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Leçon 2

Base orthonormée, repère orthonormé, coordonnées

Vidéo 2 : Base orthonormée et coordonnées · 3 min 29 s · sous-titres en français

Le cours écrit

2.1 Définitions

Définition. Une base (ı⃗,ȷ⃗,k⃗)(\vec{\imath}, \vec{\jmath}, \vec{k}) de l'espace est orthonormée si ses vecteurs sont orthogonaux deux à deux et de norme 11 : ı⃗⋅ȷ⃗=ı⃗⋅k⃗=ȷ⃗⋅k⃗=0et∥ı⃗∥=∥ȷ⃗∥=∥k⃗∥=1.\vec{\imath} \cdot \vec{\jmath} = \vec{\imath} \cdot \vec{k} = \vec{\jmath} \cdot \vec{k} = 0 \qquad \text{et} \qquad \lVert\vec{\imath}\rVert = \lVert\vec{\jmath}\rVert = \lVert\vec{k}\rVert = 1. Si OO est un point, (O ;ı⃗,ȷ⃗,k⃗)(O\,;\vec{\imath}, \vec{\jmath}, \vec{k}) est alors un repère orthonormé.

Dans le cube d'arête 11, le repère (A ;AB→,AD→,AE→)(A\,;\overrightarrow{AB}, \overrightarrow{AD}, \overrightarrow{AE}) est orthonormé. On y lit B(1 ;0 ;0)B(1\,;0\,;0), C(1 ;1 ;0)C(1\,;1\,;0), D(0 ;1 ;0)D(0\,;1\,;0), E(0 ;0 ;1)E(0\,;0\,;1), F(1 ;0 ;1)F(1\,;0\,;1), G(1 ;1 ;1)G(1\,;1\,;1), H(0 ;1 ;1)H(0\,;1\,;1).

2.2 Produit scalaire et norme en coordonnées

Propriété. Dans une base orthonormée, si u⃗ (x ;y ;z)\vec{u}\,(x\,;y\,;z) et v⃗ (x′ ;y′ ;z′)\vec{v}\,(x'\,;y'\,;z'), alors u⃗⋅v⃗=xx′+yy′+zz′et∥u⃗∥=x2+y2+z2.\vec{u} \cdot \vec{v} = xx' + yy' + zz' \qquad \text{et} \qquad \lVert\vec{u}\rVert = \sqrt{x^2 + y^2 + z^2}.

Démonstration. u⃗=xı⃗+yȷ⃗+zk⃗\vec{u} = x\vec{\imath} + y\vec{\jmath} + z\vec{k} et v⃗=x′ı⃗+y′ȷ⃗+z′k⃗\vec{v} = x'\vec{\imath} + y'\vec{\jmath} + z'\vec{k}. On développe u⃗⋅v⃗\vec{u} \cdot \vec{v} par bilinéarité : on obtient neuf termes. Les six termes croisés contiennent ı⃗⋅ȷ⃗\vec{\imath} \cdot \vec{\jmath}, ı⃗⋅k⃗\vec{\imath} \cdot \vec{k} ou ȷ⃗⋅k⃗\vec{\jmath} \cdot \vec{k}, qui sont nuls ; les trois autres contiennent ı⃗⋅ı⃗=ȷ⃗⋅ȷ⃗=k⃗⋅k⃗=1\vec{\imath} \cdot \vec{\imath} = \vec{\jmath} \cdot \vec{\jmath} = \vec{k} \cdot \vec{k} = 1. Il reste xx′+yy′+zz′xx' + yy' + zz'. Avec v⃗=u⃗\vec{v} = \vec{u}, on obtient ∥u⃗∥2=x2+y2+z2\lVert\vec{u}\rVert^2 = x^2 + y^2 + z^2.

On retrouve le théorème de Pythagore appliqué deux fois dans un pavé : si M(x ;y ;z)M(x\,;y\,;z) et P(x ;y ;0)P(x\,;y\,;0), alors OP2=x2+y2OP^2 = x^2 + y^2, puis OM2=OP2+PM2=x2+y2+z2OM^2 = OP^2 + PM^2 = x^2 + y^2 + z^2.

2.3 Distance entre deux points

Propriété. Dans un repère orthonormé, la distance entre A(xA ;yA ;zA)A(x_A\,;y_A\,;z_A) et B(xB ;yB ;zB)B(x_B\,;y_B\,;z_B) est AB=∥AB→∥=(xB−xA)2+(yB−yA)2+(zB−zA)2.AB = \lVert\overrightarrow{AB}\rVert = \sqrt{(x_B - x_A)^2 + (y_B - y_A)^2 + (z_B - z_A)^2}.

Exemple 6. Dans un repère orthonormé, u⃗ (2 ;−1 ;3)\vec{u}\,(2\,;-1\,;3) et v⃗ (1 ;5 ;1)\vec{v}\,(1\,;5\,;1).

  • u⃗⋅v⃗=2×1+(−1)×5+3×1=2−5+3=0\vec{u} \cdot \vec{v} = 2 \times 1 + (-1) \times 5 + 3 \times 1 = 2 - 5 + 3 = 0 : les vecteurs sont orthogonaux.
  • ∥u⃗∥=4+1+9=14\lVert\vec{u}\rVert = \sqrt{4 + 1 + 9} = \sqrt{14} et ∥v⃗∥=1+25+1=27=33\lVert\vec{v}\rVert = \sqrt{1 + 25 + 1} = \sqrt{27} = 3\sqrt3.

Exemple 7. A(1 ;2 ;−1)A(1\,;2\,;-1) et B(3 ;−1 ;5)B(3\,;-1\,;5). Alors AB→ (2 ;−3 ;6)\overrightarrow{AB}\,(2\,;-3\,;6) et AB=4+9+36=49=7AB = \sqrt{4 + 9 + 36} = \sqrt{49} = 7. Le milieu de [AB][AB] a pour coordonnées (2 ;12 ;2)\left(2\,;\frac12\,;2\right).

Exemple 8. Dans le cube, AG→ (1 ;1 ;1)\overrightarrow{AG}\,(1\,;1\,;1) donne AG=3AG = \sqrt3 : c'est la longueur d'une grande diagonale. Et BH→ (−1 ;1 ;1)\overrightarrow{BH}\,(-1\,;1\,;1) donne AG→⋅BH→=−1+1+1=1\overrightarrow{AG} \cdot \overrightarrow{BH} = -1 + 1 + 1 = 1.

2.4 Attention : base orthonormée obligatoire

Ces formules sont fausses dans une base qui n'est pas orthonormée. Dans le cube, (AB→,AC→,AE→)(\overrightarrow{AB}, \overrightarrow{AC}, \overrightarrow{AE}) est une base (chapitre 3), dans laquelle AC→\overrightarrow{AC} a pour coordonnées (0 ;1 ;0)(0\,;1\,;0). La formule donnerait une norme égale à 11, alors que AC=2AC = \sqrt2. La base n'est pas orthonormée : AB→⋅AC→=1≠0\overrightarrow{AB} \cdot \overrightarrow{AC} = 1 \neq 0.

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Exercices 3 et 4

  • Exercice 3 : calculer avec des coordonnées
  • Exercice 4 : un carton de déménagement

Exercices du chapitre (PDF, 174 Ko)

Corrigés

Cherche d'abord les exercices sur ta feuille, puis compare avec le corrigé détaillé.

Corrigés du chapitre (PDF, 162 Ko)

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