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PRODUIT VECTORIEL DE DEUX VECTEURS


Titre de l'activité : PRODUIT VECTORIEL DE DEUX VECTEURS
Durée : 40 min
Résumé

Vous devez être capable de restituer la définition du produit vectoriel de deux vecteurs, calculer les coordonnées du produit vectoriel de deux vecteurs, l'aire d'un triangle.

Auteur(s) : 
  • Niowy Jean Jacques Fall
    MEN_SENEGAL IA_DAKAR
Licence : Creative Commons - Attribution

INTRODUCTION⚓

DÉFINITION DU PRODUIT VECTORIEL DE DEUX VECTEURS⚓

Définition :

On appelle produit vectoriel d'un vecteur \(\vec u\) par un vecteur \(\vec v\), le vecteur \(\vec w\) ainsi défini :

  • Lorsque \(\vec u\) et \(\vec v\) sont colinéaires, \(\vec w = \vec 0\) .

  • Lorsque \(\vec u\) et \(\vec v\) sont non colinéaires, considérons trois points \(A\), \(B\), \(C\) tels que \(\vec {AB} = \vec u\) et \(\vec{AC} = \vec v\) . Sur la droite passant par \(A\) et orthogonale au plan \((ABC)\) il existe un point \(P\), et un seul, tel que \(AP = AB\times AC\times sin\widehat{BAC}\) et tel que la base \((\vec {AP}, \vec {AB}, \vec {AC})\) soit directe.

Le vecteur \(\vec w\) est alors égal à \(\vec {AP}\).

Notation

Le produit vectoriel de \(\vec u\) par \(\vec v\) est noté, soit \(\vec u \wedge{\vec v}\), soit \(\vec u \times {\vec v}\)

PROPRIÉTÉS⚓

Le produit vectoriel de \(\vec u\) par \(\vec v\) est un vecteur orthogonal à chacun des deux vecteurs \(\vec u\) et \(\vec v\).

  1. Pour tout couple \((\vec u, \vec v)\) de vecteurs non nuls, d'angle \(θ\) (en radians):

  2. \(\Arrowvert {\vec u \wedge {\vec v}}\Arrowvert =\Arrowvert \vec u \Arrowvert \times \Arrowvert \vec v \Arrowvert \times \sin θ\).

  3. Etant donnés deux vecteurs non colinéaires \(\vec u\) et \(\vec v\) et leur produit vectoriel \(\vec w ={\vec u \wedge {\vec v}}\) , le triplet \((\vec w, \vec u, \vec v)\) est une base directe de l'espace vectoriel \(W\).

  4. Le produit vectoriel \(\vec u \wedge {\vec v}\) est nul si, et seulement si, les vecteurs \(\vec u\) et \(\vec v\) sont colinéaires.

    En particulier : \(\vec u \wedge {\vec 0} = \vec 0 \wedge {\vec u} =\vec 0\) et \(\vec u \wedge {\vec u} = \vec 0\), pour tout vecteur \(\vec u .\)

  5. Pour tout couple \((\vec u, \vec v)\) de vecteurs, \(\vec u \wedge {\vec v}= -\vec v \wedge {\vec u}\).

Application

l'aire du triangle ABC est :\(\dfrac{1}{2}\times \Arrowvert {\vec {AB}\wedge{\vec AC} \Arrowvert}\)

CONSÉQUENCES⚓

Pour tous vecteurs \(\vec u\), \(\vec v\), \(\vec w\) et \(a\) et\( b\) deux réels.

  • \(({\vec u }+ {\vec v}) \wedge {\vec w} = {\vec u \wedge {\vec w}} + {\vec v \wedge {\vec w}}\)

  • \((a \vec u) \wedge {\vec v} = a (\vec u \wedge {\vec v})\)

  • \(\vec u \wedge {(\vec v +\vec w)} ={\vec u \wedge {\vec v}} + {\vec u \wedge {\vec w}}\) .

  • \(\vec u \wedge {(b\vec v)} = b(\vec u\wedge {\vec v})\)

Question⚓

\((\vec i, \vec j, \vec k)\) base orthonormée directe de l'espace.

Exprimer :

\(\vec i \wedge {\vec j}\);

\(\vec j \wedge{\vec k}\);

\(\vec k \wedge{\vec i}\);

\(\vec i \wedge{\vec i}\);

\(\vec j \wedge{\vec j}\);

\(\vec k \wedge{\vec k}\);

\((2\vec i) \wedge{(3\vec j)}\).

Solution⚓

\(\vec i \wedge{\vec j}\) = \(\vec k\)

\(\vec j \wedge{\vec k}\) = \(\vec i\)

\(\vec k \wedge{\vec i}\) = \(\vec j\)

\(\vec i \wedge{\vec i}\) = \(\vec 0\)

\(\vec j \wedge{\vec j}\) = \(\vec 0\)

\(\vec k \wedge{\vec k}\) = \(\vec 0\)

\((2\vec i) \wedge{(3\vec j)}\) = \(6 \vec k\).

COORDONNÉES DU PRODUIT VECTORIEL⚓

Méthode :

L'espace vectoriel \(W\) est muni dune base orthonormée directe \(( \vec i, \vec j, \vec k).\)

si \(\vec u (a ;b ; c)\) et \(\vec v(a' ; b' ; c')\) alors les coordonnées de \(\vec u \wedge{\vec v}\) sont : \((X ; Y; Z)\)

avec \(X= \begin{vmatrix} b & b' \\ c & c' \end{vmatrix}\) ; \(Y= \begin{vmatrix} c & c'\\ a & a' \end{vmatrix}\); \(Z = \begin{vmatrix} a & a'\\ b & b' \end{vmatrix}\).

EXERCICES RÉSOLUS⚓

Question⚓

Dans l'espace muni d'une base orthonormée directe, on considère les vecteurs \(\vec u (1 ;3 ; -2)\) et \(\vec v(2 ; -2 ; 1)\)

Calculer \(\vec u \wedge{\vec v}\).

Solution⚓

\(\vec u \wedge{\vec v}\) a pour coordonnées :

\(X= \begin{vmatrix} 3 & -2 \\ -2 & 1 \end{vmatrix}\) ; \(Y= \begin{vmatrix} -2 & 1\\ 1 & 2 \end{vmatrix}\); \(Z = \begin{vmatrix} 1 & 2\\ 3 & -2 \end{vmatrix}\).

Par suite \(\vec u \wedge{\vec v}\) a pour coordonnées (-1 ; -3 ; -8).

Question⚓

On considère l'espace muni d'un repère orthonormal direct \((O ; \vec i ; \vec j ; \vec k)\).

Soit \((\mathcal D)\) la droite de repère \((A ; \vec u)\), avec : \(A (1 ;-2 ; 1)\) et \(\vec u {(1 ; 2 ; 3)}\)

Soit \((\mathcal P)\) le plan d'équation : \(x + y + z -4 = 0\).

Déterminer une équation du plan \((\mathcal Q)\) qui contient \((\mathcal D)\) et qui est perpendiculaire à \((\mathcal P)\) .

Solution⚓

Le plan \((\mathcal P)\) admettant pour équation \(x + y + z -4 = 0\), le vecteur \(\vec v {(1 ;1 ;1 )}\) est un vecteur normal de \(( \mathcal P)\) .

Les vecteurs \(\vec u\) et \(\vec v\) n'étant pas colinéaires, il existe un plan et un seul perpendiculaire à \((\mathcal P)\) et contenant la droite \((\mathcal D)\) : c'est le plan \((\mathcal Q)\) de repère \((A ; \vec u ; \vec v)\).

On pose \(\vec w = \vec u \wedge{\vec v}\);

\(\vec w\) est un vecteur normal à \((\mathcal Q)\), de coordonnées \((-1 ;2 ;-1)\).

Soit \(M(x ;y ;z)\) un point de l'espace.

\(M\) appartient à \((\mathcal Q)\) signifie : les vecteurs \(\overrightarrow {AM} {(x -1 ; y +2; z -1)}\) et \(\vec w {(-1 ; 2 ; -1)}\) sont orthogonaux, c'est-à-dire \(\overrightarrow {AM}.{\vec w} = 0\),

Soit \(–(x -1) +2(y+2) – (z – 1) = 0\) ou \(x -2y + z -6 = 0\)

Conclusion

le plan \((\mathcal Q)\) admet pour équation : \(x -2y + z -6 = 0\).

Question⚓

On considère dans l'espace muni d'un repère orthonormal direct \((O ; \vec i ; \vec j ; \vec k)\), les points \(A(-1 :2 ;3)\), \(B(0 ;4 ;4)\) et \(C(2 ;0 ;2)\).

Calculer l'aire du triangle \(ABC\) et \(\sin(\widehat {BAC})\).

Solution⚓

Le repère étant orthonormal direct, nous pouvons calculer les coordonnées de \(\overrightarrow {AB} \wedge{\overrightarrow {AC}}\) à l'aide de celles de \(\overrightarrow {AB}\) et \(\overrightarrow {AC}\) :

\(\overrightarrow {AB}(1 ; 2 ;1)\) , \(\overrightarrow {AC}(3 ; -2 ;-1)\) et \(\overrightarrow {AB} \wedge{\overrightarrow {AC}} {(0 ; 4 ; -8)}\).

Ainsi, l'aire est égale à : \(\dfrac{1}{2} \times \Arrowvert{\overrightarrow{AB} \wedge{\overrightarrow {AC}}\Arrowvert} = \dfrac{1}{2}\sqrt{4^2 +8^2} =\dfrac{1}{2}\sqrt{80} = 2\sqrt{5}\)

On sait que : \(\Arrowvert{\overrightarrow{AB} \wedge{\overrightarrow {AC}}\Arrowvert} = AB \times AC sin(\widehat{BAC})\).

Donc \(\sin \widehat ({BAC})= \dfrac {\Arrowvert{\overrightarrow{AB} \bigwedge{\overrightarrow {AC}}}\Arrowvert}{AB \times AC} = \dfrac {\sqrt{80}}{\sqrt{6} \times \sqrt{14}} =\dfrac{2\sqrt{5}}{ \sqrt{21}}\)


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