Ce cours sur le produit scalaire dans l’espace pour la 2ème Bac PC et SVT explique la définition, l’expression analytique, l’orthogonalité, les plans et les sphères, avec exercices corrigés. Retrouvez les autres leçons dans la catégorie 2Bac PC-SVT.
Cours de produit scalaire dans l’espace
Géométrie dans l’espace
Produit scalaire, plans et sphères : cours pas à pas, exemples résolus et exercices corrigés.
à maîtriser
1Le produit scalaire de deux vecteurs
- Si u = 0 ou v = 0, alors u · v = 0.
- Sinon : u · v = ‖u‖ × ‖v‖ × cos(u, v).
- Avec le projeté orthogonal H de C sur (AB) : AB · AC = AH × AB si AB et AH ont le même sens, et = −AH × AB s’ils ont des sens contraires.
AF · GC. Dans le cube, GC = EA. Le projeté orthogonal de F sur (AE) est E, donc AF · AE = AE × AE = a², et AF · EA = −a².
AF · CD. Comme ABCD est un carré, CD = BA. Le projeté de F sur (AB) est B, donc AF · BA = −AB × AB = −a².
DH · DC = 0 car (DH) ⊥ (DC) (DCGH est un carré).
AE · DB = 0 car (AE) est perpendiculaire au plan (ABC), donc à toute droite de ce plan, comme (DB).
2Produit scalaire et norme, propriétés
- u · v = v · u
- u · (k v) = k (u · v)
- u · (v + w) = u · v + u · w
- ‖u + v‖² = ‖u‖² + 2 u · v + ‖v‖²
- ‖u − v‖² = ‖u‖² − 2 u · v + ‖v‖²
- (u + v) · (u − v) = ‖u‖² − ‖v‖²
- ‖u‖ = 0 ⇔ u = 0 ; ‖k u‖ = |k| ‖u‖
- u · v = 12 (‖u + v‖² − ‖u‖² − ‖v‖²)
- |u · v| ≤ ‖u‖ × ‖v‖ ; ‖u + v‖ ≤ ‖u‖ + ‖v‖ (inégalité triangulaire)
On écrit BC = BA + AC. Alors
(−2AB) · BC = −2AB · BA − 2AB · AC = 2AB² − 2 × 3 = 2 × 5 − 6 = 4.
u · v = 12(‖u + v‖² − ‖u‖² − ‖v‖²) = 12(25 − 4 − 9) = 6.
3Repère orthonormé et expression analytique
- les vecteurs sont non coplanaires ;
- ils sont normés (unitaires) : ‖i‖ = ‖j‖ = ‖k‖ = 1 ;
- ils sont orthogonaux deux à deux : i · j = 0, j · k = 0, i · k = 0.
Si u(x, y, z) et v(x′, y′, z′), alors
Si A(xA, yA, zA) et B(xB, yB, zB) :
Et l’angle : cos(u, v) = u · v‖u‖ × ‖v‖.
u · v = 1 × (−5) + 5 × 1 + (−1) × 0 = −5 + 5 = 0, donc u ⊥ v.
‖w‖ = √(14 + 0 + 34) = √1 = 1 : w est un vecteur unitaire.
cos(u, v) = 4√14 × √5 = 4√70 (environ 0,48, soit un angle d’environ 61°).
4Plan, vecteur normal et équation cartésienne
- Tout plan admet une équation de la forme ax + by + cz + d = 0, où (a, b, c) ≠ (0, 0, 0). Le vecteur n(a ; b ; c) est normal à ce plan.
- Réciproquement, l’ensemble des points M(x, y, z) tels que ax + by + cz + d = 0 est un plan de vecteur normal n(a ; b ; c).
- L’ensemble des points M tels que u · AM = k (u non nul) est un plan d’équation ax + by + cz + d = 0 avec u(a ; b ; c).
- Écris l’équation sous la forme ax + by + cz + d = 0 (a, b, c sont les coordonnées de n).
- Remplace x, y, z par les coordonnées de A : tu obtiens une équation en d.
- Résous pour d et écris l’équation finale.
(P) : x − 2y − z − 3 = 0.
u · AM = 2(x − 1) + (y + 1) − (z − 2) = 2x + y − z + 1. On veut = −1, donc 2x + y − z + 2 = 0 : c’est un plan.
2x − y + 3z = 0 et 4x + 2z = 0. La 2e donne z = −2x. La 1re : 2x − y − 6x = 0, soit y = −4x.
On choisit x = 1 : n(1 ; −4 ; −2). Vérification : n · u = 2 + 4 − 6 = 0 ✓ et n · v = 4 + 0 − 4 = 0 ✓.
CH(−1 ; 0 ; 1) et CI(−1 ; −1 ; 12). Soit n(x ; y ; z) normal :
−x + z = 0 et −x − y + z2 = 0. Donc z = x, puis y = −x2. Avec x = 2 : n(2 ; −1 ; 2).
Équation : 2x − y + 2z + d = 0. Avec C : 2 − 1 + 0 + d = 0, donc d = −1. (CHI) : 2x − y + 2z − 1 = 0. Vérification avec H : 0 − 1 + 2 − 1 = 0 ✓.
5Positions relatives de deux plans, droites et distance à un plan
- (P) // (P′) ⇔ n et n′ sont colinéaires.
- (P) et (P′) sont sécants ⇔ n et n′ ne sont pas colinéaires.
- (P) ⊥ (P′) ⇔ n · n′ = 0.
1) Perpendiculaires ? n(2 ; −4 ; 1) et n′(1 ; 1 ; 2). n · n′ = 2 − 4 + 2 = 0. Donc (P) ⊥ (P′).
2) Plan (Q) parallèle à (P) passant par A(1 ; −1 ; 1). (Q) a le même vecteur normal : 2x − 4y + z + d = 0. Avec A : 2 + 4 + 1 + d = 0, donc d = −7. (Q) : 2x − 4y + z − 7 = 0.
(Le numérateur est la valeur absolue du résultat obtenu en remplaçant x, y, z par les coordonnées de A dans l’équation ; le dénominateur est la norme du vecteur normal.)
- La droite (D) passant par B et perpendiculaire à (P) a pour vecteur directeur n : x = 3 + t, y = 1 + 2t, z = t.
- B′ est l’intersection de (D) et (P). On remplace dans l’équation du plan : (3 + t) + 2(1 + 2t) + t − 1 = 0, soit 6t + 4 = 0, donc t = −23.
- On calcule les coordonnées : x = 3 − 23 = 73, y = 1 − 43 = −13, z = −23. B′(73 ; −13 ; −23).
A ∈ (P) car 1 + 2 − 2 − 1 = 0 ✓. Pour que A soit le projeté de B, il faut AB colinéaire au vecteur normal n(1 ; 2 ; −1). Or AB(1 ; 0 ; −1) n’est pas colinéaire à n (la 2e coordonnée est 0 pour l’un et 2 pour l’autre). Non, A n’est pas le projeté de B.
(On a d(B ; (P)) = ∣2 + 2 − 1 − 1∣√6 = 2√6 = √63, alors que AB = √2.)
6La sphère
Méthode 1. Centre : le milieu Ω(1 ; 1 ; −1). Rayon : AB2 = 22 = 1. Équation : (x − 1)² + (y − 1)² + (z + 1)² = 1, soit x² + y² + z² − 2x − 2y + 2z + 2 = 0.
Méthode 2. (x − 1)(x − 1) + (y − 0)(y − 2) + (z + 1)(z + 1) = 0 ⇔ x² − 2x + 1 + y² − 2y + z² + 2z + 1 = 0 ⇔ x² + y² + z² − 2x − 2y + 2z + 2 = 0 ✓.
- si a² + b² + c² − d > 0 : (S) est la sphère de centre Ω(a, b, c) et de rayon R = √(a² + b² + c² − d) ;
- si a² + b² + c² − d = 0 : (S) est réduit au point Ω ;
- si a² + b² + c² − d < 0 : (S) est vide.
(S₁) : x² + y² + z² − 2x − 6y − 4z = 0. Ici a = 1, b = 3, c = 2, d = 0. a² + b² + c² − d = 1 + 9 + 4 = 14 > 0 : sphère de centre (1 ; 3 ; 2) et de rayon √14.
(S₂) : x² + y² + z² − 6x + 4y + 6z + 22 = 0. On complète : (x − 3)² + (y + 2)² + (z + 3)² = 9 + 4 + 9 − 22 = 0. (S₂) est réduit au point (3 ; −2 ; −3).
(S₃) : x² + y² + z² − 2x + 3y + z + 7 = 0. (x − 1)² + (y + 32)² + (z + 12)² = 1 + 94 + 14 − 7 = −72 < 0 : (S₃) est vide.
7Intersection d’une sphère et d’une droite
- Écris la représentation paramétrique de la droite : x = …, y = …, z = … (en fonction de t).
- Remplace x, y, z dans l’équation de la sphère. Tu obtiens une équation du second degré en t.
- Selon Δ : Δ > 0 : 2 points (droite sécante) ; Δ = 0 : 1 point (droite tangente) ; Δ < 0 : aucun point.
- Remplace les valeurs de t trouvées dans la représentation paramétrique pour obtenir les coordonnées des points.
- d > R : aucun point commun.
- d = R : un seul point commun, la droite est tangente à la sphère en H.
- d < R : deux points communs, la droite est sécante.
On remplace : (−t)² + t² + (t − 1)² = 9 ⇔ 3t² − 2t + 1 = 9 ⇔ 3t² − 2t − 8 = 0. Δ = 4 + 96 = 100, donc t = 2 ou t = −43.
Pour t = 2 : A(−1 ; 3 ; 3). Pour t = −43 : B(73 ; −13 ; −13). La droite coupe la sphère en deux points.
Après calcul de x² + y² + z² − 2x − 4y + 2z, les termes en t s’annulent et il reste 35t² = 0, donc t = 0 : un seul point A(2 ; 4 ; −2). La droite est tangente à la sphère en A.
On remplace et on simplifie : 5t² + 1 = 0, qui n’a aucune solution réelle. L’intersection est vide.
(D) : x = 2t, y = 5 + t, z = 1 − 2t. En remplaçant : 9t² + 18t + 9 = 0 ⇔ t² + 2t + 1 = 0 ⇔ (t + 1)² = 0, donc t = −1. Le seul point commun est T(−2 ; 4 ; 3) : (D) est tangente à (S) en T.
8Intersection d’une sphère et d’un plan
- d > R : (P) et (S) n’ont aucun point commun.
- d = R : un seul point commun H : le plan est tangent à la sphère en H.
- d < R : l’intersection est un cercle de centre H et de rayon r = √(R² − d²) (théorème de Pythagore).
- Détermine le centre Ω et le rayon R de la sphère (en complétant les carrés si besoin).
- Calcule d = d(Ω ; (P)) avec la formule de distance.
- Compare d et R. Si d < R, calcule r = √(R² − d²).
- Le centre H du cercle est le projeté orthogonal de Ω sur (P) : intersecte la droite passant par Ω et de direction n avec le plan.
(S) : (x − 1)² + (y − 1)² + z² = 6, de centre Ω(1 ; 1 ; 0) et de rayon R = √6.
d(Ω ; (P)) = ∣2 − 1 − 0 + 5∣√(4 + 1 + 1) = 6√6 = √6 = R. Le plan est tangent à la sphère.
Le point de tangence H : droite par Ω de direction n(2 ; −1 ; −1) : x = 1 + 2k, y = 1 − k, z = −k. Dans (P) : 2(1 + 2k) − (1 − k) + k + 5 = 0 ⇔ 6k + 6 = 0 ⇔ k = −1. H(−1 ; 2 ; 1).
(S) : (x − 1)² + y² + (z + 1)² = 1 : Ω(1 ; 0 ; −1), R = 1. d(Ω ; (P)) = ∣1 − 0 − 1 − 3∣√3 = 3√3 = √3 > 1 = R. L’intersection est vide.
Ω(2 ; 1 ; −3), R = 3. d(Ω ; (P)) = ∣4 − 1 − 9 − 2∣√14 = 8√14 ≈ 2,14 < 3.
Rayon : r = √(9 − 6414) = √(6214) = √(317) ≈ 2,1.
Centre H : droite par Ω de direction n(2 ; −1 ; 3) : x = 2 + 2k, y = 1 − k, z = −3 + 3k. Dans (P) : 2(2 + 2k) − (1 − k) + 3(−3 + 3k) − 2 = 0 ⇔ 14k − 8 = 0 ⇔ k = 47. H(227 ; 37 ; −97).
| d(Ω ; (P)) | Position | Rayon du cercle | Centre H |
|---|---|---|---|
AM · AΩ = −(x − 1) + (y + 1) − (z + 1) = 0 ⇔ −x + y − z + 1 = 0, soit x − y + z − 1 = 0.
9Méthodes et erreurs à éviter
Que faire dans un exercice ?
| On te demande… | Tu fais… |
|---|---|
| Montrer que u ⊥ v | Calcule u · v = xx′ + yy′ + zz′ et vérifie qu’il vaut 0. |
| Angle ou cosinus | cos(u, v) = u · v‖u‖ × ‖v‖. |
| Vecteur normal à un plan | Lis (a ; b ; c) dans ax + by + cz + d = 0, ou résous n · u = 0 et n · v = 0. |
| Équation d’un plan (point A et normal n) | ax + by + cz + d = 0, puis remplace par A pour trouver d. |
| Plans parallèles / perpendiculaires | Compare les vecteurs normaux : colinéaires ? n · n′ = 0 ? |
| Distance d’un point à un plan | ∣axA + byA + czA + d∣√(a² + b² + c²). |
| Projeté orthogonal sur un plan | Droite par le point, de direction n ; intersecte avec le plan. |
| Équation d’une sphère | Centre et rayon : (x − a)² + (y − b)² + (z − c)² = R². Ou diamètre : MA · MB = 0. |
| Reconnaître une sphère | Complète les carrés, regarde le signe de a² + b² + c² − d. |
| Sphère et droite | Remplace la paramétrisation dans l’équation, étudie Δ. |
| Sphère et plan | d(Ω ; P) comparée à R ; si d < R : r = √(R² − d²), centre H = projeté de Ω. |
Erreurs à éviter
10Exercices d’entraînement corrigés
Cherche d’abord seul(e) sur ton cahier, puis ouvre la solution pour vérifier.
Repère orthonormé. A(1 ; 0 ; 1), B(2 ; 1 ; 3), C(0 ; 2 ; 2). 1) Calculer AB · AC. 2) Calculer AB, AC, BC. 3) Calculer cos(AB, AC) et en déduire la nature du triangle ABC.
Voir la solution
1) AB(1 ; 1 ; 2) et AC(−1 ; 2 ; 1). AB · AC = −1 + 2 + 2 = 3.
2) AB = √(1 + 1 + 4) = √6 ; AC = √(1 + 4 + 1) = √6 ; BC(−2 ; 1 ; −1), donc BC = √(4 + 1 + 1) = √6.
3) cos = 3√6 × √6 = 36 = 12, donc l’angle vaut 60°. Les trois côtés sont égaux : le triangle ABC est équilatéral.
A(1 ; 0 ; 0), B(0 ; 2 ; 0), C(0 ; 0 ; 3). Montrer que 6x + 3y + 2z − 6 = 0 est une équation du plan (ABC). Donner un vecteur normal.
Voir la solution
Le plan 6x + 3y + 2z − 6 = 0 a pour vecteur normal n(6 ; 3 ; 2). On vérifie que A, B, C lui appartiennent : A : 6 − 6 = 0 ✓ ; B : 6 − 6 = 0 ✓ ; C : 6 − 6 = 0 ✓. Comme A, B, C ne sont pas alignés, ce plan est bien (ABC). n(6 ; 3 ; 2).
(Autre méthode : n · AB = 0 et n · AC = 0 avec AB(−1 ; 2 ; 0) et AC(−1 ; 0 ; 3).)
(P) : x + 2y − z − 1 = 0. 1) A(1 ; 1 ; 2) et B(2 ; 1 ; 1) appartiennent-ils à (P) ? 2) Calculer AB, d(A ; (P)), d(B ; (P)). 3) A est-il le projeté orthogonal de B sur (P) ?
Voir la solution
1) A : 1 + 2 − 2 − 1 = 0 : A ∈ (P). B : 2 + 2 − 1 − 1 = 2 ≠ 0 : B ∉ (P).
2) AB = √(1 + 0 + 1) = √2. d(A ; (P)) = 0 (A est dans le plan). d(B ; (P)) = 2√(1 + 4 + 1) = 2√6 = √63.
3) n(1 ; 2 ; −1) est normal à (P). AB(1 ; 0 ; −1) n’est pas colinéaire à n. Donc non, A n’est pas le projeté de B. (D’ailleurs AB = √2 ≈ 1,41 est plus grand que d(B ; (P)) ≈ 0,82.)
(P) : 2x − y + 2z − 6 = 0 et M(1 ; 2 ; 5). 1) Calculer d(M ; (P)). 2) Déterminer le projeté orthogonal H de M sur (P). 3) En déduire le symétrique M′ de M par rapport à (P).
Voir la solution
1) d = ∣2 − 2 + 10 − 6∣√(4 + 1 + 4) = 43.
2) La droite par M de direction n(2 ; −1 ; 2) : x = 1 + 2k, y = 2 − k, z = 5 + 2k. Dans (P) : 2(1 + 2k) − (2 − k) + 2(5 + 2k) − 6 = 9k + 4 = 0, donc k = −49. H(19 ; 229 ; 379). (Contrôle : MH = |k| × ‖n‖ = 49 × 3 = 43 ✓.)
3) H est le milieu de [MM′], donc MM′ = 2MH, soit k = −89 dans la paramétrisation : M′(−79 ; 269 ; 299).
1) Sphère de centre Ω(1 ; 2 ; −1) passant par O(0 ; 0 ; 0). 2) Sphère de diamètre [AB] avec A(−1 ; 2 ; 1), B(1 ; −1 ; 0). 3) Reconnaître x² + y² + z² − 4x + 2y − 6z + 5 = 0.
Voir la solution
1) R² = ΩO² = 1 + 4 + 1 = 6. (x − 1)² + (y − 2)² + (z + 1)² = 6, soit x² + y² + z² − 2x − 4y + 2z = 0.
2) MA · MB = 0 : (x + 1)(x − 1) + (y − 2)(y + 1) + (z − 1)z = 0 ⇔ x² − 1 + y² − y − 2 + z² − z = 0 ⇔ x² + y² + z² − y − z − 3 = 0. En complétant : x² + (y − 12)² + (z − 12)² = 72 : centre (0 ; 12 ; 12), rayon √(72).
3) a = 2, b = −1, c = 3, d = 5. a² + b² + c² − d = 4 + 1 + 9 − 5 = 9 > 0 : sphère de centre (2 ; −1 ; 3) et de rayon 3.
1) (S) : x² + y² + z² − 4x − 2y − 1 = 0 et (D) : x = −1 + 2t, y = 2 − 2t, z = −1 + t. Étudier l’intersection. 2) (S′) : x² + y² + z² − 2x + 4y − 2z + 4 = 0 et (D′) : x = 0, y = t, z = t. Étudier l’intersection.
Voir la solution
1) On remplace : (−1 + 2t)² + (2 − 2t)² + (−1 + t)² − 4(−1 + 2t) − 2(2 − 2t) − 1 = 9t² − 18t + 5 = 0. Δ = 324 − 180 = 144, donc t = 18 ± 1218 : t = 13 ou t = 53. Deux points : A(−13 ; 43 ; −23) et B(73 ; −43 ; 23). La droite est sécante.
2) On remplace x = 0, y = t, z = t : 2t² + 4t − 2t + 4 = 2t² + 2t + 4 = 0, soit t² + t + 2 = 0. Δ = 1 − 8 = −7 < 0 : intersection vide.
(P) : x − y + z = 0 et (Q) : 2x + 3y + z − 6 = 0. Ω(1 ; 2 ; 4). (S) est la sphère de centre Ω tangente à (P). (Δ) est la droite passant par Ω et perpendiculaire à (Q). 1) Montrer que (P) ⊥ (Q). 2) Déterminer (S) et le point de tangence. 3) Déterminer (Δ) ∩ (Q), puis montrer que (Q) coupe (S) selon un cercle dont on donnera le centre et le rayon.
Voir la solution
1) n(1 ; −1 ; 1) et n′(2 ; 3 ; 1) : n · n′ = 2 − 3 + 1 = 0. Donc (P) ⊥ (Q).
2) R = d(Ω ; (P)) = ∣1 − 2 + 4∣√3 = √3. (S) : (x − 1)² + (y − 2)² + (z − 4)² = 3. Le point de tangence H est le projeté de Ω sur (P) : droite x = 1 + t, y = 2 − t, z = 4 + t. Dans (P) : (1 + t) − (2 − t) + (4 + t) = 3 + 3t = 0, donc t = −1 : H(0 ; 3 ; 3).
3) (Δ) : direction n′(2 ; 3 ; 1) : x = 1 + 2t, y = 2 + 3t, z = 4 + t. Dans (Q) : 2(1 + 2t) + 3(2 + 3t) + (4 + t) − 6 = 14t + 6 = 0, donc t = −37. W(17 ; 57 ; 257).
d(Ω ; (Q)) = ∣2 + 6 + 4 − 6∣√14 = 6√14, donc d² = 3614 = 187 < 3 = R². Le plan (Q) coupe (S) suivant un cercle de centre W et de rayon r = √(3 − 187) = √(37) (environ 0,65).
(S) : sphère de centre Ω(2 ; 0 ; 1) et de rayon 3. (P) : x − 2y + z + 3 = 0. 1) Donner l’équation de (S). 2) Montrer que (P) coupe (S) selon un cercle (C), calculer son rayon. 3) Déterminer le centre H de (C).
Voir la solution
1) (x − 2)² + y² + (z − 1)² = 9, soit x² + y² + z² − 4x − 2z − 4 = 0.
2) d(Ω ; (P)) = ∣2 − 0 + 1 + 3∣√(1 + 4 + 1) = 6√6 = √6 ≈ 2,45 < 3. Donc (P) coupe (S) selon un cercle de rayon r = √(9 − 6) = √3.
3) La droite (Δ) par Ω de direction n(1 ; −2 ; 1) : x = 2 + t, y = −2t, z = 1 + t. Dans (P) : (2 + t) − 2(−2t) + (1 + t) + 3 = 6t + 6 = 0, donc t = −1. H(1 ; 2 ; 0).
(S) est la sphère de centre Ω(1 ; 2 ; 1) et de rayon √3. Pour m réel, (Pm) : x + y − z − m = 0. Discuter, selon m, la position de (S) et (Pm). Pour quelles valeurs de m le plan coupe-t-il (S) selon un cercle ?
Voir la solution
d(Ω ; (Pm)) = ∣1 + 2 − 1 − m∣√3 = ∣2 − m∣√3. On compare avec R = √3, c’est-à-dire ∣2 − m∣ avec 3.
Si ∣2 − m∣ < 3, c’est-à-dire −1 < m < 5 : (Pm) coupe (S) selon un cercle, de rayon rm = √(3 − (2 − m)²3) = √(−m² + 4m + 53).
Si m = −1 ou m = 5 : (Pm) est tangent à (S).
Si m < −1 ou m > 5 : (Pm) et (S) n’ont aucun point commun.
Les centres des cercles sont les projetés de Ω : x = m + 13, y = m + 43, z = 5 − m3 pour −1 < m < 5 : ils décrivent un segment de droite (sans ses extrémités).
★Fiche résumé à retenir
- Produit scalaire : u · v = ‖u‖‖v‖cos(u, v) = xx′ + yy′ + zz′ (repère orthonormé). u ⊥ v ⇔ u · v = 0.
- Norme et distance : ‖u‖ = √(x² + y² + z²) ; AB = √((xB − xA)² + (yB − yA)² + (zB − zA)²) ; cos(u, v) = u · v‖u‖‖v‖.
- Plan : ax + by + cz + d = 0, vecteur normal n(a ; b ; c). Plan par A de normal n : on trouve d en remplaçant A.
- Deux plans : parallèles ⇔ normaux colinéaires ; perpendiculaires ⇔ n · n′ = 0.
- Distance point-plan : d(A ; (P)) = ∣axA + byA + czA + d∣√(a² + b² + c²).
- Droite : x = xA + at, y = yA + bt, z = zA + ct. Perpendiculaire à un plan : direction = vecteur normal.
- Sphère : (x − a)² + (y − b)² + (z − c)² = R². Diamètre [AB] : MA · MB = 0. x² + y² + z² − 2ax − 2by − 2cz + d = 0 : sphère si a² + b² + c² − d > 0.
- Sphère et droite : substitution dans l’équation, étudie Δ. Sphère et plan : d < R : cercle de rayon √(R² − d²) centré en H (projeté de Ω) ; d = R : tangent ; d > R : vide.
- Plan tangent en A : AM · AΩ = 0.