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Un quadrilatère ABC D est un parallélogramme si, et seulement si ses diagonales ont le même milieu

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Academic year: 2022

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Texte intégral

(1)

I NOTION DE VECTEUR

1 PARALLÉLOGRAMME DÉFINITION

Un quadrilatèreABC Dest un parallélogramme si, et seulement si ses diagonales ont le même milieu

||

||

|

|

A

B

C

D

O A

B

D C O

parallélogramme aplati

PROPRIÉTÉS

— Un quadrilatèreABC Dest un parallélogramme si, et seulement si (AB)//(DC) et (AD)//(BC).

— Un quadrilatère ABC D est un parallélogramme si, et seulement si les diagonales [AC] et [B D] ont le même milieu.

— Dans un parallélogramme les côtés opposés ont la même longueur.

REMARQUE

Dire que dans un quadrilatère, il y a deux côtés opposés parallèles et de même longueur ne suffit pas pour conclure que ce quadrilatère est un parallélogramme.

A

B

D

C

Dans le quadrilatère ABC D nous avons (AB)//(C D) et AB = C D, pourtant ABC D n’est pas un parallélogramme.

2 SENS ET DIRECTION

A

B

— Lorsque deux droites sont parallèles, on dit qu’elles ont même direction.

— Une direction étant indiquée par la donnée d’une droite (AB), il y a deux sens de parcours dans cette

(2)

3 TRANSLATION

A M

N

P Q

F1

B R

S

T U

F2

Le glissement qui permet d’obtenir la figureF2à partir de la figureF1peut être décrit de façon précise par trois caractères :

— ladirectiondu glissement est donnée par la droite (AB);

— lesensdu glissement est celui deAversB;

— ladistancedu glissement est égale à la longueur du segment [AB].

On dit que la figureF2est l’image de la figureF1par la translation de vecteur

# »

AB.

REMARQUE

Les vecteurN S

# »

etP T

# »

sont aussi des vecteurs de la translation de vecteurAB, on dit qu’ils sont égaux. On

# »

note alors :

# »

AB=

# »

N S=

# »

P T

DÉFINITION

SoientAetBdeux points du plan.

La translation qui transformeAenBassocie à tout pointCdu plan, l’unique pointDtel que les segments [AD] et [BC] aient le même milieu. Cette translation est la translation de vecteurAB.

# »

Cas général

||

||

|

|

A

C

D

B

O

AB DCest un parallélogramme

Cas particuler oùA,BetCsont alignés

A

B

C

D

O

AB DCest un parallélogramme aplati

II VECTEURS

Un couple (A,B) de points du plan détermine un vecteur.Aest l’origine du vecteur etBest son extrémité.

On le note

# »

AB.

1 ÉGALITÉ DE DEUX VECTEURS

Deux vecteurs sont égaux s’ils sont associés à la même translation.

(3)

DÉFINITION

A

B

C

D

A,B,C etDsont quatre points du plan. Les définitions suivantes sont équivalentes :

AB

# »

=C D

# »

si, et seulement si,Dest l’image du pointCpar la translation de vecteurAB.

# »

AB

# »

=C D

# »

si, et seulement si, les segments [AD] et [BC] ont le même milieu.

AB

# »

=C D

# »

si, et seulement si,AB DC est un parallélogramme (Attention à l’inversion des points!).

EXEMPLE:LES TROIS PARALLÉLOGRAMMES

ABC DetAB E F sont deux parallélogrammes. Montrons queDC E F est un parallélogramme.

A

B

C D

E F

ABC Dest un parallélogramme alors,

# »

AB=DC.

# »

AB E F est un parallélogramme alors,

# »

AB=F E.

# »

Par conséquent,DC

# »

=F E

# »

donc le quadrilatèreDC E Fest un parallélogramme.

2 REPRÉSENTATION DUN VECTEUR

Devant des égalités du type

# »

AB = DC

# »

=F E

# »

= · · ·, on dit que les vecteurs AB,

# »

DC

# »

, F E, . . . sont des

# »

représentants du vecteur

u :

u =

# »

AB=DC

# »

=F E

# »

= · · · Le vecteur

# »

A A=

# »

B B= · · · est appelé le vecteur nul, noté

0 .

Soit O un point du plan. Pour tout vecteur

u, il existe un un pointMunique tel que

u=OM

# »

.

u

# »OM

M

(4)

Si

u n’est pas le vecteur nul, les pointsOetMsont distincts. Le vecteur

u est caractérisé par :

— Sa direction : c’est celle de la droite (OM).

— Son sens : c’est le sens deOversM.

— Sa norme notée°

°

u°°: c’est la distanceOM. III ADDITION VECTORIELLE

1 SOMME DE DEUX VECTEURS

Soit trois pointsA,BetC.

Si on applique la translation de vecteurAB

# »

suivie de la translation de vecteurBC, on obtient la translation

# »

de vecteurAC

# »

.

Le vecteur

# »

ACest la somme des vecteurs

# »

ABet

# »

BC

# »

AC=

# »

AB+

# »

BC

A

B

C

RELATION DECHASLES

Quels que soient les pointsA,BetCon a :

# »

AB+

# »

BC=

# »

AC

RÈGLE DU PARALLÉLOGRAMME

La somme

# »

O A+

# »

OBest le vecteur

# »

OMtel queO AM B est un parallélogramme.

CONSTRUCTION DE LA SOMME DE DEUX VECTEURS

Relation de Chasles

u

v

u+

v

A

B

C

Règle du parallélogramme

u

v

u+

v

O

A B

M

PROPRIÉTÉS ALGÉBRIQUES

Quels que soient les vecteurs

u,

v etw

u+

v =

v+

u;

u+

0 =

0+

u =

u; ¡

u+

v¢+w

=

u+¡

u+w

¢

(5)

2 DIFFÉRENCE DE DEUX VECTEURS OPPOSÉ DUN VECTEUR

L’opposé d’un vecteur

u est le vecteur noté¡

u¢tel que

u+¡

u¢=

0 .

u

u

CONSÉQUENCE

L’opposé du vecteur

# »

ABest le vecteurB A

# »

:AB

# »

=B A

# »

PREUVE

D’après la relation de Chasles :

# »

AB+

# »

B A=

# »

A A=

0

DÉFINITION

Étant donné deux vecteurs

u et

v la différence

u

v est le vecteur

u+¡

v¢.

u

v

v

u

v

u

v

A

C B

M

N

Quels que soient les pointsA,BetC,BC

# »

=AC

# »

# »

AB IV MULTIPLICATION DUN VECTEUR PAR UN RÉEL

1 PRODUIT DUN VECTEUR PAR UN RÉELk

u

−2 3

u

5 4

u

(6)

DÉFINITION

Soit

u un vecteur non nul (

u 6=

0 ) etkun réel non nul (k6=0).

Le produit du vecteur

u par le réelk, noték

u est le vecteur caractérisé par :

— sa direction :k

u a la même direction que le vecteur

u;

Cas oùk>0 Cas oùk<0

# »

OM=k

u

# »

O A=

u

O

A

M

# »

OM=k

u

# »

O A=

u

O

A

M

— son sens : le vecteurk

u a le même sens que le vecteur

u;

— sa norme : la norme du vecteurk

uest égale au produit de la norme du vecteur

u par le réelk

°°k

u°°=k×°°

u°°

— son sens : le vecteurk

u est de sens opposé au sens du vecteur

u;

— sa norme : la norme du vecteurk

u est égale au produit de la norme du vecteur

u par l’opposé du réelk

°°k

u°°= −k×°°

u°°

Ce qui s’écrit de façon générale°

°k

u°°= |k| ×°°

u°°et se lit :

« la norme du vecteurk

u est égale au produit de la norme du vecteur

u par la valeur absolue du réelk»

Lorsque

u =

0 ouk =0, on convient que k

u =

0 : ainsi, l’égaliték

u =

0 ne peut se produire que lorsque

u =

0 ouk=0.

REMARQUE

Soit A et B deux points distincts, et k un réel donné. Il existe un unique pointM défini par la relation

# »

AM=k

# »

AB:

Mest un point de la droite (AB)

Ma pour abscissekdans le repère (A;B) d’origineA M∈[Ax)

kÉ0

M∈[AB]

kÉ1

M∈[B y) kÊ1

x A B y

2 PROPRIÉTÉS ALGÉBRIQUES

Pour tous vecteurs

u et

v et pour tous réelsketk:

k¡

u+

v¢=k

u+k

v; (k+k)

u =k

u+k

u; k

u =

0 ⇐⇒k=0 ou

u=

0

3 VECTEURS COLINÉAIRES DÉFINITION

Deux vecteurs

u et

v sont dits colinéaires s’il existe un réelktel que

u=k

v ou

v =k

u

(7)

REMARQUES

— Comme

0 =0

u, le vecteur nul est colinéaire à tout vecteur.

— Deux vecteurs non nuls sont colinéaires si, et seulement si, ils ont la même direction.

4 APPLICATIONS GÉOMÉTRIQUES AVEC LES MILIEUX

MILIEU DUN SEGMENT

Étant donné un segment [AB]. Chacune des propriétés suivantes caractérise le milieu I du segment [AB] :

1)

# »

AI=

# »

I B ou 2)

# »

I A+

# »

I B=

0 ou 3)

# »

AB=2

# »

AI. 4) Pour tout pointMdu plan

# »

M A+

# »

M B=2

# »

M I.

DÉMONSTRATION

1. L’égalité

# »

AI=I B

# »

caractérise le milieuI du segment [AB] (conséquence de la définition de l’égalité de deux vecteurs).

2. Imilieu du segment [AB]⇐⇒

# »

AI=I B

# »

⇐⇒ I A

# »

= −I B

# »

⇐⇒I A

# »

+I B

# »

=

0 3. Imilieu du segment [AB]⇐⇒

# »

AI=I B

# »

⇐⇒2AI

# »

=

# »

AI+I B

# »

⇐⇒ 2

# »

AI=

# »

AB 4. SiI est le milieu du segment [AB], alors pour tout pointM

# »

M A+M B

# »

=³M I

# »

+I A

# »

´+³M I

# »

+I B

# »

´=2M I

# »

+I A

# »

+I B

# »

| {z }

=0

=2M I

# »

Réciproquement, la propriétéM A

# »

+M B

# »

=2M I

# »

étant vraie pour tout point M on peut l’appliquer au pointI. Soit :

I A

# »

+

# »

I B=2

I I=

0 Ce qui prouve queI est le milieu du segment [AB]

THÉORÈME

SoitABCun triangle,I etJles milieux respectifs de [AB] et [AC] alorsBC

# »

=2I J

DÉMONSTRATION

# »

BC=

# »

B A+

# »

AC=2

# »

I A+2

# »

A J=2³

# »

I A+

# »

A J´

=2

I J

PARALLÉLISME ET ALIGNEMENT

— Deux droites (AB) et (C D) sont parallèles si, et seulement si, les vecteurs

# »

ABet

# »

C Dsont colinéaires.

— Trois pointsA,BetCsont alignés si, et seulement si, les vecteurs

# »

ABet

# »

AC sont colinéaires.

DÉMONSTRATION

— Si (AB)//(C D) alors, les vecteursAB

# »

etC D

# »

ont la même direction donc ils sont colinéaires.

(8)

A

B

D

C

Réciproquement si les vecteurs

# »

AB et C D

# »

sont colinéaires alors, ils ont la même direction donc (AB)//(C D)

# »

AB et

# »

AC sont colinéaires signifie donc (AB)//(AC). Deux droites parallèles ayant un point commun sont confondues.

EXEMPLES

EXEMPLE1 :CONSTRUCTION DE POINTS

La méthode pour construire un pointMdéfini par une égalité vectorielle est d’obtenir une relation du type :

# »

OM =

u z }| {

origine connue

z }| {

vecteur connu

Soit trois points non alignés A, B et C . Construire le point M défini parM A

# »

3M B

# »

=

# »

AC

— Choisissons par exempleAcomme «origine connue»

# »

M A−3M B

# »

=AC

# »

⇐⇒M A

# »

3³M A

# »

+AB

# »

´=AC

# »

⇐⇒M A

# »

3M A

# »

−3

# »

AB=AC

# »

⇐⇒ −2M A

# »

=3AB

# »

+AC

# »

⇐⇒

# »

M A= −3

2

# »

AB−1

2

# »

AC

⇐⇒ AM

# »

=3 2

# »

AB+1

2

# »

AC

— Nous pouvons construire le pointM:

3 2

# »AB 1# » 2

AC

1# » 2 AC

# »AM

A

B C

M

EXEMPLE2 :PARALLÉLISME,ALIGNEMENT

Montrer que des points sont aligné, ou sont sur des droites parallèles, revient à montrer que des vecteurs sont colinéaires.

Soit ABC un triangle, I le milieu de[AC], M est le symétrique de B par rapport à C et le point N est tel que

# »

AN=1

3

# »

AB . Les points M , I et N sont-ils alignés ?

1# »

||

||

A

B C

I

N M

(9)

Iest le milieu du segment [AC] donc

# »

AI=1 2

# »

AC

Mest le symétrique deBpar rapport àCdoncCest le milieu du segment [B M] d’où

# »

MC=

# »

C B. Exprimons les vecteurs

# »

M Iet

# »

I Nen fonction des vecteurs

# »

ABet

# »

AC:

# »

M I=

# »

MC+

# »

C I=

# »

C B−1 2

# »

AC=

# »

C A+

# »

AB−1

2

# »

AC=

# »

AB−3 2

# »

AC I N

# »

=I A

# »

+AN

# »

= −1

2

# »

AC+1

3

# »

AB Ainsi,M I

# »

=AB

# »

3

2

# »

ACetI N

# »

=1 3

# »

AB−1

2

# »

ACd’oùM I

# »

=3I N

# »

.

Par conséquent, les vecteursM I

# »

etI N

# »

sont colinéaires donc les pointsM,I etN sont alignés.

V COORDONNÉES

1 REPÈRE DU PLAN

On appelle base tout couple¡

~ı,~¢

de vecteurs non colinéaires.

Un repère du plan est un triplet¡ O;~ı,~¢

où O est un point du plan (appelé origine du repère) et¡

~ı,~¢ une base.

O x

y

~ı

~

Repère quelconque

O x

y

~ı

~ I J

(OI)⊥(O J) Repère orthogonal

O x

y

~ı

~

I J

Repère orthonormé (OI)⊥(O J) etOI=O J 2 COORDONNÉES DUN VECTEUR

Le plan est muni d’un repère¡ O;~ı,~¢

. Soit~uun vecteur.

On appelle coordonnées du vecteur~ules coordonnées du pointM¡ x;y¢

dans le repère¡ O;~ı,~¢

tel que

# »

OM=~u.

On note indifféremment~u¡ x;y¢

ou~u µx

y

¶ .

~

~ı O

M x~ı

y~

x~ı

y~

~ u

(10)

— ¡ x;y¢

sont les coordonnées du pointMdans le repère¡ O;~ı,~¢

signifie queOM

# »

=x~ı+y~.

— µx

y

sont les coordonnées du vecteur~udans le repère¡ O;~ı,~¢

signifie que~u=x~ı+y~.

REMARQUE

Les coordonnées d’un vecteur dépendent du choix du repère.

EXEMPLE

ABC Dest un parallélogramme de centreO.

— Dans le repère³

A;AB,

# » # »

AC´

:

A(0;0),B(1;0),C(1;1),D(0;1),AC

# »

µ1 1

etB D

# »

µ1 1

~ı

~

A

B

C D

O

— Dans le repère³

O;O A,

# »

OB

# »

´:

A(1;0),B(0;1),C(−1;0),D(0;−1),

# »

AC

µ−2 0

¶ et

# »

B D µ 0

−1

~ı

~

A

B

C D

O

PROPRIÉTÉS DES COORDONNÉES

Soit¡ O;~ı,~¢

un repère du plan,~u µx

y

¶ et~v

µx y

deux vecteurs :

— ~u=~0 équivaut àx=0 ety=0.

— ~u=~véquivaut àx=xety=y.

— Le vecteur~u+~va pour coordonnées µx+x

y+y

¶ .

— pour tout réelk, le vecteurk~ua pour coordonnées µkx

k y

¶ .

3 COORDONNÉES DU VECTEURAB

# »

Soit¡

O;~ı,~¢

un repère du plan et deux pointsA¡ xA;yA¢

etB¡ xB;yB¢

. Les coordonnées du vecteur

# »

ABdans le repère¡

O;~ı,~¢

sontAB

# »

µxBxA

yByA

¶ .

~

~ı O A

B (xBxA)~ı

¡yByA¢

~

(11)

DÉMONSTRATION

D’après la relation de Chasles

# »

AB =

# »

AO+

# »

OB =

# »

OBO A. Donc les coordonnées du vecteur

# » # »

AB sont

# »

AB

µxBxA

yByA

¶ .

Dans le déplacement qui amèneAsurB,xBxAcode le déplacement suivant l’axe des abscisses etyByA

code le déplacement suivant l’axe des ordonnées.

4 CONDITION DE COLINÉARITÉ

Soit¡ O;~ı,~¢

un repère du plan. Les vecteurs~u µx

y

¶ et~v

µx y

sont colinéaires si, et seulement si,

x yxy=0

Cette relation est très importante, elle permet de « faire » de la géométrie avec des calculs numériques; ainsi :

— (AB)

(C D) si et seulement si

# »

ABetC D

# »

sont colinéaires.

A,BetCsont alignés si et seulement si

# »

ABetAC

# »

sont colinéaires.

Exemple :

1. On donneA(−1 ; 2),B(3 ;−2),C(2 ;−1). Montrer queA,BetCsont alignés.

2. On donneA(−1 ; 2),B(3 ;−2),C(1 ; 1) etD(2 ; 0). Montrer que (AB)

(C D).

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