Corrigé des exercices sur le produit scalaire en 1ère.

EXERCICE 1:

Carré

a) Comme O est le centre du carré, on a \vec{AB}=-\vec{CD} et \vec{AO}=-\vec{OD} (les vecteurs ont la même norme mais des directions opposées car ils sont symétriques par rapport à O).
Ainsi, \vec{AB}.\vec{AO}=-\vec{CD}.\vec{OD}=-CD^2=-8^2=-64.

b) Comme O est le centre du carré, \vec{OB}=-\vec{OA} et \vec{OD}=-\vec{OC} (les vecteurs ont la même norme mais des directions opposées car ils sont symétriques par rapport à O).
Ainsi, \vec{OB}.\vec{OD}=-\vec{OA}.\vec{OC}=-OA^2=-4^2=-16.

c) Les vecteurs \vec{AB} et \vec{AD} sont adjacents et forment un angle droit car ils sont des côtés du carré. Ainsi, leur produit scalaire est nul : \vec{AB}.\vec{AD}=0.

d) Les vecteurs \vec{BO} et \vec{BC} sont adjacents et forment un angle droit car ils sont des côtés du carré. Ainsi, leur produit scalaire est nul : \vec{BO}.\vec{BC}=0.

EXERCICE 2:

On utilise la formule du produit scalaire en coordonnées :

\vec{u}.\vec{v}=u_1v_1+u_2v_2+u_3v_3

Comme l’angle entre \vec{u} et \vec{v} vaut 60 degrés, on a cos(60^{\circ})=\frac{\vec{u}.\vec{v}}{\|\vec{u}\|\|\vec{v}\|} ce qui donne :

\vec{u}.\vec{v}=\|\vec{u}\|\|\vec{v}\|\cos(60^{\circ})=2\times   3\times   \frac{1}{2}=3.

EXERCICE 3:

On utilise la formule du produit scalaire en coordonnées :

\vec{u}.\vec{v}=u_1v_1+u_2v_2+u_3v_3

Et on sait que \|\vec{u}\|=6 et \|\vec{v}\|=2 donc \vec{u}.\vec{u}=6^2=36 et \vec{v}.\vec{v}=2^2=4.
On a également \vec{u}.\vec{v}=-6.

En combinant ces informations, on obtient :

\cos(\theta)=\frac{\vec{u}.\vec{v}}{\|\vec{u}\|\|\vec{v}\|}=\frac{-6}{6\times   2}=-\frac{1}{2}

L’angle cherché est donc \theta=\arccos(-\frac{1}{2})=120^{\circ}.

EXERCICE 4:

a) \vec{u}.\vec{v}=u_1v_1+u_2v_2=(-2)\times   (-1)+3\times   (-5)=13

b) (4\vec{u}).\vec{v}=4(u_1v_1+u_2v_2)=4\times   13=52

c) (\vec{u}-\vec{v}).(\vec{u}+\vec{v})=\vec{u}.\vec{u}-\vec{v}.\vec{v}=||\vec{u}||^2-||\vec{v}||^2=4^2-(-5)^2=-9

EXERCICE 5:

Le vecteur \vec{AB} est donné par \vec{AB}=\begin{pmatrix}1-(-3)\\3-(-2)\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}4\\5\end{pmatrix}.

Le produit scalaire entre \vec{AB} et \vec{u} est donné par :

\vec{AB}.\vec{u}=4\times   (-5)+5\times   4=-20+20=0.

Comme le produit scalaire est nul, cela signifie que les vecteurs \vec{AB} et \vec{u} sont orthogonaux.

EXERCICE 6:

a) On utilise la propriété distributive du produit scalaire : \vec{AB}.\vec{CD} = ( \vec{AB} + \vec{BA} ).( \vec{DC} + \vec{CD} ) = \vec{BA}.\vec{DC} + \vec{AB}.\vec{CD}, d’où \vec{AB}.\vec{CD} = \vec{BA}.\vec{DC}.

b) On utilise la relation de Chasles : \vec{ED} = \vec{EA} + \vec{AB} + \vec{BC} + \vec{CD}, d’où \vec{AB}.\vec{ED} = \vec{AB}.\vec{EA} + \vec{AB}.\vec{AB} + \vec{AB}.\vec{BC} + \vec{AB}.\vec{CD}.

Or \vec{AB}.\vec{EA} = \vec{AB}.\vec{EC}

car \vec{EA} = \vec{ED}+\vec{DC}+\vec{CE}, \vec{AB}.\vec{AB} = \|\vec{AB}\|^2,

\vec{AB}.\vec{BC} = \vec{AC}.\vec{BC} - \vec{AC}.\vec{AB} = 0 car \vec{AC} et \vec{AB} sont orthogonaux et \vec{AC}.\vec{BC} = 0 car ils sont adjacents et forment un angle droit.

Ainsi, on a

\vec{AB}.\vec{ED} = \vec{AB}.\vec{EC} + \|\vec{AB}\|^2 + \vec{AB}.\vec{CD} = \vec{AB}.\vec{AC} + \vec{AB}.\vec{EC} + \vec{AB}.\vec{CD} + \|\vec{AB}\|^2 = \vec{AB}.\vec{AC} + \vec{AB}.\vec{EC},

d’où \vec{AB}.\vec{AC} + \vec{AB}.\vec{EC} = \vec{AB}.\vec{ED}.

c) On utilise la relation de Chasles : \vec{AC} = \vec{AB} + \vec{BC}, d’où \vec{AB}.\vec{AC} = \vec{AB}.\vec{AB} + \vec{AB}.\vec{BC} = \|\vec{AB}\|^2. On sait également que \vec{AB}.\vec{BA} = -\|\vec{AB}\|^2 car les vecteurs sont opposés.

En combinant ces éléments, on obtient \vec{AB}.\vec{AC} = \vec{AB}^2 - \vec{BA}.\vec{BC}.

EXERCICE 7:

On utilise la relation de Chasles : \vec{MD} = \vec{MC} + \vec{CD}, d’où \vec{MC}.\vec{MD} = \vec{MC}.

(\vec{MC}+\vec{CD}) \\\\= \|\vec{MC}\|^2+\vec{MC}.\vec{CD} \\\\= \|\vec{MC}\|^2 - (10-\|\vec{MC}\|)^2\\\\ = 2\|\vec{MC}\|^2-20\|\vec{MC}\|+80.

Cette expression est de la forme ax^2+bx+c.

Le coefficient a est strictement positif, donc la fonction est une parabole ouverte vers le haut. Son minimum est atteint en x= -\frac{b}{2a}= \frac{10}{4} = 2,5.

Ainsi, l’ensemble des points M vérifiant \vec{MC}.\vec{MD}=-9 est donc le cercle de centre H et de rayon 2,5.

EXERCICE 8:

Rectangle

1. Dans le repère (A ; G,E), les coordonnées des vecteurs sont \vec{AE} =\begin{pmatrix}2\\0\end{pmatrix}, \vec{AG} =\begin{pmatrix}1\\0\end{pmatrix}, \vec{CE} =\begin{pmatrix}-2\\4\end{pmatrix}, \vec{CF} =\begin{pmatrix}-2\\1\end{pmatrix}, \vec{DE} =\begin{pmatrix}0\\4\end{pmatrix}, \vec{DF} =\begin{pmatrix}0\\1\end{pmatrix})

, et les coordonnées des points sont A=(0,0), B=(8,0), C=(8,4), D=(0,4), E=(2,0), F=(6,1), G=(1,0).

2. Le vecteur \vec{EF} est donné par \vec{EF} = \vec{CF} - \vec{CE} =\begin{pmatrix}0\\-3\end{pmatrix}.

Le vecteur \vec{DG} est donné par \vec{AB} - \vec{AD} - \vec{DG} = \begin{pmatrix}8\\0\end{pmatrix} - \begin{pmatrix}0\\4\end{pmatrix} - \vec{DG} =\begin{pmatrix}8\\-4\end{pmatrix} - \vec{DG}, d’où \vec{DG} =\begin{pmatrix}-2\\4\end{pmatrix}.

Ainsi, \vec{EF}.\vec{DG} = 0\times   (-2) + (-3)\times   4 = -12.

3. Le produit scalaire \vec{EF}.\vec{DG} est négatif, ce qui montre que les vecteurs \vec{EF} et \vec{DG} ne sont pas orthogonaux, et donc que les droites (EF) et (DG) ne sont pas perpendiculaires.

EXERCICE 9 :

Rectangle et triangle

a) On a \vec{BA} = -\vec{AB} et \vec{BF} = \frac{1}{2}\vec{BA}

donc \vec{BA}.\vec{BF} = -\frac{1}{2}||\vec{BA}||^2 = -\frac{1}{2}AB^2

b) On a \vec{CF} = \frac{1}{2}\vec{CD}

et donc \vec{CF}.\vec{CD} = \frac{1}{2}||\vec{CD}||^2 = \frac{1}{2}CD^2 = \frac{1}{2}AB^2

c) On a \vec{AF} = \vec{AB}+\vec{BF}

et donc \vec{AF}.\vec{AB} = \vec{AB}^2 + \vec{AB}.\vec{BF} = AB^2 + \frac{1}{2}AB^2 = \frac{3}{2}AB^2

d) On a \vec{BE} = -\vec{BA}+\vec{BC} = -\vec{BA}

et donc \vec{AB}.\vec{BE} = -||\vec{AB}||^2 = -AB^2

EXERCICE 10 :

a) \vec{u}.\vec{v} = 2\times  (-3)+1\times  (-1) = -7

b) \vec{w}.\vec{v} = 1\times  (-3)+4\times  (-1) = -7

c) \vec{u}.(\vec{v}+\vec{w}) = \vec{u}.\vec{v}+\vec{u}.\vec{w} = -7-2 = -9

d)(-2\vec{u}).\vec{v}+3(\vec{v}.\vec{w}) = -4\times  (-7)+3((-3)\times  (1)+(-1)\times  (4)) = 28-15 = 13

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