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Produit scalaire et orthogonalité dans l'espace

🟡 Moyen

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  1. 1

    Calcule la mesure de l'angle entre les vecteurs u⃗(110)\vec{u}\begin{pmatrix} 1 \\ 1 \\ 0 \end{pmatrix} et v⃗(101)\vec{v}\begin{pmatrix} 1 \\ 0 \\ 1 \end{pmatrix}.

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    Étape 1 — Je calcule le produit scalaire : u⃗⋅v⃗=1×1+1×0+0×1=1\vec{u}\cdot \vec{v} = 1\times 1 + 1\times 0 + 0\times 1 = 1.
    Étape 2 — Je calcule les normes : ∥u⃗∥=1+1+0=2\Vert \vec{u}\Vert = \sqrt{1 + 1 + 0} = \sqrt{2} et ∥v⃗∥=1+0+1=2\Vert \vec{v}\Vert = \sqrt{1 + 0 + 1} = \sqrt{2}.
    Étape 3 — J'utilise cos⁡(θ)=u⃗⋅v⃗∥u⃗∥×∥v⃗∥=12×2=12\cos (\theta ) = \frac{\vec{u}\cdot \vec{v}}{\Vert \vec{u}\Vert \times \Vert \vec{v}\Vert } = \frac{1}{\sqrt{2} \times \sqrt{2}} = \frac{1}{2}.
    Étape 4 — L'angle dont le cosinus vaut 12\frac{1}{2} est 60∘60^{\circ}.
    L'angle entre u⃗\vec{u} et v⃗\vec{v} mesure 60∘60^{\circ}.

  2. 2

    Détermine la valeur du réel t pour que les vecteurs u⃗(tt−12)\vec{u}\begin{pmatrix} t \\ t - 1 \\ 2 \end{pmatrix} et v⃗(21−1)\vec{v}\begin{pmatrix} 2 \\ 1 \\ -1 \end{pmatrix} soient orthogonaux.

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    Étape 1 — La condition d'orthogonalité s'écrit u⃗⋅v⃗=0\vec{u}\cdot \vec{v} = 0.
    Étape 2 — Je calcule le produit scalaire : u⃗⋅v⃗=t×2+(t−1)×1+2×(−1)=2t+t−1−2=3t−3\vec{u}\cdot \vec{v} = t\times 2 + (t - 1)\times 1 + 2\times (-1) = 2t + t - 1 - 2 = 3t - 3.
    Étape 3 — Je résous 3t−3=03t - 3 = 0, soit 3t=33t = 3, donc t=1t = 1.
    Étape 4 — Vérification : pour t=1t = 1, u⃗(102)\vec{u}\begin{pmatrix} 1 \\ 0 \\ 2 \end{pmatrix} et v⃗(21−1)\vec{v}\begin{pmatrix} 2 \\ 1 \\ -1 \end{pmatrix}, u⃗⋅v⃗=2+0−2=0\vec{u}\cdot \vec{v} = 2 + 0 - 2 = 0.
    Résultat : t=1t = 1.

  3. 3

    On donne u⃗(2−21)\vec{u}\begin{pmatrix} 2 \\ -2 \\ 1 \end{pmatrix} et v⃗(122)\vec{v}\begin{pmatrix} 1 \\ 2 \\ 2 \end{pmatrix}. Montre que u⃗\vec{u} et v⃗\vec{v} sont orthogonaux, puis calcule ∥u⃗∥\Vert \vec{u}\Vert et ∥v⃗∥\Vert \vec{v}\Vert.

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  4. 4

    Calcule la distance du point A(1 ; 2 ; 3) au plan 𝒫 d'équation x+2y+2z−3=0x + 2y + 2z - 3 = 0.

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  5. 5

    Deux vecteurs u⃗\vec{u} et v⃗\vec{v} vérifient ∥u⃗∥=3\Vert \vec{u}\Vert = 3, ∥v⃗∥=4\Vert \vec{v}\Vert = 4 et u⃗⋅v⃗=5\vec{u}\cdot \vec{v} = 5. Calcule ∥u⃗+v⃗∥\Vert \vec{u} + \vec{v}\Vert.

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  6. 6

    Une droite 𝒹 a pour vecteur directeur d(1 ; −1 ; 2)d(1 \,;\, -1 \,;\, 2). Le plan 𝒫 a pour équation 2x−2y+4z+5=02x - 2y + 4z + 5 = 0. La droite 𝒹 est-elle orthogonale au plan 𝒫 ?

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  7. 7

    Détermine une équation cartésienne du plan 𝒫 passant par le point A(1 ; 2 ; −1)A(1 \,;\, 2 \,;\, -1) et admettant n⃗(2−13)\vec{n}\begin{pmatrix} 2 \\ -1 \\ 3 \end{pmatrix} comme vecteur normal.

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  8. 8

    Deux vecteurs u⃗\vec{u} et v⃗\vec{v} vérifient ∥u⃗∥=2\Vert \vec{u}\Vert = 2, ∥v⃗∥=3\Vert \vec{v}\Vert = 3 et u⃗⋅v⃗=1\vec{u}\cdot \vec{v} = 1. Développe et calcule (u⃗+2v⃗)⋅(u⃗−v⃗)(\vec{u} + 2\vec{v})\cdot (\vec{u} - \vec{v}).

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  9. 9

    Le plan 𝒫 a pour équation 3x+y−2z−4=03x + y - 2z - 4 = 0. Les points M(2 ; 0 ; 1) et N(1 ; 1 ; −1)N(1 \,;\, 1 \,;\, -1) appartiennent-ils à 𝒫 ?

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  10. 10

    Dans un repère orthonormé, A(1 ; 0 ; 0), B(0 ; 1 ; 0) et C(0 ; 0 ; 1). Détermine la nature du triangle ABC, puis calcule l'angle en A.

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