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Sciences · Mathématiques

Le produit scalaire

Le produit scalaire de deux vecteurs u et v est un nombre réel, noté u · v. Il vaut ||u|| × ||v|| × cos(u, v) et, en repère orthonormé, xx′ + yy′. Il est nul si et seulement si les vecteurs sont orthogonaux.

Mis à jour le 3 min de lecture

Le produit scalaire est au programme de première spécialité, en géométrie plane, puis étendu à l’espace en terminale. Il transforme des questions d’angles et de perpendicularité en calculs. En physique, c’est lui qui donne le travail d’une force : W = F · AB. La notion de vecteur est un prérequis.

Les quatre expressions

ExpressionFormuleQuand l’utiliser
Avec l’angleu · v = ||u|| × ||v|| × cos θangle connu
En coordonnées (repère orthonormé)u · v = xx′ + yy′coordonnées connues
Avec les normesu · v = ½ (||u + v||² − ||u||² − ||v||²)trois longueurs connues
Par projectionAB · AC = AB × AH (H projeté de C sur (AB))figure avec hauteur

Pour la projection, le produit est positif si H est du même côté que B par rapport à A, négatif sinon.

Exemple en coordonnées

u(3 ; −2) et v(4 ; 5) : u · v = 3 × 4 + (−2) × 5 = 12 − 10 = 2.

Normes : ||u|| = √13, ||v|| = √41. Donc cos θ = 2 / (√13 × √41) ≈ 0,087, soit θ ≈ 85°.

Exemple avec l’angle

||u|| = 4, ||v|| = 5, angle 60° : u · v = 4 × 5 × cos 60° = 20 × 0,5 = 10.

L’orthogonalité

u · v = 0 si et seulement si u et v sont orthogonaux (ou l’un est nul). C’est le test de perpendicularité le plus rapide.

Exemple : u(2 ; 3) et v(−6 ; 4) : −12 + 12 = 0. Les vecteurs sont orthogonaux, les droites qu’ils dirigent sont perpendiculaires.

Signe du produit scalaire

Angle θcos θProduit scalaire
aigu (< 90°)> 0positif
droit (90°)0nul
obtus (> 90°)< 0négatif

Les propriétés de calcul

  • Symétrie : u · v = v · u.
  • Bilinéarité : u · (v + w) = u · v + u · w et (ku) · v = k(u · v).
  • Carré scalaire : u · u = ||u||².
  • Identités : ||u + v||² = ||u||² + 2u · v + ||v||², analogue des identités remarquables.

Le théorème d’Al-Kashi

Dans un triangle ABC avec a = BC, b = AC, c = AB :

a² = b² + c² − 2bc × cos Â

C’est une généralisation du théorème de Pythagore : si  = 90°, le cosinus est nul et l’on retrouve a² = b² + c². Exemple : b = 5, c = 7,  = 60°, donc a² = 25 + 49 − 35 = 39, a ≈ 6,24.

Applications

  • Équation de droite : la droite passant par A et de vecteur normal n(a ; b) a une équation ax + by + c = 0 (voir équation de droite).
  • Équation de cercle : M est sur le cercle de diamètre [AB] si et seulement si MA · MB = 0.
  • Calcul d’angles dans une figure à partir des coordonnées.
  • Physique : travail d’une force, puissance.

Erreurs fréquentes

  • Écrire le résultat comme un vecteur : le produit scalaire est un nombre.
  • Utiliser xx′ + yy′ dans un repère non orthonormé.
  • Calculatrice en mauvais mode (degrés ou radians) pour le cosinus.
  • Oublier le signe dans la formule de projection.
  • Confondre avec la colinéarité : colinéaires se teste avec xy′ − x′y = 0, orthogonaux avec xx′ + yy′ = 0.

Exercice corrigé

A(1 ; 2), B(4 ; 3), C(2 ; −1).

  1. AB(3 ; 1) et AC(1 ; −3).
  2. AB · AC = 3 × 1 + 1 × (−3) = 0.
  3. Conclusion : le triangle ABC est rectangle en A.
  4. ||AB|| = √10, ||AC|| = √10 : il est aussi isocèle en A.
  5. Avec ||u|| = 3, ||v|| = 2 et u · v = −3 : cos θ = −3/6 = −0,5, donc θ = 120°.

Questions fréquentes

Le produit scalaire est-il un vecteur ?

Non, c’est un nombre réel (un scalaire), d’où son nom. Il peut être positif, négatif ou nul.

Comment calculer un produit scalaire avec des coordonnées ?

Dans un repère orthonormé, on multiplie les abscisses entre elles, les ordonnées entre elles, et on additionne : xx′ + yy′.

Comment montrer que deux droites sont perpendiculaires ?

On prend un vecteur directeur de chacune et on vérifie que leur produit scalaire est nul.

À quoi sert le produit scalaire ?

À calculer des angles et des longueurs, démontrer des perpendicularités, obtenir des équations de droites et de cercles, et, en physique, calculer le travail d’une force.

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