MathématiquesFiche 2 · Calcul vectoriel
Mathématiques · Synthèse · Fiche 2

Calcul vectoriel

fiche de révision condensée.

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À maîtriser

  • définir un vecteur (direction, sens, norme) et calculer composantes/norme à partir de deux points ;
  • travailler dans une base/un repère orthonormé ;
  • additionner/soustraire des vecteurs (Chasles, parallélogramme) et multiplier par un réel (colinéarité) ;
  • calculer un produit scalaire de deux façons, en déduire un angle ou une orthogonalité.

1Définitions essentielles

Remarquescalaire ou vecteur ?

Un scalaire est un nombre réel (éventuellement avec unité). Un vecteur possède trois caractéristiques simultanées : direction, sens et norme. Notation : u\vec{u} ou AB\overrightarrow{AB} (origine AA, extrémité BB).

Définition1.1vecteur, équipollence

Un vecteur est un ensemble de segments orientés de même direction, même sens et même longueur : de tels segments sont dits équipollents et représentent le même vecteur — on peut donc le « glisser » librement dans le plan.

Définition1.2norme, vecteur nul, vecteurs opposés
  • norme u=AB=AB0\left\lVert \vec u\right\rVert=\left\lVert \overrightarrow{AB}\right\rVert=AB\ge 0 : longueur du segment [AB][AB] ;
  • vecteur nul 0\vec 0 : AA=0\overrightarrow{AA}=\vec 0, de norme nulle, sans direction ni sens ;
  • vecteurs opposés : même direction, même norme, sens contraires (u=v\vec u=-\vec v).
Formule1.1vecteur inverse
  AB=BA  \boxed{\;\overrightarrow{AB}=-\overrightarrow{BA}\;}
Formule1.2composantes et norme de AB\overrightarrow{AB}AB

Si A (xA;yA)A\,(x_A;y_A) et B (xB;yB)B\,(x_B;y_B) :

  AB(xBxA;yByA)    AB=(xBxA)2+(yByA)2  \boxed{\;\overrightarrow{AB}\,\bigl(x_B-x_A\,;\,y_B-y_A\bigr)\;} \qquad \boxed{\;\left\lVert \overrightarrow{AB}\right\rVert=\sqrt{(x_B-x_A)^2+(y_B-y_A)^2}\;}
où :
  • toujours extrémité moins origine (xBxAx_B-x_A, jamais l'inverse) ;
  • la norme vient de Pythagore ; unité = celle des coordonnées (si grandeur physique).
Exemplecalcul complet

A (2;2)A\,(2;2), B (4;5)B\,(4;5) : AB (42 ; 52)=(2;3)\overrightarrow{AB}\,(4-2\,;\,5-2)=(2;3), et AB=22+32=133,61\left\lVert \overrightarrow{AB}\right\rVert=\sqrt{2^2+3^2}=\sqrt{13}\approx 3{,}61.

2Base, repère et vecteur directeur

Définition2.1repère orthonormé, coordonnées

Un repère (O ;ı,ȷ)(O\,;\vec{\imath},\vec{\jmath}) est orthonormé si ıȷ\vec{\imath}\perp\vec{\jmath} et ı=ȷ=1\left\lVert \vec{\imath}\right\rVert=\left\lVert \vec{\jmath}\right\rVert=1. Tout vecteur u\vec u s'écrit de façon unique u=a ı+b ȷ\vec u=a\,\vec{\imath}+b\,\vec{\jmath} ; (a;b)(a;b) sont ses coordonnées, notées u (a;b)\vec u\,(a;b).

Formule2.1opérations sur les coordonnées

Avec u (a;b)\vec u\,(a;b) et v (a;b)\vec v\,(a';b') :

  u+v(a+a;b+b)    uv(aa;bb)    ku(ka;kb)  \boxed{\;\vec u+\vec v\,(a+a';b+b')\;}\qquad \boxed{\;\vec u-\vec v\,(a-a';b-b')\;}\qquad \boxed{\;k\,\vec u\,(ka;kb)\;}

principe : composante par composante ; kuk\vec u garde l'unité de u\vec u.

Exemplecalcul direct

u (1;1)\vec u\,(1;1), v (2;4)\vec v\,(-2;4) : u+v=(1;5)\vec u+\vec v=(-1;5), uv=(3;3)\vec u-\vec v=(3;-3), 3u=(3;3)3\vec u=(3;3).

Formule2.2vecteur directeur et pente d'une droite ax+by+c=0ax+by+c=0
  u(b;a) est vecteur directeur    m=ab  (b0)  \boxed{\;\vec u\,(-b;a)\text{ est vecteur directeur}\;}\qquad\qquad \boxed{\;m=-\dfrac{a}{b}\ \ (b\neq0)\;}
Propriété2.1parallélisme / perpendicularité par les pentes
dd    m=mdd    m×m=1.d\parallel d' \iff m=m' \qquad\qquad d\perp d' \iff m\times m'=-1 .
Méthodedroites parallèles ou perpendiculaires
  1. trouver un vecteur directeur de chaque droite (AB\overrightarrow{AB}, ou (b;a)(-b;a) depuis l'équation) ;
  2. parallèles : vecteurs colinéaires (ou m=mm=m') ;
  3. perpendiculaires : produit scalaire des vecteurs directeurs nul (ou mm=1mm'=-1).

3Opérations géométriques sur les vecteurs

Propriété3.1relation de Chasles

Pour tous points A,B,CA,B,C :

  AB+BC=AC  \boxed{\;\overrightarrow{AB}+\overrightarrow{BC}=\overrightarrow{AC}\;}
Figure 1Figure 1 : relation de Chasles, AB+BC=AC\overrightarrow{AB}+\overrightarrow{BC}=\overrightarrow{AC}.
Attentioncondition « bout à bout »

Chasles ne s'applique directement que si l'extrémité du premier vecteur = origine du second. Sinon, on translate un des vecteurs (équipollence) pour recréer l'enchaînement.

Propriété3.2règle du parallélogramme

Si AB+AD=AC\overrightarrow{AB}+\overrightarrow{AD}=\overrightarrow{AC} (même origine AA), alors ABCDABCD est un parallélogramme : la diagonale issue de AA porte la somme des deux côtés.

Formule3.1différence, produit par un scalaire
  v1v2=v1+(v2)    kv=kv  \boxed{\;\vec{v_1}-\vec{v_2}=\vec{v_1}+(-\vec{v_2})\;}\qquad\qquad \boxed{\;\left\lVert k\vec v\right\rVert=|k|\cdot\left\lVert \vec v\right\rVert\;}

kvk\vec v : même direction que v\vec v, même sens si k>0k>0 (sens contraire si k<0k<0), norme multipliée par k|k|.

Définition3.1colinéarité, alignement

u\vec u et v (0)\vec v\;(\neq\vec 0) sont colinéaires ssi k0\exists\,k\neq0, u=kv\vec u=k\vec v (même direction). Si AB=k AC\overrightarrow{AB}=k\,\overrightarrow{AC}, alors A,B,CA,B,C sont alignés ; si AB=k CD\overrightarrow{AB}=k\,\overrightarrow{CD}, alors (AB)(CD)(AB)\parallel(CD).

Remarquetest par le déterminant

Avec u (x;y)\vec u\,(x;y) et v (x;y)\vec v\,(x';y') : colinéaires xyxy=0\iff xy'-x'y=0. Test le plus rapide, sans chercher kk.

Méthodetrois points A,B,CA,B,C alignés ?

Calculer AB\overrightarrow{AB} et AC\overrightarrow{AC}, puis le déterminant xAByACxACyABx_{AB}y_{AC}-x_{AC}y_{AB} : nul \Rightarrow alignés.

Exemplealignement et perpendicularité

A(0;3)A(0;3), B(1;5)B(1;5), C(2;1)C(-2;-1), D(2;2)D(2;2) : AB(1;2)\overrightarrow{AB}(1;2), AC(2;4)=2 AB\overrightarrow{AC}(-2;-4)=-2\,\overrightarrow{AB} A,B,C\Rightarrow A,B,C alignés. AD(2;1)\overrightarrow{AD}(2;-1) et ABAD=1×2+2×(1)=0\overrightarrow{AB}\cdot\overrightarrow{AD}=1\times2+2\times(-1)=0 (AB)(AD)\Rightarrow (AB)\perp(AD).

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