Formule avec le cosinus, caractérisation de l'orthogonalité
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Le cours écrit
3.1 La formule
Soit u=AB et v=AC deux vecteurs non nuls, et θ leur angle.
Si θ est aigu,H est du côté de B et le triangle AHC est rectangle en H. Donc AH=ACcosθ, et
AB⋅AC=AB×AH=AB×AC×cosθ.
Si θ est obtus,H est de l'autre côté de A, et l'angle en A du triangle AHC mesure π−θ. Donc AH=ACcos(π−θ)=−ACcosθ, et
AB⋅AC=−AB×AH=AB×AC×cosθ.
La formule reste vraie pour θ=2π, où tout est nul, et pour θ=0 ou θ=π, où H=C.
Propriété. Pour deux vecteurs non nuls, d'angle θ :
u⋅v=∥u∥×∥v∥×cosθ.
3.2 Symétrie et carré scalaire
La formule ne dépend pas de l'ordre des vecteurs : u⋅v=v⋅u. On dit que le produit scalaire est symétrique.
Avec v=u, l'angle vaut 0 et son cosinus vaut 1. Donc
u⋅u=∥u∥2,
ce qu'on appelle le carré scalaire de u. En particulier, AB⋅AB=AB2.
3.3 Calculs
Exemple 6. Si ∥u∥=4, ∥v∥=5 et θ=3π, alors u⋅v=4×5×21=10. Avec θ=43π, on obtient 20×(−22)=−102.
Exemple 7. Dans un triangle équilatéral ABC de côté 4, AB⋅AC=4×4×21=8. Mais AB et BC se suivent : leur angle vaut 32π, et AB⋅BC=4×4×(−21)=−8.
3.4 Trouver un angle
Pour deux vecteurs non nuls :
cosθ=∥u∥×∥v∥u⋅v.
Exemple 8. Si u⋅v=6, ∥u∥=2 et ∥v∥=32, alors cosθ=626=21=22. Comme θ∈[0;π], on a θ=4π.
3.5 Orthogonalité
Définition. Deux vecteurs non nuls sont orthogonaux lorsque leur angle vaut 2π. Par convention, le vecteur nul est orthogonal à tout vecteur. On note u⊥v.
Propriété (caractérisation de l'orthogonalité).u⊥v⟺u⋅v=0.
C'est une équivalence, il y a deux sens à justifier.
Si u et v sont orthogonaux, soit l'un d'eux est nul et le produit vaut 0 par convention, soit cosθ=0 et le produit est nul.
Si u⋅v=0, soit l'un des vecteurs est nul, soit cosθ=0, ce qui donne θ=2π puisque θ∈[0;π].
Méthode. Pour démontrer que deux droites (AB) et (CD) sont perpendiculaires, on montre que AB⋅CD=0.
3.6 Le travail d'une force
En physique, le travail d'une force constante F lors d'un déplacement de A à B est le produit scalaire W=F⋅AB, en joules si la force est en newtons et la distance en mètres.
Exemple 9 (la valise). On tire une valise sur 10 mètres, avec une force de 30 newtons inclinée de 60∘ par rapport au sol. Alors W=30×10×cos60∘=150 joules. Seule l'ombre de la force, 30×21=15 newtons vers l'avant, fait avancer la valise. L'autre partie est orthogonale au déplacement : elle ne travaille pas.