Descartes et les Mathématiques Produit scalaireExercices de 1ère S résolus par le calcul de produits scalaires : application à des triangles, des trapèzes ou des carrés… | ||
SommaireDéfinitions 1. Hauteur et médiane d'un triangle rectangle 2. La médiane de l'un est la hauteur de l'autre 3. Dans la foulée : droites perpendiculaires 6. Un curieux point de concours 8. Quadrilatère inscriptible orthodiagonal II. Exercices 1. Droites perpendiculaires | ||
Définitions du produit scalaireDans un espace vectoriel réel, le produit scalaire est une opération algébrique, s'ajoutant aux lois s'appliquant aux vecteurs, qui. à deux vecteurs associe un nombre réel (scalaire). Définition 1 (projection orthogonale) Le produit scalaire de deux vecteurs et colinéaires est égal à AB × CD s'ils sont de même sens, et à – AB × CD s'ils sont de sens contraires. Sur la figure . = . = . = AB × C’D’ (car et sont de même sens). Définition simple et intuitive issue de l'expérience physique du travail d'une force. Il faut démontrer, ou admettre, que le produit scalaire est indépendant du choix des bipoints représentant les vecteurs. Télécharger la figure GéoPlan p_s_def.g2w Définition 2 (expression analytique dans le plan) Si dans un repère orthonormal (O, , ), et ont pour coordonnées respectives (x, y) et (x’, y’), alors . = xx’ + yy’. Définition simple et calculs faciles. On retrouve xx’ + yy’ = 0 pour les vecteurs orthogonaux. Définition 3 (expression trigonométrique à l'aide des normes et d'un angle) . = |||| × |||| × cos θ, où θ est l'angle (, ) formé par les directions des vecteurs. Ci-déssus, sur la figure en haut à droite, en choisissant deux vecteurs de même origine O : Si – < θ < , . = . = OM × OH, Définition 4 (carré des normes) si = , |||| = |||| = AB. On appelle produit scalaire de deux vecteurs le nombre : . = [ || + ||2 – ||||2 – ||||2 ]. . se note 2 = ||||2 et si = , alors 2 = 2 = ||||2 = AB2. Définition, un peu délicate, du produit scalaire comme forme bilinéaire symétrique définie positive. Application Remarque : il est intéressant de faire le lien entre ces quatre définitions Règles de Calcul Commutativité : . = .. Les propriétés de bilinéarité suivantes sont valables : Orthogonalité Si deux vecteurs sont perpendiculaires entre eux, le produit scalaire est nul. | ||
1. Hauteur et médiane d'un triangle rectangleLe triangle OAB est rectangle en O. (OI) est la médiane et (OH) la hauteur issues de O. Le point H se projette orthogonalement en J et K sur les petits côtés du triangle. Montrer que les droites (OI) et (JK) sont orthogonales. Télécharger la figure GéoPlan p_s_tri.g2w Voir une recherche et deux démonstrations avec les angles et aussi par des relations de parallélisme et d'orthogonalité dans : orthogonalité dans un triangle rectangle. | ||
2. La médiane de l'un est la hauteur de l'autreSoit A et B deux points sur la demi-droite (Ox). Sur la demi-droite (Oy) on place les points C et D tel que OC = OB et OD = OA. I est le milieu de [AC]. Montrer que la médiane (OI) du triangle OAC est la hauteur du triangle OBD. De même, la médiane (OJ) du triangle OBD est la hauteur du triangle OAC. Télécharger la figure GéoPlan med_haut.g2w Voir : les problèmes du BOA Similitudes au bac | ||
3. Dans la foulée : droites perpendiculairesM est un point variable de la diagonale [AC] d'un carré ABCD, distinct de A et C. Il se projette en P et Q sur les étés [AB] et [BC] du carré. Montrer que la droite (DM) est perpendiculaire à (PQ). Télécharger la figure GéoPlan p_s_ca2.g2w | ||
4. Triangle rectangle isocèle variableM est un point variable de la diagonale [AC] d'un carré ABCD, distinct de A et C. Si O est le milieu du carré, montrer que OPQ est un triangle rectangle isocèle. Indications Calculer le produit scalaire . : . = ( + ).( + ) = 2 + .( + ) + . = 2 + .() + 0. La rotation de centre O et d'angle , transforme les droites (AB) en (BC), (OP) en (OQ) ; leurs points d'intersection P en Q. Bibliographie : angles et rotations – brochure IREM – Bordeaux 1996 Télécharger la figure GéoPlan p_s_ca3.g2w | ||
5. Diagonales orthogonales d'un trapèze rectangleRappel : Un trapèze rectangle est un trapèze qui possède un angle droit. Énoncé ABCD est un trapèze rectangle en A et D tel que la petite base AB = a, la grande base DC = 2a Sachant que = + , calculer le produit scalaire . en fonction de a et de h. Trouver la valeur h pour laquelle les diagonales [AC] et [BD] sont orthogonales. Modifier h avec les flèches du clavier. Indication La solution correspond à la valeur : h = a . Avec GéoPlan, taper S pour obtenir la figure correspondant à cette Solution. Télécharger la figure GéoPlan trap_rec.g2w | ||
6. Un curieux point de concoursOn projette orthogonalement les sommets d'un triangle ABC sur une droite d en A’, B’ et C’. Soit d1 la droite passant par A’ perpendiculaire à (BC), Montrer que les droites d1, d2 et d3 sont concourantes. Méthode à mettre en œuvre Les droites d2 et d3 sont concourantes en K. Montrer que le produit scalaire des vecteurs .
est nul en décomposant : Télécharger la figure GéoPlan pt_conco.g2w Théorème de Ménélaüs : configurations fondamentales Démonstration comme point de concours de trois axes radicaux : géométrie du cercle | ||
7. Hauteur d'un triangleCas particulier de l'exercice précédent lorsque la droite (d) passe par un sommet du triangle. On considère un triangle ABC et une droite (d) passant par C. Démontrer avec un calcul de produit scalaire que les droites (CM) et (AB) sont orthogonales : Par projection sur la droite (AC) : . = . et . = . d'où . = . Par projection sur la droite (d) : . = . donc . = . Par projection sur la droite (BC) :. = . et . = . d'où . = . Par projection sur la droite (d) : . = . donc . = . Soit . = . = . d'où . – . = 0 et ( – ). = ( + ). = . = 0. Le produit scalaire est nul, et les droites sont bien perpendiculaires. Lorsque la droite (d) tourne autour du point C, le point M décrit la hauteur issue du C sur (AB) du triangle ABC. Télécharger la figure GéoPlan ps_hauteur.g2w Famille de cercle : épreuve pratique en terminale S | ||
8. Quadrilatère inscriptible orthodiagonalSoit (c) un cercle de centre O, de rayon r. Deux droites (d) et (d2) orthogonales pivotent autour du point F. Les points cocycliques A, B, C et D forment le quadrilatère orthodiagonal ABCD. Soit I, J, K, L les milieux des cordes [AB], [BC], [CD], [DA]. Le point G, centre de gravité de ABCD, est un point fixe : La somme FA2 + FB2 + FC2 + FD2 = 4r2 est indépendante de F. Soit Q le projeté orthogonal de F sur [CD]. La médiane (FI) du triangle AFB est la hauteur (FQ) du triangle CFD. Télécharger la figure GéoPlan qua_insc.g2w Voir : théorème de Brahmagupta : le cercle en seconde quadrilatère orthodiagonal (et son aire) Le quadrilatère de Varignon IJKL est un rectangle de centre G. Télécharger la figure GéoPlan qua_ins2.g2w | ||
Cercle des huit points d'un quadrilatère inscriptible orthodiagonal Soit I, J, K, L les milieux des cordes [AB], [BC], [CD], [DA] et S, P, Q, R les projetés orthogonaux de F sur ces cordes. Les huit points I, J, K, L, P, Q, R, S appartiennent à un même cercle (cercle fixe de centre G). Télécharger la figure GéoPlan qua_insc_cercle8p.g2w Cercle des huit points d'un quadrilatère dont les diagonales sont perpendiculaires. Soit I, J, K, L les milieux des cordes [AB], [BC], [CD], [DA] et R, S, P, Q les projetés orthogonaux de ces quatre milieux sur les cordes opposées. Les huit points I, J, K, L, P, Q, R, S appartiennent toujours à un même cercle. | ||
Vérifier que ce résultat est encore vrai pour un quadrilatère non convexe dont les diagonales sont perpendiculaires. Télécharger la figure GéoPlan cercle8p.g2w Bibliographie : Sortais Yvonne et René – Géométrie – Hermann 1988 | ||
II. ExercicesII.1. Droites perpendiculaires1.a. Droites perpendiculaires dans un rectangleRectangle ayant le format du papier A4 ABCD est un rectangle de largeur AD = a et de longueur AB = a. Télécharger la figure GéoPlan rectangle.g2w Indication Calculer le produit scalaire . dans le repère orthonormé (A, , ) où I est le point de [AB] tel que AI = a. Remarque : Soit J le point d'intersection des droites (AC) et (DE). | ||
1.b. Droites perpendiculairesDroites perpendiculaires dans un triangle rectangle isocèle Soit ABC un triangle rectangle isocèle en A. Démontrer que les droites (AK) et (JB) sont perpendiculaires. Télécharger la figure GéoPlan tr_rec_iso.g2w | ||
1.c. Droites perpendiculaires dans un triangle isocèleTrois méthodes pour résoudre un exercice : – voir aussi les configurations fondamentales, dans triangle en seconde Exercice ABC est un triangle isocèle en A. Pourquoi les droites (BH) et (AP) sont-elles perpendiculaires ? Indication Calculer le produit scalaire D'où Développer 2 . , et en factorisant , montrer que le produit scalaire est nul. Télécharger la figure GéoPlan tr_iso.g2w | ||
II.2. Calculs d'anglesDroites joignant des sommets d'un carré aux milieux des côtés Les points I et J sont les milieux des côtés [AB] et [BC] d'un carré ABCD (où AB = a, a > 0). Indication Utiliser l'expression trigonométrique du produit scalaire : , = AJ × IC × cos θ. Télécharger la figure GéoPlan carré_1.g2w | ||
Mesure d'un angle du cerf-volant AICJLes points I et J sont les milieux des côtés [BC] et [CD] d'un carré ABCD (où AB = a, a > 0). Avec l'expression trigonométrique du produit scalaire, donner une valeur exacte de cos θ, puis une valeur approchée de θ en degré à 0,1° près. Télécharger la figure GéoPlan carre_2.g2w Variante : calculer l'angle (, ). Autres carrés, voir la page : rotation | ||
II.3. TriangulationÀ partir de deux points, sur la côté AB, on vise deux îlots C et D dont on veut calculer la distance. Les angles suivants ont été mesurés à partir de deux points A et B distants d'un kilomètre : Calculer les distances AC, AD et CD. | ||
II.4. Équations de droites et cerclesRappels du cours de géométrie analytique « Si (a, b) est un vecteur normal d'une droite (d) passant par un point A,
alors (d) est le lieu des points M(x, y) tel que . = 0 ; Application : équation de la médiatrice d'un segment [AB] ; droite passant par le milieu I de [AB], orthogonale au vecteur . « Le cercle de centre I(a, b) et de rayon r est l'ensemble des points M(x, y) tel que IM2 = r2 ». Application : soit (c) un cercle de centre I et A un point de (c). Pour la tangente en A au cercle (c), écrire l'équation de la droite passant par A, orthogonale au vecteur . TriangleDans un repère orthonormé, on donne les points : A(–1, 3) ; B(–2, 5) et C(1, 4). 5.a. Démontrer que le triangle ABC est rectangle et isocèle en A. 5.b. Déterminer une équation du cercle circonscrit au triangle ABC. 5.c. Déterminer une équation de la médiatrice de [BC]. Télécharger la figure GéoPlan tr_cer_cir.g2w | ||
Deux cerclesOn définit les cercles (c1) et (c2) par les équations suivantes : a. Déterminer les coordonnées des centres I1 et I2, les rayons r1 et r2 de ces deux cercles et les tracer. Télécharger la figure GéoPlan deux_cercles.g2w | ||
II.5. Lieux de pointsSoit A et B deux points du plan tel que AB = 5 (l'unité est égale à 1 cm) et I est le milieu de [AB]. | ||
II.6. Hauteur d'un triangleDans un triangle ABC, on nomme H le pied de la hauteur issue de A et K le pied de la hauteur issue de C. 7.a. Prouver que . = . 7.b. En déduire que le triangle ABC est rectangle en A, 7.c. La relation BA2 = BH × BC implique-t-elle que le triangle ABC soit rectangle en A ? Télécharger la figure GéoPlan tr_hautr.g2w | ||
Le symétrique du point A par rapport à la perpendiculaire en B à (BC) fournit le contre-exemple de la figure ci-dessus à droite : | ||
II.7. Produit scalaire et théorème de la médianeMédianes perpendiculaires ABC est un triangle, I et J les milieux respectifs de [BC] et [AC]. En utilisant le théorème de la médiane, démontrer que : Indications D'après le théorème de la médiane, avec K milieu de [AB], on a : Le triangle est alors dit « orthomédian » en A et B. Voir preuve – Classe de première : triangle Droites perpendiculaires dans un triangle rectangle | ||
Table des matièresDans d'autres pages du site Exercices résolus par produit scalaire Produit scalaire dans l'espace Carré d'aire 5 fois plus petite Les problèmes du BOA : triangles et produit scalaire Retrouver un triangle à partir de droites remarquables Retrouver un triangle à partir de centres ou de pieds Cercles d'Apollonius : lieu géométrique dans le triangle | ||
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