Composantes et norme d'un vecteur

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Facile15 exercices
Exercice 1

Composantes « extrémité moins origine ». Dans un repère, on donne plusieurs couples de points. Calculer les composantes du vecteur demandé.

  1. a)

    A (1;2)A\,(1;2) et B (4;6)B\,(4;6) : composantes de AB→\overrightarrow{AB}.

    AB→ (4−1 ; 6−2)=(3;4)\overrightarrow{AB}\,(4-1\,;\,6-2)=(3;4).

  2. b)

    C (0;3)C\,(0;3) et D (5;3)D\,(5;3) : composantes de CD→\overrightarrow{CD}.

    CD→ (5−0 ; 3−3)=(5;0)\overrightarrow{CD}\,(5-0\,;\,3-3)=(5;0). (Vecteur horizontal.)

  3. c)

    E (2;7)E\,(2;7) et F (2;1)F\,(2;1) : composantes de EF→\overrightarrow{EF}.

    EF→ (2−2 ; 1−7)=(0;−6)\overrightarrow{EF}\,(2-2\,;\,1-7)=(0;-6). (Vecteur vertical, dirigé vers le bas.)

  4. d)

    G (3;5)G\,(3;5) et H (0;0)H\,(0;0) : composantes de GH→\overrightarrow{GH}.

    GH→ (0−3 ; 0−5)=(−3;−5)\overrightarrow{GH}\,(0-3\,;\,0-5)=(-3;-5).

    ▶\blacktriangleright On applique partout « extrémité moins origine ».

Exercice 2

Norme à partir des composantes. Calculer la norme de chacun des vecteurs suivants (donnés par leurs composantes).

  1. a)

    u⃗ (3;4)\vec{u}\,(3;4)

    ∥u⃗∥=32+42=9+16=25=5\left\lVert \vec u\right\rVert=\sqrt{3^2+4^2}=\sqrt{9+16}=\sqrt{25}=5.

  2. b)

    v⃗ (6;8)\vec{v}\,(6;8)

    ∥v⃗∥=62+82=36+64=100=10\left\lVert \vec v\right\rVert=\sqrt{6^2+8^2}=\sqrt{36+64}=\sqrt{100}=10.

  3. c)

    w⃗ (5;0)\vec{w}\,(5;0)

    ∥w⃗∥=52+02=25=5\left\lVert \vec w\right\rVert=\sqrt{5^2+0^2}=\sqrt{25}=5.

  4. d)

    t⃗ (2;3)\vec{t}\,(2;3)

    ∥t⃗∥=22+32=4+9=13\left\lVert \vec t\right\rVert=\sqrt{2^2+3^2}=\sqrt{4+9}=\sqrt{13} (forme exacte ; ≈3,61\approx 3{,}61).

    ▶\blacktriangleright Les triplets (3;4;5)(3;4;5) et (6;8;10)(6;8;10) donnent des normes entières : ce sont des cas à reconnaître.

Exercice 3

Le calcul complet. On donne A (1;1)A\,(1;1) et B (4;5)B\,(4;5).

  1. a)

    Déterminer les composantes de AB→\overrightarrow{AB}.

    AB→ (4−1 ; 5−1)=(3;4)\overrightarrow{AB}\,(4-1\,;\,5-1)=(3;4).

  2. b)

    En déduire la norme ∥AB→∥\left\lVert \overrightarrow{AB}\right\rVert (forme exacte).

    ∥AB→∥=32+42=25=5\left\lVert \overrightarrow{AB}\right\rVert=\sqrt{3^2+4^2}=\sqrt{25}=5.

Exercice 4

Lecture sur une figure. Lire directement sur la figure les composantes des vecteurs a⃗\vec{a} et b⃗\vec{b}, puis calculer leurs normes.

On lit sur la figure : a⃗\vec a part de (1;1)(1;1) et arrive en (4;1)(4;1), donc a⃗ (3;0)\vec a\,(3;0) et ∥a⃗∥=32+02=3\left\lVert \vec a\right\rVert=\sqrt{3^2+0^2}=3.
b⃗\vec b part de (1;1)(1;1) et arrive en (1;4)(1;4), donc b⃗ (0;3)\vec b\,(0;3) et ∥b⃗∥=02+32=3\left\lVert \vec b\right\rVert=\sqrt{0^2+3^2}=3.
▶\blacktriangleright Un vecteur horizontal a sa seconde composante nulle ; un vecteur vertical a sa première composante nulle.

Exercice 5

Vecteur opposé. On donne A (2;5)A\,(2;5) et B (7;1)B\,(7;1).

  1. a)

    Calculer les composantes de AB→\overrightarrow{AB}, puis celles de BA→\overrightarrow{BA}.

    AB→ (7−2 ; 1−5)=(5;−4)\overrightarrow{AB}\,(7-2\,;\,1-5)=(5;-4) et BA→ (2−7 ; 5−1)=(−5;4)\overrightarrow{BA}\,(2-7\,;\,5-1)=(-5;4).

  2. b)

    Que remarque-t-on entre AB→\overrightarrow{AB} et BA→\overrightarrow{BA} ? Comparer ∥AB→∥\left\lVert \overrightarrow{AB}\right\rVert et ∥BA→∥\left\lVert \overrightarrow{BA}\right\rVert.

    Les composantes sont opposées : BA→=−AB→\overrightarrow{BA}=-\overrightarrow{AB}. Les deux vecteurs ont la même longueur : ∥AB→∥=∥BA→∥=52+(−4)2=25+16=41\left\lVert \overrightarrow{AB}\right\rVert=\left\lVert \overrightarrow{BA}\right\rVert=\sqrt{5^2+(-4)^2}=\sqrt{25+16}=\sqrt{41}. Échanger origine et extrémité ne change pas la norme, seulement le sens.

Exercice 6

Distance entre deux points. Calculer la longueur ABAB (distance entre les deux points), sous forme exacte.

  1. a)

    A (1;1)A\,(1;1) et B (4;5)B\,(4;5).

    AB→ (3;4)\overrightarrow{AB}\,(3;4), donc AB=32+42=25=5AB=\sqrt{3^2+4^2}=\sqrt{25}=5.

  2. b)

    A (2;1)A\,(2;1) et B (8;9)B\,(8;9).

    AB→ (6;8)\overrightarrow{AB}\,(6;8), donc AB=62+82=100=10AB=\sqrt{6^2+8^2}=\sqrt{100}=10.

  3. c)

    A (0;2)A\,(0;2) et B (5;14)B\,(5;14).

    AB→ (5;12)\overrightarrow{AB}\,(5;12), donc AB=52+122=169=13AB=\sqrt{5^2+12^2}=\sqrt{169}=13.

  4. d)

    A (−1;−2)A\,(-1;-2) et B (7;13)B\,(7;13).

    AB→ (8;15)\overrightarrow{AB}\,(8;15), donc AB=82+152=289=17AB=\sqrt{8^2+15^2}=\sqrt{289}=17.

    ▶\blacktriangleright La distance ABAB est exactement la norme du vecteur AB→\overrightarrow{AB}.

Exercice 7

Composantes puis nature du vecteur. Pour chaque couple, donner les composantes de AB→\overrightarrow{AB}, puis préciser si le vecteur est horizontal, vertical, nul ou oblique.

  1. a)

    A (2;5)A\,(2;5) et B (7;5)B\,(7;5).

    AB→ (5;0)\overrightarrow{AB}\,(5;0) : vecteur horizontal (seconde composante nulle).

  2. b)

    A (3;1)A\,(3;1) et B (3;8)B\,(3;8).

    AB→ (0;7)\overrightarrow{AB}\,(0;7) : vecteur vertical (première composante nulle).

  3. c)

    A (4;−2)A\,(4;-2) et B (4;−2)B\,(4;-2).

    AB→ (0;0)\overrightarrow{AB}\,(0;0) : vecteur nul (les deux points sont confondus).

  4. d)

    A (1;1)A\,(1;1) et B (4;5)B\,(4;5).

    AB→ (3;4)\overrightarrow{AB}\,(3;4) : vecteur oblique (aucune composante nulle).

Exercice 8

Deux vecteurs sont-ils égaux ? Deux vecteurs sont égaux lorsqu'ils ont les mêmes composantes. Dans chaque cas, calculer les composantes des deux vecteurs et dire s'ils sont égaux.

  1. a)

    AB→\overrightarrow{AB} avec A (1;2)A\,(1;2), B (4;6)B\,(4;6) et CD→\overrightarrow{CD} avec C (0;−1)C\,(0;-1), D (3;3)D\,(3;3).

    AB→ (3;4)\overrightarrow{AB}\,(3;4) et CD→ (3;4)\overrightarrow{CD}\,(3;4) : mêmes composantes, donc AB→=CD→\overrightarrow{AB}=\overrightarrow{CD} (vecteurs égaux).

  2. b)

    EF→\overrightarrow{EF} avec E (2;1)E\,(2;1), F (5;2)F\,(5;2) et GH→\overrightarrow{GH} avec G (0;0)G\,(0;0), H (3;−1)H\,(3;-1).

    EF→ (3;1)\overrightarrow{EF}\,(3;1) et GH→ (3;−1)\overrightarrow{GH}\,(3;-1) : la seconde composante diffère, donc EF→≠GH→\overrightarrow{EF}\neq\overrightarrow{GH}.

    ▶\blacktriangleright Deux vecteurs peuvent partir de points différents et être pourtant égaux : seule compte l'égalité des composantes.

Exercice 9

Produit d'un vecteur par un nombre. On donne u⃗ (3;4)\vec{u}\,(3;4).

  1. a)

    Donner les composantes de 2u⃗2\vec{u}, de 3u⃗3\vec{u} et de −u⃗-\vec{u}.

    2u⃗ (6;8)2\vec{u}\,(6;8), 3u⃗ (9;12)3\vec{u}\,(9;12), −u⃗ (−3;−4)-\vec{u}\,(-3;-4).

  2. b)

    Calculer ∥u⃗∥\left\lVert \vec{u}\right\rVert, puis en déduire ∥2u⃗∥\left\lVert 2\vec{u}\right\rVert et ∥3u⃗∥\left\lVert 3\vec{u}\right\rVert sans nouveau calcul de racine.

    ∥u⃗∥=32+42=5\left\lVert \vec{u}\right\rVert=\sqrt{3^2+4^2}=5, donc ∥2u⃗∥=2×5=10\left\lVert 2\vec{u}\right\rVert=2\times5=10 et ∥3u⃗∥=3×5=15\left\lVert 3\vec{u}\right\rVert=3\times5=15.

    ▶\blacktriangleright On utilise ∥ku⃗∥=∣k∣⋅∥u⃗∥\left\lVert k\vec{u}\right\rVert=|k|\cdot\left\lVert \vec{u}\right\rVert : multiplier un vecteur par kk multiplie sa longueur par ∣k∣|k|.

Exercice 10

Somme et différence de deux vecteurs. On donne u⃗ (2;1)\vec{u}\,(2;1) et v⃗ (1;3)\vec{v}\,(1;3).

  1. a)

    Donner les composantes de u⃗+v⃗\vec{u}+\vec{v}.

    u⃗+v⃗ (2+1 ; 1+3)=(3;4)\vec{u}+\vec{v}\,(2+1\,;\,1+3)=(3;4).

  2. b)

    Donner les composantes de u⃗−v⃗\vec{u}-\vec{v}.

    u⃗−v⃗ (2−1 ; 1−3)=(1;−2)\vec{u}-\vec{v}\,(2-1\,;\,1-3)=(1;-2).

  3. c)

    Calculer ∥u⃗+v⃗∥\left\lVert \vec{u}+\vec{v}\right\rVert et ∥u⃗−v⃗∥\left\lVert \vec{u}-\vec{v}\right\rVert (forme exacte).

    ∥u⃗+v⃗∥=32+42=5\left\lVert \vec{u}+\vec{v}\right\rVert=\sqrt{3^2+4^2}=5 et ∥u⃗−v⃗∥=12+(−2)2=5\left\lVert \vec{u}-\vec{v}\right\rVert=\sqrt{1^2+(-2)^2}=\sqrt{5}.

    ▶\blacktriangleright On additionne (ou soustrait) composante par composante.

Exercice 11

Un déplacement décrit avec des mots. Sur un quadrillage, un pion part du point A (3;2)A\,(3;2). Il se déplace de 33 cases vers la droite, puis de 44 cases vers le haut, et arrive en BB.

  1. a)

    Donner les composantes de AB→\overrightarrow{AB}.

    33 vers la droite →\to première composante 33 ; 44 vers le haut →\to seconde composante 44. Donc AB→ (3;4)\overrightarrow{AB}\,(3;4).

  2. b)

    En déduire les coordonnées de BB.

    B=A+AB→B=A+\overrightarrow{AB} : xB=3+3=6x_B=3+3=6, yB=2+4=6y_B=2+4=6. Donc B (6;6)B\,(6;6).

  3. c)

    Calculer ∥AB→∥\left\lVert \overrightarrow{AB}\right\rVert.

    ∥AB→∥=32+42=5\left\lVert \overrightarrow{AB}\right\rVert=\sqrt{3^2+4^2}=5.

Exercice 12

Lecture de vecteurs obliques sur une figure. Lire sur la figure les composantes des vecteurs a⃗\vec{a} et b⃗\vec{b}, puis calculer leurs normes.

a⃗\vec{a} part de (1;1)(1;1) et arrive en (4;5)(4;5), donc a⃗ (3;4)\vec{a}\,(3;4) et ∥a⃗∥=32+42=5\left\lVert \vec{a}\right\rVert=\sqrt{3^2+4^2}=5.
b⃗\vec{b} part de (5;0)(5;0) et arrive en (1;3)(1;3), donc b⃗ (−4;3)\vec{b}\,(-4;3) et ∥b⃗∥=(−4)2+32=25=5\left\lVert \vec{b}\right\rVert=\sqrt{(-4)^2+3^2}=\sqrt{25}=5.
▶\blacktriangleright On lit toujours « extrémité moins origine », même quand le vecteur est oblique.

Exercice 13

Normes en forme exacte. Calculer la norme des vecteurs suivants. Les résultats ne sont pas entiers : laisser la réponse sous forme exacte (un radical).

  1. a)

    u⃗ (2;3)\vec{u}\,(2;3)

    ∥u⃗∥=22+32=13\left\lVert \vec{u}\right\rVert=\sqrt{2^2+3^2}=\sqrt{13}.

  2. b)

    v⃗ (1;−1)\vec{v}\,(1;-1)

    ∥v⃗∥=12+(−1)2=2\left\lVert \vec{v}\right\rVert=\sqrt{1^2+(-1)^2}=\sqrt{2}.

  3. c)

    w⃗ (3;1)\vec{w}\,(3;1)

    ∥w⃗∥=32+12=10\left\lVert \vec{w}\right\rVert=\sqrt{3^2+1^2}=\sqrt{10}.

  4. d)

    t⃗ (1;2)\vec{t}\,(1;2)

    ∥t⃗∥=12+22=5\left\lVert \vec{t}\right\rVert=\sqrt{1^2+2^2}=\sqrt{5}.

    ▶\blacktriangleright Aucun de ces nombres n'est un carré parfait : on laisse le radical tel quel.

Exercice 14

Comparer des longueurs. On donne trois vecteurs u⃗ (6;0)\vec{u}\,(6;0), v⃗ (3;4)\vec{v}\,(3;4) et w⃗ (0;7)\vec{w}\,(0;7).

  1. a)

    Calculer les trois normes ∥u⃗∥\left\lVert \vec{u}\right\rVert, ∥v⃗∥\left\lVert \vec{v}\right\rVert et ∥w⃗∥\left\lVert \vec{w}\right\rVert.

    ∥u⃗∥=62+02=6\left\lVert \vec{u}\right\rVert=\sqrt{6^2+0^2}=6, ∥v⃗∥=32+42=5\left\lVert \vec{v}\right\rVert=\sqrt{3^2+4^2}=5, ∥w⃗∥=02+72=7\left\lVert \vec{w}\right\rVert=\sqrt{0^2+7^2}=7.

  2. b)

    Ranger les trois vecteurs du plus court au plus long.

    Du plus court au plus long : v⃗ (5)<u⃗ (6)<w⃗ (7)\vec{v}\;(5)<\vec{u}\;(6)<\vec{w}\;(7).

Exercice 15

Chemin parcouru et distance directe. Un robot part de A (0;0)A\,(0;0), va en B (3;0)B\,(3;0), puis en C (3;4)C\,(3;4).

  1. a)

    Calculer les longueurs ABAB et BCBC, puis la distance totale parcourue AB+BCAB+BC.

    AB=32+02=3AB=\sqrt{3^2+0^2}=3 et BC=02+42=4BC=\sqrt{0^2+4^2}=4 ; distance totale AB+BC=3+4=7AB+BC=3+4=7.

  2. b)

    Calculer la distance directe ACAC (à vol d'oiseau).

    AC→ (3;4)\overrightarrow{AC}\,(3;4), donc AC=32+42=5AC=\sqrt{3^2+4^2}=5.

  3. c)

    Comparer les deux résultats.

    7>57>5 : le chemin parcouru (77) est plus long que la distance directe (55). Le trajet en deux étapes fait un détour.

Moyen15 exercices
Exercice 1

Composantes et norme avec des coordonnées négatives. Pour chaque couple, donner les composantes de AB→\overrightarrow{AB} puis sa norme (forme exacte).

  1. a)

    A (−2;3)A\,(-2;3) et B (1;−1)B\,(1;-1).

    AB→ (1−(−2) ; −1−3)=(3;−4)\overrightarrow{AB}\,(1-(-2)\,;\,-1-3)=(3;-4), ∥AB→∥=32+(−4)2=25=5\left\lVert \overrightarrow{AB}\right\rVert=\sqrt{3^2+(-4)^2}=\sqrt{25}=5.

  2. b)

    A (4;−2)A\,(4;-2) et B (−1;−2)B\,(-1;-2).

    AB→ (−1−4 ; −2−(−2))=(−5;0)\overrightarrow{AB}\,(-1-4\,;\,-2-(-2))=(-5;0), ∥AB→∥=(−5)2+02=5\left\lVert \overrightarrow{AB}\right\rVert=\sqrt{(-5)^2+0^2}=5.

  3. c)

    A (−3;−1)A\,(-3;-1) et B (−3;5)B\,(-3;5).

    AB→ (−3−(−3) ; 5−(−1))=(0;6)\overrightarrow{AB}\,(-3-(-3)\,;\,5-(-1))=(0;6), ∥AB→∥=02+62=6\left\lVert \overrightarrow{AB}\right\rVert=\sqrt{0^2+6^2}=6.

    ▶\blacktriangleright Bien soustraire les négatifs : −1−(−2)=+3-1-(-2)=+3. Et (−4)2=+16(-4)^2=+16.

Exercice 2

Simplifier une norme sous la forme aba\sqrt{b}. Calculer et simplifier la norme des vecteurs suivants.

  1. a)

    u⃗ (4;−2)\vec{u}\,(4;-2)

    ∥u⃗∥=42+(−2)2=16+4=20=4⋅5=25\left\lVert \vec u\right\rVert=\sqrt{4^2+(-2)^2}=\sqrt{16+4}=\sqrt{20}=\sqrt{4\cdot5}=2\sqrt5.

  2. b)

    v⃗ (−6;3)\vec{v}\,(-6;3)

    ∥v⃗∥=(−6)2+32=36+9=45=9⋅5=35\left\lVert \vec v\right\rVert=\sqrt{(-6)^2+3^2}=\sqrt{36+9}=\sqrt{45}=\sqrt{9\cdot5}=3\sqrt5.

  3. c)

    w⃗ (23;2)\vec{w}\,(2\sqrt3;2)

    ∥w⃗∥=(23)2+22=12+4=16=4\left\lVert \vec w\right\rVert=\sqrt{(2\sqrt3)^2+2^2}=\sqrt{12+4}=\sqrt{16}=4.

    ▶\blacktriangleright Pour simplifier 20\sqrt{20}, on repère le plus grand carré parfait facteur : 20=4×520=4\times5, donc 20=25\sqrt{20}=2\sqrt5. Et (23)2=4×3=12(2\sqrt3)^2=4\times3=12.

Exercice 3

Retrouver un point à partir d'un vecteur.

  1. a)

    On sait que A (2;−1)A\,(2;-1) et que AB→ (3;5)\overrightarrow{AB}\,(3;5). Déterminer les coordonnées de BB.

    B=A+AB→B=A+\overrightarrow{AB} composante par composante : xB=2+3=5x_B=2+3=5, yB=−1+5=4y_B=-1+5=4. Donc B (5;4)B\,(5;4).

  2. b)

    On sait que CD→ (−2;4)\overrightarrow{CD}\,(-2;4) et que D (1;3)D\,(1;3). Déterminer les coordonnées de CC.

    Comme CD→=(xD−xC ; yD−yC)\overrightarrow{CD}=(x_D-x_C\,;\,y_D-y_C), on a xC=xD−(xD−xC)=1−(−2)=3x_C=x_D-(x_D-x_C)=1-(-2)=3 et yC=3−4=−1y_C=3-4=-1. Donc C (3;−1)C\,(3;-1).

    ▶\blacktriangleright Retenir : « extrémité == origine ++ vecteur », donc « origine == extrémité −- vecteur ».

Exercice 4

Trouver une coordonnée imposée par une norme. On donne A (1;2)A\,(1;2) et B (4;y)B\,(4;y), où yy est un réel.

  1. a)

    Exprimer ∥AB→∥2\left\lVert \overrightarrow{AB}\right\rVert^2 en fonction de yy.

    AB→ (4−1 ; y−2)=(3; y−2)\overrightarrow{AB}\,(4-1\,;\,y-2)=(3;\,y-2), donc ∥AB→∥2=32+(y−2)2=9+(y−2)2\left\lVert \overrightarrow{AB}\right\rVert^2=3^2+(y-2)^2=9+(y-2)^2.

  2. b)

    Déterminer les valeurs de yy pour lesquelles ∥AB→∥=5\left\lVert \overrightarrow{AB}\right\rVert=5.

    ∥AB→∥=5 ⟺ ∥AB→∥2=25 ⟺ 9+(y−2)2=25 ⟺ (y−2)2=16\left\lVert \overrightarrow{AB}\right\rVert=5 \iff \left\lVert \overrightarrow{AB}\right\rVert^2=25 \iff 9+(y-2)^2=25 \iff (y-2)^2=16. D'où y−2=±4y-2=\pm4, soit y=6 ou y=−2\boxed{y=6 \text{ ou } y=-2}.

    ▶\blacktriangleright Une norme imposée donne une équation du second degré : il y a en général deux solutions (deux positions symétriques pour BB).

Exercice 5

Nature d'un triangle par les longueurs des côtés. Dans un repère orthonormé, on considère A (1;1)A\,(1;1), B (5;3)B\,(5;3) et C (3;5)C\,(3;5).

  1. a)

    Calculer les longueurs ABAB, BCBC et ACAC (formes exactes).

    AB→ (4;2)\overrightarrow{AB}\,(4;2) donc AB=16+4=20=25AB=\sqrt{16+4}=\sqrt{20}=2\sqrt5.
    BC→ (−2;2)\overrightarrow{BC}\,(-2;2) donc BC=4+4=8=22BC=\sqrt{4+4}=\sqrt8=2\sqrt2.
    AC→ (2;4)\overrightarrow{AC}\,(2;4) donc AC=4+16=20=25AC=\sqrt{4+16}=\sqrt{20}=2\sqrt5.

  2. b)

    Le triangle ABCABC est-il isocèle ? Justifier.

    AB=AC=25AB=AC=2\sqrt5 : le triangle ABCABC est isocèle en AA.

    ▶\blacktriangleright Pour la nature d'un triangle, on compare les longueurs des côtés, calculées comme des normes de vecteurs.

Exercice 6

Fabriquer un vecteur de norme imposée. On donne u⃗ (4;3)\vec{u}\,(4;3).

  1. a)

    Vérifier que ∥u⃗∥=5\left\lVert \vec{u}\right\rVert=5, puis donner les composantes du vecteur unitaire u0⃗\vec{u_0} (norme 11) de même sens que u⃗\vec{u}.

    ∥u⃗∥=42+32=25=5\left\lVert \vec{u}\right\rVert=\sqrt{4^2+3^2}=\sqrt{25}=5. Le vecteur unitaire est u0⃗=15u⃗\vec{u_0}=\dfrac{1}{5}\vec{u}, donc u0⃗(45;35)\vec{u_0}\left(\tfrac{4}{5};\tfrac{3}{5}\right).

  2. b)

    Donner les composantes d'un vecteur v⃗\vec{v} de même sens que u⃗\vec{u} et de norme 1515.

    De norme 15=3×515=3\times5 et de même sens : v⃗=3u⃗=(12;9)\vec{v}=3\vec{u}=(12;9).

  3. c)

    Donner les composantes d'un vecteur w⃗\vec{w} de sens contraire à u⃗\vec{u} et de norme 1010.

    De norme 10=2×510=2\times5 et de sens contraire : w⃗=−2u⃗=(−8;−6)\vec{w}=-2\vec{u}=(-8;-6).

    ▶\blacktriangleright On règle la longueur avec le facteur k=norme voulue∥u⃗∥k=\dfrac{\text{norme voulue}}{\left\lVert \vec u\right\rVert}, et le sens avec le signe de kk.

Exercice 7

Périmètre d'un triangle. Dans un repère orthonormé, on considère A (1;1)A\,(1;1), B (4;5)B\,(4;5) et C (8;2)C\,(8;2).

  1. a)

    Calculer les longueurs ABAB, BCBC et CACA (formes exactes).

    AB→ (3;4)\overrightarrow{AB}\,(3;4) donc AB=9+16=5AB=\sqrt{9+16}=5.
    BC→ (4;−3)\overrightarrow{BC}\,(4;-3) donc BC=16+9=5BC=\sqrt{16+9}=5.
    CA→ (−7;−1)\overrightarrow{CA}\,(-7;-1) donc CA=49+1=50=52CA=\sqrt{49+1}=\sqrt{50}=5\sqrt2.

  2. b)

    En déduire le périmètre du triangle ABCABC.

    Périmètre =AB+BC+CA=5+5+52=10+52=AB+BC+CA=5+5+5\sqrt2=10+5\sqrt2.

    ▶\blacktriangleright Le périmètre est la somme des trois longueurs de côtés, chacune calculée comme une norme.

Exercice 8

Quatrième sommet d'un parallélogramme. On donne A (1;2)A\,(1;2), B (5;3)B\,(5;3) et C (6;7)C\,(6;7).

  1. a)

    Déterminer les coordonnées du point DD tel que ABCDABCD soit un parallélogramme (on utilisera AB→=DC→\overrightarrow{AB}=\overrightarrow{DC}).

    AB→ (4;1)\overrightarrow{AB}\,(4;1). On veut DC→=AB→\overrightarrow{DC}=\overrightarrow{AB}, c'est-à-dire C−D=(4;1)C-D=(4;1), donc D=C−(4;1)=(6−4 ; 7−1)=(2;6)D=C-(4;1)=(6-4\,;\,7-1)=(2;6).

  2. b)

    Calculer les longueurs des diagonales ACAC et BDBD.

    AC→ (5;5)\overrightarrow{AC}\,(5;5) donc AC=25+25=50=52AC=\sqrt{25+25}=\sqrt{50}=5\sqrt2.
    BD→ (−3;3)\overrightarrow{BD}\,(-3;3) donc BD=9+9=18=32BD=\sqrt{9+9}=\sqrt{18}=3\sqrt2.

    ▶\blacktriangleright Dans le parallélogramme ABCDABCD, les côtés opposés AB→\overrightarrow{AB} et DC→\overrightarrow{DC} sont égaux : c'est ce qui donne le point DD.

Exercice 9

Position par rapport à un cercle. Le cercle C\mathcal{C} a pour centre l'origine OO et pour rayon 55. Pour chacun des points suivants, calculer sa distance à OO et préciser s'il est sur le cercle, à l'intérieur ou à l'extérieur.

  1. a)

    P (3;4)P\,(3;4)

    OP=32+42=25=5OP=\sqrt{3^2+4^2}=\sqrt{25}=5 : PP est sur le cercle.

  2. b)

    Q (5;0)Q\,(5;0)

    OQ=52+02=5OQ=\sqrt{5^2+0^2}=5 : QQ est sur le cercle.

  3. c)

    R (2;4)R\,(2;4)

    OR=22+42=20=25≈4,47<5OR=\sqrt{2^2+4^2}=\sqrt{20}=2\sqrt5\approx4{,}47<5 : RR est à l'intérieur.

  4. d)

    S (4;−4)S\,(4;-4)

    OS=42+(−4)2=32=42≈5,66>5OS=\sqrt{4^2+(-4)^2}=\sqrt{32}=4\sqrt2\approx5{,}66>5 : SS est à l'extérieur.

  5. e)

    T (−3;−4)T\,(-3;-4)

    OT=(−3)2+(−4)2=25=5OT=\sqrt{(-3)^2+(-4)^2}=\sqrt{25}=5 : TT est sur le cercle.

    ▶\blacktriangleright Un point est sur le cercle si OM=rOM=r, à l'intérieur si OM<rOM<r, à l'extérieur si OM>rOM>r.

Exercice 10

Inconnue par une égalité de normes. On donne u⃗ (m;3)\vec{u}\,(m;3) et v⃗ (4;−1)\vec{v}\,(4;-1), où mm est un réel.

  1. a)

    Exprimer ∥u⃗∥2\left\lVert \vec{u}\right\rVert^2 et ∥v⃗∥2\left\lVert \vec{v}\right\rVert^2.

    ∥u⃗∥2=m2+32=m2+9\left\lVert \vec{u}\right\rVert^2=m^2+3^2=m^2+9 et ∥v⃗∥2=42+(−1)2=17\left\lVert \vec{v}\right\rVert^2=4^2+(-1)^2=17.

  2. b)

    Déterminer les valeurs de mm pour lesquelles ∥u⃗∥=∥v⃗∥\left\lVert \vec{u}\right\rVert=\left\lVert \vec{v}\right\rVert.

    ∥u⃗∥=∥v⃗∥ ⟺ m2+9=17 ⟺ m2=8 ⟺ m=±22\left\lVert \vec{u}\right\rVert=\left\lVert \vec{v}\right\rVert\iff m^2+9=17\iff m^2=8\iff m=\pm2\sqrt2.

    ▶\blacktriangleright On élève au carré pour supprimer les racines : l'égalité des normes devient une équation en m2m^2.

Exercice 11

Somme et différence avec des composantes irrationnelles. On donne u⃗ (2;5)\vec{u}\,(2;\sqrt5) et v⃗ (−4;0)\vec{v}\,(-4;0).

  1. a)

    Donner les composantes de u⃗+v⃗\vec{u}+\vec{v} et calculer ∥u⃗+v⃗∥\left\lVert \vec{u}+\vec{v}\right\rVert.

    u⃗+v⃗ (2+(−4) ; 5+0)=(−2;5)\vec{u}+\vec{v}\,(2+(-4)\,;\,\sqrt5+0)=(-2;\sqrt5), donc ∥u⃗+v⃗∥=(−2)2+(5)2=4+5=9=3\left\lVert \vec{u}+\vec{v}\right\rVert=\sqrt{(-2)^2+(\sqrt5)^2}=\sqrt{4+5}=\sqrt9=3.

  2. b)

    Donner les composantes de u⃗−v⃗\vec{u}-\vec{v} et calculer ∥u⃗−v⃗∥\left\lVert \vec{u}-\vec{v}\right\rVert.

    u⃗−v⃗ (2−(−4) ; 5−0)=(6;5)\vec{u}-\vec{v}\,(2-(-4)\,;\,\sqrt5-0)=(6;\sqrt5), donc ∥u⃗−v⃗∥=62+(5)2=36+5=41\left\lVert \vec{u}-\vec{v}\right\rVert=\sqrt{6^2+(\sqrt5)^2}=\sqrt{36+5}=\sqrt{41}.

    ▶\blacktriangleright Rappel : (5)2=5(\sqrt5)^2=5. Un radical au carré « disparaît ».

Exercice 12

Nature d'un quadrilatère. Dans un repère orthonormé, on donne A (4;0)A\,(4;0), B (0;3)B\,(0;3), C (−4;0)C\,(-4;0) et D (0;−3)D\,(0;-3).

  1. a)

    Calculer les longueurs des quatre côtés ABAB, BCBC, CDCD et DADA. Qu'en déduit-on sur la nature de ABCDABCD ?

    AB→ (−4;3)⇒AB=5\overrightarrow{AB}\,(-4;3)\Rightarrow AB=5 ; BC→ (−4;−3)⇒BC=5\overrightarrow{BC}\,(-4;-3)\Rightarrow BC=5 ; CD→ (4;−3)⇒CD=5\overrightarrow{CD}\,(4;-3)\Rightarrow CD=5 ; DA→ (4;3)⇒DA=5\overrightarrow{DA}\,(4;3)\Rightarrow DA=5. Les quatre côtés sont égaux : ABCDABCD est un losange.

  2. b)

    Calculer les longueurs des diagonales ACAC et BDBD. Le quadrilatère est-il un carré ? Justifier.

    AC→ (−8;0)⇒AC=8\overrightarrow{AC}\,(-8;0)\Rightarrow AC=8 et BD→ (0;−6)⇒BD=6\overrightarrow{BD}\,(0;-6)\Rightarrow BD=6. Les diagonales sont différentes (8≠68\neq6), or un carré a ses diagonales égales : ABCDABCD n'est pas un carré.

    ▶\blacktriangleright Quatre côtés égaux ⇒\Rightarrow losange ; il faut en plus des diagonales égales pour un carré.

Exercice 13

Normes à composantes irrationnelles. Calculer la norme (forme exacte) de chacun des vecteurs suivants.

  1. a)

    u⃗ (5;2)\vec{u}\,(\sqrt5;2)

    ∥u⃗∥=(5)2+22=5+4=9=3\left\lVert \vec{u}\right\rVert=\sqrt{(\sqrt5)^2+2^2}=\sqrt{5+4}=\sqrt9=3.

  2. b)

    v⃗ (21;2)\vec{v}\,(\sqrt{21};2)

    ∥v⃗∥=(21)2+22=21+4=25=5\left\lVert \vec{v}\right\rVert=\sqrt{(\sqrt{21})^2+2^2}=\sqrt{21+4}=\sqrt{25}=5.

  3. c)

    w⃗ (2;2)\vec{w}\,(\sqrt2;\sqrt2)

    ∥w⃗∥=(2)2+(2)2=2+2=4=2\left\lVert \vec{w}\right\rVert=\sqrt{(\sqrt2)^2+(\sqrt2)^2}=\sqrt{2+2}=\sqrt4=2.

    ▶\blacktriangleright Même avec des composantes irrationnelles, la norme peut être un entier : les carrés font disparaître les radicaux.

Exercice 14

Trouver une position à distance donnée. Un randonneur est au point A (2;3)A\,(2;3) (coordonnées en km). Un refuge BB a pour ordonnée yB=8y_B=8 et se trouve à 1313 km de AA.

  1. a)

    En notant xBx_B l'abscisse du refuge, exprimer ∥AB→∥2\left\lVert \overrightarrow{AB}\right\rVert^2 en fonction de xBx_B.

    AB→ (xB−2 ; 8−3)=(xB−2 ; 5)\overrightarrow{AB}\,(x_B-2\,;\,8-3)=(x_B-2\,;\,5), donc ∥AB→∥2=(xB−2)2+25\left\lVert \overrightarrow{AB}\right\rVert^2=(x_B-2)^2+25.

  2. b)

    Résoudre l'équation ∥AB→∥=13\left\lVert \overrightarrow{AB}\right\rVert=13.

    ∥AB→∥=13 ⟺ (xB−2)2+25=169 ⟺ (xB−2)2=144 ⟺ xB−2=±12\left\lVert \overrightarrow{AB}\right\rVert=13\iff(x_B-2)^2+25=169\iff(x_B-2)^2=144\iff x_B-2=\pm12, soit xB=14x_B=14 ou xB=−10x_B=-10.

  3. c)

    Sachant que le refuge est à l'est de AA (c'est-à-dire xB>2x_B>2), donner les coordonnées de BB.

    Le refuge est à l'est (xB>2x_B>2), on garde xB=14x_B=14 : donc B (14;8)B\,(14;8).

    ▶\blacktriangleright Une distance imposée donne une équation du second degré (deux positions possibles) ; le contexte (« à l'est ») permet de choisir la bonne.

Exercice 15

Vrai ou faux ? Justifier. Pour chaque affirmation, répondre par vrai ou faux et justifier (par une preuve courte, ou un contre-exemple si l'affirmation est fausse).

  1. a)

    Deux vecteurs de même norme sont nécessairement égaux.

    Faux. Contre-exemple : u⃗ (3;4)\vec{u}\,(3;4) et v⃗ (5;0)\vec{v}\,(5;0) ont la même norme (∥u⃗∥=∥v⃗∥=5\left\lVert \vec{u}\right\rVert=\left\lVert \vec{v}\right\rVert=5) mais des composantes différentes, donc u⃗≠v⃗\vec{u}\neq\vec{v}.

  2. b)

    Pour tous vecteurs u⃗\vec{u} et v⃗\vec{v}, on a ∥u⃗+v⃗∥=∥u⃗∥+∥v⃗∥\left\lVert \vec{u}+\vec{v}\right\rVert=\left\lVert \vec{u}\right\rVert+\left\lVert \vec{v}\right\rVert.

    Faux en général. Contre-exemple : u⃗ (3;0)\vec{u}\,(3;0) et v⃗ (0;4)\vec{v}\,(0;4) donnent ∥u⃗+v⃗∥=∥(3;4)∥=5\left\lVert \vec{u}+\vec{v}\right\rVert=\left\lVert (3;4)\right\rVert=5, alors que ∥u⃗∥+∥v⃗∥=3+4=7\left\lVert \vec{u}\right\rVert+\left\lVert \vec{v}\right\rVert=3+4=7. (L'égalité n'a lieu que si u⃗\vec{u} et v⃗\vec{v} ont même sens.)

  3. c)

    Si ∥u⃗∥=0\left\lVert \vec{u}\right\rVert=0, alors u⃗=0⃗\vec{u}=\vec{0}.

    Vrai. ∥u⃗∥=0⇒x2+y2=0⇒x2+y2=0⇒x=y=0\left\lVert \vec{u}\right\rVert=0\Rightarrow\sqrt{x^2+y^2}=0\Rightarrow x^2+y^2=0\Rightarrow x=y=0, donc u⃗=0⃗\vec{u}=\vec{0}.

Difficile14 exercices
Exercice 1

Mise en situation — le drone de secours. Un drone décolle de la base O (0;0)O\,(0;0) (coordonnées en kilomètres). Il rejoint successivement les points de passage P1 (3;4)P_1\,(3;4), P2 (3;9)P_2\,(3;9) puis P3 (−1;12)P_3\,(-1;12).

  1. a)

    Calculer les composantes des trois trajets OP1→\overrightarrow{OP_1}, P1P2→\overrightarrow{P_1P_2}, P2P3→\overrightarrow{P_2P_3}, et vérifier que chaque trajet mesure exactement 55 km.

    OP1→ (3;4)\overrightarrow{OP_1}\,(3;4), longueur 32+42=25=5\sqrt{3^2+4^2}=\sqrt{25}=5.
    P1P2→ (3−3 ; 9−4)=(0;5)\overrightarrow{P_1P_2}\,(3-3\,;\,9-4)=(0;5), longueur 0+25=5\sqrt{0+25}=5.
    P2P3→ (−1−3 ; 12−9)=(−4;3)\overrightarrow{P_2P_3}\,(-1-3\,;\,12-9)=(-4;3), longueur 16+9=25=5\sqrt{16+9}=\sqrt{25}=5.
    Les trois trajets mesurent bien 55 km chacun.

  2. b)

    Déterminer les composantes du déplacement net OP3→\overrightarrow{OP_3} (de la base au point final), puis sa norme (forme exacte, puis valeur approchée au dixième).

    Déplacement net : OP3→ (−1−0 ; 12−0)=(−1;12)\overrightarrow{OP_3}\,(-1-0\,;\,12-0)=(-1;12), donc

    ∥OP3→∥=(−1)2+122=1+144=145≈12,0 km.\left\lVert \overrightarrow{OP_3}\right\rVert=\sqrt{(-1)^2+12^2}=\sqrt{1+144}=\sqrt{145}\approx 12{,}0~\text{km}.
  3. c)

    Comparer la distance totale parcourue par le drone avec la distance à vol d'oiseau entre le départ et l'arrivée. Commenter.

    Distance parcourue =5+5+5=15=5+5+5=15 km. Distance à vol d'oiseau =145≈12,0=\sqrt{145}\approx 12{,}0 km. Le drone parcourt plus de chemin que la distance directe (les trajets ne sont pas alignés) : c'est logique, un déplacement net est toujours ≤\leq à la longueur du chemin suivi.

    ▶\blacktriangleright Le déplacement net se lit directement sur les positions initiale et finale (« extrémité moins origine »), sans repasser par les étapes.

Exercice 2

Point équidistant sur un axe. Dans un repère orthonormé, on donne A (1;2)A\,(1;2) et B (6;3)B\,(6;3). On cherche un point MM situé sur l'axe des abscisses, donc de la forme M (x;0)M\,(x;0), qui soit à égale distance de AA et de BB.

  1. a)

    Exprimer MA2MA^2 et MB2MB^2 en fonction de xx.

    MA→ (1−x ;2)\overrightarrow{MA}\,(1-x\,;2) donc MA2=(1−x)2+22=(x−1)2+4MA^2=(1-x)^2+2^2=(x-1)^2+4.
    MB→ (6−x ;3)\overrightarrow{MB}\,(6-x\,;3) donc MB2=(6−x)2+32=(x−6)2+9MB^2=(6-x)^2+3^2=(x-6)^2+9.

  2. b)

    Traduire la condition MA=MBMA=MB et en déduire la valeur de xx.

    MA=MB ⟺ MA2=MB2MA=MB \iff MA^2=MB^2 :

    (x−1)2+4=(x−6)2+9.(x-1)^2+4=(x-6)^2+9.

    On développe : x2−2x+1+4=x2−12x+36+9x^2-2x+1+4=x^2-12x+36+9, soit −2x+5=−12x+45-2x+5=-12x+45, d'où 10x=4010x=40 et x=4\boxed{x=4}.

  3. c)

    Donner les coordonnées de MM et la distance commune MAMA (forme exacte).

    M (4;0)M\,(4;0). Distance commune : MA=(4−1)2+22=9+4=13MA=\sqrt{(4-1)^2+2^2}=\sqrt{9+4}=\sqrt{13} (on vérifie MB=(4−6)2+32=4+9=13MB=\sqrt{(4-6)^2+3^2}=\sqrt{4+9}=\sqrt{13}).

    ▶\blacktriangleright Astuce : élever au carré fait disparaître les racines et les termes x2x^2 se simplifient, laissant une équation du premier degré.

Exercice 3

Normes avec radicaux. Calculer la norme (forme exacte simplifiée) de chacun des vecteurs suivants.

  1. a)

    u⃗ (3−1 ; 3+1)\vec{u}\,\bigl(\sqrt3-1\,;\,\sqrt3+1\bigr).

    ∥u⃗∥2=(3−1)2+(3+1)2=(4−23)+(4+23)=8\left\lVert \vec u\right\rVert^2=(\sqrt3-1)^2+(\sqrt3+1)^2=(4-2\sqrt3)+(4+2\sqrt3)=8, donc ∥u⃗∥=8=22\left\lVert \vec u\right\rVert=\sqrt8=2\sqrt2.

  2. b)

    v⃗ (1+2 ; 1−2)\vec{v}\,\bigl(1+\sqrt2\,;\,1-\sqrt2\bigr).

    ∥v⃗∥2=(1+2)2+(1−2)2=(3+22)+(3−22)=6\left\lVert \vec v\right\rVert^2=(1+\sqrt2)^2+(1-\sqrt2)^2=(3+2\sqrt2)+(3-2\sqrt2)=6, donc ∥v⃗∥=6\left\lVert \vec v\right\rVert=\sqrt6.

    ▶\blacktriangleright Les doubles produits ±23\pm2\sqrt3 (ou ±22\pm2\sqrt2) se compensent quand on additionne les carrés de deux quantités conjuguées : le résultat est un entier.

Exercice 4

Vecteur dépendant d'un paramètre. On donne A (1;2)A\,(1;2) et B (t ; t+3)B\,(t\,;\,t+3), où tt est un réel.

  1. a)

    Exprimer les composantes de AB→\overrightarrow{AB} en fonction de tt.

    AB→ (t−1 ; (t+3)−2)=(t−1 ; t+1)\overrightarrow{AB}\,(t-1\,;\,(t+3)-2)=(t-1\,;\,t+1).

  2. b)

    Montrer que ∥AB→∥2=2t2+2\left\lVert \overrightarrow{AB}\right\rVert^2=2t^2+2.

    ∥AB→∥2=(t−1)2+(t+1)2=(t2−2t+1)+(t2+2t+1)=2t2+2\left\lVert \overrightarrow{AB}\right\rVert^2=(t-1)^2+(t+1)^2=(t^2-2t+1)+(t^2+2t+1)=2t^2+2.

  3. c)

    Pour quelle valeur de tt la longueur ABAB est-elle minimale ? Que vaut alors ABAB ?

    2t2+22t^2+2 est minimal quand t2t^2 est minimal, c'est-à-dire pour t=0t=0. Alors ∥AB→∥2=2\left\lVert \overrightarrow{AB}\right\rVert^2=2 et AB=2AB=\sqrt2.

  4. d)

    Déterminer les valeurs de tt pour lesquelles AB=10AB=\sqrt{10}.

    AB=10 ⟺ 2t2+2=10 ⟺ t2=4 ⟺ t=2 ou t=−2AB=\sqrt{10}\iff 2t^2+2=10\iff t^2=4\iff t=2 \text{ ou } t=-2.

    ▶\blacktriangleright Travailler avec ∥AB→∥2\left\lVert \overrightarrow{AB}\right\rVert^2 évite les racines : c'est une fonction du second degré en tt, minimale au sommet (t=0t=0 ici).

Exercice 5

Triangle, puis parallélogramme. Dans un repère orthonormé, on considère A (0;0)A\,(0;0), B (6;3)B\,(6;3) et C (3;6)C\,(3;6).

  1. a)

    Calculer les longueurs ABAB, BCBC et CACA (formes exactes) et préciser la nature du triangle ABCABC.

    AB→ (6;3)⇒AB=36+9=45=35\overrightarrow{AB}\,(6;3)\Rightarrow AB=\sqrt{36+9}=\sqrt{45}=3\sqrt5 ; BC→ (−3;3)⇒BC=9+9=18=32\overrightarrow{BC}\,(-3;3)\Rightarrow BC=\sqrt{9+9}=\sqrt{18}=3\sqrt2 ; CA→ (−3;−6)⇒CA=9+36=45=35\overrightarrow{CA}\,(-3;-6)\Rightarrow CA=\sqrt{9+36}=\sqrt{45}=3\sqrt5. Comme AB=CA=35AB=CA=3\sqrt5, le triangle est isocèle en AA.

  2. b)

    Déterminer les coordonnées du point DD tel que ABCDABCD soit un parallélogramme.

    ABCDABCD parallélogramme ⟺ AB→=DC→ ⟺ D=A−B+C=(0−6+3 ; 0−3+6)=(−3;3)\iff\overrightarrow{AB}=\overrightarrow{DC}\iff D=A-B+C=(0-6+3\,;\,0-3+6)=(-3;3).

  3. c)

    Calculer les longueurs des diagonales ACAC et BDBD de ce parallélogramme.

    AC→ (3;6)⇒AC=9+36=45=35\overrightarrow{AC}\,(3;6)\Rightarrow AC=\sqrt{9+36}=\sqrt{45}=3\sqrt5 ; BD→ (−9;0)⇒BD=9\overrightarrow{BD}\,(-9;0)\Rightarrow BD=9.

    ▶\blacktriangleright Le quatrième sommet vient de l'égalité AB→=DC→\overrightarrow{AB}=\overrightarrow{DC} ; les diagonales se calculent ensuite comme de simples normes.

Exercice 6

Reconnaître un carré. On considère A (1;1)A\,(1;1), B (4;2)B\,(4;2), C (3;5)C\,(3;5) et D (0;4)D\,(0;4).

  1. a)

    Calculer les longueurs des quatre côtés ABAB, BCBC, CDCD et DADA. Que peut-on déjà conclure ?

    AB→ (3;1)\overrightarrow{AB}\,(3;1), BC→ (−1;3)\overrightarrow{BC}\,(-1;3), CD→ (−3;−1)\overrightarrow{CD}\,(-3;-1), DA→ (1;−3)\overrightarrow{DA}\,(1;-3) : chacun a pour norme 9+1=10\sqrt{9+1}=\sqrt{10}. Les quatre côtés sont égaux : ABCDABCD est (au moins) un losange.

  2. b)

    Calculer les longueurs des diagonales ACAC et BDBD.

    AC→ (2;4)⇒AC=4+16=20=25\overrightarrow{AC}\,(2;4)\Rightarrow AC=\sqrt{4+16}=\sqrt{20}=2\sqrt5 ; BD→ (−4;2)⇒BD=16+4=20=25\overrightarrow{BD}\,(-4;2)\Rightarrow BD=\sqrt{16+4}=\sqrt{20}=2\sqrt5. Les diagonales sont égales.

  3. c)

    En comparant côtés et diagonales, démontrer que ABCDABCD est un carré.

    Quatre côtés égaux ⇒\Rightarrow losange ; diagonales égales ⇒\Rightarrow rectangle ; les deux conditions ensemble ⇒\Rightarrow carré. (On vérifie aussi (10)2+(10)2=20=(25)2(\sqrt{10})^2+(\sqrt{10})^2=20=(2\sqrt5)^2 : l'angle en chaque sommet est droit.)

Exercice 7

Point mobile sur une droite. Un point MM se déplace sur la droite d'équation y=2xy=2x : ses coordonnées sont de la forme M (t ; 2t)M\,(t\,;\,2t), où tt est un nombre réel. On fixe A (4;3)A\,(4;3).

  1. a)

    Exprimer les composantes de AM→\overrightarrow{AM}, puis ∥AM→∥2\left\lVert \overrightarrow{AM}\right\rVert^2 en fonction de tt.

    AM→ (t−4 ; 2t−3)\overrightarrow{AM}\,(t-4\,;\,2t-3), donc ∥AM→∥2=(t−4)2+(2t−3)2=(t2−8t+16)+(4t2−12t+9)=5t2−20t+25\left\lVert \overrightarrow{AM}\right\rVert^2=(t-4)^2+(2t-3)^2=(t^2-8t+16)+(4t^2-12t+9)=5t^2-20t+25.

  2. b)

    Pour quelle valeur de tt la distance AMAM est-elle minimale ? Donner cette distance minimale et les coordonnées du point MM correspondant.

    ∥AM→∥2=5(t2−4t+5)=5((t−2)2+1)=5(t−2)2+5\left\lVert \overrightarrow{AM}\right\rVert^2=5(t^2-4t+5)=5\bigl((t-2)^2+1\bigr)=5(t-2)^2+5, minimal pour t=2t=2. Alors ∥AM→∥2=5\left\lVert \overrightarrow{AM}\right\rVert^2=5, soit AM=5AM=\sqrt5, et M (2;4)M\,(2;4).

  3. c)

    Déterminer les valeurs de tt pour lesquelles AM=5AM=5.

    AM=5 ⟺ 5t2−20t+25=25 ⟺ 5t2−20t=0 ⟺ 5t(t−4)=0AM=5\iff5t^2-20t+25=25\iff5t^2-20t=0\iff5t(t-4)=0, d'où t=0t=0 ou t=4t=4 (soit M (0;0)M\,(0;0) ou M (4;8)M\,(4;8)).

    ▶\blacktriangleright Travailler avec ∥AM→∥2\left\lVert \overrightarrow{AM}\right\rVert^2 (fonction du second degré en tt) évite les racines : le minimum est au sommet de la parabole.

Exercice 8

Ensemble des points équidistants de deux points. On donne A (1;2)A\,(1;2) et B (5;4)B\,(5;4). On cherche l'ensemble des points M (x;y)M\,(x;y) équidistants de AA et de BB.

  1. a)

    Exprimer MA2MA^2 et MB2MB^2 en fonction de xx et yy.

    MA2=(x−1)2+(y−2)2MA^2=(x-1)^2+(y-2)^2 et MB2=(x−5)2+(y−4)2MB^2=(x-5)^2+(y-4)^2.

  2. b)

    Écrire la condition MA=MBMA=MB et montrer qu'elle équivaut à 2x+y−9=02x+y-9=0. Quelle est la nature de cet ensemble ?

    MA=MB ⟺ MA2=MB2MA=MB\iff MA^2=MB^2 :

    (x−1)2+(y−2)2=(x−5)2+(y−4)2.(x-1)^2+(y-2)^2=(x-5)^2+(y-4)^2.

    En développant, les termes x2x^2 et y2y^2 se simplifient : −2x+1−4y+4=−10x+25−8y+16-2x+1-4y+4=-10x+25-8y+16, soit 8x+4y−36=08x+4y-36=0, c'est-à-dire 2x+y−9=02x+y-9=0. C'est une droite : la médiatrice du segment [AB][AB].

  3. c)

    Déterminer le point où cet ensemble coupe l'axe des abscisses.

    Sur l'axe des abscisses, y=0y=0 : 2x−9=02x-9=0, donc x=92x=\tfrac{9}{2}. Le point cherché est (92;0)\left(\tfrac{9}{2};0\right).

    ▶\blacktriangleright L'ensemble des points équidistants de AA et BB est toujours la médiatrice de [AB][AB].

Exercice 9

Norme et cercle. Dans un repère orthonormé, on pose A (2;−1)A\,(2;-1) et on note C\mathcal{C} l'ensemble des points MM tels que AM=5AM=5.

  1. a)

    Montrer que M (x;y)M\,(x;y) appartient à C\mathcal{C} si et seulement si (x−2)2+(y+1)2=25(x-2)^2+(y+1)^2=25.

    AM=5 ⟺ AM2=25 ⟺ (x−2)2+(y+1)2=25AM=5\iff AM^2=25\iff(x-2)^2+(y+1)^2=25. C'est l'équation du cercle de centre AA et de rayon 55.

  2. b)

    Pour chacun des points P (6;2)P\,(6;2), Q (2;3)Q\,(2;3) et R (7;3)R\,(7;3), préciser s'il est sur C\mathcal{C}, à l'intérieur ou à l'extérieur.

    PP : (6−2)2+(2+1)2=16+9=25(6-2)^2+(2+1)^2=16+9=25 ⇒\Rightarrow sur C\mathcal{C}.
    QQ : (2−2)2+(3+1)2=0+16=16<25(2-2)^2+(3+1)^2=0+16=16<25 ⇒\Rightarrow intérieur.
    RR : (7−2)2+(3+1)2=25+16=41>25(7-2)^2+(3+1)^2=25+16=41>25 ⇒\Rightarrow extérieur.

  3. c)

    Déterminer les points de C\mathcal{C} dont l'abscisse vaut −1-1.

    x=−1x=-1 : (−1−2)2+(y+1)2=25 ⟺ 9+(y+1)2=25 ⟺ (y+1)2=16 ⟺ y+1=±4(-1-2)^2+(y+1)^2=25\iff9+(y+1)^2=25\iff(y+1)^2=16\iff y+1=\pm4, donc y=3y=3 ou y=−5y=-5. Les points sont (−1;3)(-1;3) et (−1;−5)(-1;-5).

Exercice 10

Composition de déplacements. Un voilier effectue trois déplacements successifs, donnés (en km) par les vecteurs d1⃗ (6;2)\vec{d_1}\,(6;2), d2⃗ (−1;5)\vec{d_2}\,(-1;5) et d3⃗ (3;−4)\vec{d_3}\,(3;-4).

  1. a)

    Déterminer les composantes du déplacement net d⃗=d1⃗+d2⃗+d3⃗\vec{d}=\vec{d_1}+\vec{d_2}+\vec{d_3}, puis sa norme (forme exacte).

    d⃗ (6−1+3 ; 2+5−4)=(8;3)\vec{d}\,(6-1+3\,;\,2+5-4)=(8;3), donc ∥d⃗∥=82+32=73\left\lVert \vec{d}\right\rVert=\sqrt{8^2+3^2}=\sqrt{73}.

  2. b)

    Calculer la distance totale parcourue ∥d1⃗∥+∥d2⃗∥+∥d3⃗∥\left\lVert \vec{d_1}\right\rVert+\left\lVert \vec{d_2}\right\rVert+\left\lVert \vec{d_3}\right\rVert (forme exacte).

    ∥d1⃗∥=36+4=40=210\left\lVert \vec{d_1}\right\rVert=\sqrt{36+4}=\sqrt{40}=2\sqrt{10} ; ∥d2⃗∥=1+25=26\left\lVert \vec{d_2}\right\rVert=\sqrt{1+25}=\sqrt{26} ; ∥d3⃗∥=9+16=25=5\left\lVert \vec{d_3}\right\rVert=\sqrt{9+16}=\sqrt{25}=5. Distance totale =210+26+5=2\sqrt{10}+\sqrt{26}+5.

  3. c)

    Comparer la distance totale parcourue et la norme du déplacement net. Commenter.

    ∥d⃗∥=73≈8,5\left\lVert \vec{d}\right\rVert=\sqrt{73}\approx8{,}5 km, tandis que la distance parcourue ≈6,32+5,10+5=16,4\approx6{,}32+5{,}10+5=16{,}4 km. Le déplacement net est bien plus court : sa norme est toujours ≤\leq à la distance parcourue (égalité seulement si les déplacements sont colinéaires et de même sens).

  4. d)

    Donner les composantes du vecteur qui ramènerait le voilier à son point de départ.

    Pour revenir au départ, il faut le vecteur opposé au déplacement net : (−8;−3)(-8;-3).

Exercice 11

Norme dépendant d'un paramètre. On donne A (1;−1)A\,(1;-1) et B (t ; t+2)B\,(t\,;\,t+2), où tt est un nombre réel.

  1. a)

    Exprimer les composantes de AB→\overrightarrow{AB}, puis montrer que ∥AB→∥2=2(t+1)2+8\left\lVert \overrightarrow{AB}\right\rVert^2=2(t+1)^2+8.

    AB→ (t−1 ; t+3)\overrightarrow{AB}\,(t-1\,;\,t+3), donc ∥AB→∥2=(t−1)2+(t+3)2=2t2+4t+10=2(t2+2t+5)=2(t+1)2+8\left\lVert \overrightarrow{AB}\right\rVert^2=(t-1)^2+(t+3)^2=2t^2+4t+10=2(t^2+2t+5)=2(t+1)^2+8.

  2. b)

    En déduire la valeur de tt pour laquelle ABAB est minimale, ainsi que cette distance minimale.

    2(t+1)2+82(t+1)^2+8 est minimal pour t=−1t=-1 ; alors ∥AB→∥2=8\left\lVert \overrightarrow{AB}\right\rVert^2=8, soit AB=8=22AB=\sqrt8=2\sqrt2.

  3. c)

    Discuter, selon la valeur du réel cc, le nombre de solutions de l'équation AB=cAB=c. Traiter en particulier les cas c=2c=2, c=22c=2\sqrt2 et c=4c=4 (donner alors les valeurs de tt).

    AB=c ⟺ 2(t+1)2+8=c2 ⟺ (t+1)2=c2−82AB=c\iff2(t+1)^2+8=c^2\iff(t+1)^2=\dfrac{c^2-8}{2}.

    • c=2c=2 : (t+1)2=4−82=−2<0(t+1)^2=\dfrac{4-8}{2}=-2<0 : aucune solution.
    • c=22c=2\sqrt2 : (t+1)2=0(t+1)^2=0 : une solution, t=−1t=-1.
    • c=4c=4 : (t+1)2=16−82=4(t+1)^2=\dfrac{16-8}{2}=4, donc t+1=±2t+1=\pm2 : deux solutions, t=1t=1 ou t=−3t=-3.

    ▶\blacktriangleright La distance minimale 222\sqrt2 est le seuil : en dessous, aucune position ; à ce seuil, une seule ; au-dessus, deux positions symétriques.

Exercice 12

Norme et radical imbriqué. On veut la norme exacte du vecteur u⃗ (1−3 ; 3−1)\vec{u}\,(1-\sqrt3\,;\,\sqrt3-1).

  1. a)

    Montrer que ∥u⃗∥2=8−43\left\lVert \vec{u}\right\rVert^2=8-4\sqrt3.

    Comme 3−1=−(1−3)\sqrt3-1=-(1-\sqrt3), les deux composantes ont le même carré : ∥u⃗∥2=(1−3)2+(3−1)2=2(1−3)2=2(1−23+3)=2(4−23)=8−43\left\lVert \vec{u}\right\rVert^2=(1-\sqrt3)^2+(\sqrt3-1)^2=2(1-\sqrt3)^2=2(1-2\sqrt3+3)=2(4-2\sqrt3)=8-4\sqrt3.

  2. b)

    Développer (6−2)2(\sqrt6-\sqrt2)^2 et vérifier qu'on retrouve 8−438-4\sqrt3.

    (6−2)2=6−212+2=8−2⋅23=8−43(\sqrt6-\sqrt2)^2=6-2\sqrt{12}+2=8-2\cdot2\sqrt3=8-4\sqrt3.

  3. c)

    En déduire ∥u⃗∥\left\lVert \vec{u}\right\rVert sous forme simplifiée, puis en donner une valeur approchée au centième.

    Donc ∥u⃗∥=8−43=6−2\left\lVert \vec{u}\right\rVert=\sqrt{8-4\sqrt3}=\sqrt6-\sqrt2 (positif car 6>2\sqrt6>\sqrt2), soit ∥u⃗∥≈2,449−1,414≈1,04\left\lVert \vec{u}\right\rVert\approx2{,}449-1{,}414\approx1{,}04.

    ▶\blacktriangleright Un radical du type a−bc\sqrt{a-b\sqrt{c}} peut parfois se « dé-nicher » en m−n\sqrt{m}-\sqrt{n} : on le devine puis on le vérifie en élevant au carré.

Exercice 13

Longueurs et alignement.

  1. a)

    On considère A (1;1)A\,(1;1), B (4;5)B\,(4;5) et C (7;9)C\,(7;9). Calculer ABAB, BCBC et ACAC. Vérifier que AB+BC=ACAB+BC=AC et en déduire que AA, BB, CC sont alignés.

    AB→ (3;4)⇒AB=5\overrightarrow{AB}\,(3;4)\Rightarrow AB=5 ; BC→ (3;4)⇒BC=5\overrightarrow{BC}\,(3;4)\Rightarrow BC=5 ; AC→ (6;8)⇒AC=10\overrightarrow{AC}\,(6;8)\Rightarrow AC=10. Or AB+BC=5+5=10=ACAB+BC=5+5=10=AC : l'égalité de l'inégalité triangulaire est atteinte, donc AA, BB, CC sont alignés (BB est le milieu de [AC][AC]).

  2. b)

    On considère maintenant A (1;1)A\,(1;1), B (4;5)B\,(4;5) et D (6;2)D\,(6;2). Montrer que AB+BD>ADAB+BD>AD. Que peut-on dire de AA, BB, DD ?

    AB→ (3;4)⇒AB=5\overrightarrow{AB}\,(3;4)\Rightarrow AB=5 ; BD→ (2;−3)⇒BD=13\overrightarrow{BD}\,(2;-3)\Rightarrow BD=\sqrt{13} ; AD→ (5;1)⇒AD=26\overrightarrow{AD}\,(5;1)\Rightarrow AD=\sqrt{26}. On a AB+BD=5+13≈8,61>26≈5,10AB+BD=5+\sqrt{13}\approx8{,}61>\sqrt{26}\approx5{,}10 : l'inégalité est stricte, donc AA, BB, DD forment un vrai triangle (non alignés).

  3. c)

    À partir de ces deux exemples, énoncer la règle générale reliant ACAC à AB+BCAB+BC (inégalité triangulaire) et préciser le cas d'égalité.

    Règle générale : AC≤AB+BCAC\leq AB+BC (inégalité triangulaire), avec égalité si et seulement si BB appartient au segment [AC][AC] (les trois points alignés, BB entre AA et CC).

Exercice 14

Mise en situation — le drone de secours. Un drone évolue au-dessus d'une zone quadrillée (coordonnées en km). Sa base est en O (0;0)O\,(0;0), une balise en B (1;2)B\,(1;2) et le site à secourir en S (7;4)S\,(7;4). Une route rectiligne suit l'axe des abscisses (voir figure).

  1. a)

    Donner les composantes et les normes de OB→\overrightarrow{OB} et OS→\overrightarrow{OS}.

    OB→ (1;2)⇒∥OB→∥=1+4=5\overrightarrow{OB}\,(1;2)\Rightarrow\left\lVert \overrightarrow{OB}\right\rVert=\sqrt{1+4}=\sqrt5 ; OS→ (7;4)⇒∥OS→∥=49+16=65\overrightarrow{OS}\,(7;4)\Rightarrow\left\lVert \overrightarrow{OS}\right\rVert=\sqrt{49+16}=\sqrt{65}.

  2. b)

    Le drone va de BB à SS : donner les composantes et la longueur de BS→\overrightarrow{BS}.

    BS→ (6;2)⇒∥BS→∥=36+4=40=210\overrightarrow{BS}\,(6;2)\Rightarrow\left\lVert \overrightarrow{BS}\right\rVert=\sqrt{36+4}=\sqrt{40}=2\sqrt{10}.

  3. c)

    Une station de recharge R (x;0)R\,(x;0) est installée sur la route, à égale distance de BB et de SS. Déterminer xx, puis la distance commune RBRB.

    RB2=(x−1)2+22RB^2=(x-1)^2+2^2 et RS2=(x−7)2+42RS^2=(x-7)^2+4^2. La condition RB=RSRB=RS donne (x−1)2+4=(x−7)2+16(x-1)^2+4=(x-7)^2+16, soit −2x+5=−14x+65-2x+5=-14x+65, d'où 12x=6012x=60 et x=5x=5. Donc R (5;0)R\,(5;0) et RB=(5−1)2+22=16+4=20=25RB=\sqrt{(5-1)^2+2^2}=\sqrt{16+4}=\sqrt{20}=2\sqrt5 (on vérifie RS=25RS=2\sqrt5 également).

  4. d)

    Comparer le trajet direct O ⁣→ ⁣SO\!\to\!S et le trajet O ⁣→ ⁣R ⁣→ ⁣SO\!\to\!R\!\to\!S. Lequel est le plus court ?

    Trajet direct : OS=65≈8,06OS=\sqrt{65}\approx8{,}06 km. Trajet O ⁣→ ⁣R ⁣→ ⁣SO\!\to\!R\!\to\!S : OR=5OR=5 puis RS=25≈4,47RS=2\sqrt5\approx4{,}47, soit 5+25≈9,475+2\sqrt5\approx9{,}47 km. Le trajet direct est plus court.