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Algèbre vectorielle

Un vecteur a une taille (la norme) et une direction. En 3D on l'écrit a = xî + yĵ + zk̂. Sa longueur est |a| = √(x² + y² + z²). Ses cosinus directeurs sont l = x/|a|, m = y/|a|, n = z/|a|, et l² + m² + n² = 1. On additionne des vecteurs bout à bout (loi du triangle) ou composante par composante. ka allonge a de k fois et le retourne si k est négatif. Le point qui divise AB dans le rapport m : n a pour vecteur position (mb + na)/(m + n) à l'intérieur et (mb − na)/(m − n) à l'extérieur. Le produit scalaire a·b = |a||b|cosθ donne un nombre et renseigne sur l'angle et la projection. Le produit vectoriel a×b = |a||b|sinθ n̂ donne un vecteur perpendiculaire aux deux ; sa longueur est l'aire du parallélogramme construit sur a et b.

🎬 L'histoire pas à pas

  1. Un vecteur est une flèche. Sa longueur est la norme. Elle penche d'angles α, β, γ par rapport aux axes x, y et z. Les cosinus de ces angles sont les cosinus directeurs l, m, n.
  2. Chaque flèche est faite de trois déplacements droits : x le long de î, y le long de ĵ et z le long de k̂. Donc a = xî + yĵ + zk̂. La flèche qui va de l'origine à un point est son vecteur position. Certaines flèches ont un nom spécial : nul, unitaire, égal, opposé, colinéaire.
  3. Pour additionner deux vecteurs, on pose l'origine de b sur l'extrémité de a. La flèche du départ jusqu'à l'arrivée est a + b. Multiplier par un nombre k rend la flèche k fois plus longue. Un k négatif la retourne.
  4. Un point P du segment AB le coupe dans le rapport m : n. Son vecteur position est un mélange pondéré de a et b : (mb + na)/(m + n). Des parts égales donnent le milieu.
  5. Deux façons de multiplier des vecteurs. Le produit scalaire a·b = |a||b|cosθ est un simple nombre ; il vaut 0 quand les flèches sont perpendiculaires. Le produit vectoriel a×b est une nouvelle flèche perpendiculaire aux deux ; sa longueur est l'aire du parallélogramme qu'elles forment.
  6. À toi de jouer. Choisis une scène et change les nombres. Ou ouvre un exemple corrigé et découvre-le ligne par ligne.

Astuce : fais glisser la scène 3D pour la tourner. Utilise deux doigts pour zoomer.

🤔 Les doutes courants, éclaircis

Pourquoi l² + m² + n² vaut-il toujours 1 ?

l, m, n valent x/|a|, y/|a|, z/|a|. En les élevant au carré et en additionnant, on obtient (x² + y² + z²)/|a|² = 1. À l'étape 1, bouge les curseurs : l'affichage montre toujours l² + m² + n² = 1.

Quelle est la différence entre cosinus directeurs et rapports directeurs ?

Les rapports directeurs sont des nombres quelconques dans la bonne proportion, comme 2 : 3 : 6 ou 4 : 6 : 12. Les cosinus directeurs sont le seul jeu particulier dont les carrés ont pour somme 1 : 2/7, 3/7, 6/7. L'étape 1 montre les deux.

Deux flèches à des endroits différents sont-elles des vecteurs égaux ?

Oui, si elles ont la même longueur et la même direction. L'endroit où on les dessine n'a pas d'importance. Choisis « Vecteurs égaux » à l'étape 2.

Que fait un scalaire négatif à un vecteur ?

Il retourne la flèche et multiplie sa longueur par |k|. Mets k à −1 à l'étape 3 et regarde a faire demi-tour.

Dans la formule de division, pourquoi m va-t-il avec b et pas avec a ?

Plus m est grand, plus P est proche de B. Donc B reçoit le poids m. Mets m = 5, n = 1 à l'étape 4 et vois P se rapprocher de B.

Pourquoi le produit scalaire est-il nul à 90° ?

cos 90° = 0, et l'ombre (la projection) d'une flèche sur l'autre a une longueur nulle. Mets θ à 90° à l'étape 5.

Pourquoi le produit vectoriel sort-il du plan ?

Il est défini pour être perpendiculaire à a et à b, et sa longueur est l'aire de leur parallélogramme. Coche Produit vectoriel à l'étape 5 : la flèche verte se dresse tout droit.

Norme et direction d'un vecteur

Un vecteur est une grandeur qui a une taille et une direction, comme une poussée, une vitesse ou un déplacement d'un endroit à un autre. Un scalaire a seulement une taille, comme la masse ou le temps.

On dessine un vecteur comme une flèche allant d'un point de départ (origine) à un point d'arrivée (extrémité). La norme est la longueur de la flèche, notée |a|. Pour a = xî + yĵ + zk̂ la norme est |a| = √(x² + y² + z²). C'est simplement Pythagore utilisé deux fois.

La direction est donnée par les angles que la flèche fait avec les demi-axes positifs x, y et z.

Cosinus directeurs et rapports directeurs

Supposons que la flèche fasse les angles α, β, γ avec les axes x, y et z. Alors l = cos α, m = cos β, n = cos γ sont ses cosinus directeurs.

Trois nombres quelconques dans les mêmes proportions que l, m, n s'appellent des rapports directeurs. Les composantes x, y, z elles-mêmes sont des rapports directeurs. Pour passer des rapports a, b, c aux cosinus, on divise chacun par √(a² + b² + c²).

Pourquoi c'est utile : le vecteur unitaire dans la direction de a est simplement lî + mĵ + nk̂.

Types de vecteurs

Vecteur position et composantes

Le vecteur position d'un point P(x, y, z) est la flèche allant de l'origine O à P : OP = xî + yĵ + zk̂. Sa longueur est la distance OP.

Ici x î, y ĵ et z k̂ sont les composantes vectorielles le long des axes, et x, y, z sont les composantes scalaires.

Vecteur joignant deux points

De P₁(x₁, y₁, z₁) à P₂(x₂, y₂, z₂) : P₁P₂ = (x₂ − x₁)î + (y₂ − y₁)ĵ + (z₂ − z₁)k̂ — toujours « extrémité moins origine ».

Addition de vecteurs et multiplication par un scalaire

Loi du triangle : on place l'origine de b sur l'extrémité de a ; la flèche allant de l'origine de a à l'extrémité de b est a + b. La loi du parallélogramme dit la même chose : on trace a et b depuis un même point ; la diagonale est a + b.

Multiple scalaire

k a a pour longueur |k||a|. Si k > 0 il pointe dans le même sens, si k < 0 il pointe dans le sens contraire, si k = 0 c'est le vecteur nul. k(a + b) = ka + kb.

Formule du point qui divise un segment

Soient A et B de vecteurs position a et b.

Pourquoi : AP : PB = m : n signifie n·AP = m·PB, c'est-à-dire n(r − a) = m(b − r). On résout pour r. Retiens : m multiplie l'extrémité lointaine b.

Aussi : le centre de gravité d'un triangle de sommets a, b, c est (a + b + c)/3.

Produit scalaire et ses usages

a·b = |a||b| cos θ, où θ (0 ≤ θ ≤ π) est l'angle entre les deux vecteurs. Le résultat est un nombre (scalaire).

Usages

Produit vectoriel et ses usages

a × b = |a||b| sin θ n̂, où n̂ est le vecteur unitaire perpendiculaire à a et à b, choisi par la règle de la main droite (on enroule les doigts de a vers b, le pouce donne n̂).

Usages

Examen : dans l'examen de fin d'année du CBSE indien, cette unité compte 14 points avec la géométrie 3D ; les questions typiques portent sur l'angle et la projection, l'aire par le produit vectoriel, le vecteur unitaire perpendiculaire à deux vecteurs et la formule de division d'un segment.

Formules et définitions clés

Exemples résolus

1. Trouve la norme et les cosinus directeurs de a = 2î − 3ĵ + 6k̂.

Étape 1 : |a| = √(4 + 9 + 36) = √49 = 7. Étape 2 : l = 2/7, m = −3/7, n = 6/7. Vérification : 4/49 + 9/49 + 36/49 = 1 ✓.

2. Trouve le vecteur unitaire dans la direction de a + b, où a = î + 2ĵ − k̂ et b = 2î − ĵ + 3k̂.

Étape 1 : a + b = 3î + ĵ + 2k̂. Étape 2 : |a + b| = √(9 + 1 + 4) = √14. Étape 3 : vecteur unitaire = (3î + ĵ + 2k̂)/√14.

3. Trouve le vecteur position du point R qui divise P(2, −1, 3) et Q(4, 5, −3) extérieurement dans le rapport 2 : 1.

Étape 1 : r = (2q − 1p)/(2 − 1). Étape 2 : 2q = (8, 10, −6), p = (2, −1, 3). Étape 3 : 2q − p = (6, 11, −9). Donc r = 6î + 11ĵ − 9k̂.

4. Trouve l'angle entre a = î + ĵ − k̂ et b = î − ĵ + k̂.

Étape 1 : a·b = 1 − 1 − 1 = −1. Étape 2 : |a| = |b| = √3. Étape 3 : cosθ = −1/3. Donc θ = cos⁻¹(−1/3) ≈ 109.5°.

5. Trouve la projection de a = 2î + 3ĵ + 2k̂ sur b = î + 2ĵ + k̂.

Étape 1 : a·b = 2 + 6 + 2 = 10. Étape 2 : |b| = √6. Étape 3 : projection = 10/√6 = 5√6/3 ≈ 4.08.

6. Trouve un vecteur unitaire perpendiculaire à a = 2î + 3ĵ − k̂ et à b = î − ĵ + 2k̂.

Étape 1 : a × b = î(3·2 − (−1)(−1)) − ĵ(2·2 − (−1)·1) + k̂(2·(−1) − 3·1) = 5î − 5ĵ − 5k̂. Étape 2 : |a × b| = 5√3. Étape 3 : vecteur unitaire = ±(î − ĵ − k̂)/√3.

7. Trouve l'aire du triangle de sommets A(1, 1, 2), B(2, 3, 5) et C(1, 5, 5).

Étape 1 : AB = î + 2ĵ + 3k̂, AC = 0î + 4ĵ + 3k̂. Étape 2 : AB × AC = î(6 − 12) − ĵ(3 − 0) + k̂(4 − 0) = −6î − 3ĵ + 4k̂. Étape 3 : |AB × AC| = √(36 + 9 + 16) = √61. Aire = ½√61 ≈ 3.9 unités d'aire.

8. Si |a| = 3, |b| = 4 et a·b = 6, trouve |a × b| et |a + b|.

Étape 1 : cosθ = 6/12 = 1/2, donc θ = 60° et sinθ = √3/2. Étape 2 : |a × b| = 3 × 4 × √3/2 = 6√3. Étape 3 : |a + b|² = |a|² + |b|² + 2a·b = 9 + 16 + 12 = 37, donc |a + b| = √37.

Erreurs fréquentes

Quiz d'entraînement

1. La norme de 3î − 4k̂ est :
2. Si l, m, n sont des cosinus directeurs, alors l² + m² + n² vaut :
3. a·b = 0 pour des vecteurs non nuls signifie qu'ils sont :
4. ĵ × î est égal à :
5. Le milieu de A(a) et B(b) a pour vecteur position :

Entraînement : réponds toi-même

Écris ou choisis ta réponse, puis appuie sur Vérifier. Prends un indice si tu bloques ; la solution complète s'affiche après ta réponse.

Questions fréquentes

Quelle est la différence entre le produit scalaire et le produit vectoriel ?

Le produit scalaire donne un nombre, a·b = |a||b|cosθ, et sert pour les angles, les projections et le travail. Le produit vectoriel donne un vecteur, |a × b| = |a||b|sinθ, perpendiculaire aux deux, et sert pour les aires, les directions perpendiculaires et le moment de force.

Combien de points valent les vecteurs et la géométrie 3D en Class 12 du CBSE ?

L'unité Vecteurs et géométrie dans l'espace compte environ 14 points à l'épreuve de maths de la Class 12 du CBSE (programme indien), répartis entre l'algèbre vectorielle et la géométrie 3D.

Comment trouver un vecteur unitaire perpendiculaire à deux vecteurs ?

Calcule a × b, puis divise-le par sa longueur |a × b|. Les deux vecteurs (a × b)/|a × b| et son opposé sont des réponses valables.

Où c'est enseigné

Canada (Ontario)Grade 12C. Geometry and Algebra of Vectors
NetherlandsHAVO 4 (bovenbouw, 2e fase)Solid geometry
NetherlandsVWO 5Geometry
NetherlandsVWO 6 (eindexamenjaar)Geometry with coordinates (part 2)
PolandLiceum ogólnokształcące, klasa IIIAnalytic geometry in the plane
Spain4º ESOInteraction
Spain1º BachilleratoNumber Sense
Spain1º BachilleratoNumber Sense
Spain2º BachilleratoSpatial Sense
Ukraine10 класGeometry: coordinates, vectors and transformations in space (22 h)
Ukraine10 класGeometry: coordinates and vectors in space (10 h)
CBSE (India)Class 12Vectors and Three-Dimensional Geometry
England (GCSE, A level)Year 12J Vectors (2D)
England (GCSE, A level)Year 13J Vectors (3D)
USA (Common Core, NGSS, AP)Grade 12Functions Involving Parameters, Vectors, and Matrices
USA (Common Core, NGSS, AP)Grade 12Vectors and matrices
Japan高校(専門学科)1〜3年Special Topics in Advanced Mathematics
Japan高校2年Vectors
South Korea고등학교 2학년Vectors
South Korea고등학교 3학년Representing data
South Korea고등학교 3학년Plane vectors
FranceSecondeGeometry
FrancePremièreGeometry
FrancePremièreMathematics
FrancePremièreMathematics
Russia10 классVectors in space
Russia11 классVectors and coordinates
Russia11 классVectors and coordinates in space
China高一Ch.6 Plane vectors
China高二Ch.1 Spatial vectors and solid geometry

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