Passer au contenu

T.10 · Géométrie vectorielle, projections et aire orientée

GRE Subject Test · GRE Mathematics · Sujet 24

24

Champ d'application et prérequis

Préparation GRE niveau universitaire. Objectifs locaux dans le périmètre ETS examiné ; il s'agit d'un enseignement original, pas d'un test officiel ni d'un prédicteur de score.

Prérequis : Vecteurs de coordonnées, produits scalaire/croisés et normes.

  • Utiliser les produits scalaires pour classifier les angles et calculer les projections
  • Calculer l'aire et l'orientation d'un triangle à l'aide d'un produit vectoriel
  • Construire ou exclure des configurations de signe de produit scalaire planaires

orthogonal : Ayant un produit scalaire nul dans un espace à produit scalaire réel.

produit vectoriel : Un vecteur perpendiculaire orienté en trois dimensions dont la grandeur correspond à l'aire du parallélogramme engendré.

Vocabulaire Entrainer
English Français
orthogonal/ɔːˈθɒɡənl/ orthogonal
cross product/krɒs ˈprɒdʌkt/ produit vectoriel
24

Choisir et justifier une méthode

Pour des vecteurs réels non nuls u,v, u·v=|u||v| cos θ. Un produit scalaire positif, nul ou négatif correspond respectivement à un angle aigu, droit ou obtus plus petit. La projection scalaire de v selon u est (v·u)/|u| ; sa projection vectorielle est ((v·u)/(u·u))u. La différence par rapport à cette projection est orthogonale à u. Ne pas confondre un vecteur projeté avec sa composante scalaire signée. Le vecteur nul est orthogonal à tout vecteur mais n'a pas de direction d'angle définie.

Pour des vecteurs tridimensionnels, u×v est perpendiculaire aux deux avec une longueur |u||v| sin θ. Le calcul en coordonnées utilise (u₂v₃−u₃v₂, u₃v₁−u₁v₃, u₁v₂−u₂v₁). Cette longueur est l'aire du parallélogramme, donc un triangle formé par deux vecteurs arêtes a la moitié de cette aire. Inverser leur ordre inverse le produit vectoriel mais conserve l'aire. Construire les deux vecteurs arêtes à partir du même sommet ; croiser deux vecteurs de position non apparents mesure généralement le mauvais triangle.

Le plan passant par un point p avec une normale non nulle n a pour équation n·(x−p)=0. La distance de q au plan est |n·(q−p)|/|n| ; le dénominateur normalise l'échelle de l'équation. Un produit mixte scalaire u·(v×w) donne un volume de parallélépipède signé ; sa valeur absolue est le volume géométrique. Un produit mixte nul signifie la dépendance des trois vecteurs arêtes, et non nécessairement que chaque paire soit perpendiculaire ou parallèle.

Pour quatre vecteurs plans, il existe six produits scalaires non ordonnés. La configuration e₁, −e₁, e₂, −e₂ a deux produits négatifs et quatre zéros ; e₁, e₁, e₂, e₂ a deux produits positifs et quatre zéros. Quatre vecteurs non nuls ne peuvent avoir tous leurs produits scalaires par paires négatifs. Ordonnez leurs directions autour du cercle : chaque écart angulaire consécutif devrait excéder 90°, forçant la somme des quatre écarts à dépasser 360°. Un vecteur nul ne peut pallier une exigence strictement négative, car ses produits scalaires s'annulent.

24

Raisonnement worked

Avec p=(0,0,0), q=(2,0,0), r=(0,3,0), les côtés sont u=(2,0,0), v=(0,3,0). Leur produit vectoriel est (0,0,6), donnant une aire triangulaire 3. Pour w=(3,4) et u=(1,0), la projection vectorielle est (3,0) et le reste orthogonal est (0,4). Le plan 2x−y+2z=6 a une longueur de normale 3, donc sa distance à l'origine est 6/3=2.

Gauche : le triangle de côtés u = (2, 0, 0) et v = (0, 3, 0), aire 3. Droite : les vecteurs unitaires ±e₁ et ±e₂
Aire du triangle = |u × v| / 2 = 6 / 2 = 3
24

Conditions et contre-exemples

Le module du produit vectoriel est l'aire du parallélogramme, donc le diviser par deux pour un triangle. Un produit scalaire nul est une affirmation algébrique d'orthogonalité, même pour un vecteur nul. La distance au plan doit être divisée par la norme du vecteur normal.

24

Application guidée

Projeter $v=(2,3,6)$ sur $u=(1,0,2)$. Trouver l'aire du triangle de sommets O, u et v. Vérifier que le résidu de projection est orthogonal à u.

Solution détaillée

$v\cdot u=14$ et $u\cdot u=5$, donc la projection vectorielle est $(14/5)u=(14/5,0,28/5)$. Le résidu est $(-4/5,3,2/5)$, dont le produit scalaire avec u est nul. Le produit vectoriel est $u\times v=(-6,-2,3)$ de norme sept. L'aire du triangle est la moitié de celle du parallélogramme, soit $7/2$. Les deux vecteurs edge partent de O ; croiser des vecteurs de position sans rapport ne calculerait généralement pas le triangle demandé.

24

Transfert indépendant

Quatre vecteurs non nuls dans $\mathbb R^2$ peuvent-ils avoir tous leurs six produits scalaires par paires strictement négatifs ? Donner une preuve. Que se passe-t-il si l'on autorise des produits nuls ?

Vérification après tentative

Ordonnez leurs directions autour du cercle. Chaque écart consécutif doit excéder $\pi/2$ : si un écart était au plus $\pi/2$, ce couple aurait un produit scalaire non négatif. Quatre tels écarts donneraient une somme supérieure à $2\pi$, ce qui est impossible. Donc, tous les six produits ne peuvent être strictement négatifs. Avec des produits non positifs, $e_1,e_2,-e_1,-e_2$ fonctionne : les couples consécutifs sont perpendiculaires et les couples opposés ont des produits négatifs. Un vecteur nul ne peut satisfaire la stricte négativité.

Leçons interactives sur ce sujet

Traversez-le étape par étape, avec des exercices à vérification instantanée.

Plus de sujets dans GRE Subject Test · GRE Mathematics

Se connecter ou créer un compte

IGCSE, A-Level & AP