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Première Spé Maths / Chapitre 7 : Produit scalaire

Produit scalaire : exercices de synthèse

Trois exercices complets, au format d'un devoir :

  • un triangle en repère orthonormé : produits scalaires, angles, aire, script Python ;
  • un ensemble de points défini avec MA2+MB2MA^2+MB^2 ;
  • un triangle défini par ses côtés et un angle de 120°120° : Al-Kashi, médiane, projeté orthogonal, aire, hauteur.

Les corrections sont rédigées comme on l'attend d'une excellente copie :

  • coordonnées des vecteurs écrites avant chaque produit scalaire ;
  • formule nommée (Al-Kashi, Chasles avec le milieu II, projeté orthogonal) à chaque utilisation ;
  • conclusion avec les angles arrondis et les unités.

Elles suivent le Guide de rédaction général et celui du chapitre. Durée conseillée : 25 minutes par exercice, sur papier, sans regarder la correction.

💡 Comment t'entraîner efficacement

  • Chronomètre-toi et rédige tout, comme en devoir.
  • Fais une figure même quand l'énoncé n'en demande pas.
  • Si tu bloques sur une question, écris ce que tu sais et passe à la suivante.
  • À la fin de chaque exercice, ouvre « Points clés attendus ».

Exercice 1 : un triangle en repère orthonormé

Dans un repère orthonormé, A(−1 ; 2)A(-1\,;\,2), B(3 ; −1)B(3\,;\,-1) et C(4 ; 3)C(4\,;\,3).

1. Calculer AB→⋅AC→\overrightarrow{AB}\cdot\overrightarrow{AC}, ABAB et ACAC.

2. En déduire cos⁡BAC^\cos\widehat{BAC} puis BAC^\widehat{BAC} à 0,1°0{,}1° près.

3. Calculer de même ABC^\widehat{ABC} et ACB^\widehat{ACB}. Vérifier que la somme des trois angles est 180°180° (aux arrondis près).

4. Calculer l'aire du triangle ABCABC de deux façons.

5. Écrire un script Python qui affiche, à partir des coordonnées, les trois angles du triangle arrondis au dixième de degré.

✏️ Correction de la question 1

AB→(3−(−1)−1−2)=(4−3)\overrightarrow{AB}\begin{pmatrix}3-(-1)\\-1-2\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}4\\-3\end{pmatrix} et AC→(4−(−1)3−2)=(51)\overrightarrow{AC}\begin{pmatrix}4-(-1)\\3-2\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}5\\1\end{pmatrix}.

AB→⋅AC→=4×5+(−3)×1=20−3=17\overrightarrow{AB}\cdot\overrightarrow{AC}=4\times5+(-3)\times1=20-3=17.

AB=16+9=5AB=\sqrt{16+9}=5 et AC=25+1=26AC=\sqrt{25+1}=\sqrt{26}.

✅ AB→⋅AC→=17\overrightarrow{AB}\cdot\overrightarrow{AC}=17, AB=5AB=5 et AC=26AC=\sqrt{26}.

✏️ Correction de la question 2

cos⁡BAC^=AB→⋅AC→AB×AC=17526≈0,667\cos\widehat{BAC}=\dfrac{\overrightarrow{AB}\cdot\overrightarrow{AC}}{AB\times AC}=\dfrac{17}{5\sqrt{26}}\approx0{,}667.

✅ BAC^≈48,2°\widehat{BAC}\approx 48{,}2°.

✏️ Correction de la question 3

En BB. BA→(−43)\overrightarrow{BA}\begin{pmatrix}-4\\3\end{pmatrix} et BC→(14)\overrightarrow{BC}\begin{pmatrix}1\\4\end{pmatrix} : BA→⋅BC→=−4+12=8\overrightarrow{BA}\cdot\overrightarrow{BC}=-4+12=8 et BC=17BC=\sqrt{17}.

cos⁡ABC^=8517≈0,388\cos\widehat{ABC}=\dfrac{8}{5\sqrt{17}}\approx 0{,}388, donc ABC^≈67,2°\widehat{ABC}\approx 67{,}2°.

En CC. CA→(−5−1)\overrightarrow{CA}\begin{pmatrix}-5\\-1\end{pmatrix} et CB→(−1−4)\overrightarrow{CB}\begin{pmatrix}-1\\-4\end{pmatrix} : CA→⋅CB→=5+4=9\overrightarrow{CA}\cdot\overrightarrow{CB}=5+4=9.

cos⁡ACB^=92617≈0,428\cos\widehat{ACB}=\dfrac{9}{\sqrt{26}\sqrt{17}}\approx 0{,}428, donc ACB^≈64,7°\widehat{ACB}\approx 64{,}7°.

Somme des valeurs arrondies : 48,2+67,2+64,7=180,148{,}2+67{,}2+64{,}7=180{,}1.

✅ La somme vaut 180,1°180{,}1° au lieu de 180°180° : l'écart de 0,1°0{,}1° vient des arrondis. Sans arrondir, la somme vaut exactement 180°180°.

✏️ Correction de la question 4

Première façon (projeté orthogonal). Soit HH le projeté orthogonal de CC sur (AB)(AB). Comme AB→⋅AC→=17>0\overrightarrow{AB}\cdot\overrightarrow{AC}=17>0, AB→⋅AC→=AB×AH\overrightarrow{AB}\cdot\overrightarrow{AC}=AB\times AH, donc AH=175AH=\dfrac{17}{5}.

Dans le triangle AHCAHC rectangle en HH : CH2=AC2−AH2=26−28925=36125CH^2=AC^2-AH^2=26-\dfrac{289}{25}=\dfrac{361}{25}, donc CH=195CH=\dfrac{19}{5}.

Aire =12×AB×CH=12×5×195=192=\dfrac12\times AB\times CH=\dfrac12\times5\times\dfrac{19}{5}=\dfrac{19}{2}.

Seconde façon (déterminant, outil de Seconde). Aire =12∣xAB→ yAC→−yAB→ xAC→∣=12∣4×1−(−3)×5∣=192=\dfrac12\left|x_{\overrightarrow{AB}}\,y_{\overrightarrow{AC}}-y_{\overrightarrow{AB}}\,x_{\overrightarrow{AC}}\right|=\dfrac12|4\times1-(-3)\times5|=\dfrac{19}{2}.

✅ Aire =192=9,5=\dfrac{19}{2}=9{,}5 unités d'aire.

✏️ Correction de la question 5

Le script calcule, pour chaque sommet, le produit scalaire des deux vecteurs qui en partent, puis applique cos⁡θ=u⃗⋅v⃗∥u⃗∥ ∥v⃗∥\cos\theta=\dfrac{\vec u\cdot\vec v}{\|\vec u\|\,\|\vec v\|}.

from math import sqrt, acos, degrees

def angle(P, Q, R):
    """Angle PQR en degrés, calculé avec le produit scalaire."""
    u = (P[0] - Q[0], P[1] - Q[1])
    v = (R[0] - Q[0], R[1] - Q[1])
    ps = u[0] * v[0] + u[1] * v[1]
    nu = sqrt(u[0]**2 + u[1]**2)
    nv = sqrt(v[0]**2 + v[1]**2)
    return degrees(acos(ps / (nu * nv)))

A, B, C = (-1, 2), (3, -1), (4, 3)
print(round(angle(B, A, C), 1), round(angle(A, B, C), 1), round(angle(A, C, B), 1))

Il affiche 48.2 67.2 64.7, ce qui confirme les questions 2 et 3.

✅ Le script affiche les trois angles : à comparer avec les calculs à la main.

✏️ Points clés attendus pour l'exercice 1

• Q1 : coordonnées écrites, produit scalaire et normes.

• Q2 : formule de l'angle, valeur exacte avant l'arrondi.

• Q3 : trois angles, vérification par la somme en tenant compte des arrondis.

• Q4 : deux méthodes cohérentes (projeté orthogonal, déterminant).

• Q5 : le produit scalaire est programmé avec les coordonnées ; le sommet de l'angle est le point d'où partent les deux vecteurs.


Exercice 2 : un ensemble de points

Soit [AB][AB] un segment de longueur 88 et II son milieu. Pour un réel kk, on note Ek\mathcal{E}_k l'ensemble des points MM du plan tels que MA2+MB2=kMA^2+MB^2=k.

1. Montrer que MA2+MB2=2 MI2+32MA^2+MB^2=2\,MI^2+32 pour tout point MM (on introduira II avec la relation de Chasles).

2. Déterminer E40\mathcal{E}_{40}.

3. Déterminer E32\mathcal{E}_{32} puis E20\mathcal{E}_{20}.

4. Pour quelles valeurs de kk l'ensemble Ek\mathcal{E}_k est-il un cercle ?

✏️ Correction de la question 1

On introduit II : MA→=MI→+IA→\overrightarrow{MA}=\overrightarrow{MI}+\overrightarrow{IA} et MB→=MI→+IB→=MI→−IA→\overrightarrow{MB}=\overrightarrow{MI}+\overrightarrow{IB}=\overrightarrow{MI}-\overrightarrow{IA}.

MA2+MB2=(MI2+2 MI→⋅IA→+IA2)+(MI2−2 MI→⋅IA→+IA2)=2 MI2+2 IA2MA^2+MB^2=\left(MI^2+2\,\overrightarrow{MI}\cdot\overrightarrow{IA}+IA^2\right)+\left(MI^2-2\,\overrightarrow{MI}\cdot\overrightarrow{IA}+IA^2\right)=2\,MI^2+2\,IA^2.

Comme IA=AB2=4IA=\dfrac{AB}{2}=4 : 2 IA2=322\,IA^2=32. Ce calcul est valable pour tout point MM, même sur la droite (AB)(AB).

✅ MA2+MB2=2 MI2+32MA^2+MB^2=2\,MI^2+32.

✏️ Correction de la question 2

MA2+MB2=40  ⟺  2 MI2+32=40  ⟺  MI2=4  ⟺  MI=2MA^2+MB^2=40\iff2\,MI^2+32=40\iff MI^2=4\iff MI=2.

✅ E40\mathcal{E}_{40} est le cercle de centre II et de rayon 22.

✏️ Correction de la question 3

MA2+MB2=32  ⟺  2 MI2=0  ⟺  M=IMA^2+MB^2=32\iff2\,MI^2=0\iff M=I.

MA2+MB2=20  ⟺  2 MI2=−12  ⟺  MI2=−6MA^2+MB^2=20\iff2\,MI^2=-12\iff MI^2=-6 : impossible car un carré est positif.

✅ E32={I}\mathcal{E}_{32}=\{I\} et E20=∅\mathcal{E}_{20}=\varnothing.

✏️ Correction de la question 4

MA2+MB2=k  ⟺  MI2=k−322MA^2+MB^2=k\iff MI^2=\dfrac{k-32}{2}.

Si k>32k>32 : cercle de centre II et de rayon k−322\sqrt{\dfrac{k-32}{2}}. Si k=32k=32 : un point. Si k<32k<32 : l'ensemble vide.

✅ Ek\mathcal{E}_k est un cercle si et seulement si k>32k>32.

✏️ Points clés attendus pour l'exercice 2

• Q1 : relation de Chasles avec II, disparition des doubles produits, calcul de 2 IA22\,IA^2.

• Q2 : passage de MI2=4MI^2=4 à MI=2MI=2, description géométrique du cercle.

• Q3 : les deux cas dégénérés (un point, vide) justifiés.

• Q4 : discussion complète selon kk.


Exercice 3 : un triangle avec un angle de 120°120°

Dans un triangle ABCABC, AB=6AB=6, AC=9AC=9 et BAC^=120°\widehat{BAC}=120°. On note II le milieu de [BC][BC].

1. Calculer AB→⋅AC→\overrightarrow{AB}\cdot\overrightarrow{AC}.

2. Calculer BCBC (valeur exacte, puis arrondie au centième).

3. Calculer la médiane AIAI.

4. Calculer l'aire du triangle et la hauteur issue de AA (on utilisera le projeté orthogonal HH de CC sur (AB)(AB)).

✏️ Correction de la question 1

AB→⋅AC→=AB×AC×cos⁡120°=6×9×(−12)=−27\overrightarrow{AB}\cdot\overrightarrow{AC}=AB\times AC\times\cos120°=6\times9\times\left(-\dfrac12\right)=-27.

✅ AB→⋅AC→=−27\overrightarrow{AB}\cdot\overrightarrow{AC}=-27.

✏️ Correction de la question 2

D'après Al-Kashi : BC2=AB2+AC2−2 AB×AC×cos⁡120°=36+81−2×54×(−12)=117+54=171BC^2=AB^2+AC^2-2\,AB\times AC\times\cos120°=36+81-2\times54\times\left(-\dfrac12\right)=117+54=171.

✅ BC=171=319≈13,08BC=\sqrt{171}=3\sqrt{19}\approx 13{,}08.

✏️ Correction de la question 3

II est le milieu de [BC][BC] : 2 AI→=AB→+AC→2\,\overrightarrow{AI}=\overrightarrow{AB}+\overrightarrow{AC}.

4 AI2=AB2+AC2+2 AB→⋅AC→=36+81−54=634\,AI^2=AB^2+AC^2+2\,\overrightarrow{AB}\cdot\overrightarrow{AC}=36+81-54=63, donc AI2=634AI^2=\dfrac{63}{4}.

✅ AI=632=372≈3,97AI=\dfrac{\sqrt{63}}{2}=\dfrac{3\sqrt7}{2}\approx 3{,}97.

✏️ Correction de la question 4

AB→⋅AC→=−27<0\overrightarrow{AB}\cdot\overrightarrow{AC}=-27<0 : HH est de l'autre côté de AA que BB et AB→⋅AC→=−AB×AH\overrightarrow{AB}\cdot\overrightarrow{AC}=-AB\times AH. Donc AH=276=92AH=\dfrac{27}{6}=\dfrac92.

Dans le triangle AHCAHC rectangle en HH : CH2=AC2−AH2=81−814=2434CH^2=AC^2-AH^2=81-\dfrac{81}{4}=\dfrac{243}{4}, donc CH=932CH=\dfrac{9\sqrt3}{2}.

Aire =12×AB×CH=12×6×932=2732≈23,38=\dfrac12\times AB\times CH=\dfrac12\times6\times\dfrac{9\sqrt3}{2}=\dfrac{27\sqrt3}{2}\approx23{,}38.

Hauteur issue de AA : h=2×AireBC=273319=9319≈3,58h=\dfrac{2\times\text{Aire}}{BC}=\dfrac{27\sqrt3}{3\sqrt{19}}=\dfrac{9\sqrt3}{\sqrt{19}}\approx 3{,}58.

✅ Aire =2732≈23,38=\dfrac{27\sqrt3}{2}\approx 23{,}38 et h≈3,58h\approx 3{,}58.

✏️ Points clés attendus pour l'exercice 3

• Q1 : signe négatif justifié par l'angle obtus.

• Q2 : Al-Kashi avec les deux côtés autour de l'angle.

• Q3 : 2 AI→=AB→+AC→2\,\overrightarrow{AI}=\overrightarrow{AB}+\overrightarrow{AC} puis calcul de AI2AI^2 avant la racine.

• Q4 : position de HH (angle obtus : HH hors du segment [AB][AB]), puis aire, puis hauteur à partir de l'aire.

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