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    •  Produit scalaire, colinéarité et orthogonalité de vecteurs}

      Définition :
      Angle avec  deux vecteurs : 
      Soit \( \vec{u} \) et \( \vec{v} \) deux vecteurs.

      On note \( (\vec{u}, \vec{v}) \) l’angle géométrique \( \vec{BAC} \)\( \vec{u} = \vec{AB} \) et
      \( \vec{v} = \vec{AC} \).

      Définition :
      Avec le cosinus :
      On appelle produit scalaire de ces deux vecteurs non nuls, le réel défini par :
      \[ \vec{u} \cdot \vec{v} = ||\vec{u}|| \times ||\vec{v}|| \times \cos(\vec{u}, \vec{v}) \]
      Si \( \vec{u} = \vec{AB} \) et \( \vec{v} = \vec{AC} \), le produit scalaire s'écrit :
      \[ \vec{AB} \cdot \vec{AC} = \vec{AB} \times \vec{AC} \times \cos(\vec{BAC}) \]

      De plus si
      \( \vec{u} = \vec{0} \) ou si \( \vec{v} = \vec{0} \) alors \( \vec{u} \cdot \vec{v} = 0 \).

      Exemple :
      Soit deux vecteurs \( \vec{AB} \) et \( \vec{AC} \) tels que \( ||\vec{AB}|| = AB = 2 \) et
      \( ||\vec{AC}|| = AC = 3 \) et \( \vec{BAC} = 30^\circ \).

      Leur produit scalaire vaut :
      \[ \vec{AB} \cdot \vec{AC} = \vec{AB} \times \vec{AC} \times \cos(\vec{BAC}) = 2 \times 3 \times \frac{\sqrt{3}}{2} = 3\sqrt{3}. \]
      A \(\rightarrow\) \( 30^\circ \) B

      Propriété: 
      Symétrie :
      Pour tous vecteurs \( \vec{u} \) et \( \vec{v} \), on a :
      \[ \vec{u} \cdot \vec{v} = \vec{v} \cdot \vec{u} \]

      En notant \( \vec{u} = \vec{AB} \) et \( \vec{v} = \vec{AC} \):
      \[ \vec{u} \cdot \vec{v} = \vec{AB} \cdot \vec{AC} = \vec{AB} \times \vec{AC} \times \cos(\vec{BAC})
      = \vec{AC} \times \vec{AB} \times \cos(\vec{CAB}) = \vec{AC} \cdot \vec{AB} \]

      Propriété :
      Cas de la colinéarité :
      Lorsque les vecteurs \( \vec{u} \) et \( \vec{v} \) sont colinéaires alors :
      - \( \vec{u} \cdot \vec{v} = ||\vec{u}|| \times ||\vec{v}|| \) s'ils sont de même sens.
      - \( \vec{u} \cdot \vec{v} = -||\vec{u}|| \times ||\vec{v}|| \) s'ils sont de sens contraires.

      Démonstration :
      - Si \( \vec{u} \) et \( \vec{v} \) sont de même sens alors \( \vec{BAC} = (\vec{u},
      \vec{v}) = 0 \)
      et donc \( \cos(\vec{u}, \vec{v}) = 1 \) et donc
      \( \vec{u} \cdot \vec{v} = ||\vec{u}|| \times ||\vec{v}|| \).
      - Si \( \vec{u} \) et \( \vec{v} \) sont de sens contraires alors \( \vec{BAC} = (\vec{u}, \vec{v}) = 180^\circ \) et donc \( \cos(\vec{u}, \vec{v}) = -1 \) et donc \( \vec{u} \cdot \vec{v} = -||\vec{u}|| \times ||\vec{v}|| \).

      Exemple :
      Soit trois points \( A, B \) et \( C \) alignés dans cet ordre sur une droite graduée alors on a :
      \[ \vec{AB} \cdot \vec{AC} = \vec{AB} \times \vec{AC} = 15, \vec{BAC} = -BA \times BC = -6, \]
      \[ \vec{CB} \cdot \vec{CA} = \vec{CB} \times \vec{CA} = 10 \) et \( \vec{AB} \cdot \vec{CB} =
      -\vec{AB} \times \vec{CB} = -6 \).

      Propriété :
      Avec la projection orthogonale :
      Soit \( A, B \) et \( C \) trois points et \( H \) le projeté orthogonal de \( C \) sur la droite
      (\( AB \)) alors :
      \[ \vec{AB} \cdot \vec{AC} = \vec{AB} \times AH \) si les vecteurs \( \vec{AB} \) et
      \( \vec{AH} \) sont de même sens.
      \[ \vec{AB} \cdot \vec{AC} = -\vec{AB} \times AH \) si les vecteurs \( \vec{AB} \) et
      \( \vec{AH} \) sont de sens contraires.

      Par définition \( \overline{AB} \cdot \overline{AC} = AB \times AC \times \cos(\overline{BAC}) \).

      - Dans le cas où \( \overline{AB} \) et \( \overline{AH} \) sont de même sens, l’angle
      \( \overline{BAC} \) est inférieur à 90° et donc \( \cos(\overline{BAC}) = \cos(\overline{HAC}) \).

      \[
      \begin{array}{c}
      \text{C} \\
      \hline
      \text{A} \quad \text{H} \quad \text{B} \\
      \end{array}
      \]

      Or dans le triangle \( ACH \), on a \( \cos(\overline{HAC}) = \frac{\overline{AH}}{\overline{AC}} \)

      donc \( \overline{AB} \cdot \overline{AC} = AB \times AC \times \frac{\overline{AH}}{\overline{AC}} = AB \times AH \).

      - Dans le cas où \( \overline{AB} \) et \( \overline{AH} \) sont de sens contraires,
      l’angle \( \overline{BAC} \) est supérieur à 90° d’où \( \overline{BAC} = (180^\circ - \overline{HAC}) \) et donc
      \( \cos(\overline{BAC}) = \cos(180^\circ - \overline{HAC}) = -\cos(\overline{HAC}) \).

      \[
      \begin{array}{c}
      \text{C} \\
      \hline
      \text{A} \quad \text{B} \\
      \end{array}
      \]

      Dans le triangle \( ACH \), on a toujours \( \cos(\overline{HAC}) = \frac{\overline{AH}}{\overline{AC}} \) donc \( \overline{AB} \cdot \overline{AC} = -AB \times AH \).

      Remarques :

      1. Sur le cercle trigonométrique les angles bleu et rouge sont tels que leur somme
      vaut 180° et ils ont des cosinus qui sont opposés.
      2. Dans le cas général, pour calculer \( \overline{AB} \cdot \overline{C} \) on peut projeter les points C et D sur la droite (AB) et alors
      \( \overline{AB} \cdot \overline{CD} = \overline{AB} \cdot \overline{HK} \).
      On peut aussi projeter A et B sur la droite (CD).
      3. On dit que le projeté du vecteur \( \overline{CD} \) sur la droite (AB) est le vecteur
      \( HK \).

      Exemple :

      Dans le carré ABCD de centre O et de côté 4, on a :

      - \( \overline{AB} \cdot \overline{AC} = AB \times AB = 16 \) car le projeté orthogonal du point C
      sur la droite (AB) est le point B et les vecteurs \( \overline{AB} \) et \( \overline{AB} \) sont de même sens.

      - \( \overline{AO} \cdot \overline{CD} = \overline{CD} \cdot \overline{AO} = -\frac{1}{2} \cdot \overline{CD} \times \overline{CD} = -8 \) car les projetés orthogonaux des points O et A sur la droite (CD) sont le milieu H du segment [CD] et le point D, par suite, les vecteurs \( \overline{DH} \) et
      \( \overline{CD} \) sont de sens contraires.

      Définition Orthogonalité :

      Deux vecteurs \( \vec{u} \) et \( \vec{v} \) sont orthogonaux si et seulement si leur produit scalaire
      est nul : \( \vec{u} \cdot \vec{v} = 0 \)

      Propriété Droites perpendiculaires :

      Deux droites \( \vec{d} \) et \( \vec{d'} \) sont perpendiculaires si et seulement si leurs vecteurs directeurs respectifs \( \vec{u} \) et \( \vec{v} \) sont orthogonaux.

      Si deux vecteurs \( \vec{u} \) et \( \vec{v} \) non nuls sont orthogonaux alors l’angle
      \( (\vec{u}, \vec{v}) \) qu’ils forment vaut 90° et donc \( \cos(\vec{u}, \vec{v}) = 0 \).

      Réciproquement, si le produit scalaire est nul \( \vec{u} \cdot \vec{v} \) alors \( \cos(\vec{u}, \vec{v}) = 0 \) et donc l’angle vaut 90°.

      Exemple :

      Dans un carré ABCD, on a : \( \overline{AC} \cdot \overline{BD} = 0 \) car les diagonales d’un carré sont perpendiculaires.

      2 Autres définitions et propriétés}

      Propriété Produit scalaire avec les normes}

      Soit \( \vec{u} \) et \( \vec{v} \) deux vecteurs, on a : 
      \[ \vec{u} \cdot \vec{v} = \frac{1}{2}(\| \vec{u} \|^2 + \| \vec{v} \|^2 - \| \vec{u} - \vec{v} \|^2). \]

      L’activité 1 montre que : 
      \[ AB^2 + AC^2 - BC^2 = 2 \times AC \times AB \times \cos(\theta_{AC}). \]
      Pour les vecteurs \( \vec{u} \) et \( \vec{v} \) tels que \( \vec{u} = AB \) et \( \vec{v} = AC \) alors
      \( \vec{u} - \vec{v} = AB - AC = CA + AB = CB \).
      Donc cette égalité devient : 
      \[ \| \vec{u} \|^2 + \| \vec{v} \|^2 - \| \vec{u} - \vec{v} \|^2 = 2 \times \vec{u} \cdot \vec{v} \]
      qui donne bien la propriété.

      Propriété Produit scalaire avec les coordonnées}

      Dans un repère orthonormé, si \( \vec{u} \begin{pmatrix} x \\ y \end{pmatrix} \) et \( \vec{v} \begin{pmatrix} x' \\ y' \end{pmatrix} \) alors 
      \[ \vec{u} \cdot \vec{v} = xx' + yy'. \]

      Si \( \vec{u} \begin{pmatrix} x \\ y \end{pmatrix} \) et \( \vec{v} \begin{pmatrix} x' \\ y' \end{pmatrix} \) alors 
      \[ \vec{u} - \vec{v} \begin{pmatrix} x - x' \\ y - y' \end{pmatrix} \]
      et la relation : 
      \[ \vec{u} \cdot \vec{v} = \frac{1}{2}(\| \vec{u} \|^2 + \| \vec{v} \|^2 - \| \vec{u} - \vec{v} \|^2) \]
      devient 
      \[ \vec{u} \cdot \vec{v} = \frac{1}{2}(x^2 + y^2 + x'^2 + y'^2 - (x - x')^2 - (y - y')^2) = xx' + yy'. \]

      Propriété Condition d’orthogonalité}

      Dans un repère orthonormé, deux vecteurs \( \vec{u} \begin{pmatrix} x \\ y \end{pmatrix} \) et \( \vec{v} \begin{pmatrix} x' \\ y' \end{pmatrix} \) sont orthogonaux si et seulement si 
      \[ \vec{u} \cdot \vec{v} = 0 \]
      ce qui se traduit par 
      \[ xx' + yy' = 0. \]

      Exemple}

      On considère les vecteurs \( \vec{u} \begin{pmatrix} 2 \\ 3 \end{pmatrix} \) et \( \vec{v} \begin{pmatrix} -3 \\ -5 \end{pmatrix} \). Leur produit scalaire vaut :
      \[ \vec{u} \cdot \vec{v} = 2 \times (-3) + 3 \times (-5) = -21 \neq 0 \]
      donc les deux vecteurs \( \vec{u} \) et \( \vec{v} \) ne sont pas orthogonaux.

      Propriétés Bilinéarité, carré scalaire, norme d’une somme}

      Soit \( \vec{u}, \vec{v} \) et \( \vec{w} \), trois vecteurs, et \( k \) un réel.

          * *\( \vec{u} \cdot (\vec{v} + \vec{w}) = \vec{u} \cdot \vec{v} + \vec{u} \cdot \vec{w} \)
          * *\( \vec{u} \cdot (k\vec{v}) = k(\vec{u} \cdot \vec{v}) \)
          * *\( \vec{u} \cdot \vec{u} = \|\vec{u}\|^2 \)
          * *\( \| \vec{u} + \vec{v} \|^2 = \| \vec{u} \|^2 + \| \vec{v} \|^2 + 2\vec{u} \cdot \vec{v} \)

      Remarque :

      Ces propriétés sont vraies que l’on se place dans un repère avec des coordonnées ou pas.

      La propriété 2 se démontre ainsi :
      \[ \vec{u} \cdot (k\vec{v}) = x(kx') + y(ky') = kxx' + kyy' = k(xx' + yy') = k(\vec{u} \cdot \vec{v}). \]

      Dans un triangle ABC quelconque :

      Dans un triangle \( ABC \) quelconque, on a, par exemple :
      \[ BC^2 = AB^2 + AC^2 - 2 \times AB \times AC \times \cos(\angle BAC) \]

      Développement :
      \[ BC^2 = (BA + AC)^2 = AB^2 + AC^2 + 2 \times BA \cdot AC = AB^2 + AC^2 - 2 \times AB \cdot AC = AB^2 + AC^2 - 2 \times AB \times AC \times \cos(\angle BAC) \]

      Remarque:
      Si le triangle \( ABC \) est rectangle en \( A \), on retrouve le théorème de Pythagore.

      Exemple:
      Soit un triangle \( ABC \) tel que \( AB = 8 \), \( AC = 4 \) et \( \angle BAC = 50^\circ \). On calcule la longueur \( BC \) :
      \[ BC^2 = AB^2 + AC^2 - 2 \times AB \times AC \times \cos(\angle BAC) = 64 + 16 - 2 \times 8 \times 4 \times \cos 50^\circ \]
      Ce qui donne :
      \[ BC^2 = 80 - 64 \times \cos 50^\circ \approx 38,86 \]
      et donc :
      \[ BC \approx 6,23 \]

      3 Étude d’un ensemble de points}

      Propriété : Transformation d’une expression}
      Étant donné deux points \( A \) et \( B \) et leur milieu \( I \), on a :
      \[ MA^2 - MB^2 = 2 \times \overrightarrow{MI} \cdot \overrightarrow{AB} \]

      Démonstration}
      \[ MA^2 - MB^2 = (MI + IA)^2 - (MI + IB)^2 = (MI + IA)^2 - (MI - IA)^2 = MI^2 - IA^2 = MI^2 - \frac{1}{4}AB^2 \]
      car \( IA = \frac{AB}{2} \).

      Exemple:
      Déterminer l’ensemble des points \( M \) tels que \( MA^2 - MB^2 = 2 \)\( A \) et
      \( B \) sont tels que \( AB = 8 \).

      \[ MA^2 - MB^2 = 2 \] équivaut à 
      \[ MI^2 - \frac{1}{4}AB^2 = 2 \] d’où 
      \[ MI^2 = 2 + 16 = 18 \]
      donc l’ensemble des points \( M \) est le cercle de centre le milieu de \( [AB] \) et de rayon \( \sqrt{18} = 3\sqrt{2} \).

      Propriété : Cercle:
      Étant donné deux points \( A \) et \( B \), l’ensemble des points \( M \) du plan tels que
      \( MA^2 - MB^2 = 0 \) est le cercle de diamètre le segment \( [AB] \).

      Démonstration:
      \[ MA^2 - MB^2 = 0 \Leftrightarrow MI = IA \]
      c’est-à-dire que les points \( M \) sont sur le cercle de centre \( I \) et de rayon
      \( IA = \frac{1}{2}AB \).

      Propriété : Cercle et triangle rectangle}
      Un triangle \( ABC \) est rectangle en \( C \) si et seulement si le point \( C \)
      appartient au cercle de diamètre \( [AB] \), avec \( C \) différent de \( A \) et \( B \).

      Démonstration}
      \( ABC \) est rectangle en \( C \) équivaut à \( \overrightarrow{CA} \cdot \overrightarrow{CB} = 0 \) donc d’après la propriété précédente, \( C \) appartient
      au cercle de diamètre \( [AB] \).