Géométrie vectorielle

La géométrie vectorielle est la partie de la géométrie euclidienne faisant intervenir les vecteurs.

Sommaire

1 Notations des vecteurs

2 Opérations sur les vecteurs dans le plan et l'espace

2.1 Produit d'un vecteur par un scalaire
2.2 Somme de deux vecteurs
2.3 Produit scalaire de deux vecteurs

2.3.1 Définition
2.3.2 Propriétés

3 Produit vectoriel de deux vecteurs dans l'espace

3.1 Définition
3.2 Propriétés
3.3 Normes
3.4 Application du produit vectoriel

4 Produit mixte

4.1 Définition et propriétés
4.2 Application du produit mixte

5 Double produit vectoriel

5.1 Voir aussi

6 Voir aussi

Notations des vecteurs

À l'époque où l'imprimerie ne disposait pas encore des possibilités actuelles, il était malaisé de mettre des flèches au-dessus des lettres, les vecteurs étaient donc notés en caractère gras. Ceci est toujours adopté lorsque l'on veut faire ressortir le caractère général des vecteurs (c'est-à-dire s'abstraire du côté géométrique).

Par ailleurs, dans les littératures anglo-saxonne et allemande, le produit vectoriel est noté $\times$ et peut être confondu avec la multiplication ordinaire ou le produit direct. Ce n'est qu'en France qu'on le note $\wedge$ , ce qui fait confusion avec le produit extérieur, qui lui est une construction mathématique correcte et très développée.
Ainsi, en France, les deux notations ci-dessous sont considérées comme équivalentes :

$\vec{u} \wedge \vec{v} = \vec{u} \times \vec{v}$

Mais partout ailleurs qu'en France, cette confusion est considérée comme incorrecte et nous adopterons la croix dans un soucis d'internationalisation et nous la baptiserons croix-produit.

Opérations sur les vecteurs dans le plan et l'espace

Les vecteurs dont il sera question dans cet article sont ceux de l'espace $\mathbb R^3$ ou du plan $\mathbb R^2$ .

Comme souligné ci-dessus, certaines constructions géométriques sont spécifiques aux vecteurs. Ces constructions géométriques ayant des propriétés communes avec les opérations sur les nombres (addition, multiplication), on adopte une notation similaire.

Produit d'un vecteur par un scalaire

Le terme « scalaire » désigne ici un nombre réel. Le produit d'un vecteur $\vec{u}$ par un scalaire a est un vecteur noté

$a \cdot \vec{u}$

de même direction et sens que $\vec{u}$ , mais dont la longueur vaut

$a \cdot ||\vec{u}||$ , si a > 0

de même direction mais de sens contraire que $\vec{u}$ , et dont la longueur vaut

$-a \cdot ||\vec{u}||$ , si a < 0.

il s'agit d'un vecteur nul si a = 0

Il s'agit d'une dilatation (si |a| >1) ou d'une contraction (si |a| <1), bref d'un homothétie de rapport a.

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Vecteur_produit_d_un_vecteur_par_un_scalaire.png
produit d'un vecteur u par un scalaire a

produit d'un vecteur $\rm \vec{u}$ par un scalaire a

On a

$1.\vec{u} = \vec{u}$ , $0.\vec{u} = \vec{0}$ et $a.\vec{0} = \vec{0}$

1 est donc l'élément scalaire neutre, et 0 l'élément scalaire absorbant pour cette opération. Le produit d'un vecteur par un scalaire est distributif sur l'addition des scalaires

$(a+b) \cdot \vec{u} = a \cdot \vec{u} + b \cdot \vec{u}$

mais il n'est pas commutatif : la notation $\vec{u} \cdot a$ n'a pas de sens.

Notez que deux vecteurs sont colinéaires (parallèles) si et seulement s’ils sont proportionnels, c'est-à-dire s'il existe un nombre a tel que $\vec{u} = a \cdot \vec{v}$ .

Somme de deux vecteurs

La somme de deux vecteurs $\vec{u}$ et $\vec{v}$ est un vecteur, noté $\vec{u}+\vec{v}$ , qui est construit de la manière suivante :

on amène l'origine du deuxième vecteur à l'extrémité du premier, la somme est le vecteur qui joint l'origine du premier vecteur à l'extrémité de second.

Il s'agit du troisième côté d'un triangle formé par les deux premiers vecteurs.

On peut aussi le construire d'une autre manière :

on amène les origines des deux vecteurs en un même point, on trace un parallélogramme dont les vecteurs sont deux côtés, la somme est alors la diagonale du parallélogramme partant de l'origine.

Dans les deux cas, on place les vecteurs bout-à-bout ; mais si l'origine d'un vecteur correspond à l'extrémité de l'autre, on utilise la méthode du triangle, si les origines sont confondues, on utilise la méthode du parallélogramme.

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Vecteurs_somme.png
somme de deux vecteurs

Somme de deux vecteurs

Si l'on a trois points A, B et C, alors on a la « relation de Chasles » :

$\overrightarrow{AB} + \overrightarrow{BC} = \overrightarrow{AC}$

on déduit de cela que

$\overrightarrow{AB} + \overrightarrow{BA} = \overrightarrow{AA} = \vec{0}$

ce qui permet de définir l'opposé d'un vecteur, et donc la soustraction : en posant la notation

$-\overrightarrow{AB} = -1 \cdot \overrightarrow{AB}$

on a

$\overrightarrow{AB} = - \overrightarrow{BA}$

L'opposé d'un vecteur est le vecteur de même direction, de même longueur, mais de sens opposé.

On a :

$\vec{u} + \vec{0} = \vec{u}$

$\vec{0}$ est l'élément neutre de l'addition des vecteurs. Le l'addition des vecteurs est commutative

$\vec{u} + \vec{v} = \vec{v} + \vec{u}$

produit d'un scalaire par un vecteur est distributif sur l'addition des vecteurs :

$a \cdot (\vec{u} + \vec{v}) = a \cdot \vec{u} + a \cdot \vec{v}$ .

Produit scalaire de deux vecteurs

Définition

Si $\vec{u}$ et $\vec{v}$ sont deux vecteurs faisant un angle α, on appel produit scalaire, et on note $\vec{u} \cdot \vec{v}$ , le nombre (réel) valant :

$\vec{u} \cdot \vec{v} = ||\vec{u}|| \cdot ||\vec{v}|| \cdot \cos(\alpha)$ .

On dit que $\vec{u}$ et $\vec{v}$ sont orthogonaux si et seulement si α = π/2 rad = 90 ° .

Le produit scalaire est nul si l'angle est droit, strictement positif si l'angle est aigu et strictement négatif si l'angle est obtus.

Cette opération a été introduite pour simplifier les calculs sur les projections orthogonales. En effet si v_u est la longueur algébrique de la projection de $\vec{v}$ sur une droite orientée selon $\vec{u}$ (v_u est positif si la projection est dans le même sens que $\vec{u}$ , négatif s'il est dans le sens opposé), alors on a

$\vec{u} \cdot \vec{v} = v_u \cdot ||\vec{u}||$

Ainsi, si la norme de $\vec{v}$ vaut 1, alors la longueur algébrique de la projection orthogonale de $\vec{u}$ sur la droite est $\vec{u} \cdot \vec{v}$ . De la même manière, si u_v est la longueur algébrique de la projection de $\vec{u}$ sur une droite orientée selon $\vec{v}$ ,alors on a

$\vec{u} \cdot \vec{v} = u_v \cdot ||\vec{v}||$

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Vecteurs_produit_scalaire.png
produit scalaire de deux vecteurs

Propriétés

Le produit scalaire est commutatif

$\vec{u} \cdot \vec{v} = \vec{v} \cdot \vec{u}$

Il est distributif sur l'addition des vecteurs

$\vec{u} \cdot (\vec{v} + \vec{w})= \vec{u} \cdot \vec{v} + \vec{u} \cdot \vec{w}$

Le vecteur nul est l'élément absorbant du produit scalaire

$\vec{u} \cdot \vec{0} = \vec{0} \cdot \vec{u} = 0$

$\vec{u} \cdot \vec{u}$ s'appelle le carré scalaire du vecteur $\vec{u}$ et se note $\vec{u}$ ² ; ainsi : $\vec {u}$ ² = $\vec{u} \cdot \vec{u}$

Le carré scalaire d'un vecteur est égal au carré de sa norme

$\vec{u}$ ² = $\| \vec{u} \|$ ² et donc $\sqrt{{\vec{u}}^2}$ = $\| \vec{u} \|$

Deux vecteurs sont orthogonaux si et seulement si leur produit scalaire est nul

$\vec{u} \perp \vec{v}$ si et seulement si $\vec{u} \cdot \vec{v} = 0$

Dans le plan rapporté à une base orthonormale $\left ( \vec i, \vec j \right )$

$\vec u \cdot \vec v=u_x\cdot v_x+u_y\cdot v_y$

Dans l'espace rapporté à une base orthonormale $\left ( \vec i, \vec j, \vec k \right )$

$\vec u \cdot \vec v=u_x\cdot v_x+u_y\cdot v_y+u_z\cdot v_z$

Voir aussi ( pour une définition générale valable dans toutes les branches des mathématiques )

Produit scalaire

Produit vectoriel de deux vecteurs dans l'espace

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Vecteurs_produit_vectoriel.png

Produit vectoriel

Notons tout d'abord que deux vecteurs non-colinéaires $\vec{u}$ et $\vec{v}$ définissent un plan vectoriel ; un troisième vecteur $\vec{w}$ est coplanaire aux deux précédents si et seulement s'il peut s'écrire comme une combinaison linéaire des deux premiers, c'est-à-dire s'il existe deux réels a et b tels que

$\vec{w} = a \cdot \vec{u} + b \cdot \vec{v}$

Trois vecteurs non coplanaires forment une base. La base $(\vec{u},\vec{v}, \vec{w})$ est dite directe si on peut l'imager avec la main droite, $\vec{u}$ étant le pouce, $\vec{v}$ étant l'index et $\vec{w}$ étant le majeur.

Définition

On définit le produit vectoriel des deux vecteurs $\vec{u}$ et $\vec{v}$ , noté $\vec{u} \times \vec{v}$ , comme étant le vecteur :

normal au plan vectoriel de base $(\vec{u},\vec{v})$
dont la norme vaut $\|\vec{u}\| \cdot \|\vec{v}\| \cdot \sin(\widehat{\vec{u},\vec{v}})$
tel que $(\vec{u},\vec{v}, ( \vec{u} \times \vec{v} ))$ forme une base directe

On étend la définition précédente au cas où $\vec{u}$ et $\vec{v}$ sont colinéaires en posant : $\vec{u} \times \vec{v} = \vec{0}$ .

Propriétés

Dans l'espace rapporté à une base orthonormale $\left ( \vec i, \vec j, \vec k \right )$ :

$\vec u \times \vec v = (u_y v_z - u_z v_y)\vec i + (u_z v_x - u_x v_z)\vec j + (u_x v_y - u_y v_x)\vec k\,$

Normes

En partant de l'identité :
$\left[(bc'-b'c)^2+(ca'-c'a)^2+(ab'-a'b)^2\right] + (aa'+bb'+cc')^2 = (a^2+b^2+c^2)(a'^2+b'^2+c'^2)$ , on peut démontrer facilement l'égalité (appelée Identité de Lagrange) :

que l'on peut aussi écrire sous la forme : $\left[\frac{\|(\vec u\times\vec v)\|}{\|\vec u\|\cdot \|\vec v\|}\right]^2 + \left[\frac{(\vec u\cdot\vec v)}{\|\vec u\|\cdot \|\vec v\|}\right]^2 = 1\,$
ou encore :

$\left[\sin(\widehat{\vec{u},\vec{v}})\right]^2 + \left[\cos(\widehat{\vec{u},\vec{v}})\right]^2 = 1$ ,

ce qui n'est rien d'autre qu'une des façons d'écrire le théorème de Pythagore.

Application du produit vectoriel

Si les vecteurs $\vec u\,$ et $\vec v\,$ ont même origine, la norme $\|\vec u \times \vec v\|\,$ du vecteur $(\vec u \times \vec v)\,$ est égale à l'aire du parallélogramme construit sur $\vec u\,$ et $\vec v\,$ .

Produit mixte

Définition et propriétés

Etant donnés trois vecteurs $\vec u\,$ , $\vec v\,$ et $\vec w\,$ , on appelle produit mixte de ces 3 vecteurs la quantité :
$\left[\vec u, \vec v, \vec w\right] = (\vec u \wedge \vec v) \cdot \vec w\,$ .

On peut démontrer que l'on a : $\left[\vec u, \vec v, \vec w\right] = \left[\vec v, \vec w, \vec u\right] = \left[\vec w, \vec u, \vec v\right]\,$ et :

$\left[\vec v, \vec u, \vec w\right] = \left[\vec w, \vec v, \vec u\right] = \left[\vec u, \vec w, \vec v\right] = - \left[\vec u, \vec v, \vec w\right]\,$

et aussi :

$\left[\vec u, \vec v, \vec w\right] = \begin{vmatrix} u_x & u_y & u_z\\v_x & v_y & v_z\\w_x & w_y & w_z \end{vmatrix}$

autrement dit : $\left[\vec u, \vec v, \vec w\right] = (u_x v_y w_z + v_x w_y u_z + w_x u_y v_z) - (u_z v_y w_x + v_x w_z u_y + w_y u_x v_z)\,$

Remarque : Si deux des trois vecteurs sont égaux ou colinéaires, le produit mixte est nul.

Application du produit mixte

Si les vecteurs $\vec u\,$ , $\vec v\,$ et $\vec w\,$ ont même origine, la valeur absolue du produit mixte $\left[\vec u, \vec v, \vec w\right]\,$ est égale au volume du parallélépipède construit sur $\vec u\,$ , $\vec v\,$ et $\vec w\,$ , ou encore à six fois le volume du tétraèdre construit sur ces mêmes vecteurs.

Double produit vectoriel

On peut combiner trois vecteurs $\vec u\,$ , $\vec v\,$ et $\vec w\,$ par deux produits vectoriels successifs.
C'est ce qu'on appelle un double produit vectoriel.

Exemple : $\left(\vec u \wedge \vec v\right)\wedge \vec w$

Attention : comme le produit vectoriel n'est ni associatif, ni commutatif, il est nécessaire d'utiliser comme ici des parenthèses et le résultat va dépendre à la fois de l'ordre dans lequel les opérations sont effectuées et de l'odre de présentation des 3 vecteurs.

On peut démontrer (sans difficultés mais assez laborieusement) les 2 formules suivantes :

$\left(\vec u \wedge \vec v\right)\wedge \vec w = (\vec u\cdot\vec w)\ \vec v\ -\ (\vec v\cdot\vec w)\ \vec u$ et
$\vec u \wedge \left(\vec v\wedge \vec w\right) = (\vec u\cdot\vec w)\ \vec v\ -\ (\vec u\cdot\vec v)\ \vec w$

Voir aussi

Produit scalaire généralisé
Produit vectoriel
Produit mixte généralisé
Déterminant de deux vecteurs

Géométrie vectorielle

Notations des vecteurs

Opérations sur les vecteurs dans le plan et l'espace

Produit d'un vecteur par un scalaire

Somme de deux vecteurs

Produit scalaire de deux vecteurs

Définition

Propriétés

Produit vectoriel de deux vecteurs dans l'espace

Définition

Propriétés

Normes

Application du produit vectoriel

Produit mixte

Définition et propriétés

Application du produit mixte

Double produit vectoriel

Voir aussi

Voir aussi

See also: Géométrie vectorielle, Angle, Base (algèbre linéaire), Base orthonormale, Coplanaire, Espace, Espace vectoriel, Géométrie analytique, Géométrie dans l'espace, Géométrie euclidienne