Ce cours sur le produit vectoriel pour la 2ème Bac PC et SVT explique l’orientation de l’espace, le calcul avec les coordonnées, l’aire d’un triangle, les plans et les distances, avec exercices corrigés. Retrouvez les autres leçons dans la catégorie 2Bac PC-SVT.
Cours de produit vectoriel 2ème Bac
Produit vectoriel
Un produit qui donne un vecteur : orientation, calcul, aire d’un triangle, plans et distances. Cours pas à pas et exercices corrigés.
à maîtriser
1Orientation de l’espace
- Si l’axe (Oy) est à sa gauche : la base (i, j, k) est directe.
- Si l’axe (Oy) est à sa droite : la base est indirecte.
- Permutation circulaire : (j, k, i) et (k, i, j) sont directes.
- Échange de deux vecteurs : (i, k, j), (k, j, i), (j, i, k) sont indirectes.
- Changement de signe d’un seul vecteur : (−i, j, k), (i, −j, k), (i, j, −k) sont indirectes.
- Critère avec le déterminant : une base (u, v, w) est directe si et seulement si det(u, v, w) > 0.
2Définition du produit vectoriel
- Si u et v sont colinéaires : u ∧ v = 0.
- Si u et v ne sont pas colinéaires : w est tel que
- w ⊥ u et w ⊥ v (w est orthogonal aux deux) ;
- la base (u, v, w) est directe ;
- ‖w‖ = ‖u‖ × ‖v‖ × sin θ, où θ est l’angle (u, v).
u et v tels que ‖u‖ = 1, ‖v‖ = 3 et (u, v) = π/3. Calculer ‖u ∧ v‖.
3Propriétés du produit vectoriel
- u ∧ u = 0.
- Antisymétrie : v ∧ u = −(u ∧ v). L’ordre compte : si on échange, le résultat change de signe.
- Bilinéarité :
(u + v) ∧ w = u ∧ w + v ∧ wu ∧ (v + w) = u ∧ v + u ∧ w(λu) ∧ v = λ(u ∧ v) = u ∧ (λv)
4Interprétation géométrique : l’aire
5Expression avec les coordonnées
- Écris les deux vecteurs en colonnes : x, y, z à gauche, x′, y′, z′ à droite.
- 1ʳᵉ coordonnée : cache la ligne 1 et fais « diagonale ↘ − diagonale ↙ » avec les lignes 2 et 3 : yz′ − zy′.
- 2ᵉ coordonnée : cache la ligne 2, et inverse le signe : −(xz′ − zx′) = zx′ − xz′.
- 3ᵉ coordonnée : cache la ligne 3 : xy′ − yx′.
u(1 ; 1 ; 1) et v(2 ; 1 ; 2). Calculer u ∧ v.
2ᵉ : 1×2 − 1×2 = 0
3ᵉ : 1×1 − 1×2 = −1
Donc u ∧ v = (1 ; 0 ; −1), c’est-à-dire i − k.
u = i + 2j + k et v = 3i − 2j − k. Calculer u ∧ v.
1ʳᵉ : 2×(−1) − 1×(−2) = −2 + 2 = 0
2ᵉ : 1×3 − 1×(−1) = 3 + 1 = 4
3ᵉ : 1×(−2) − 2×3 = −2 − 6 = −8
Donc u ∧ v = 4j − 8k.
Essaie toi-même
| u ∧ v | ‖u ∧ v‖ | Aire du parallélogramme | Aire du triangle | Colinéaires ? |
|---|---|---|---|---|
6Applications
6.1 · Alignement de trois points
6.2 · Équation d’un plan défini par trois points
Repère orthonormé direct. A(0 ; 1 ; 2), B(1 ; 1 ; 0), C(1 ; 0 ; 1).
1) A, B, C sont-ils alignés ? AB(1 ; 0 ; −2) et AC(1 ; −1 ; −1).
2ᵉ : (−2)×1 − 1×(−1) = −1
3ᵉ : 1×(−1) − 0×1 = −1
AB ∧ AC = (−2 ; −1 ; −1) ≠ 0 : non alignés.
2) Aire. ‖AB ∧ AC‖ = √(4 + 1 + 1) = √6, donc SABC = √62.
3) Plan. n(−2 ; −1 ; −1) est normal : −2x − y − z + d = 0. Avec A : −0 − 1 − 2 + d = 0, donc d = 3. Le plan est −2x − y − z + 3 = 0, soit 2x + y + z − 3 = 0.
Vérification : B : 2 + 1 + 0 − 3 = 0 ✓ ; C : 2 + 0 + 1 − 3 = 0 ✓.
6.3 · Intersection de deux plans
(P) : x − y + 2z + 1 = 0 et (P′) : 2x + y − z + 2 = 0. Déterminer leur intersection.
n(1 ; −1 ; 2) et n′(2 ; 1 ; −1).
2ᵉ : 2×2 − 1×(−1) = 5
3ᵉ : 1×1 − (−1)×2 = 3
n ∧ n′ = (−1 ; 5 ; 3) ≠ 0 : les plans sont sécants suivant une droite (D) de vecteur directeur u(−1 ; 5 ; 3).
Un point de (D) : on prend z = 0. Le système x − y + 1 = 0 et 2x + y + 2 = 0 donne, en additionnant, 3x + 3 = 0, donc x = −1 et y = 0. Le point est A(−1 ; 0 ; 0).
Représentation paramétrique :
Vérification avec t = 1 : M(−2 ; 5 ; 3). (P) : −2 − 5 + 6 + 1 = 0 ✓. (P′) : −4 + 5 − 3 + 2 = 0 ✓.
6.4 · Distance d’un point à une droite
Distance de M(−1 ; 0 ; 1) à la droite (D) passant par A(1 ; −1 ; 0) et de vecteur directeur u(2 ; −1 ; 2).
AM(−2 ; 1 ; 1). Calculons AM ∧ u :
2ᵉ : 1×2 − (−2)×2 = 6
3ᵉ : (−2)(−1) − 1×2 = 0
AM ∧ u = (3 ; 6 ; 0), de norme √45 = 3√5. De plus ‖u‖ = √(4 + 1 + 4) = 3.
(Même résultat avec u ∧ AM : les deux vecteurs sont opposés, leurs normes sont égales.)
7Méthodes et erreurs à éviter
Que faire dans un exercice ?
| On te demande… | Tu fais… |
|---|---|
| Prouver que A, B, C sont alignés | Calcule AB ∧ AC : si c’est 0, alignés ; sinon non alignés. |
| Aire du triangle ABC | ½ ‖AB ∧ AC‖. |
| Aire du parallélogramme ABDC | ‖AB ∧ AC‖. |
| Équation du plan (ABC) | n = AB ∧ AC donne (a ; b ; c), puis d en remplaçant A. |
| Intersection de deux plans | Direction = n ∧ m ; un point en fixant une coordonnée (ex. z = 0). |
| Distance d’un point à une droite | ‖u ∧ AM‖ / ‖u‖. |
| Norme de u ∧ v avec un angle | ‖u‖ ‖v‖ sin θ. |
Erreurs à éviter
8Exercices corrigés
Dans une base orthonormée directe, calculer u ∧ v pour : 1) u(1 ; 1 ; 1) et v(2 ; 1 ; 2) ; 2) u(2 ; −2 ; 0) et v(1 ; −1 ; 0) ; 3) u(1 ; 0 ; 0) et v(0 ; 1 ; 0).
Voir la solution
1) (1×2 − 1×1 ; 1×2 − 1×2 ; 1×1 − 1×2) = (1 ; 0 ; −1).
2) u = 2v : colinéaires, donc u ∧ v = 0. Vérification : (−2×0 − 0×(−1) ; 0×1 − 2×0 ; 2×(−1) − (−2)×1) = (0 ; 0 ; 0) ✓.
3) (0×0 − 0×1 ; 0×0 − 1×0 ; 1×1 − 0×0) = (0 ; 0 ; 1) = k. On retrouve i ∧ j = k.
(i, j, k) est directe. Pour chaque base, dire si elle est directe ou indirecte : (j, k, i) ; (i, k, j) ; (−i, j, k) ; (−i, −j, k) ; (k, j, i).
Voir la solution
(j, k, i) : permutation circulaire → directe. (i, k, j) : échange de deux vecteurs → indirecte. (−i, j, k) : un seul signe changé → indirecte. (−i, −j, k) : deux signes changés → directe. (k, j, i) : échange de i et k → indirecte.
‖u‖ = 2, ‖v‖ = 5 et (u, v) = π/6. Calculer ‖u ∧ v‖. Même question si (u, v) = π/2, puis si (u, v) = π.
Voir la solution
π/6 : 2 × 5 × sin(π/6) = 10 × ½ = 5. π/2 : 2 × 5 × 1 = 10. π : 2 × 5 × sin π = 0 (vecteurs colinéaires).
Repère orthonormé direct. A(0 ; 1 ; 2), B(1 ; 1 ; 0), C(1 ; 0 ; 1). 1) Déterminer AB ∧ AC et vérifier que A, B, C ne sont pas alignés. 2) Calculer l’aire du triangle ABC. 3) Déterminer une équation cartésienne du plan (ABC).
Voir la solution
1) AB(1 ; 0 ; −2), AC(1 ; −1 ; −1). AB ∧ AC = (0×(−1) − (−2)(−1) ; (−2)×1 − 1×(−1) ; 1×(−1) − 0×1) = (−2 ; −1 ; −1) ≠ 0 : non alignés.
2) ‖·‖ = √6, donc S = √62 unités d’aire.
3) −2x − y − z + d = 0, avec A : −1 − 2 + d = 0, d = 3. Équation : 2x + y + z − 3 = 0. (B : 2 + 1 − 3 = 0 ✓ ; C : 2 + 1 − 3 = 0 ✓)
(P) : x − y + 2z + 1 = 0 et (P′) : 2x + y − z + 2 = 0. Montrer que (P) et (P′) sont sécants et donner une représentation paramétrique de leur intersection.
Voir la solution
n(1 ; −1 ; 2), n′(2 ; 1 ; −1) ne sont pas colinéaires (1/2 ≠ −1/1), donc les plans sont sécants. n ∧ n′ = (1 − 2 ; 4 + 1 ; 1 + 2) = (−1 ; 5 ; 3).
Point : z = 0 donne x − y = −1 et 2x + y = −2, d’où x = −1, y = 0 : A(−1 ; 0 ; 0).
Droite : x = −1 − t, y = 5t, z = 3t (t ∈ ℝ). Contrôle : x − y + 2z + 1 = (−1 − t) − 5t + 6t + 1 = 0 ✓.
Repère orthonormé. (D) passe par A(1 ; −1 ; 0) et a pour vecteur directeur u(2 ; −1 ; 2). Calculer la distance du point M(−1 ; 0 ; 1) à (D).
Voir la solution
AM(−2 ; 1 ; 1). AM ∧ u = (1×2 − 1×(−1) ; 1×2 − (−2)×2 ; (−2)(−1) − 1×2) = (3 ; 6 ; 0). Norme : √(9 + 36) = 3√5. ‖u‖ = 3.
d = 3√5 / 3 = √5.
ABCDEFGH est un cube d’arête 1, avec A(0 ; 0 ; 0), B(1 ; 0 ; 0), D(0 ; 1 ; 0), E(0 ; 0 ; 1) (repère orthonormé direct (A ; AB, AD, AE)). Soit I le milieu de [EF] et K le centre du carré ADHE.
1) a) Montrer que BK = IG ∧ IA. b) En déduire l’aire du triangle IGA.
2) Soit ABCD un quadrilatère convexe dont les diagonales se coupent en T (cas général) et Ω un point tel que DΩ = BT. a) Comparer les aires des triangles ABD et AΩT. b) Montrer que AC ∧ AΩ = AC ∧ BD.
Voir la solution
1) a) Coordonnées : E(0 ; 0 ; 1), F(1 ; 0 ; 1), G(1 ; 1 ; 1), H(0 ; 1 ; 1), donc I(½ ; 0 ; 1) et K(0 ; ½ ; ½).
BK(−1 ; ½ ; ½), IG(½ ; 1 ; 0), IA(−½ ; 0 ; −1).
IG ∧ IA = (1×(−1) − 0×0 ; 0×(−½) − ½×(−1) ; ½×0 − 1×(−½)) = (−1 ; ½ ; ½) = BK ✓.
b) SIGA = ½ ‖IG ∧ IA‖ = ½ √(1 + ¼ + ¼) = ½ × √(3/2) = √64.
2) a) DΩ = BT : BTΩD est un parallélogramme, donc ΩT = DB et ΩT = DB. Soit M le projeté orthogonal de A sur (BD) : AM est la hauteur de ABD et de AΩT (ΩT est parallèle à BD). Donc SABD = ½ AM × BD et SAΩT = ½ AM × ΩT. Comme ΩT = BD, les deux aires sont égales.
b) AC ∧ AΩ = AC ∧ (AT + TΩ) = AC ∧ AT + AC ∧ TΩ. Or A, C, T sont alignés, donc AC ∧ AT = 0. Et TΩ = BD. Donc AC ∧ AΩ = AC ∧ BD.
★Fiche résumé à retenir
- Orientation : permutation circulaire = base directe ; un échange ou un signe changé = indirecte. (u, v, w) directe ⇔ det(u, v, w) > 0.
- Définition : u ∧ v = 0 si colinéaires ; sinon w ⊥ u, w ⊥ v, (u, v, w) directe, ‖w‖ = ‖u‖‖v‖ sin θ.
- Propriétés : u ∧ u = 0 ; v ∧ u = −(u ∧ v) ; bilinéaire. i ∧ j = k, j ∧ k = i, k ∧ i = j.
- Coordonnées : u ∧ u′ = (yz′ − zy′ ; zx′ − xz′ ; xy′ − yx′) en base orthonormée directe.
- Aire : parallélogramme = ‖AB ∧ AC‖ ; triangle ABC = ½ ‖AB ∧ AC‖.
- Alignement : A, B, C alignés ⇔ AB ∧ AC = 0.
- Plan (ABC) : normal n = AB ∧ AC ; M ∈ (ABC) ⇔ AM · n = 0.
- Deux plans sécants : direction de l’intersection = n ∧ m.
- Distance point-droite : d(M ; (D)) = ‖u ∧ AM‖ / ‖u‖.