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Cours · Bac+1 (MPSI)

Géométrie

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Géométrie vectorielle

Non commencé

Définitions

Dans l'espace orienté R3\mathbb{R}^3 muni du produit scalaire canonique, le produit vectoriel u⃗∧v⃗\vec{u} \wedge \vec{v} est le unique vecteur orthogonal à u⃗\vec{u} et v⃗\vec{v}, de norme ∥u⃗∥ ∥v⃗∥ ∣sin⁡θ∣\|\vec{u}\|\,\|\vec{v}\|\,|\sin\theta|, et formant un trièdre direct avec (u⃗,v⃗)(\vec{u}, \vec{v}).

Propriétés : antisymétrie u⃗∧v⃗=−v⃗∧u⃗\vec{u} \wedge \vec{v} = -\vec{v} \wedge \vec{u}, bilinéarité, u⃗∧u⃗=0⃗\vec{u} \wedge \vec{u} = \vec{0}, u⃗∧v⃗=0⃗⇔u⃗\vec{u} \wedge \vec{v} = \vec{0} \Leftrightarrow \vec{u} et v⃗\vec{v} colinéaires. Formule en coordonnées dans la base canonique. Le produit mixte ⟨u⃗,v⃗∧w⃗⟩\langle \vec{u}, \vec{v} \wedge \vec{w} \rangle donne le volume orienté du parallélépipède.

Le produit vectoriel u⃗∧v⃗\vec{u}\wedge\vec{v} dans R3\mathbb{R}^3 est orthogonal à u⃗\vec{u} et v⃗\vec{v}, de norme ∥u∥∥v∥∣sin⁡θ∣\|u\|\|v\||\sin\theta|, trièdre direct.

Antisymétrie, bilinéarité, u⃗∧u⃗=0⃗\vec{u}\wedge\vec{u}=\vec{0}. Produit mixte = volume orienté du parallélépipède.

Formules

  • ∥u⃗∧v⃗∥=∥u⃗∥ ∥v⃗∥ ∣sin⁡θ∣\|\vec{u} \wedge \vec{v}\| = \|\vec{u}\|\,\|\vec{v}\|\,|\sin\theta|
  • u⃗∧v⃗⊥u⃗ et v⃗\vec{u} \wedge \vec{v} \perp \vec{u} \text{ et } \vec{v}
  • i⃗∧j⃗=k⃗(base orthonormeˊe directe)\vec{i} \wedge \vec{j} = \vec{k} \quad \text{(base orthonormée directe)}
  • ∣⟨u⃗,v⃗∧w⃗⟩∣=aire base×hauteur|\langle \vec{u}, \vec{v} \wedge \vec{w} \rangle| = \text{aire base} \times \text{hauteur}

Exemples

Exemple 1

Calculer (1,0,0)∧(0,1,0)(1,0,0)\wedge(0,1,0).

Méthode

(1) Lire l'énoncé et repérer les hypothèses / la forme utile. (2) Dans la base orthonormée directe : i⃗∧j⃗=k⃗\vec{i}\wedge\vec{j}=\vec{k}. (3) Vérifier le résultat (ordre de grandeur, cas particulier, ou dérivation/substitution).

Résultat

(0,0,1)(0,0,1).

Exemple 2

Aire du parallélogramme engendré par u⃗\vec{u}, v⃗\vec{v}.

Méthode

(1) Lire l'énoncé et repérer les hypothèses / la forme utile. (2) L'aire vaut ∥u⃗∧v⃗∥\|\vec{u}\wedge\vec{v}\|. Si colinéaires, aire nulle. (3) Vérifier le résultat (ordre de grandeur, cas particulier, ou dérivation/substitution).

Résultat

Aire =∥u⃗∧v⃗∥=\|\vec{u}\wedge\vec{v}\|.

À retenir

Courbes

Non commencé

Définitions

Une courbe paramétrée est une application t↦M(t)t \mapsto M(t) d'un intervalle II dans R2\mathbb{R}^2 ou R3\mathbb{R}^3. La courbe t↦(cos⁡t,sin⁡t)t \mapsto (\cos t, \sin t) est le cercle unité. Une courbe cartésienne est définie par une équation F(x,y)=0F(x,y)=0 ou y=f(x)y=f(x).

Le vecteur vitesse est v⃗(t)=M′(t)\vec{v}(t) = M'(t) ; le vecteur tangent est colinéaire à v⃗(t)\vec{v}(t) si v⃗(t)≠0⃗\vec{v}(t) \neq \vec{0}. Points singuliers : v⃗(t0)=0⃗\vec{v}(t_0)=\vec{0}. Coniques : parabole (y=x2y=x^2), ellipse, hyperbole. En prépa, on étudie aussi les courbes polaires r=f(θ)r = f(\theta).

Une courbe paramétrée t↦M(t)=(x(t),y(t))t\mapsto M(t)=(x(t),y(t)). Vecteur vitesse M′(t)M'(t) ; tangente si M′(t)≠0M'(t)\neq 0. Points singuliers : M′(t0)=0M'(t_0)=0.

Coniques : cercle, ellipse, parabole, hyperbole. Polaires r=f(θ)r=f(\theta). Longueur L=∫ab∥M′(t)∥ dtL=\int_a^b\|M'(t)\|\,dt.

Formules

  • M(t)=(x(t),y(t));v⃗(t)=(x′(t),y′(t))M(t) = (x(t), y(t)) \quad ; \quad \vec{v}(t) = (x'(t), y'(t))
  • Cercle : x2+y2=R2⇔t↦(Rcos⁡t,Rsin⁡t)\text{Cercle : } x^2 + y^2 = R^2 \Leftrightarrow t \mapsto (R\cos t, R\sin t)
  • Parabole : y=ax2+bx+c\text{Parabole : } y = ax^2 + bx + c
  • Longueur : L=∫ab∥M′(t)∥ dt\text{Longueur : } L = \int_a^b \|M'(t)\|\,dt

Exemples

Exemple 1

Nature de t↦(cos⁡t,sin⁡t)t\mapsto(\cos t,\sin t).

Méthode

(1) Lire l'énoncé et repérer les hypothèses / la forme utile. (2) x2+y2=1x^2+y^2=1 : cercle unité, parcouru dans le sens direct, période 2π2\pi. (3) Vérifier le résultat (ordre de grandeur, cas particulier, ou dérivation/substitution).

Résultat

Cercle unité.

Exemple 2

Tangente à M(t)=(t,t2)M(t)=(t,t^2) en t0t_0.

Méthode

(1) Lire l'énoncé et repérer les hypothèses / la forme utile. (2) M′(t)=(1,2t)M'(t)=(1,2t) : direction (1,2t0)(1,2t_0) en t0t_0. (3) Vérifier le résultat (ordre de grandeur, cas particulier, ou dérivation/substitution).

Résultat

Tangente de direction (1,2t0)(1,2t_0).

À retenir