Vecteurs et coordonnées Cours

Vecteurs et coordonnées

Durée estimée
20 minutes
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Objectifs du chapitre

1 - Repères et coordonnées

Définition

Un repère du plan est déterminé par un point quelconque O, appelé origine du repère, et deux vecteurs $\vec{i}$ et $\vec{j}$ non colinéaires.

Définition

On dit que le repère $\left(O;\vec{i},\vec{j}\right)$ est :

  • orthogonal : si les vecteurs $\vec{i}$ et $\vec{j}$ sont orthogonaux
  • orthonormé ou orthonormal : si le repère est orthogonal et si les vecteurs $\vec{i}$ et $\vec{j}$ ont la même norme.
repère orthonormé

Repère orthonormé

2 - Coordonnées d'un vecteur

Définition

Soit $\left(O;\vec{i},\vec{j}\right)$ un repère du plan.

On dit que $M$ a pour coordonnées $\left(x ; y\right)$ si et seulement si :

$\overrightarrow{OM}=x\vec{i}+y\vec{j}$

On dit que $\vec{u}$ a pour coordonnées $\begin{pmatrix} x \\ y \end{pmatrix}$ si et seulement si :

$\vec{u}=x\vec{i}+y\vec{j}$

Par la suite, on considère que le plan P est muni d'un repère $\left(O;\vec{i},\vec{j}\right)$.

Propriété

Deux vecteurs $\vec{u}$ et $\vec{v}$ sont égaux si et seulement si ils ont les mêmes coordonnées.

Propriété

Soient $A\left(x_A;y_A\right)$ et $B\left(x_B;y_B\right)$. Le vecteur $\overrightarrow{AB}$ a pour coordonnées $\begin{pmatrix} x_B - x_A \\ y_B - y_A \end{pmatrix}$

Exemple

Soient $A\left(1 ; 1\right), B\left(4 ; 2\right), C\left(5 ; 0\right), D\left(2 ; - 1\right)$

Les coordonnées de $\overrightarrow{AB}$ sont $\begin{pmatrix} 4 - 1 \\ 2 - 1 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 3 \\ 1 \end{pmatrix}$

Les coordonnées de $\overrightarrow{DC}$ sont $\begin{pmatrix} 5 - 2 \\ 0 - \left( - 1\right) \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 3 \\ 1 \end{pmatrix}$

$\overrightarrow{AB} = \overrightarrow{DC}$ donc $ABCD$ est un parallélogramme (voir Généralités sur les vecteurs).

3 - Opérations sur les coordonnées

Propriété

Soient deux vecteurs $\vec{u} \begin{pmatrix} x \\ y \end{pmatrix}$ et $\vec{v} \begin{pmatrix} x^{\prime} \\ y^{\prime} \end{pmatrix}$.

  • Le vecteur $\vec{u}+\vec{v}$ a pour coordonnées $\begin{pmatrix} x+x^{\prime} \\ y+y^{\prime} \end{pmatrix}$
  • Le vecteur $k\vec{u}$ a pour coordonnées $\begin{pmatrix} kx \\ ky \end{pmatrix}$

4 - Colinéarité et déterminant

Définition

Soient deux vecteurs $\vec{u} \begin{pmatrix} x \\ y \end{pmatrix}$ et $\vec{v} \begin{pmatrix} x^{\prime} \\ y^{\prime} \end{pmatrix}$ dans un repère orthonormé.

On appelle déterminant des vecteurs $\vec{u}$ et $\vec{v}$ le nombre réel noté $\det\left(\vec{u},\vec{v}\right)$ défini par :

$\det\left(\vec{u},\vec{v}\right) = xy^{\prime} - yx^{\prime}$

Propriété

Deux vecteurs $\vec{u}$ et $\vec{v}$ sont colinéaires si et seulement si $\det\left(\vec{u},\vec{v}\right) = 0$, c'est-à-dire :

$xy^{\prime} - yx^{\prime}=0$

[preuve]

Soient $\vec{u} \begin{pmatrix} x \\ y \end{pmatrix}$ et $\vec{v} \begin{pmatrix} x^{\prime} \\ y^{\prime} \end{pmatrix}$ deux vecteurs non nuls.

Sens direct : si $\vec{u}$ et $\vec{v}$ sont colinéaires, il existe un réel $k$ tel que $\vec{v} = k\vec{u}$, c'est-à-dire $x^{\prime} = kx$ et $y^{\prime} = ky$.
Alors $xy^{\prime} - yx^{\prime} = x(ky) - y(kx) = kxy - kxy = 0$.

Réciproque : supposons que $xy^{\prime} - yx^{\prime} = 0$, c'est-à-dire $xy^{\prime} = yx^{\prime}$.

Si $x \neq 0$ : on pose $k = \dfrac{x^{\prime}}{x}$. Alors $x^{\prime} = kx$ et $xy^{\prime} = yx^{\prime} = ykx$ donc $y^{\prime} = ky$ (car $x \neq 0$). On a bien $\vec{v} = k\vec{u}$.

Si $x = 0$ : comme $\vec{u}$ est non nul, on a $y \neq 0$. L'égalité $xy^{\prime} = yx^{\prime}$ donne $0 = yx^{\prime}$ donc $x^{\prime} = 0$. On pose alors $k = \dfrac{y^{\prime}}{y}$ et on a $\vec{v} = k\vec{u}$.

Dans tous les cas, $\vec{u}$ et $\vec{v}$ sont colinéaires.

[/preuve]

Application

Soient $\vec{u} \begin{pmatrix} 2 \\ -3 \end{pmatrix}$ et $\vec{v} \begin{pmatrix} -4 \\ 6 \end{pmatrix}$.

$\det\left(\vec{u},\vec{v}\right) = 2 \times 6 - (-3) \times (-4) = 12 - 12 = 0$

Les vecteurs $\vec{u}$ et $\vec{v}$ sont donc colinéaires.

On peut vérifier : $\vec{v} = -2\vec{u}$.

5 - Milieu d'un segment

Propriété

Si $A\left(x_A;y_A\right)$ et $B\left(x_B;y_B\right)$, le milieu $M$ de $\left[AB\right]$ a pour coordonnées :

$M \left(\dfrac{x_A+x_B}{2} ; \dfrac{y_A+y_B}{2}\right)$

6 - Norme et distance

Propriété

Soit un vecteur $\vec{u} \begin{pmatrix} x \\ y \end{pmatrix}$. Alors :

$||\vec{u}||=\sqrt{x^2+y^2}$

On en déduit si $A\left(x_A;y_A\right)$ et $B\left(x_B;y_B\right)$ :

$AB=||\overrightarrow{AB}||=\sqrt{\left(x_B - x_A\right)^2+\left(y_B - y_A\right)^2}$

Exemple

Soient $A\left(1 ; 0\right), B\left(3 ; 1\right), C\left(0 ; 2\right)$.

Que peut-on dire du triangle $ABC$ ?

$AB=\sqrt{2^2+1^2}=\sqrt{5}$
$AC=\sqrt{\left( - 1\right)^2+2^2}=\sqrt{5}$
$BC=\sqrt{\left( - 3\right)^2+1^2}=\sqrt{10}$

Donc $AB=AC$.

De plus :
$AB^2+AC^2=5+5=10$
$BC^2=10$

Le triangle $ABC$ est donc rectangle en $A$ (réciproque du théorème de Pythagore) et isocèle.

Les questions essentielles

1. Comment calculer les coordonnées d'un vecteur ?

Pour calculer les coordonnées du vecteur $\overrightarrow{AB}$, on fait la différence « arrivée moins départ » : $\overrightarrow{AB} \begin{pmatrix} x_B - x_A \\ y_B - y_A \end{pmatrix}$.

Voir la fiche méthode : Calculer les coordonnées d'un vecteur

2. Comment montrer que trois points sont alignés ?

On calcule les coordonnées de deux vecteurs ayant un point en commun, puis on vérifie que leur déterminant est nul (ce qui prouve la colinéarité).

Voir la fiche méthode : Montrer que 3 points sont alignés

3. Comment calculer les coordonnées du milieu d'un segment ?

On utilise la formule du milieu : $I\left(\dfrac{x_A + x_B}{2} ~;~ \dfrac{y_A + y_B}{2}\right)$. On peut aussi retrouver un point symétrique connaissant le milieu.

Voir la fiche méthode : Calculer les coordonnées du milieu d'un segment

4. Comment calculer la distance entre deux points ?

Dans un repère orthonormé, on utilise la formule : $AB = \sqrt{(x_B - x_A)^2 + (y_B - y_A)^2}$. Cette formule permet aussi de déterminer la nature d'un triangle.

Voir la fiche méthode : Calculer une distance entre deux points

5. Comment montrer que deux droites sont parallèles avec les coordonnées ?

On détermine un vecteur directeur de chaque droite, puis on calcule le déterminant. Si le déterminant est nul, les droites sont parallèles.

Voir la fiche méthode : Montrer que deux droites sont parallèles