Vidéo 4 : Bilinéarité et symétrie · 4 min 09 s · sous-titres en français
Le cours écrit
4.1 Les règles
Propriété. Pour tous vecteurs u, v, w et pour tout réel k :
symétrie :u⋅v=v⋅u ;
somme :(u+v)⋅w=u⋅w+v⋅w ;
réel :(ku)⋅v=k(u⋅v).
Grâce à la symétrie, ces règles valent aussi à droite du point : u⋅(v+w)=u⋅v+u⋅w et u⋅(kv)=k(u⋅v). On dit que le produit scalaire est bilinéaire.
4.2 D'où viennent ces règles
Le réel. Soit u et v non nuls, d'angle θ, et k=0. Si k>0, ku a le sens de u : l'angle ne change pas et la norme est multipliée par k. Si k<0, le sens s'inverse : l'angle devient π−θ, et la norme de ku vaut −k∥u∥. Alors
(ku)⋅v=(−k)∥u∥×∥v∥×cos(π−θ)=(−k)∥u∥×∥v∥×(−cosθ)=k(u⋅v).
La somme. Regardons les ombres sur une droite dirigée par w, orientée dans le sens de w. On pose u=AC avec A sur la droite, puis v=CD, de sorte que u+v=AD. Soit H et K les projetés de C et de D. L'ombre de u va de A à H, celle de v de H à K, celle de u+v de A à K. Comptées avec leur signe, positif dans le sens de w et négatif sinon, ces mesures s'ajoutent : AK=AH+HK. En multipliant par ∥w∥, on obtient la règle.
4.3 Développer
On développe comme avec des nombres. Il faut seulement garder le point entre deux vecteurs.
Exemple 10.(2u+v)⋅(u−3v)=2u⋅u−6u⋅v+v⋅u−3v⋅v=2∥u∥2−5u⋅v−3∥v∥2.
Si ∥u∥=3, ∥v∥=2 et u⋅v=−1, on trouve 18+5−12=11.
4.4 Chasles, puis développement
La relation de Chasles découpe les vecteurs en morceaux dont les produits sont simples.
Exemple 11 (les diagonales d'un rectangle). Soit ABCD un rectangle avec AB=4 et AD=3. On a AC=AB+AD et BD=AD−AB. En développant, les termes AB⋅AD se compensent :
AC⋅BD=AD2−AB2=9−16=−7.
Les diagonales mesurent 5, donc le cosinus de l'angle de ces deux vecteurs vaut 5×5−7=−257.
4.5 Les diagonales d'un parallélogramme
Dans un parallélogramme de côtés u et v, les diagonales sont dirigées par u+v et u−v. Or
(u+v)⋅(u−v)=∥u∥2−∥v∥2.
Ce produit est nul si et seulement si les deux normes sont égales. Les diagonales d'un parallélogramme sont perpendiculaires si et seulement si c'est un losange.
4.6 Attention : pas de simplification
Attention. Si u⋅v=u⋅w, on ne peut pas simplifier par u. On sait seulement que u⋅(v−w)=0, c'est-à-dire que u est orthogonal à v−w. Dans un carré ABCD, AB⋅AC=AB⋅AB, et pourtant AC=AB.