

Définition

Soit O;i;j;k un repère de l'espace E.

On pose : OI=i et OJ=j et OK=k.

- On dit que le repère O;i;j;k est direct lorsque le trièdre [OI);[OJ);[OK) est direct.

- On dit que l’espace E est orienté positivement lorsqu'il est muni d’un repère direct.

 

 

Proposition

Si le repère O;i;j;k est orthonormal direct, alors :

1) Les repères O;j;k;i et O;k;i;j sont directs.

2) Les repères O;j;i;kO;k;j;i et O;i;k;j sont indirects.

3) Les repères O;-i;j;kO;i;-j;k et O;i;j;-k sont indirects.

Remarque

Soit O un point quelconque de l’espace E. Alors :

O;i;j;k est un repère directLa base i;j;k est directe.

 

II- Produit vectoriel de Deux vecteur

 

2-1/ Définition du produit vectoriel

Définition

Soit u et v deux vecteurs de l’espace orienté tels que u=OA et v=OB.

- Si u et v ne sont pas colinéaires, alors le produit vectoriel des vecteurs u et v, dans cet ordre, noté uv, est le vecteur w=OC défini par :

  • la droite (OC) est perpendiculaire au plan (OAB) ;
  • le trièdre [OA);[OB);[OC) est direct ;
  • OC=OA×OB×sinθθ=AOB^

- Si u et v sont colinéaires, alors : uv=0

 

Remarques

- Le produit vectoriel des vecteurs u et v ne dépend pas du choix du point O.

- Le produit vectoriel de deux vecteurs est un vecteur, tandis que le produit scalaire de deux vecteurs est un réel.

- Si w=uv, alors wu et wv et w=u×v×sinu;v^.

- Si w=uv, alors la base u;v;w est directe. En particulier, si les vecteurs u et v sont unitaires et orthogonaux, alors u;v;w est une base orthonormée directe.

- Pour tout vecteur uV3uu=0 et u0=0

- Les points AB et C de l'espace E sont alignés si, et seulement si : ABAC=0

 

Applications

Soit u et v deux vecteurs de l’espace orienté tels que u=2 et uv=4 et u;v¯π4 2π.

1)Calculer v.

Soit a et b deux vecteurs de l’espace orienté tels que a=4 et b=9 et a.b=183.

  1. Calculer ab.

 

 

2-2/ Interprétation géométrique du produit vectoriel

Soit u et v deux vecteurs de l'espace orienté tels que u=OA et v=OB et w=uv.

Le réel w=uv est l'aire du parallélogramme construit sur les représentants OA et OB des vecteurs u et v.

En effet : AH=OAsinθ=u×sinu;v^

Et l'aire du parallélogramme est : OB×AH=u×v×sinu;v^

 

III- Propriétés du produit vectoriel

 

3-1/ Anti-symétrie du produit vectoriel

Proposition

Pour tous vecteurs u et v de l’espace orienté, on a : vu=-uv

On dit que le produit vectoriel est antisymétrique.

 

 

3-2/ Bilinéarité du produit vectoriel

Proposition

Soit uv et w trois vecteurs de l’espace orienté et α un nombre réel.

Alors :

1 uv+w=uv+uw2 u+vw=uw+vw3 uαv=αuv=αuv

On dit que le produit vectoriel est bilinéaire.

 

 

3-3/ Expression analytique du produit vectoriel

Proposition

L'espace V3 est rapporté à une base orthonormée directe i;j;k.

Soit ux;y;z et vx';y';z' deux vecteurs de l’espace V3.

Alors :

uv=yy'zz'i-xx'zz'j+xx'yy'k

 

 

Applications

On considère les vecteurs : u=2i-j ; v=i-j+2k ; w=j+k

  1. Déterminer, dans la base i;j;k, les coordonnées de chacun des vecteurs uv et uw.

Dans l’espace E rapporté à un repère orthonormé direct O;i;j;k, on considère les points :

A1;2;3  ;  B0;-1;2  ;  C3;-2;1

  1. Calculer OABC et ABBC.

 

IV- Applications du produit vectoriel

 

4-1/ Aire d'un triangle

Proposition

Soit AB et C trois points non alignés de l’espace orienté E.

L’aire du triangle ABC est : SABC=12ABAC

 

 

Applications
  1. Calculer l’aire du triangle ABC dans chacun des cas suivants :

1 A-1;2;1  ;  B-1;0;2  ;  C2;-1;02 A2;1;-1  ;  B0;4;1  ;  C3;1;-2

 

 

4-2/ Équation d'un plan défini par trois points non alignés

Proposition

Soit AB et C trois points non alignés de l’espace orienté E.

On a : MABCAM.ABAC=0

 

 

Applications

On considère les deux points E3;-1;1 et F1;0;3.

  1. Déterminer une équation cartésienne du plan OEF.

 

 

4-3/ Intersection de deux plans de l'espace

Proposition

Soit P et P' deux plans sécants suivant une droite D dans l'espace orienté .

Si n est un vecteur normal de P et n' est un vecteur normal de P', alors nn' est un vecteur directeur de la droite d'intersection D.

 

 

Applications
  1. Déterminer l’intersection des plans P et P' dans chacun des cas suivants :

1 P : x-y+2z+3=0  et  P' : x+2y+2z-1=02 P : 3x-4y+5z+7=0  et  P' : 2x-3y-z-4=0

 

 

4-4/ Distance d’un point à une droite

Proposition

L'espace E est rapporté à un repère orthonormé direct O;i;j;k.

Soit D la droite passant par A et dirigée parle vecteur u.

La distance d'un point M de l’espace à la droite D est donnée par : dM;D=AMuu

 

 

Applications
  1. Calculer la distance du point M à la droite D dans chacun des cas suivants :

1 M3;2;1 et D: x=1-ty=1      z=1     t2 M3;-1;1 et D: x-y=1y+z=0