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Mathématiques · 2ème année Bac

Géométrie dans l'espace : produit scalaire

1Rappels du cours

Le produit scalaire de deux vecteurs de l'espace

Dans l'espace muni d'un repère orthonormé, le produit scalaire de deux vecteurs u(x;y;z) et v(x';y';z') est défini par :

u · v = x×x' + y×y' + z×z'

Propriétés du produit scalaire

  • u · v = v · u (symétrie)
  • u · (v + w) = u · v + u · w (distributivité)
  • (k×u) · v = k×(u · v) pour tout réel k
  • u · u = ||u||² (norme au carré)

Norme d'un vecteur

La norme du vecteur u(x;y;z) est :

||u|| = √(x² + y² + z²)

Orthogonalité

Deux vecteurs u et v sont orthogonaux si et seulement si :

u · v = 0

Cette propriété permet de démontrer qu'une droite est perpendiculaire à un plan, ou que deux droites de l'espace sont orthogonales.

Vecteur normal à un plan

Un vecteur n non nul est normal à un plan P s'il est orthogonal à deux vecteurs non colinéaires de ce plan. Si n(a;b;c) est normal au plan P passant par un point A, alors P admet une équation cartésienne de la forme :

ax + by + cz + d = 0

où d est déterminé en utilisant les coordonnées du point A.

Application : distance d'un point à un plan

La distance d'un point M(x₀;y₀;z₀) à un plan P d'équation ax+by+cz+d=0 est :

d(M,P) = |ax₀+by₀+cz₀+d| / √(a²+b²+c²)

3Validation directe — QCM

Chaque question peut avoir une ou plusieurs bonnes réponses. Cochez toutes les propositions qui vous semblent justes. L'ordre des questions et des réponses change à chaque nouvelle tentative.

1. Dans l'espace muni d'un repère orthonormé, A(1;0;2), B(3;1;1), C(2;-1;0). Calculer AB⃗ · AC⃗.

2. Quelles affirmations sur le produit scalaire dans l'espace sont vraies ?

3. Deux vecteurs non nuls u⃗ et v⃗ sont orthogonaux si et seulement si...

4. Dans « Géométrie dans l’espace », quelle affirmation est exacte ?

5. Dans « Géométrie dans l’espace », sélectionne toutes les propositions exactes.

6. À propos de « Géométrie dans l’espace », quelles affirmations sont correctes ?

7. Parmi ces propositions sur « Géométrie dans l’espace », lesquelles sont exactes ?

8. Dans « Géométrie dans l’espace », quelle proposition décrit une erreur à éviter ?

9. Dans l'espace, trois points non alignés déterminent…

10. Deux droites de l'espace peuvent être…

11. Pour montrer qu'une droite est parallèle à un plan, on peut notamment montrer que…

12. Si un plan a pour équation ax+by+cz+d=0, un vecteur normal est…

13. Deux plans sont parallèles si leurs vecteurs normaux sont…

14. Deux plans sont perpendiculaires si leurs vecteurs normaux sont…

15. Le produit scalaire de u=(1,2,3) et v=(2,0,-1) vaut…

16. Deux vecteurs non nuls sont orthogonaux si…

17. Quelles données définissent une droite de l'espace ?

18. Une représentation paramétrique de la droite passant par A(x0,y0,z0) de directeur (a,b,c) est…

19. Pour savoir si un point appartient à un plan, on…

20. Pour qu'une droite soit perpendiculaire à un plan, son vecteur directeur doit être…

21. Si deux droites ont des vecteurs directeurs colinéaires, elles sont…

22. La distance d'un point A à un plan est…

23. Quelle erreur classique faut-il éviter ?

4Entraînement

Exercice type — Examen national

Examen national — adapté

Dans l'espace muni d'un repère orthonormé (O; i⃗, j⃗, k⃗), on considère les points A(1;0;2), B(3;1;1) et C(2;-1;0).

  1. Calculer les coordonnées des vecteurs AB⃗ et AC⃗.
  2. Calculer le produit scalaire AB⃗ · AC⃗.
  3. En déduire si le triangle ABC est rectangle en A.
  4. Calculer AB et AC (normes), puis calculer cos(Â) où Â est l'angle en A.