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MATHEMATIQUES
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Sommaire
A. Bases - Repères! ___________________________________________________________ 3
A.1.Bases 3
A.2.Repère 3
B. Vecteurs! __________________________________________________________________ 4
B.1.Introduction 4
B.2.Définitions 4
B.2.1. Vecteur lié B.2.2. Vecteur libre B.2.3. Vecteur glissant
B.3.Opérations sur les vecteurs 5
B.3.1. Addition
B.3.2. Produit par un scalaire B.3.3. Produit scalaire B.3.4. Produit vectoriel
B.4.Moment d’un vecteur glissant 9
B.4.1. Moment par rapport à un point B.4.2. Moment par rapport à un axe
B.5.Représentation des vecteurs 10
C. Projections! ______________________________________________________________ 11
C.1.Introduction 11
C.2.Signe de l’angle de rotation 11
C.2.1. Convention de signe
C.2.2. Exemples en représentation plane
C.3.Projections 12
C.3.1. Représentation de la position relative des bases C.3.2. Formules de projection entre 2 bases
A. Bases - Repères
A.1. Bases
Une base est B constituée de 3 vecteurs
( ! x, !
y, !
z )
, tels qu’aucun de ces vecteurs ne soient colinéaires entre-eux. Elle est notéeB( !
x, ! y, !
z )
Une base sera dite orthogonale si chacun des vecteurs sont orthogonaux 2 à 2.
Une base sera dite orthonormée si elle est orthogonale, et si la norme de chacun de cas vecteurs est égal à 1. On parle alors de vecteurs unitaires :
!
x = ! y = !
z = 1
Une base sera dite orthonormée directe si les trois vecteurs unitaires orthogonaux respectenr la loi du tire-bouchon de Maxwell, appelée aussi règle de la main droite :
A.2. Repère
Un repère est constitué :
• d’une base
B( ! x, !
y, ! z )
• d’un point, origine du repère
Un repère sera noté
ℜ(O, ! x, !
y, ! z )
Par défaut, lorsque la nature du repère ou de la base n’est pas explicitée, nous supposerons que la base est orthornormée directe
x !
!y
z !
x !
y!
z ! x !
y!
! z
x !
y!
z !
!x
!y
!z
x !
y!
z !
O
B. Vecteurs
B.1. Introduction
De nombreuses notions en génie mécanique et en génie électrique font appel à des variables qui sont avantageusement décrites par des vecteurs : longueurs, forces et moments, vitesses et vitesses angulaires, champs électromagnétiques tournants, ...
B.2. Définitions
B.2.1. Vecteur lié
Un vecteur lié est un bipoint ordonné :
!
V = AB " ! ""
avec
A x
Ay
Az
A⎛
⎝
⎜ ⎜
⎜
⎞
⎠
⎟ ⎟
⎟
et
B x
By
Bz
B⎛
⎝
⎜ ⎜
⎜
⎞
⎠
⎟ ⎟
⎟
Un vecteur lié n’a qu’un représentant dans l’espace : le bipoint {A,B}. Il est défini par :
• un point d’application A
• une direction (
Δ
)• un sens
!
u
(appelé vecteur unitaire)• une intensité
Ses coordonnées sont :
AB ! " !! x
B− x
Ay
B− y
Az
B− z
A⎛
⎝
⎜
⎜
⎜
⎞
⎠
⎟
⎟
⎟
Son intensité (ou module) vaut :
! " AB !!
= ( x
B− x
A)
2+ ( y
B− y
A)
2+ ( z
B− z
A)
2Son sens est tel que
! u = AB " ! ""
AB " ! ""
On appelle vecteurs équipollents à
AB ! " !!
tous les vecteurs de direction parallèle à (
Δ
), de même sens et de même module queAB ! " !!
Ce vecteur dépend de 6 paramètres :
( x
A, y
A, z
A, x
B, y
B, z
B)
B.2.2.Vecteur libre
On désigne par vecteur libre l’ensemble des vecteurs équipollents à un vecteur donné.
On écrira
!
u
sous la forme :
!
u = u
x! x + u
y!
y + u
z! z
Ce vecteur dépend de 3 paramètres :
( u
x,u
y,u
z)
B.2.3.Vecteur glissant
Un vecteur glissant est l'ensemble des vecteurs libres qui sont portés par la même direction.
B.3. Opérations sur les vecteurs
Toutes les opérations sur les composantes décrites ci-après n’ont évidemment de sens que si ces composantes font référence à la même base.
B.3.1.Addition
Dans cette partie, on considère une base orthonormée directe
B( ! x, !
y, ! z )
.On définit deux vecteurs
u !"
1=
ℜ
x
1y
1z
1⎛
⎝
⎜ ⎜
⎜
⎞
⎠
⎟ ⎟
⎟
= x
1"
x + y
1"
y + z
1"
z
etu !"!
2=
ℜ
x
2y
2z
2⎛
⎝
⎜ ⎜
⎜
⎞
⎠
⎟ ⎟
⎟
= x
2"
x + y
2"
y + z
2"
z
u !"
1+ u !"!
2= u !"!
2+ u !"
1=
ℜ
x
1+ x
2y
1+ y
2z
1+ z
2⎛
⎝
⎜ ⎜
⎜
⎞
⎠
⎟ ⎟
⎟
= (x
1+ x
2) "
x + (y
1+ y
2) "
y + (z
1+ z
2) "
z
u !
1!
u
2u !
1+ !
u
2Dans le cas de deux vecteurs liés, on retrouve la relation de Chasles :
AB ! " !!
+ BC ! " !!
= ! " AC !!
Si la somme de n vecteurs est égal au vecteur nul
!
0
alors ces n vecteurs forment un polygone fermé :u !"
1+ u !"!
2+ u !"!
3+ u !"!
4= 0
B.3.2.Produit par un scalaire
Dans la suite on définit une base orthonormée directe
B x !"
1, x !"!
2, x !"!
3( )
et 2 vecteurs! u =
ℜ
u
1u
2u
3⎛
⎝
⎜ ⎜
⎜
⎞
⎠
⎟ ⎟
⎟
et
! v =
ℜ
v
1v
2v
3⎛
⎝
⎜ ⎜
⎜
⎞
⎠
⎟ ⎟
⎟
La multiplication
λ !
u
d’un vecteur!
u
par un nombre réelλ
est un vecteur :• colinéaire au vecteur
! u
,• de norme
λ . ! u
• de même sens si
λ > 0
, de sens opposé siλ < 0
Les composantes de ce vecteur sont
λ u ! =
ℜ
λu
1λ u
2λ u
3⎛
⎝
⎜
⎜
⎜
⎞
⎠
⎟
⎟
⎟
B.3.3.Produit scalaire
B.3.3.1. Définition
Le produit scalaire
! u. !
v
de deux vecteurs! u
et!
v
est un nombre réel défini par :
!
u. ! v = !
u . !
v cos α
oùα = ! u, !
( v )
La valeur du produit scalaire est indépendant de la base choisie.
A
B
AB C
! " !!
! " AC !!
! " BC !!
u !
1!
u
2u !
3u !
4u !
v !
α
B.3.3.2. Propriétés
1. Si
λ
etµ
sont 2 scalaires, alorsλ !
( ) u . ( ) µ v ! = λµ ( u. ! v ! )
2. Commutativité :
! u. !
v = ! v. !
u
3. Distributivité du produit scalaire sur l’addition :
! u. !
v + !
( w ) = u. ! v ! + u. ! w !
4. Deux vecteurs sont orthogonaux si
! u. !
v = 0
(condition nécessaire et suffisante)B.3.3.3. Approche analytique
Dans une base orthonormée directe , les vecteurs unitaires sont normés (c’est-à-dire que leur norme vaut 1). par conséquent :
x !"
1.x !"!
1= 1
,x !"!
2.x !"!
2= 1
,x !"!
3.x !"!
3= 1
Par ailleurs, chacun de ces vecteurs sont orthogonaux 2 à 2, et par conséquent :
x !"
1.x !"!
2= 0
,x !"
1.x !"!
3= 0
,x !"!
2.x !"!
3= 0
Le produit scalaire des deux vecteurs
! u
et!
v
est alors :
u. ! v ! = u
1u
2u
3⎛
⎝
⎜
⎜
⎜
⎞
⎠
⎟
⎟
⎟ .
v
1v
2v
3⎛
⎝
⎜
⎜
⎜
⎞
⎠
⎟
⎟
⎟
= u
1.v
1+ u
2.v
2+ u
3.v
3B.3.3.4. Approche géométrique
On considère un vecteur
!
u
que l’on souhaite projeter orthogonalement sur une droite de direction définie par un vecteur unitaire!
δ
Le produit scalaire
! u. !
δ
de ces deux vecteurs correspond à la valeur de la projection de!
u
sur la droite de direction! δ
B.3.3.5. Norme et produit scalaire
Le produit scalaire d’un vecteur par lui-même est égal au carré de la norme de ce vecteur :
!
u. ! u = !
u
2x
1!"
O !"! x
2x
3!"!
δ !
u !
u ! . !
δ
B.3.4.Produit vectoriel
B.3.4.1. Définition
On considère deux vecteurs
! u
et!
v
, formant un angleα = ! u, !
( v )
.Le produit vectoriel
! u ∧ !
v
de ces 2 vecteurs est un vecteur!
w
tel que :•le vecteur
!
w
est orthogonal au plan formé par les deux vecteurs! u
et!
v
•son sens est tel que la base
! u, !
v, !
( w )
est directe•sa norme est égale à
! w = !
u . ! v sinα
B.3.4.2.Propriétés 1. Associativité :
λ !
( ) u ∧ v ! = u ! ∧ ( ) λ v ! = λ ( u ! ∧ v ! )
2. Distributivité du produit vectoriel sur l’addition :
!
u ∧ ! v + !
( w ) = u ! ∧ v ! + u ! ∧ w !
!
u + !
( v ) ∧ w ! = u ! ∧ w ! + v ! ∧ w !
3. Antisymétrie :
! u ∧ !
v = − ! v ∧ !
u
4. 2 vecteurs
! u
et!
v
sont colinéaires si! u ∧ !
v = ! 0
B.3.4.3. Base directe
Si
B x !"
1, x !"!
2, x !"!
3( )
est une base orthonormée directe, alors :•
x !"
1∧ x !"
1= "
0
,y !"
1∧ y !"
1= "
0
,z !"
1∧ z !"
1= "
0
•
x !"
1∧ x !"!
2= x !"!
3,
x !"!
2∧ !"! x
3= x !"
1,
x !"!
3∧ !" x
1= x !"!
2•
x !"!
2∧ !" x
1= − ! " !! x
3,
x !"!
3∧ !"! x
2= − !" x
1,
x !"
1∧ !"! x
3= − !"! x
2B.3.4.4. Approche analytique Le produit vectoriel de 2 vecteurs dans une base
B x !"
1, x !"!
2, !"! x
3( )
orthonormée directe a pour expression :u ! ∧ ! v =
B
u
1u
2u
3⎛
⎝
⎜ ⎜
⎜
⎞
⎠
⎟ ⎟
⎟
∧
B
v
1v
2v
3⎛
⎝
⎜ ⎜
⎜
⎞
⎠
⎟ ⎟
⎟
=
B
u
2v
3− u
3v
2u
3v
1− u
1v
3u
1v
2− u
2v
1⎛
⎝
⎜ ⎜
⎜
⎞
⎠
⎟ ⎟
⎟ u !
v ! w ! = !
u ∧ !
v α
B.3.4.5. Autres relations Double produit vectoriel
On appelle double produit vectoriel de 3 vecteurs
! u
,!
v
et!
w
l’expression! x = !
u ∧ ! v ∧ !
( w )
On montre que
! u ∧ !
v ∧ !
( w ) = ( u. ! w ! ) v ! − ( u. ! v ! ) w !
Produit mixte
On appelle double produit mixte de 3 vecteurs
! u
,!
v
et!
w
l’expression! x = !
u , ! v, !
( w ) = u. ! ( v ! ∧ w ! )
On montre que
! u. !
v ∧ !
( w ) = v. ! ( w ! ∧ u ! ) = w. ! ( u ! ∧ v ! )
B.4. Moment d’un vecteur glissant
B.4.1.Moment par rapport à un point
On considère un vecteur
!
u
, glissant sur une droite(Δ)
, dont un représentant a pour origine le point AOn appelle moment de ce vecteur par rapport à un point P le vecteur
M
P!
( ) u
" """""" !
= PA " ! ""
∧ ! u
Ce vecteur moment est perpendiculaire au plan formé par les vecteurs
!
u
etPA ! " !!
Sa norme
M
P( !
" """"" u) !
est égale au produit
d. !
u
où d est appelé «bras de levier»(Attention à l’erreur fréquente qui consiste à confondre d avec
PA ! " !!
)
A
(Δ) P
u ! M
P!
( ) u
" """""" !
d
H
PA! "!!
B.4.2.Moment par rapport à un axe
On considère un vecteur
!
u
, glissant sur une droite(Δ)
, dont un représentant a pour origine le point AOn considère un axe (D) dont B est un point, et
! δ
sonvecteur directeur unitaire.
On appelle moment de ce vecteur par rapport à l’axe (D) la projection du moment
M
B( !
" """"" u) !
sur la droite (D) :
M
D( !
" """""" u) !
= M
B( ! u )
" """"" ! . !
( δ ) δ !
S o i t é g a l e m e n t :
M
D( !
" """""" u) !
= BA " ! ""
∧ !
( u ) . δ !
( ) δ ! = ( δ ! , BA " ! "" , u ! ) δ !
B.5. Représentation des vecteurs
S’il est aisé de dessiner des vecteurs dans le plan de la figure, un vecteur perpendiculaire sera plus délicat à représenter, en particulier son sens.
On adoptera alors la méthode suivante :
Un vecteur sera représenté par une flèche Cette flèche sera représentée comme suit :
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A. Rappels Projections
L’ensemble des vecteurs 𝑢⃗, 𝑣⃗, 𝑥⃗, 𝑦⃗, 𝑧⃗ ∀𝑖 sont unitaires : ‖𝑢⃗‖ = ‖𝑣⃗‖ = ‖𝑥⃗‖ = ‖𝑧⃗‖ = ‖𝑧⃗‖ = 1 L’ensemble des bases 𝔅 ∀𝑖 utilisées sont directes orthonormées.
A.I. Paramétrage angulaire A.I.1 Situation
Soit la situation suivante :
On souhaite paramétrer la rotation relative des bases 1 et 2.
A.I.2 Mouvement de rotation A.I.2.a Axe de rotation
Un mouvement de rotation s’effectue autour d’un axe, c’est-à-dire une droite, et le sens de la rotation est définit à l’aide d’un vecteur appartenant à celui-ci. Ce vecteur peut être prix dans un sens ou dans l’autre selon l’axe de rotation.
Dans le cas présenté ci-dessus, la rotation à lieu autour de l’axe (𝑂, 𝑧⃗) ou (𝑂, 𝑧⃗).
Généralement, on ne représente pas le vecteur autour duquel on tourne car il est « hors plan ». Dans le cas ci-dessus, il « vient vers nous ».
On peut toutefois faire apparaître son sens. Considérons la flèche suivante :
Lorsque l’on regarde cette flèche de face, on voit :
Lorsqu’on la regarde de derrière, on voit :
On va donc pouvoir représenter les vecteurs hors plans avec l’une de ces deux représentations.
𝑦⃗ 𝑦⃗
𝑥⃗
𝑥⃗
𝑧⃗ = 𝑧⃗ 𝑂
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A. Rappels Projections
L’ensemble des vecteurs 𝑢⃗, 𝑣⃗, 𝑥⃗, 𝑦⃗, 𝑧⃗ ∀𝑖 sont unitaires : ‖𝑢⃗‖ = ‖𝑣⃗‖ = ‖𝑥⃗‖ = ‖𝑧⃗‖ = ‖𝑧⃗‖ = 1 L’ensemble des bases 𝔅 ∀𝑖 utilisées sont directes orthonormées.
A.I. Paramétrage angulaire A.I.1 Situation
Soit la situation suivante :
On souhaite paramétrer la rotation relative des bases 1 et 2.
A.I.2 Mouvement de rotation A.I.2.a Axe de rotation
Un mouvement de rotation s’effectue autour d’un axe, c’est-à-dire une droite, et le sens de la rotation est définit à l’aide d’un vecteur appartenant à celui-ci. Ce vecteur peut être prix dans un sens ou dans l’autre selon l’axe de rotation.
Dans le cas présenté ci-dessus, la rotation à lieu autour de l’axe (𝑂, 𝑧⃗) ou (𝑂, 𝑧⃗).
Généralement, on ne représente pas le vecteur autour duquel on tourne car il est « hors plan ». Dans le cas ci-dessus, il « vient vers nous ».
On peut toutefois faire apparaître son sens. Considérons la flèche suivante :
Lorsque l’on regarde cette flèche de face, on voit :
Lorsqu’on la regarde de derrière, on voit :
On va donc pouvoir représenter les vecteurs hors plans avec l’une de ces deux représentations.
𝑦⃗ 𝑦⃗
𝑥⃗
𝑥⃗
𝑧⃗ = 𝑧⃗ 𝑂
• vue de face
• vue de derrière
Ainsi, la base représentée en perspective ci-contre pourrait être représentée comme suit :
ou
x !
!y! z
Dernière mise à jour Référentiels et bases associées Denis DEFAUCHY
19/09/2016 Cours
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A. Rappels Projections
L’ensemble des vecteurs 𝑢⃗, 𝑣⃗, 𝑥⃗, 𝑦⃗, 𝑧⃗ ∀𝑖 sont unitaires : ‖𝑢⃗‖ = ‖𝑣⃗‖ = ‖𝑥⃗‖ = ‖𝑧⃗‖ = ‖𝑧⃗‖ = 1 L’ensemble des bases 𝔅 ∀𝑖 utilisées sont directes orthonormées.
A.I. Paramétrage angulaire A.I.1 Situation Soit la situation suivante :
On souhaite paramétrer la rotation relative des bases 1 et 2.
A.I.2 Mouvement de rotation A.I.2.a Axe de rotation
Un mouvement de rotation s’effectue autour d’un axe, c’est-à-dire une droite, et le sens de la rotation est définit à l’aide d’un vecteur appartenant à celui-ci. Ce vecteur peut être prix dans un sens ou dans l’autre selon l’axe de rotation.
Dans le cas présenté ci-dessus, la rotation à lieu autour de l’axe (𝑂, 𝑧⃗) ou (𝑂, 𝑧⃗).
Généralement, on ne représente pas le vecteur autour duquel on tourne car il est « hors plan ». Dans le cas ci-dessus, il « vient vers nous ».
On peut toutefois faire apparaître son sens. Considérons la flèche suivante :
Lorsque l’on regarde cette flèche de face, on voit :
Lorsqu’on la regarde de derrière, on voit :
On va donc pouvoir représenter les vecteurs hors plans avec l’une de ces deux représentations.
𝑦⃗ 𝑦⃗
𝑥⃗
𝑥⃗
𝑧⃗ = 𝑧⃗ 𝑂
x !
y!
! z
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A. Rappels Projections
L’ensemble des vecteurs 𝑢⃗, 𝑣⃗, 𝑥⃗, 𝑦⃗, 𝑧⃗ ∀𝑖 sont unitaires : ‖𝑢⃗‖ = ‖𝑣⃗‖ = ‖𝑥⃗‖ = ‖𝑧⃗‖ = ‖𝑧⃗‖ = 1 L’ensemble des bases 𝔅 ∀𝑖 utilisées sont directes orthonormées.
A.I. Paramétrage angulaire A.I.1 Situation Soit la situation suivante :
On souhaite paramétrer la rotation relative des bases 1 et 2.
A.I.2 Mouvement de rotation A.I.2.a Axe de rotation
Un mouvement de rotation s’effectue autour d’un axe, c’est-à-dire une droite, et le sens de la rotation est définit à l’aide d’un vecteur appartenant à celui-ci. Ce vecteur peut être prix dans un sens ou dans l’autre selon l’axe de rotation.
Dans le cas présenté ci-dessus, la rotation à lieu autour de l’axe (𝑂, 𝑧⃗) ou (𝑂, 𝑧⃗).
Généralement, on ne représente pas le vecteur autour duquel on tourne car il est « hors plan ». Dans le cas ci-dessus, il « vient vers nous ».
On peut toutefois faire apparaître son sens. Considérons la flèche suivante :
Lorsque l’on regarde cette flèche de face, on voit :
Lorsqu’on la regarde de derrière, on voit :
On va donc pouvoir représenter les vecteurs hors plans avec l’une de ces deux représentations.
𝑦⃗ 𝑦⃗
𝑥⃗
𝑥⃗
𝑧⃗ = 𝑧⃗ 𝑂
A
(Δ) B
u ! M
P!
( ) u
" """""" !
d
H
PA! "!!
(D)
M
D!
( ) u
" """""" ! δ !
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A. Rappels Projections
L’ensemble des vecteurs 𝑢⃗, 𝑣⃗, 𝑥⃗, 𝑦⃗, 𝑧⃗ ∀𝑖 sont unitaires : ‖𝑢⃗‖ = ‖𝑣⃗‖ = ‖𝑥⃗‖ = ‖𝑧⃗‖ = ‖𝑧⃗‖ = 1 L’ensemble des bases 𝔅 ∀𝑖 utilisées sont directes orthonormées.
A.I. Paramétrage angulaire A.I.1 Situation
Soit la situation suivante :
On souhaite paramétrer la rotation relative des bases 1 et 2.
A.I.2 Mouvement de rotation A.I.2.a Axe de rotation
Un mouvement de rotation s’effectue autour d’un axe, c’est-à-dire une droite, et le sens de la rotation est définit à l’aide d’un vecteur appartenant à celui-ci. Ce vecteur peut être prix dans un sens ou dans l’autre selon l’axe de rotation.
Dans le cas présenté ci-dessus, la rotation à lieu autour de l’axe (𝑂, 𝑧⃗) ou (𝑂, 𝑧⃗).
Généralement, on ne représente pas le vecteur autour duquel on tourne car il est « hors plan ». Dans le cas ci-dessus, il « vient vers nous ».
On peut toutefois faire apparaître son sens. Considérons la flèche suivante :
Lorsque l’on regarde cette flèche de face, on voit :
Lorsqu’on la regarde de derrière, on voit :
On va donc pouvoir représenter les vecteurs hors plans avec l’une de ces deux représentations.
𝑦⃗ 𝑦⃗
𝑥⃗
𝑥⃗
𝑧⃗ = 𝑧⃗ 𝑂
x !
y!
z !
RAPPELS MATHEMATIQUES COURS
Vecteurs Edition 3 - 02/09/2020
C. Projections
C.1. Introduction
Il est très fréquent lors de la modélisation des phénomènes physiques mécaniques d’exprimer des vecteurs dans des bases différentes.
Les opérations mathématiques sur ces vecteurs s’en trouvent alors délicates, car les vecteurs à manipuler sont exprimés dans des bases différentes.
Il est alors nécessaire d’exprimer une base par rapport à une autre, dont le passage de l’une à l’autre est le plus souvent la conséquence d’une rotation autour d’un axe commun aux deux bases.
Dans l’exemple ci-contre, la base
B
2( ! x
2, !
y
2, !
z
2)
se construit à partir la baseB
1( ! x
1, !
y
1, !
z
1)
par une rotation d’angleα
autour de l’axe communz !"
1= z !"
2C.2. Signe de l’angle de rotation
C.2.1.Convention de signe
Il est très important de rappeler que les angles sont orientés : le sens de l’angle définit son signe. Un angle sera positif s’il est direct :
En appliquant la règle du tire-bouchon de Maxwell, tourner dans le sens de
α
implique un mouvement dans le sens de!
z
. Cet angle sera donc positif.Inversement, cet angle ci-contre sera négatif car orienté dans le sens indirect (tourner dans le sens de
α
implique un mouvement dans le sens inverse de!
z
)x
1!"
y
1!"
z
1!"
= z !"
2x
2!"!
y
2!"!
α
α
!z
α
!z
C.2.2.Exemples en représentation plane
x
1!"
y
1!"
z
1!"
= z !"
2x
2!"!
y
2!"!
α !" x
1y
1!"
z
1!"
= z !"
2x
2!"!
y
2!"!
α
z
1!"
x
1!"
y
1!"
= !"! y
2z
2!"
x
2!"!
α
α > 0
α < 0
α < 0
C.3. Projections
C.3.1.Représentation de la position relative des bases
La représentation la plus fréquente correspond à un angle
0 ≤ α < π 2
:
!" x
1y
1!"
z
1!"
= z !"
2x
2!"!
y
2!"!
α
Mais d’autres représentations peuvent exister :
x
1!"
y
1!"
z
1!"
= z !"
2x
2!"!
y
2!"!
α
x
1!"
y
1!"
z
1!"
= z !"
2x
2!"!
y
2!"!
α
x
1!"
y
1!"
z
1!"
= z !"
2x
2!"!
y
2!"!
α
C.3.2.Formules de projection entre 2 bases
C.3.2.1. Représentation la plus courante
Le problème consiste à exprimer les vecteurs unitaires
x !"!
2et
y !"!
2dans la base
B x !"
1, y !"
1, z !"
1( )
x
2!"!
= cos α x !"
1+ sin α y !"
1Une façon de déterminer si un vecteur se projette en cosinus ou en sinus est de regarder sur quel vecteur «s’appuie» l’angle
Si l’angle s’appuie sur
x !"
1alors la projection sera un cosinus sur
x !"
1(et donc un sinus sur
y !"
1)
y
2!"!
= − sin α x !"
1+ cos α y !"
1D’où finalement les relations classiques de projection :
x
2!"!
= cos α !" x
1+ sin α !" y
1y
2!"!
= − sin α !" x
1+ cos α !" y
1z
2!"
= z !"
1⎧
⎨ ⎪
⎩ ⎪
x
1!"
y
1!"
z
1!"
= z !"
2x
2!"!
y
2!"!
α
x
1!"
y
1!"
x
2!"!
α
cos α
sin α
x
1!"
y
1!"
y
2!"!
α
cos α
sin α
L’angle «s’appuie» sur
x !"
1: projection en cosinus
L’angle «s’appuie» sur
y !"
1: projection en cosinus
C.3.2.2. Représentations non usuelles
Les représentations inusuelles sont souvent l’origine d’erreurs dans l’écriture des relations de projection, en particulier en ce qui concerne les signes.
Exemple 1
L’erreur classique dans ce cas de figure est d’écrire :
x
2!"!
= cos α !" x
1− sin α !" y
1En effet, si
x !"!
2semble se projeter suivant -
y !"
1c’est parce que
α < 0
et doncsinα < 0
Exemple 2
L’erreur serait dans ce cas d’écrire :
x
2!"!
= − sin α !" x
1+ cos α !" y
1En effet, si
x !"!
2semble se projeter suivant -
x !"
1c’est parce que
α > π
2
et donccosα < 0
Solution pour éviter ces erreurs
Le meilleur moyen d’éviter des erreurs est de refaire une figure du changement de base dans laquelle
α < π 2
.z
1!"
y
1!"
x
1!"
= !"! x
2z
2!"
y
2!"! α
z
1!"
y
1!"
x
1!"
= !"! x
2z
2!"
y
2!"!
Par exemple est équivalent à
α
x
1!"
y
1!"
z
1!"
= z !"
2x
2!"!
y
2!"!
α
x
1!"
y
1!"
z
1!"
= z !"
2x
2!"!
y
2!"!
α
ERREUR !
ERREUR !
ce qui permet alors d’écrire facilement les équations de projection :
x
2!"!
= x !"
1y
2!"!
= cos α !" y
1+ sin α z !"
1z
2!"
= − sin α y !"
1+ cos α z !"
1⎧
⎨ ⎪
⎩ ⎪
C.3.2.3. Angle en apparence positif
L’angle
α
est en apparence orienté positivement. Mais il est en réalité négatif, car dans le sens indirect par rapport à l’axex !"
1Les équations de projection doivent s’écrire :
x
2!"!
= cos α !" x
1− sin α z !"
1y
2!"!
= !" y
1z
2!"
= sin α y !"
1+ cos α z !"
1⎧
⎨ ⎪
⎩ ⎪
car
α < 0
z
1!"
x
1!"
y
1!"
= y !"!
2z
2!"
x
2!"!
α
D. Systèmes de coordonnées
En fonction des mécanismes à modéliser, on sera amené à utiliser un système de coordonnée adapté au paramétrage de ce mécanisme
D.1. Coordonnées cartésiennes O, !
x, ! y, !
( z )
est un repère orthonormé direct.Le point P est paramétré par ses projections orthogonales sur les 3 axes :
M x y z
⎛
⎝
⎜
⎜ ⎜
⎞
⎠
⎟
⎟ ⎟
ou
OM ! " !!!
= x. "
x + y. "
y + z. "
z
D.2. Coordonnées cylindriques O, !
x, ! y, !
( z )
est un repère orthonormé direct.Le point M est paramétré :
• la distance
ρ
entre O et la projection de M dans le planO, ! x, !
( y )
• l’angle
θ = ! x, !
u
ρ( )
OM ! " !!!
= ρu !"!
ρ+ z. "
z = ρ cosθ "
x + sinθ "
( y ) + z. z "
u !"!
ρest appelé vecteur radial
u !"!
θest appelée vecteur orthoradial
D.3. Coordonnées sphériques
O, ! x, !
y, !
( z )
est un repère orthonormé direct.Le point M est paramétré :
• la distance
ρ
entre O et la projection de M dans le planO, ! x, !
( y )
• l’angle
ϕ = ! x, !
( u )
• l’angle